皮秒贝塞尔光束切割化学强化玻璃

《中国激光》第11期封面文章|杨泽齐,段军,陈航,刘朋,陈乔丹,徐新科. 皮秒贝塞尔光束切割化学强化玻璃[J]. 中国激光, 2019, 46(11): 1102010

化学强化玻璃是通过离子交换工艺，将玻璃表面体积较小的钠离子置换为体积较大的钾离子，在玻璃表面形成深度为几十微米的压应力层的一种特殊玻璃。相对于普通玻璃，化学强化玻璃具有更高的机械强度和热稳定性，被广泛应用于手机、平板电脑等电子设备的显示屏。

因为这层表面压应力，传统的机械切割或水射流切割加工强化玻璃时，极易引起强化玻璃崩边爆裂。在生产过程中，切割分离加工必须在化学强化步骤之前完成，这导致加工过程繁琐而且效率较低，灵活性极差。

华中科技大学段军教授课题组利用皮秒激光的高峰值功率和超短脉冲以及贝塞尔光束长焦深的特点，通过控制单脉冲能量和脉冲改性间距，实现了化学强化玻璃的自动断裂分离，提升了化学强化玻璃切割的速度与质量。

图1 产生贝塞尔光束的实验装置及贝塞尔光束的轮廓

在高功率密度的皮秒贝塞尔光束的作用下，每个脉冲都会在强化玻璃内加工出一条半径约1μm，覆盖整个厚度的柱状改性微通道，导致强化玻璃上下表面压应力失去静态平衡。

由于强化玻璃表面产生了损伤，损伤点受到周围强烈的压应力作用而产生形变，诱导损伤点之间的区域诱导产生拉应力。一旦诱导拉应力超过玻璃的抗拉强度，玻璃上下表面会产生断裂裂纹；

而玻璃内部本身就存在一定的拉应力，因此裂纹迅速沿表面向中心扩展，形成穿透裂纹，从而使强化玻璃精确地沿着激光扫描的轨迹自动断开分离。

图2 化学强化玻璃的切割原理。（a）化学强化玻璃的应力分布；（b）贝塞尔光束在玻璃内产生一个改性面

影响切割速度和质量的主要参数是单脉冲能量和脉冲改性间距。以化学强化玻璃可以自动断开为前提，在单脉冲能量为150μJ，改性间距为5μm的实验条件下，0.7mm厚的化学强化玻璃的切割面的质量最佳，粗糙度的算术平均值为395nm。激光频率设为80 kHz，相应的切割速度可达到400mm/s。

图3 切面平均粗糙度随脉冲能量和脉冲改性间距的变化规律

利用皮秒激光贝塞尔光束实现化学强化玻璃自动断开分离，不但能有效提升化学强化玻璃切割的速度与质量，并且可进行任意的曲线图形切割分离，具有较高的实际应用价值。