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玻璃基板切割新工艺:飞秒激光实现不同材料加工

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成丝切割是一个相对较新的工艺,使用了超短脉冲(USP)激光器切割各种各样的玻璃基板,包括用于智能手机显示器的软性硼硅酸盐以及钢化玻璃等。成丝切割的优势在于能够产生弯曲的形状和切口,切割速度高达2000毫米/秒,以及优异的无应力边缘质量,无需后期处理等。

玻璃基板切割新工艺:飞秒激光实现不同材料加工

由聚焦的USP激光器产生的高峰值强度光束,因非线性光学克尔效应而产生的自聚焦,会进一步提升功率密度,直到在某一阈值处产生低密度等离子体。该等离子体降低了光束路径中心的材料折射率,并促使光束散焦。如果将光束聚焦光学器件进行适当的配置,则可以周期性地重复该聚焦/散焦效应,并且能形成稳定的细丝,这种细丝能通过光学透明材料延伸超过几毫米的深度。通过加工件相对于激光束的相对移动来使这些激光产生的细丝彼此靠近,就能实现连续切割。典型的细丝直径在0.5到1微米的范围内,可实现非常高精度的切割。

这种切割技术的所有商业版本,例如相干-罗芬公司的SmartCleave都曾使用了皮秒激光器。当前有几家显示器制造商广泛使用这些系统,因为这种系统能够有效地切割厚度达10毫米的玻璃。

但是,在某些应用中的一个缺点就是这些皮秒激光器系统并不是材料中性的。切割玻璃上的聚酰亚胺和金属等混合层基底通常需要额外的激光工艺来切割具有所需高质量边缘的非玻璃层。

飞秒激光器具有比皮秒激光器高得多的峰值功率与平均功率比,并且能够通过传统切割(即,通过材料蒸发进行切割)实现对几乎任何材料的加工。然而,与皮秒激光器相比,飞秒激光器因其更高的成本和更低的功率而尚未用于成丝切割应用。

但是,行业对多层基板切割的需求已经促使激光制造商开发能提供较高平均功率、且更具成本效益的飞秒激光器。因此,研发人员利用掺镱光纤而不是传统的钛:蓝宝石作为增益介质实现了上述目的。

相干公司研发的工业级Monaco飞秒激光器,就能提供高达60W的平均功率。而且,它的脉冲宽度可以实现从<350 fs到> 10 ps的调整,从而可以针对不同的成丝条件以及其他材料切割和纹理工艺进行输出功率的优化。

在相干公司的应用实验室中,使用了这种激光器进行玻璃成丝的测试。Monaco飞秒激光器可以通过使用所谓的“突发模式”来切割厚度达几毫米的玻璃,其中激光输出被分成一系列快速爆发。单个脉冲之间的短暂间隔(20ns)产生与整个脉冲能量而不是单个脉冲能量成比例的材料相互作用。

最重要的是,他们已经证明,通过精心的工艺优化,具有两种或更多种不同材料的分层基材可以实现一次完全切割,同时还具有优异的边缘质量。在下面所示的例子中,通过原子力显微镜测量的边视图结果显示,0.5毫米厚玻璃上的20微米聚酰亚胺用平均功率为40瓦、脉冲宽度为~350fs的飞秒激光切割,产生的表面粗糙度小于350纳米。

玻璃基板切割新工艺:飞秒激光实现不同材料加工

美国相干公司产品营销总监Michael Laha表示:“对于那些使用我们皮秒激光器的平板显示器(FPDS)和智能设备厂商而言,SmartCleave已经成为一个很受欢迎的工艺。但是,制造商要求将这种技术扩展到混合层基板,而不需要额外的操作步骤。持续的工作已经证明我们能满足这种需求:即与市面现有皮秒激光器拥有类似每瓦特成本的飞秒激光器。”

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