超快激光在玻璃加工中的应用

玻璃是一种透明的固体材料，广泛用于人们的日常生活中。玻璃的应用范围正在扩大，特别是与其他材料相结合，可以在高科技领域中更多地使用。玻璃由普通材料制成，如碳酸钠，石灰石和沙子。这些材料在高温条件下（约1500℃）溶解，并且像液体一样，可以倾倒，吹制，压制和模制成各种形状。然而，在室温下，玻璃变成固体，由于冷却后机械性能的变化而变得难以加工。玻璃具有其他材料所没有的独特性能。它具有出色的光学性能，反射，弯曲，透射和吸收光线，在整个观察范围内及以后具有高透明度。在化学性质方面，玻璃是一种惰性，耐腐蚀的材料，可以作为许多化学品的容器。玻璃在热和电方面是绝佳的绝缘体。从物理性质的观点来看，玻璃表面坚硬，耐刮擦且耐磨。近年来，玻璃通过各种方法具有均匀的弹性。然而，正是这些性能使玻璃加工更具挑战性，例如，一旦玻璃具有优异的拉伸强度，它就变脆。因此，处理玻璃的方法及其应用都需要长期考虑。玻璃制造可以追溯到公元前3500年左右。人工制造的玻璃首先出现在美索不达米亚和埃及，首先用于制作珠宝，然后用于制作盆。从那时起，加工技术已从手工加工发展到今天的高科技工业流程，并出现了许多玻璃类别和应用。尽管玻璃制造历史悠久，但近几十年来，由于玻璃的脆弱性，加工成品玻璃产品的过程已经停滞不前。通常一个小裂缝会导致玻璃破裂。一旦微裂纹在玻璃的某一部分形成，它就会扩散到玻璃的边缘，导致开裂。这种易碎的玻璃特性使其难以加工。另一方面，不断发展的技术使得可以制造具有较小结构和不同形状的玻璃以应用于不同领域。传统的精密方法，例如光刻和电子束光刻，加工玻璃，但这些技术太昂贵且难以处理，特别是对于大面积区域。如今，激光技术提供了最精确的玻璃加工方法。最直接的方法是在波长范围内使用单光子吸收，并且玻璃在红外或紫外光下不是高度透明的。然而，直接吸收会引起问题，包括不利的热效应和热影响区的形成，这会导致微裂纹严重损害玻璃的机械稳定性。另外，在玻璃表面下处理以产生三维结构需要使用高透明度波长。尽管纳秒脉冲激光可用于制造玻璃中的亚表面结构（图1），但玻璃的物理机制限制了微细加工的精细度并且还产生微裂纹。图1：使用纳秒激光（左）和近红外（NIR）飞秒激光（右）激光处理玻璃的示例。