皮秒激光器对薄玻璃和蓝宝石进行高质量切割

玻璃和其他透明脆性材料的加工是激光器的重要应用领域。玻璃的激光切割用于显示器和移动设备制造，电子产品包装， 汽车玻璃和太阳能制造等领域。在这些行业中，需要处理各种厚度的玻璃。同时移动设备中的玻璃向更薄的趋势发展，这是因为人们要求设备更轻， 柔韧并且可弯曲。

基于我们利用贝塞尔光束进行玻璃加工的丰富经验（应用说明 ＃46；SPI 技术文献），通过专门选择的贝塞尔光束光学元件， Spectra－Physics IceFyre® 1064－50 工业皮秒激光器输出产生较短贝塞尔区域 （图 1），来加工薄玻璃和蓝宝石。为完成这些测试而选择的材料包括： ～300 μm Cornin Eagle X （碱性硼铝硅酸盐） 玻璃， ～100μm 厚 Corning Willow （无碱硼硅酸盐） 玻璃以及～300 μm 厚蓝宝石。由于通过高斯光束剖面 产生的贝塞尔光束在 z 轴上的强度可变（图 2），最好使贝塞尔区域比材料厚度更长，以便在该厚度上实现更均匀的强度。

由图 1 中的原理图描述的光学结构产生的贝塞尔区域在空气中的长度约为 440 μm， 半径为 1.1 μm。在应用材料中， 贝塞尔区域和半径都更大， 这由材料的折射率决定。对于我们所用的两种玻璃， 产生长度为 ～680 μm 和半径为 ～1.7 μm 的贝塞尔区域。蓝宝石较高的折射率导致长度增加了 ～780 μm 以及 ～2 μm 半径。

图 1 中的光学系统类似于先前的贝塞尔切割工作中使用的光学系统， 但已通过减少入射光束直径对较薄的材料进行了调整。这样产生更小的贝塞尔区域， 同时保持先前的测试中证明相同有效直径。与先前的结果同样类似的是， 使用了 2–4 个脉冲的TimeShift™ ps 脉冲串来实现最佳结果。

在手动裂开之后， 目视检查发现完整均匀的边缘表面修改（图4）。表面纹理显得轻微颗粒化， 300 μm Eagle XG 玻 璃和100 μm Willow 玻璃通过光学轮廓仪表征的表面粗糙度分别约为 0.2 μm 和 0.1 μm。

除了玻璃，贝塞尔工艺还可有效地切割薄蓝宝石，该材料用于 LED， 可穿戴设备和移动设备。与经测试的玻璃不同，最佳蓝宝石切割结果是采用更高 PRF， 更高速度的工艺。

在 1000 mm／s 和 400 kHz PRF 时， 间距 （材料上入射的激光脉冲之间的距离）大于用于玻璃的间距； 然而切割线和边缘表面， 如图 5 中所示， 仍然连续且均匀， 与玻璃的结果非常相似。

我们用目视（图 6）和光学轮廓仪对裂开的边缘进行了检查。目视检查发现颗粒度类似于玻璃， 但可以感觉到更粗糙。这种额外的粗糙度体现在 Ra 中， 测得为 ～0.3 μm，略高于玻璃的值， 这可能是因为该工艺所需的更大的贝塞尔半径和更大的间距。

由于贝塞尔区域的狭窄， 材料加工所需的脉冲能量远低于指定重复频率时可用的最大能量。根据下表 1， 这样可以使用分束通过并行加工扩大产量。通过适当的光学元件和工艺参数， 使用 IceFyre 1064－50 激光器的贝塞尔光束 切割能够以极高的质量快速加工各种薄透明材料

IceFyre® 工业皮秒激光器

IceFyre 355－50 是市面上功能优异的紫外皮秒激光器，在 1.25 MHz （＞40 μJ） 时提供 ＞50 W 的紫外输出功率，脉冲串模式下的脉冲能量为 100 μJ， 脉冲宽度为 10 ps。IceFyre 355－50 设定了从单次激发到 10 MHz 的功率和重复率的新标准。IceFyre 355－30 提供 ＞30 W 的典型紫外输出功率 ，脉冲能量 ＞60 μJ （脉冲串模式下脉冲能量更大）， 并提供 从单次激发到 3 MHz 的优异性能。IceFyre 1064－50 在 400 kHz 单脉冲时提供 ＞50 W 的红外输出功率， 并提供从单脉冲到 10 MHz 的优异性能。IceFyre 激光器独特的 TimeShift™ 设计利用光纤激光器的灵活性和 Spectra－Physics 独有的功率放大器能力， 实现TimeShift™ ps 可 编程脉冲串模式技术， 实现业内实现业内优异的多功能性和广泛的应用范围。每台激光器均配备一组标准波形；可选的TimeShift ps GUI  可用于创建自定义波形。该激光器的设计可为高扫描速度的优质加工 （例如使用多面扫描镜） 实现同类激光器中时间抖动极其低的按需脉冲 （POD） 和位置同步输出 （PSO） 触发功能。