玻璃材料具有良好的化學穩(wěn)定性、熱力學特性、透光性、耐腐蝕性、隔熱性、絕緣性、生物相容性且表面光滑，因而被廣泛應用。在日常生活中，玻璃是很受歡迎的一種建筑材料和裝飾材料，高樓大廈以及交通工具都常用到。隨著現代化生活水平的不斷提高，玻璃開始出現在城市濱水區(qū)域人文景觀中，如用于保證江河航道防洪安全的擋水建筑物（防洪墻）逐漸利用玻璃建造，通透式玻璃防洪墻與航道濱水區(qū)域的空間景觀相協(xié)調，營造出適合城市居民休憩親水的宜人環(huán)境。在工業(yè)生產中，接觸酸、堿的容器和元件一般也是用能耐大多數無機酸、有機酸等腐蝕的玻璃材料制造的，且表面光滑潔凈。在科技領域中，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件光伏玻璃、晶體硅電池的玻璃蓋板、電子工業(yè)用的玻璃布、集成電路玻璃基底、手機屏玻璃、電視玻璃屏幕等都是玻璃材料的。在普通制造業(yè)中，通常也在金屬部件上熔覆玻璃材料，以加強機械部件的耐腐蝕性能，延長其使用壽命。

激光加工技術

激光有很高的相干性，利用光學系統(tǒng)可以使激光束會聚成面積很小的光斑，激光的亮度很高，會聚的光斑內光功率密度（或光能量密度）很高，可瞬間加熱熔化大多數材料（或使材料汽化），在被照射的材料上留下一個洞，實現打孔加工。如果移動激光束，就可以把材料給切割開來，實現切割加工。如果激光照射斑點落在兩塊材料的交接處，被熔化的部分冷卻后便把這兩塊材料“焊接”在一起了，實現焊接加工。用激光束替代傳統(tǒng)的鉆頭、刀具、焊槍等，對材料進行打孔、切割、焊接等加工，就是激光加工技術。激光加工的精度很高，如可以打直徑小于1微米的孔。只要激光器輸出的激光功率穩(wěn)定，就能加工出尺寸和形狀統(tǒng)一的小孔。如在電子工業(yè)生產中，激光技術能在多層印刷電路板上加工出成千上萬個直徑為亞毫米級的小孔。同時，由于光學系統(tǒng)可以控制激光光束朝任意方向擺動，畫出各種形狀的平面圖形或者立體圖形，這意味著利用激光束能夠很方便地進行各種形狀的零件加工，雕刻出各種精美的鏤空圖案，這是傳統(tǒng)加工技術很難做到的。此外，用激光束還可以進行隔空加工，即可以在被密封在其他物體內的材料上加工。

玻璃加工技術

玻璃是脆性材料，采用傳統(tǒng)加工技術往往會出現破裂、切口有碎屑、切縫不平直、表面有壓潰層等現象。

即使采用激光加工技術，也會遇到因為激光照射部位與非照射部位之間存在較大溫差而產生熱應力，導致玻璃材料出現裂紋或者斷裂等缺陷。研究表明，通過選擇合適的激光參數并添加一些輔助工藝，能夠避免這些加工缺陷，獲得切縫平直、無碎屑、無顯微裂紋的玻璃成品。

選擇合適的激光參數

激光參數主要包括激光脈沖寬度、激光波長和激光功率。

激光脈沖寬度。加工使用的激光可以是連續(xù)波的、長脈沖的，也可以是短脈沖的。連續(xù)波激光和長脈沖激光加工是一個復雜的熱加工過程，玻璃在激光照射加熱下會形成熔融相，產生熱應力，易導致玻璃材料碎裂。而短脈沖（特別是飛秒）激光加工時，情況便會不一樣，因為這么短的脈沖持續(xù)時間比絕大多數物理化學過程的特征時間（如電子弛豫時間及電子-聲子弛豫時間等）都要短，這時候激光與物質相互作用的機制將發(fā)生改變，打孔、切割等加工將以非加熱的形式完成，通常稱為“冷加工”，也就避免了由熱應力導致玻璃材料出現裂紋、碎裂等問題。

激光波長。玻璃材料對不同波長激光的光學吸收率是不同的，因而采用不同波長的激光加工會得到不同的加工質量。在使用連續(xù)波或長脈沖激光時，材料對激光能量的線性光學吸收過程占主導地位，其光學吸收有兩種典型形式：一種是表面吸收；另一種是體吸收。其中對于波長在5微米以上的激光，玻璃材料對它的表面吸收率高，如波長為10.6微米的 CO2激光幾乎全部在玻璃表面被吸收。因此，在利用 CO2激光切割玻璃時產生的裂紋將從表面開始擴展，往下繼續(xù)切割時其裂紋不好控制，結果是切口質量較差，同時切割的玻璃厚度也受限制，也不能切割多層玻璃。而對于波長較短的激光，例如波長為1064納米的YAG激光，玻璃材料對它的體吸收率比較高，用它切割玻璃材料就可以得到較高的切割質量，切口切縫平直、無碎屑、無顯微裂紋，而且還可切割多層玻璃、夾層玻璃和玻璃管，一次完成切割，無須二次加工。如果使用的是短脈沖激光，特別是飛秒脈沖激光，此時它與玻璃材料相互作用的非線性光學吸收過程占主導地位，這時候便基本上不會出現前面提到的加工質量問題。

激光功率。研究顯示，當加工參數（如激光光斑大小、加工速度等）選定時，會有一個最佳的激光功率，加工時可避免玻璃工件出現裂紋。

輔助工藝

輔助工藝主要有預處理、新工藝等。

預處理。對待加工的玻璃材料做些預處理（如預熱、預置光學吸收層等），能夠降低出現裂紋等缺陷的概率。給玻璃材料預熱可以減少加工時玻璃材料出現的溫度梯度和熱應力，預熱可以使用外加熱源，也可以用激光束照射。如可用一束會聚高功率激光束進行加工，用另外一束低功率、非聚焦激光照射進行預熱。在利用飛秒激光加工時，因為激光束在極短的作用時間內，產生的熱量來不及在材料內堆積，通常不會產生熱應力，此時可不采取預熱。

另外一個常用預處理方式是在玻璃材料表面預置光學吸收層。在使用連續(xù)波激光或者長脈沖激光加工時，可將二氧化鈰粉末和水的混合物涂覆在玻璃材料表面，晾干后在其表面形成薄光學吸收層，能夠有效地抑制玻璃開裂，并在不影響加工質量的前提下提高加工速度。用這個辦法在硼硅玻璃和石英玻璃上可以加工出深徑比為12以上的微孔。在兩塊玻璃交接面涂鈦薄膜光學吸收層，做激光焊接的效果也很好，在掃描電鏡下未發(fā)現可見的損傷。本工藝對使用的光學吸收層材料有兩個要求：一是其熔點要高于玻璃材料的熔點，否則將先于玻璃被激光加熱蒸發(fā)，激光能量將主要消耗在光學吸收材料的蒸發(fā)上，而不能傳遞給被加工的玻璃材料了；二是為了更好地將激光能量耦合至被加工的玻璃材料中，其導熱系數要相對較大。

新工藝。通過采用雙激光束加工和改變加工方式，也有助于避免加工時遇到的質量問題。

采用雙激光束進行加工，其中一束是主光束，執(zhí)行加工；另外一束是輔助光束，它或者對玻璃材料預熱，控制玻璃材料的溫度變化速度，減弱產生的熱應力強度，或者改變主光束在玻璃材料的光學吸收性能。使用的這兩束激光可以是不同種類的，也可以是相同種類的，如使用波長為 780納米的飛秒激光做主激光束，采用波長為1070納米長脈沖激光做輔助激光束，它們聯合進行加工可以有效地避免單束飛秒激光加工過程通常遇到的加工速度低、易產生損傷的問題，大大提高了加工速度。實踐表明，用這個辦法可以加工出直徑為 10微米、深度達 133微米高寬深比、高質量的微孔，而且加工速度快，打孔速度是只采用單一飛秒激光束時的 5000倍以上。又如采用兩束CO2激光切割玻璃材料，先用一束低功率聚焦的CO2激光在玻璃表面劃線，而后用非聚焦的CO2激光沿著該劃線進行掃描實現玻璃切割，結果顯示，相對于采用單束CO2激光切割，切面光潔度大大提高。

傳統(tǒng)的激光加工是由上至下進行的，當改變?yōu)橛上轮辽系募庸し绞剑磳⒓す馔高^玻璃材料聚焦于其下表面，由底部開始往上進行加工）時，激光脈沖寬度區(qū)間將不存在死亡谷（從納秒開始，脈寬愈短，激光對玻璃材料去除率愈低），而且加工質量更好，如加工小孔能夠實現零錐度打孔，而且玻璃的崩邊尺寸小于 50微米。

應用舉例

激光加工玻璃材料技術在玻璃制造領域已經獲得成功應用，并取得了較好的效果，下面簡要舉例說明。

加工液晶顯示玻璃基片

液晶顯示玻璃基片是一種超薄型特種玻璃片，最薄已經達到 0.4毫米，有些應用于電子產品的玻璃基片厚度甚至只有0.05毫米。它是構成顯示面板的關鍵元件，其質量好壞，直接影響其相關產品（如液晶電視、液晶顯示器等）的質量。在顯示玻璃基片的生產過程中需要對玻璃片進行切割、倒角和倒邊等工序，采用傳統(tǒng)加工技術極易出現斷裂、邊緣碎屑、微裂紋等缺陷，加工質量和成品率都受影響。采用激光加工玻璃材料技術能夠避免出現這些問題，切割精度高（小于20 微米）、速度快，切口無毛刺和裂紋，已成為光電顯示玻璃基片加工制造廣泛應用的技術。

加工石英玻璃微孔

微孔（直徑小于300微米）加工是微器件制造中的重要工序，在微流體器件制造、電子封裝等領域通常要求加工高深徑比、高精度微孔。在精密制造領域，對微孔的尺寸及質量要求很高，使用傳統(tǒng)加工技術往往不能滿足要求，利用激光加工玻璃材料技術，尤其是采用飛秒激光是最為適合的加工手段，它能夠加工出孔徑為 72微米、深度為 1824微米、深徑比達到 25.3：1的優(yōu)質微孔。

加工太陽能光伏玻璃小孔

在太陽能光伏制造業(yè)上，光伏玻璃是其重要組件，它主要分為面板玻璃和背板玻璃，背板玻璃用玻璃替代傳統(tǒng)組件背板材料 PVDF薄膜（可燃），以提高組件防火、防水等級，降低電勢誘導衰減，延長組件的使用壽命。背板玻璃制作中最重要的工序是加工小孔，而且常常是異形孔，采用傳統(tǒng)加工技術比較難滿足要求，利用激光加工玻璃材料技術能獲得比較好的加工質量（精度高、穩(wěn)定性好、孔壁光滑），又能方便地打異形孔，同時加工速度快；此外，加工后無須沖洗、打磨、拋光等二次加工，降低了制造成本。

在金屬管道表面制備玻璃涂層

管道是繼鐵路、公路、海運、航空之后的第五大運輸方式，承擔著各種能源、熱力及物料的輸送任務，并以其獨特優(yōu)勢得到迅速發(fā)展。石油管道在石油工業(yè)中占有重要地位，但金屬管道容易腐蝕，會造成巨大經濟損失甚至災難性的事故，同時也限制了其在工業(yè)中的使用范圍。因此需要解決金屬管道的防腐蝕問題，在金屬材料表面制備玻璃涂層是解決這個問題的重要手段。預置或同步送入待處理的玻璃材料粉末，在高能激光束作用下該玻璃粉末將與基體材料表面同時熔化，形成玻璃熔化物質薄層，基體材料表面因此變得更耐磨、耐腐蝕、耐熱、抗氧化。

β光源玻璃管封接

β光源是一種利用β粒子致熒光材料發(fā)光的自發(fā)光光源，即它是無須外加電源的光源。一些放射性物質（如氚、碳-14、鍶釔-90、銫-137等）會發(fā)射β粒子，把這種物質與熒光物質放置在玻璃管內即做成β光源。因為這種光源不需要電源，因此應用范圍很廣，特別是在一些難以鋪設電路的地方，如抗災搶險現場、油田、礦山的安全區(qū)標識和照明，水下救援等通常都用到它，往往還是不可替代的光源。制造β光源的關鍵技術難題是玻璃管的封接，采用傳統(tǒng)的火焰熱熔封接，在封接過程中的熱量難以精確控制，無法保證封口處均勻受熱以及玻璃管內部熱量的擴散，將會造成玻璃管的密封性不好，影響玻璃管內β粒子發(fā)射源材料和發(fā)光材料的特性，從而影響β光源的發(fā)光效率和使用壽命。而利用激光加工玻璃材料技術能夠很好地解決玻璃管封接的技術問題，封口光滑、密封性好，封接過程中管內的材料性能也幾乎不受影響。

加工石英擺片

作為慣性導航儀表或遙控遙測儀表的石英撓性加速度計，在航天、航空技術領域占有非常重要的地位。石英擺片作為石英撓性加速度計的核心器件，其平面度、平行度、擺梁共面度、成型尺寸精度以及表面質量等，直接影響加速度計測量的精度和準確性。但是，石英擺片的形狀復雜，尺寸又小，厚度僅為0.66～0.76毫米，其中關鍵部分的懸臂梁結構和三凸臺結構厚度只有20微米左右，石英擺片“C”槽部分的縫寬也只有0.3±0.1毫米。傳統(tǒng)加工技術往往達不到這個技術要求，激光加工玻璃材料技術卻能夠加工出優(yōu)質的石英擺片，保證石英撓性加速度計的高精度。

加工玻璃表面微結構

激光加工玻璃材料技術還能夠在玻璃材料表面制造精細的微結構（如微小凸起或下凹結構等），而且加工速度快。如在太陽能設備蓋板玻璃表面制作微結構，就能減少蓋板玻璃對太陽光的反射損失，提高太陽能電池的光電轉換效率；在玻璃光學元件表面制作微結構，可提高光學元件成像的均勻性和清晰度，大大提升儀器的成像質量；在玻璃表面加工微通道，可以實現微流體的注入及流動，這在分析化學、環(huán)境監(jiān)測、生物和醫(yī)學等領域有重要應用價值，如可將這些微通道模擬成生物的毛細血管，模擬血管內血液或藥物流動，助力科學研究。

結 語

雖然玻璃有很多優(yōu)點，但其脆性特征使得對它的精密加工難度很大。利用近年發(fā)展起來的激光加工技術，通過調整激光的波長、功率和脈沖寬度，并添加預熱、預應力等手段，可在玻璃材料加工過程中避免出現微裂紋、碎裂等現象，獲得精度高、質量好的玻璃構件成品，在現代微電子制造業(yè)、太陽能設備制造業(yè)、顯示制造業(yè)、航空航天制造業(yè)等領域應用越來越廣泛。

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關鍵詞：玻璃材料 激光加工 激光參數 輔助工藝 ■