三分钟探讨纳飞光电皮秒激光器切割玻璃的几种方式

玻璃在日常生活中随处可见，可见于建筑、3C电子、汽车、太能电池等领域。从成片玻璃到终端所需的各种尺寸、形状的显示外屏、挡风玻璃等，切割成型是必不可少的工序。

传统的玻璃切割包括刀轮切割和CNC研磨切割，传统切割工艺的主要缺点在于成型较差，材料利用率低，易产生碎屑，特别是异形切割方面精度下降，效率低，如若对边缘要求高，则还需要增加工序进行研磨，费时费力，主要适合大尺寸的工件加工。此外，还有熔融切割、热应力裂纹切割等以CO2激光器为辅助工具的切割工艺，即先通过激光加热使之软化熔融，或直接高压气体吹拂产生割槽，或急剧冷却使之沿着指定路线破裂，切割品质较传统切割方式有所保障，但和以皮秒激光器为代表的超快激光器的切割工艺相比，总体略显不足。

皮秒激光器切割玻璃等材质的原理是：当脉宽来到皮秒量级时，脉冲越短，能量转移到电子的速度越快，电子与晶格之间便没有足够的时间产生温度平衡。对于金属和大多数其他材料而言，电子-声子弛豫时间典型值在1~10ps之间甚至更短。当纳飞光电皮秒激光器输出的10ps左右脉冲作用在玻璃表面时，瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生改变，电子的热量开始向周围的晶格扩散导致相位爆炸，从而完成玻璃表面材料从点到线的去除（切割），整个过程避免了激光线性吸收、能量转移和扩散，因此也就几乎没有热作用存在，这类型皮秒激光器的加工方式也被称为冷加工，总体的切割边缘质感更好，崩边小，裂纹少，加工效率高。

随着探索的不断深入和工艺的不断成熟，以皮秒激光器为切割光源，形成了以整体切割、划线断裂分割、成丝切割、贝塞尔光束切割等切实可行的、高效的主流玻璃切割方式。

整体切割，是直接采用激光一刀成型，无需其他后续加工步骤，更多是应用在较薄的玻璃切割中，应用皮秒激光器的高功率、窄脉宽和高峰值功率往往可以做到直接切透，一次成型，切割边缘平滑，无需二次加工。整体切割是一种极具吸引力的工艺。

激光号称最快的刀，划线断裂分割，更像是以激光为刀，通过往复运动在玻璃表面划线形成线槽，后借助机械外力或是CO2激光器照射使之断裂开来，与刀轮切割原理相差无几，但切割面毛边少，品质较高。

成丝切割则充分利用了成丝现象（又称波导效应）。当高功率皮秒激光在透明介质中不产生明显的发散，其传输距离可以远远超越衍射极限，同时会产生等离子通道，该通道通常成为“光丝”，这一过程即为成丝现象。细丝形成的过程中主要有两个物理机理起作用：自聚焦效应和自散焦效应，光束在两者动态平衡中实现长距离传播，在玻璃工件中形成微米级丝孔。基于此，通过控制玻璃工件相对于激光束进行运动形成等间距的众多丝孔，再优化丝孔间距产生直径方向的微裂纹，对这些裂纹施加外力，使玻璃沿着微裂纹断裂，达到切割的目的。成丝切割获得的玻璃断面相对较为干净整齐。

贝塞尔光束切割，是借助贝塞尔切割头实现内聚焦玻璃高质量切割。贝塞尔切割头类似于特殊参数的聚焦物镜（光束整形），集成到激光器上时形成一种由长距离干涉产生的激光束，允许能量集中在透明材料内部传播而不会发生衍射，焦深可达几毫米，温度场分布和能量分布更加均匀，且具有非常高的能量密度，能够对玻璃材料进行深度烧蚀，根据设定切割路线完成切割。贝塞尔切割不会在玻璃内部形成爆裂，因此对玻璃强度损伤微乎其微，保证切割面平整光滑，无崩边，切缝质量高，品质佳，轻松实现全面屏玻璃面板异形角度的切割需求。

由此可见，皮秒激光切割工艺的丰富给了玻璃切割从容的选择，而且速度快、精度高、无刀具模型需求，易集成到大型流水线上，可实现自动化，经济性较好。目前皮秒激光切割除了用于玻璃切割外，还可以用于蓝宝石、超薄玻璃基板、陶瓷基底等硬脆性材料加工领域，使之在切割品质、效率方面得到了有效提升。