當前，智能手機已經(jīng)成為人們生活中的必需品。我們幾乎每分鐘都會觸摸智能手機的顯示屏。得益于機械或化學性能的穩(wěn)定，讓這些手機屏幕非常耐用。顯示屏具備的足夠硬度使其可以承受住很大壓力，甚至多年使用下來都沒有磨損跡象。

但另一方面，材料的硬度通常總是伴隨著脆性。手機的玻璃屏幕在出現(xiàn)缺陷或受到?jīng)_擊時容易斷裂，這幾乎是每個智能手機用戶都可能會遇到的問題。

激光作為“納米鋸”是切割玻璃的既定工具。乍一看，使用激光加工玻璃似乎很奇怪。如果光子密度足夠高，在這種情況下再聚焦超短激光脈沖，透明材料內部往往會生成特定的缺陷。

過去的研究發(fā)現(xiàn)，選擇一個焦點形狀對于單通道的基材修改非常有益。細長的、無衍射的像貝塞爾高斯光束這樣的焦點分布，能夠產(chǎn)生高質量的玻璃邊緣。激光修改步驟即大量修改的生成，僅代表整個過程的一半。在第二步中，必須沿改性表面分離弱化材料，例如通過施加機械應力或熱應力。

在通快集團技術領域經(jīng)理Daniel Flamm與其他人合寫的《保護邊緣：超快激光改性C形玻璃邊緣》(Protecting the edge: Ultrafast laser modified C-shaped glass edges)論文中，作者指出無論是采用先進的激光加工工藝或是傳統(tǒng)的劃線機和中斷工藝，切割后的玻璃將呈現(xiàn)出垂直邊緣。正是在這一點上，脆硬材料在微小的角半徑處顯示出主要弱點。如果此處發(fā)生撞擊，應力會以直角累積，材料響應會出現(xiàn)裂紋或缺口。

實驗的目標是大幅降低玻璃邊緣的直角，使基板不易受到?jīng)_擊或產(chǎn)生缺陷。尤其當與玻璃表面的切角達到45°時，特別需要倒角、斜面或C形。這時候，激光作為一種成形工具，其焦點分布假設是采用所需的玻璃邊緣輪廓。對此，論文作者開發(fā)了一種全息分束技術（holographic beam splitting technology），可以在一個加工作體積內任意排列大量光斑。

■具有直面和倒角邊緣的高質量激光切割玻璃基材的圖像

可以同時分布100多個焦點的邊緣軌跡幾乎沒有限制?？梢韵胂蟮氖?，倒角和斜面形狀就像屋頂邊緣、半圓或多臺階一樣。調整后的加工光學元件，能夠通過單通道特別有效和精確地修改玻璃基材。不需要光學傾斜，甚至不需要工件翻轉。這種激光加工非常具有吸引力，切割和邊緣成形可以一次成型。

論文中，研究團隊在分離步驟上是通過濕化學蝕刻實現(xiàn)的，濕化學蝕刻已被證明有利于顯示玻璃的邊緣質量和強度。在這個過程中，這類激光改性是彌合玻璃內部裂縫的有效辦法。蝕刻溶液可以高效滲透進入透明玻璃的內部，不到一小時導致基材分離。以這種方式生產(chǎn)的具有定制邊緣的玻璃滿足了廠商的需求，包括粗糙度、機械穩(wěn)定性和吞吐量。

此外，幾位作者還在該論文中展示了利用全息3D分束器的先進能量沉積技術，可以基于激光制造倒角的玻璃邊緣。這一創(chuàng)新研究將為其他領域開拓新前景，例如焊接、數(shù)據(jù)存儲、波導寫入或過孔生成等領域。

■掃描電子顯微鏡觀察下的具有不同邊緣輪廓的玻璃基材

與作者對話

Daniel Flamm完成博士學位后加入了通快集團，主要運用他所學的塑造復雜光態(tài)的知識進行激光材料加工方面的研究。通快開發(fā)的光源可提供非常高的能量和功率水平。他熱衷于利用這些極端光狀態(tài)，以便將它們用于微米和納米級的精細加工。

Q：是什么激勵你開始這個項目？

A：在均勻介質中，光通常沿光軸直線傳播。焦點沿著加速軌跡傳播，因此光線可以被引導到拐角處時，我對這個很著迷。通過這種方式，實現(xiàn)了一種可以呈現(xiàn)成品形狀的輕型工具。在本案例中，我所在的團隊開發(fā)了一種新型全息分束工具，可實現(xiàn)全新的激光材料處理。

開發(fā)的工藝能夠在一次激光過程中創(chuàng)建具有定制形狀的玻璃邊緣。這緩解了傳統(tǒng)切割基材的最大弱點：典型垂直玻璃邊緣的微小角半徑。正是在這里，一旦發(fā)生碰撞就會容易產(chǎn)生裂紋。激光加工為制造商節(jié)省成本，讓玻璃切割和倒角處理特別有吸引力，而不再需要傳統(tǒng)的耗時工藝，如機械研磨和拋光。不僅顯示行業(yè)可能會發(fā)現(xiàn)這個過程非常有趣，所有的玻璃和光學產(chǎn)品制造商也會如此。

Q：在研發(fā)過程中，你覺得最具挑戰(zhàn)性或最令人驚訝的是什么？

A：一開始，我們在數(shù)字問題上苦苦掙扎，這意味著設計全息圖的計算工作量。然而，我們已經(jīng)設法將計算時間從幾天縮減到幾分鐘。值得注意的是，我們通過液晶顯示器實現(xiàn)的數(shù)字全息圖，實際上允許我們在模擬中預測光的精確相位調制。令人驚訝的是，我發(fā)現(xiàn)快速激光參數(shù)會損壞材料，從而讓選擇性時刻成為分離步驟的明顯選項。

Q：你認為是什么導致了論文中展示的快速成功？

A：當然，這是一個偉大的團隊努力，不同學科之間的緊密聯(lián)系。其中我也看到通快的實力。激光和光學開發(fā)、材料等不同領域的頂尖專家通力合作，才能取得現(xiàn)在的成果。我要特別提到團隊的材料科學家Myriam，他指導了實驗過程，并對合適的激光參數(shù)和相應的材料響應給出正確的意見。

Q：你提到這項技術會給顯示玻璃行業(yè)帶來很大的好處，還有其他行業(yè)領域因此而受益嗎？

A：我們確信，激光光學技術可以在聚焦單元的工作空間內任意分割多個光點，這將引發(fā)幾個新的應用。當然，我們研究的主要重點是處理透明材料。談到這項技術的應用前景，我想像焊接、數(shù)據(jù)存儲或鉆孔等領域都會很有前途。

對于非透明材料，當曲面必須進行激光紋理處理時，這種技術優(yōu)勢也顯現(xiàn)出來了。我們目前正在研究各種其他概念，由于知識產(chǎn)權的原因，目前無法提及。在材料加工領域之外，我們看到了粒子操縱和顯微鏡的潛力。

Q：目前是否有制造商使用了這種方法？

A：還沒有，但已經(jīng)有幾個潛在客戶對我們的工作感興趣。每個人對于完美的玻璃邊緣形狀都有自己的想法。因此，我們看到了實驗過程的巨大優(yōu)勢，幾乎可以提供任何形式的服務。

Q：行業(yè)采取這種方法需要什么條件？

A：在微加工業(yè)務中，通常我們的模式是提供超快激光源和加工光學元件。然后，我們與集成商合作，他們完成激光材料加工的設備整合。如前所述，分離步驟可通過濕化學蝕刻完成。在這方面，我們也與可靠的合作伙伴合作。我們將在不久的將來提供有關產(chǎn)品開發(fā)狀態(tài)的信息。