1960年5月16日，美國(guó)年輕的物理學(xué)家梅曼成功研制出人類歷史上的第一臺(tái)激光器—紅寶石激光器，它能產(chǎn)生頻率單一、方向高度集中的光—激光。激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。自此，激光作為一種先進(jìn)的加工技術(shù)迅速發(fā)展起來，并在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

圖1-機(jī)械切割（金橙子科技公眾號(hào)）

圖2-玻璃激光切割（建筑玻璃與工業(yè)玻璃公眾號(hào)）

尤其在玻璃切割行業(yè)中，傳統(tǒng)的玻璃機(jī)械切割技術(shù)已逐漸不能滿足生產(chǎn)所需的對(duì)高效率、高質(zhì)量和異形加工的要求，而具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的激光開始受到越來越多廠家的青睞。

接下來，文章將從玻璃材料的特性、激光基本參數(shù)、激光光源的種類以及玻璃激光切割的原理等內(nèi)容進(jìn)行具體展開，歡迎閱讀。

玻璃材料的特性

物理特性：玻璃的物理特性非常特別，是其能夠區(qū)別于其他材料的重要特點(diǎn)。首先，玻璃是一種非晶態(tài)固體，這意味著它的原子結(jié)構(gòu)并不規(guī)則，不具備傳統(tǒng)晶體材料所具有的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。其次，由于沒有晶體結(jié)構(gòu)的限制，玻璃具備非常高的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，也具有高度的抗腐蝕性能和耐高溫性能。但由于玻璃結(jié)構(gòu)是一種非晶態(tài)固體，導(dǎo)致玻璃并非是一個(gè)理想的能量狀態(tài)，它易于發(fā)生變形、斷裂。 

圖3-晶態(tài)和非晶態(tài)固態(tài)結(jié)構(gòu)（百度） 

圖4-玻璃作為AR光波導(dǎo)襯底應(yīng)用

光學(xué)特性：玻璃材料的光學(xué)特性主要表現(xiàn)在具有高透過率、低反射率、低吸收率、低色散度及非常高的光學(xué)折射率及均勻性，這些優(yōu)良特性對(duì)于制造精密光學(xué)器件非常重要，是玻璃成為優(yōu)良的半導(dǎo)體材料的主要原因，例如在AR行業(yè)可作為光波導(dǎo)的基底材料。

激光的基本參數(shù)

這里為大家，簡(jiǎn)單介紹下激光的一些光學(xué)和性能的評(píng)價(jià)參數(shù)。

激光光源（激光器）的種類

激光器作為激光設(shè)備的核心部件，是加工光束產(chǎn)生的源頭，主要由工作物質(zhì)、激勵(lì)能源和光學(xué)諧振腔三個(gè)部分組成。

其中工作物質(zhì)是激光器的核心，只有能實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。工作物質(zhì)決定了激光器能夠輻射的激光波長(zhǎng)，它需要具備實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能力，才能讓受激輻射得以發(fā)生。

激勵(lì)能源也稱為泵浦源，其作用是給工作物質(zhì)以能量，即將原子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)的外界能量。能源類型有光能源、熱能源、電能源、化學(xué)能源等。

圖5-光學(xué)諧振腔作用原理（百度百科）

光學(xué)諧振腔通常由兩個(gè)相互平行的反射鏡組成，其中一個(gè)反射率接近100%，另一個(gè)則為部分反射，使得光子在腔內(nèi)往復(fù)振蕩，不斷引起受激輻射，最終形成激光輸出。主要有三個(gè)作用，使工作物質(zhì)的受激輻射連續(xù)進(jìn)行；不斷給光子加速；限制激光輸出的方向。

根據(jù)工作物質(zhì)的物態(tài)，激光器的種類大體可分為： 

就作業(yè)效果而言，使用相同波長(zhǎng)相同功率的激光器，其脈寬越窄，峰值功率越高，加工效果就會(huì)越精細(xì)。激光器的能量換算遵循以下公式：

公式：峰值功率(MW)= 脈沖能量(E)÷脈沖寬度(s) 

例如，使用相同功率的355nm波長(zhǎng)激光器對(duì)0.1mm厚度的不銹鋼薄片進(jìn)行鉆孔。左圖是使用脈寬為3.3ns的激光器作業(yè)效果，右圖是使用200fs的激光器作業(yè)效果；對(duì)比可以看出，飛秒激光器的鉆孔作業(yè)效果明顯要好于納秒，使用飛秒激光器的孔邊界更清晰，熱影響更小，基本沒有熔渣。

圖6-納秒激光鉆孔&飛秒激光鉆孔（金屬加工微信公眾號(hào)）

玻璃激光切割技術(shù)的原理

大體上可以分為熔融切割法和裂紋控制法。

熔融切割法：利用玻璃的延展性和塑性，通過使用高能量的激光束照射到玻璃表面（一般為CO2激光束），利用高溫使玻璃融斷，同時(shí)氣流吹走熔融的玻璃碎屑，產(chǎn)生一道溝槽，并利用輔助的機(jī)械裝置沿著溝槽把玻璃掰斷，實(shí)現(xiàn)玻璃的切割分離。

圖7-熔融法切割原理（《The laser as a tool》）

裂紋控制法：在玻璃切割行業(yè)更為普遍，根據(jù)使用光束的不同，有不同的細(xì)分。比如，使用貝塞爾激光束切割+CO2裂片的工藝路線，其加工過程分兩步：① 制造微裂紋產(chǎn)生；② 引導(dǎo)微裂紋擴(kuò)展。加工作業(yè)時(shí)，先使用具有超高功率密度的貝塞爾激光束，應(yīng)用材料高溫氣化原理，使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生縱向納米通孔，再結(jié)合玻璃自身的硬脆特性，相鄰?fù)组g會(huì)自發(fā)延展出裂紋，形成表層橫向聯(lián)通裂紋；再使用非接觸式10.6um波長(zhǎng)的CO2激光，應(yīng)用玻璃對(duì)此波長(zhǎng)光超高的表吸收特性，控制CO2激光束沿貝塞爾激光束產(chǎn)生的通孔軌跡掃描，使玻璃表層溫度急速升高，產(chǎn)生“熱漲”，以增加表層橫向聯(lián)通裂紋處的應(yīng)力，從而引導(dǎo)表層橫向聯(lián)通裂紋縱向延展，直至玻璃斷裂分離。

圖8-表層橫向聯(lián)通裂紋圖

圖9-CO₂玻璃裂片原理圖

通過熔融切割法和裂紋控制法切割出來的玻璃產(chǎn)品的主要區(qū)別之一在于截面粗糙度。熔融切割出來的玻璃產(chǎn)品，截面呈琉璃狀，整體表現(xiàn)為亮面，粗糙度值＜100nm；反觀，通過裂紋控制，使用貝塞爾激光束切割出的玻璃產(chǎn)品，因?yàn)榻孛娓男愿鼜氐?，粗糙度值?00nm，整體表現(xiàn)為磨砂面。

圖10-熔融法切割玻璃截面（羅悉激光公眾號(hào)）

圖11-裂紋控制法切割玻璃截面（貝塞爾）

玻璃激光切割技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)的金剛石刀輪、砂輪，玻璃激光切割技術(shù)的優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：

技術(shù)展望

隨著消費(fèi)者市場(chǎng)對(duì)高精密玻璃產(chǎn)品需求的日益增長(zhǎng)，尤其是在AR智能眼鏡等新興消費(fèi)電子領(lǐng)域，激光切割技術(shù)憑借其無與倫比的精度和再現(xiàn)性，成為了滿足這些需求的理想解決方案。

另一方面，隨著AR、VR智能設(shè)備等的不斷發(fā)展與市場(chǎng)落地，廠家對(duì)所用光學(xué)玻璃的成型切割與一致性方面的要求越來越高，不僅要求切割邊緣光滑，切割品質(zhì)均衡，良品率高，還要求不能破壞光學(xué)玻璃表面的鍍膜。

在未來，相信激光切割技術(shù)會(huì)越來越成熟，讓更多的企業(yè)和消費(fèi)者受益于激光切割技術(shù)的快速發(fā)展。