文/ Mason Zhang，Yaron He，Hanan Huang；深圳市杰普特光電股份有限公司

人們利用玻璃已有上千年的歷史，玻璃材料因?yàn)榫哂型腹庑�、表面潔凈度高、硬度大、耐腐蝕等特性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)基板、顯示面板、民用玻璃及電子行業(yè)的顯示蓋板等眾多領(lǐng)域。然而，玻璃產(chǎn)品的生產(chǎn)通常是冷卻成型，玻璃生產(chǎn)出來后還需要鉆孔、磨砂等加工步驟，才能滿足各種應(yīng)用需求。

傳統(tǒng)的玻璃鉆孔工藝采用機(jī)械刀具、砂輪或化學(xué)腐蝕等接觸式加工，表面易產(chǎn)生微裂紋，加工質(zhì)量不佳，且容易造成環(huán)境污染等；玻璃磨砂處理采用傳統(tǒng)噴砂工藝，需要經(jīng)過噴砂和UV固化，步驟復(fù)雜。相比于上述傳統(tǒng)加工方式，激光加工玻璃更高效、環(huán)保、可靠，有效避免了傳統(tǒng)加工方式的不足。納秒級(jí)脈沖紅外激光器能夠產(chǎn)生更高的單脈沖能量和更高的峰值功率，在效率、成本和體積方面更具優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為玻璃加工領(lǐng)域的一種強(qiáng)大工具。

激光加工技術(shù)是將激光光束聚焦在物體表面，利用聚焦光斑的高能量密度氣化或融化待加工材料的一種加工方式。激光加工相比傳統(tǒng)的加工方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）激光加工為非接觸加工，不會(huì)造成二次污染或破壞；（2）有著更高的加工精度；（3）加工靈活性更強(qiáng)，可做異型設(shè)計(jì)加工。隨著近年來高峰值功率激光技術(shù)的發(fā)展，納秒級(jí)高峰值紅外光纖激光加工技術(shù)，已經(jīng)在玻璃加工領(lǐng)域等方面展現(xiàn)出極大的發(fā)展?jié)摿�。本文將從納秒級(jí)高峰值紅外光纖激光玻璃鉆孔和玻璃磨砂處理兩個(gè)應(yīng)用，展示激光在玻璃加工領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

玻璃特性與激光加工的關(guān)系

激光加工與玻璃材料的特性息息相關(guān)，例如，激光氣化材料的速度與材料的熱脹系數(shù)有關(guān)。普通鈣鈉玻璃、超白玻璃、K9玻璃等是比較容易使用激光進(jìn)行鉆孔的；它們的主要成分是70%含量的SiO2，含有堿性氧化物，熱脹系數(shù)在80～100×10-7℃/m，非常適合使用激光做鉆孔加工。而高硼硅玻璃和石英玻璃由于熱脹系數(shù)只有5.8×10-7℃/m，目前激光加工此類玻璃僅能鉆微小的孔。需要注意的是，鋼化玻璃由于存在內(nèi)部應(yīng)力，任何破壞都會(huì)導(dǎo)致碎裂，因此不適合用激光加工。

激光鉆孔

激光鉆孔的主要方式如圖1a所示：激光透過玻璃聚焦于玻璃的下表面，由底部開始一層一層地將材料氣化，螺旋上升，逐層掃描直至玻璃上表面。

激光對(duì)玻璃采取由下往上的方式進(jìn)行鉆孔時(shí)，玻璃氣化成細(xì)小的粉末從下方掉落，相比不透明材料從上向下的加工方式，這種加工方式幾乎不會(huì)有錐度，通孔的一致性高。

激光鉆孔通常采用填充方式，方向上有向內(nèi)填充、向外填充兩種（見圖1a、1b），這兩種填充方式均可，通常按照加工的內(nèi)外徑需求來選擇具體的填充方式。實(shí)驗(yàn)機(jī)型為YDFLP-200-M8-S-W-V2，采用4mm厚度的普通白玻璃進(jìn)行測(cè)試，激光聚焦在下表面向下的1~2mm，隨著2.5D振鏡向上移動(dòng)，激光與玻璃下表面接觸。激光玻璃鉆孔效果的評(píng)價(jià)主要是崩邊值，下表面的加工效果比較好，崩邊通常會(huì)在150μm以內(nèi)，如圖1所示，下表面崩邊僅有136μm。

上表面的崩邊影響因素很多，材料種類、熱量積累、工藝參數(shù)對(duì)成型上表面的崩邊值，有著很大影響。合適的脈寬對(duì)于玻璃鉆孔至關(guān)重要，圖2分別是9ns、12ns、14ns和20ns四個(gè)脈寬用于玻璃鉆孔的崩邊效果，在顯微鏡下觀察如圖2（a）（b）（c）（d）所示。

從圖2中可以看出，在相同的功率下，12ns脈寬的崩邊最小，此時(shí)激光的單脈沖能量為0.95mJ，重復(fù)頻率為160kHz，崩邊值為291μm。

激光磨砂處理

磨砂玻璃是一種具有模糊效果的玻璃，具有透光不透明、保護(hù)隱私、美觀等特點(diǎn)，在辦公、浴室、玻璃工藝品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，玻璃磨砂主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：機(jī)械研磨、噴砂與UV固化、化學(xué)處理（如氫氟酸溶蝕）。這些加工方式的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣泛，缺點(diǎn)是步驟復(fù)雜不夠環(huán)保。

激光加工磨砂玻璃彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)，不但更加高效環(huán)保，還能降低加工成本。鏡面玻璃是在普通平板玻璃上鍍上反光膜制成，利用激光加工技術(shù)可以方便地在鏡面玻璃上再加工，圖3是鏡面磨砂處理的效果（圖3a），激光處理后的磨砂效果細(xì)膩，邊緣筆直，搭配燈光呈現(xiàn)出磨砂面透光、鏡面反光的復(fù)合效果（圖3b）。

激光加工的優(yōu)勢(shì) 

激光玻璃鉆孔的一大優(yōu)勢(shì)是能夠滿足復(fù)雜的加工要求，比如鉆微孔和鉆超厚的玻璃和加工異性孔。圖4是在厚度5mm的普通白玻璃上，鉆直徑0.5mm孔徑的效果圖（見圖4a），其崩邊小于100μm，僅有92μm。從側(cè)面觀察鉆孔效果可以發(fā)現(xiàn)（見圖4b），孔徑整體筆直無任何錐度。

激光能夠在厚度達(dá)20mm的玻璃上，鉆出直徑0.3~150mm的孔。圖4c、4d是厚度5mm和10mm玻璃的鉆孔效果，整體崩邊控制在0.3mm內(nèi)，屬于較好水平。在不同厚度的玻璃上，鉆大小不同的孔，所需要的時(shí)間也不同，通過實(shí)際測(cè)試得出的具體加工效率如表1所示。

表1：在不同厚度的玻璃上鉆大小不同的孔所需的時(shí)間參考

激光在加工異性孔方面也有著非常大的優(yōu)勢(shì)，通過軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多邊形鉆孔（圖5a）。消費(fèi)電子3C如手機(jī)玻璃蓋板（圖5b）、汽車中控玻璃面板（圖5c），日常生活中的玻璃制品如眼鏡、鐘表（圖5d）均可通過激光進(jìn)行鉆孔成型。而背板光伏玻璃必須在特定的地方打孔，才能把光伏電池組件的電流導(dǎo)線引出到接線盒，激光玻璃鉆孔（圖5e）由于高效環(huán)保、方便自動(dòng)化集成而成為了該行業(yè)的理想選擇。

總結(jié)

杰普特M8系列激光器（圖6）采用主振蕩功率放大的MOPA（Master Oscillator PowerAmplifier）結(jié)構(gòu)，其中主振蕩利用半導(dǎo)體激光器作為種子源，功率放大則通過行波光纖放大器實(shí)現(xiàn)。該系列自 2021 年推出以來，經(jīng)過多次迭代升級(jí)和優(yōu)化，針對(duì)不同應(yīng)用開發(fā)了多種功率等級(jí)的激光器。中低功率激光器（如 20W、50W）適用于對(duì)熱量敏感材料的表面處理和刻蝕；中高功率激光器（100~300W）在玻璃鉆孔、深度雕刻和玻璃磨砂處理等應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

在保持杰普特M7系列脈沖頻率獨(dú)立可調(diào)功能的基礎(chǔ)上，M8系列對(duì)脈沖峰值功率和光束質(zhì)量進(jìn)行了重點(diǎn)優(yōu)化。該系列在高功率工作條件下仍能保持優(yōu)異的光束質(zhì)量，峰值功率可達(dá)300kW。

表2：YDFLP-200-M8-S-W-V2激光器的性能指標(biāo)

圖7：6~45ns的峰值功率曲線。

杰普特M8系列激光器憑借其更高的單脈沖能量和更大的峰值功率，在玻璃鉆孔和玻璃磨砂處理等領(lǐng)域表現(xiàn)出色。它為工業(yè)自動(dòng)化加工領(lǐng)域帶來了高效加工方式，并有望成為玻璃加工領(lǐng)域的重要工具。