超快激光在玻璃加工上的应用

寂静天花板

玻璃是一种透明的类固体材料，在人们日常生活中应用广泛。玻璃的应用范围在不断扩大，尤其是和其他材料相结合能更多地应用于高科技领域。玻璃由碳酸钠、石灰石和沙子等常见的材料制成。这些材料在高温条件下（约1500℃）溶化，就像液体一样，可以被灌注、吹制、压制和模塑成各种形状。但在室温下，玻璃就成为固体，冷却后由于机械性能的改变会变得难以加工处理。
　　
( w! n& P, ]: y' I5 @5 _+ a! O玻璃具有其他材料所不具备的独特性能。它拥有极好的光学性能，能反射、弯曲、透射和吸收光线，在整个可视范围内甚至更远，都具有较高的透明度。从化学性能来说，玻璃是一种抗腐蚀的惰性材料，可以作为很多化学品的容器。从热力和电力方面来看，玻璃是一种绝佳的绝缘体。从物理性能来看，玻璃表面坚硬，防刮耐磨，近年来通过各种方法，玻璃甚至具备了弹性。但是，也正是这些性能使得玻璃加工面临着更大挑战，例如一旦玻璃具备极好的抗拉强度，就变得易碎。
　　
因此，处理玻璃的方法和其应用都需要从长计议。玻璃制造可以追溯到公元前3500年左右。人工制造玻璃大概首先出现在美索不达米亚和埃及，首先被用来制作珠宝，随后被用来制作壶。之后，加工工艺不断改进，从手工加工演变为现今的高科技工业工艺，出现了众多玻璃类别和应用。尽管玻璃制造历史悠久，但近几十年来由于玻璃的易碎性能，对于玻璃成品进行加工的工艺止步不前。
　　
- ~( x% C+ ^' r' ?通常一个小裂纹就会造成玻璃破碎。一旦微裂纹在玻璃的某个部位形成，它就会蔓延至玻璃边缘，造成破裂。玻璃的这种易碎属性使其难以加工。另外一方面，不断发展的技术使其可制成结构更小，且形状各异的玻璃来应用于不同领域。传统的精确方法，如光刻和电子束光刻等来加工玻璃，但这些技术过于昂贵，不易操作，特别是大面积使用。现今，激光技术提供了加工玻璃的最精确方法。最直截了当的方法就是在波长范围内利用单光子吸收，玻璃在红外线或紫外线下不会高度透明。
　　
4 y& V. X' l! u' }/ X6 j但是，直接吸收会产生一些问题，包括不良热影响以及形成热影响区，这会产生微裂纹，严重危害玻璃的机械稳定性。此外，在玻璃表面下方进行加工，制造三维结构，需要使用高透明度波长。虽然纳秒脉冲激光器可以用于在玻璃中制造次表层结构，玻璃的物理机制会对微处理的精细程度造成限制，也会产生微裂纹。
近年来，一种激动人心的替代性工艺已投入工业应用，即使用超快激光器在近红外波长范围内产生次皮秒脉冲。在这一方法中，超短脉冲紧密聚焦于玻璃的大部分或表面，每平方厘米的功率密度超过数太瓦，引发复杂多样的工艺，如同时多光子吸收、雪崩和碰撞电离，造成对玻璃基质高度局域化的破坏，同时几乎不存在能量沉积（只有几微焦甚至更少）。由于每次脉冲所用能量极其适度，对该部位（甚至是聚焦体积）造成的热影响可以忽略不计。这一方法通常被称为“冷消融”，可以用来制造极为精确的3D结构。和其他微制造技术相比，飞秒激光微制造透明材料具有独特优势。

桃源居士A