固体皮秒激光技术，脆硬性材料加工的“利刃”

文 / 张楠，李伊妮，余冠南

深圳市杰普特光电股份有限公司

玻璃、蓝宝石等透明脆硬材料因具有较好的光学、化学稳定、物理抗冲击、绝缘等特性，在建筑、汽车、显示、电子设备、光伏、生物医学、光通信及光存储设备等领域均有广泛的应用。近年来，随着节能减排的社会可持续发展战略需求，Low-E建筑玻璃、光伏、BIPV、新能源汽车等行业高速发展，对玻璃等透明脆硬材料的产品需求逐步增大，且对玻璃制造提出了更高效率、精度的加工要求。

传统的玻璃加工方式采用机械刀具、砂轮或化学腐蚀等进行接触式加工，易引入外部应力产生表面微裂纹、亚表层损伤、碎裂、环境污染等问题。且在玻璃产品日益轻薄化的趋势下，更加增大了加工难度，因此，高峰值、大脉冲能量皮秒激光技术引起了广泛关注。

激光加工技术是将激光光束聚焦在物体表面，利用聚焦光斑的高能量密度气化或融化待加工材料，具有以下优点：

• 非接触加工，无二次污染或破坏；

• 热影响区域小；

• 加工精度高，易于自动化集成；

• 加工灵活性强，可做异型切割或钻孔。

随着近年来超短脉冲、高峰值功率激光技术的发展，以皮秒激光为代表的超快激光加工技术已经在玻璃加工制程升级和改进改性等方面展现出极大的发展潜力。本文将从皮秒激光的技术发展及对脆硬材料加工两方面作系统介绍。

高功率皮秒激光通常采用主振荡器功率放大（MOPA）结构，典型的皮秒激光由皮秒激光种子源、预放大及主放大等模块构成；短波长激光输出采用非线性晶体基频变换产生。

工业制造用皮秒激光种子源波长多选用1064 nm或1030 nm，主要产生途径有掺镱光纤锁模激光技术、全固态锁模晶体激光技术以及半导体激光器直接调制技术。近年来，随着光纤被动锁模激光技术的可靠性及稳定性得到长期验证，目前其已成为市场的主流皮秒种子源技术。

商用被动锁模光纤激光器主要采用基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模^[1]或非线性环路镜锁模技术^[2]。线性SESAM腔具有高一致性、高可靠且自启动等优点，但面临SESAM单点寿命问题，长期寿命可通过SESAM移点解决；非线性环路腔中无易损器件，寿命得到保证，但100%自启动的实现需借助辅助电路。

在工业高功率皮秒激光放大方面，国内外目前主要有棒状晶体结构放大、碟片结构皮秒激光放大、Innoslab板条结构皮秒激光放大、晶体光纤的皮秒激光放大等方式。其中，光纤高功率放大相干合成^[3]、碟片^[4]、Innoslab板条^[5]放大结构皮秒激光器功率均已超过千瓦量级。目前，高功率红外皮秒激光器主流产品功率在100～400 W，但通常采用脉冲串工作模式，最大单脉冲能量在数百微焦耳到毫焦耳量级，进一步提高功率仍存在挑战。

碟片结构皮秒激光器因其一维热分布，具有高功率、高光束质量输出能力，但增益长度过短，高功率输出需多程放大，激光器的机械结构易受振动影响。板条结构皮秒激光器因其冷却面大，具有高功率、高光束质量输出能力，在100～200 W功率输出的可靠性已在制造应用中得到证明，但高功率输出（如500～1000 W）的长期运行是挑战；光子晶体光纤放大器随着功率提升，热积累增加，引起放大光束质量退化，高功率输出的长期运行高可靠性存疑。针对制造用超高功率、高性能和长期运行高可靠性要求的固体皮秒激光器仍需进一步技术攻关。

在皮秒激光器倍频方面，倍频技术用于近红外波段到短波长输出转换，高效率长寿命的紫外倍频主要依赖先进倍频晶体生长和表面处理技术。受空间走离角度和模块设计要求，商用激光器主要采用三硼酸锂晶体（LBO）。

表面标刻是激光器发出高能量激光光束，聚焦后的激光作用于玻璃表面如图1（a）所示，激光的能量密度达到材料的破坏阈值，使表面材料瞬间熔融和气化，通过控制激光在材料表面移动路径，局部去除表面材料，从而形成需要的标记图案。皮秒激光表面标刻在加工过程中因热影响区域小，不会造成材料热变形，也极大减少了内生应力。

• 耐磨性：不会因环境关系（触摸、温度等）而消退；

• 防伪性：标刻的图案成型后不易仿制或更改，具有很强的防伪功能。

例如使用JPT紫外皮秒激光器在玻璃表面做二维码标刻，触摸无明显凹凸感，在显微镜下观察如图1（b），码点清晰。同样，皮秒激光在半导体芯片行业二维码追溯中已得到广泛应用。

激光划线断裂法与传统的机械划线断裂的方法类似，使用激光进行材料表面划线后借助外力进行应力分离，切割质量较差，边缘锐利需要后续打磨。激光热应力切割法主要依靠激光光束进行加热，随后的冷却系统进行降温使得材料表面或内部形成适当的温度梯度，诱导出热拉应力，当其热拉应力超过脆性材料的抗拉强度阈值时，就会在材料表面或内部产生微裂纹并沿激光运动方向扩展，使玻璃进行分离。

激光成丝效应法主要应用于超快激光领域，当激光的能量密度超过一定的阈值时，非线性自聚焦效应与等离子体引起的散焦效应会达到动态平衡，传播光束不会产生明显的发散，在介质中几乎以恒定的尺寸传播数倍于瑞利长度的距离。利用这种效应进行玻璃的分离，适用范围小且较难控制。

贝塞尔光束又称“无衍射光束”，其横向光场分布不随光束的传播而变化，主瓣直径可小到几微米，但焦深可达几毫米，如图2（a）所示。利用贝塞尔光束这一特点，采用贝塞尔超快激光束切割玻璃（如图 2（b）所示），只需稍微施加外力或热应力梯度即可使激光改性截面处的玻璃分离，从而获得较高的切割分离质量。

激光玻璃钻孔相对于机械钻孔具有无接触、无耗材、可任意调节形状、无污染、无需额外消耗水进行冷却等优势。例如使用JPT-PS-IR系列红外皮秒激光器对基板玻璃进行钻孔，在显微镜下观察如图 3（b）和（c）所示：孔径 1 mm，玻璃崩边在 30 μm以内。

传统的除膜方法有机械打磨、化学腐蚀等，均属于接触式加工，且这些传统技术手段存在精度差、容易损伤玻璃基底或是对环境不友好等不可避免的短板。例如，在节能减排的大环境驱动下，Low-E玻璃在国内呈现高增长趋势，激光也被引入用于去除特定区域的双银、多银等隔热膜或介质膜层；或在半导体材料上选择性去除钝化/绝缘层等。