文/Patricia Panchak

為了克服激光玻璃和聚合物切割所面臨的固有挑戰(zhàn)，波蘭Fluence公司的研究人員開(kāi)發(fā)了一種使用超快飛秒光纖激光器的最新切割工藝。這種方法提供了一種不受加工方向限制的切割工藝，能夠在高切割速度下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的切割邊緣和更小的切口寬度，即使是切割厚玻璃也能達(dá)到米每秒的切割速度，并且不會(huì)產(chǎn)生碎屑/煙霧，對(duì)環(huán)境友好。

測(cè)試表明，該方法適用于各種材料，包括藍(lán)寶石，以及顯示器和消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用的大多數(shù)玻璃，如用于移動(dòng)設(shè)備中的蓋板玻璃和用于可折疊顯示器中的超薄玻璃（UTG）。對(duì)于UTG的切割結(jié)果表明，僅使用250fs的脈沖就可以實(shí)現(xiàn)低于100nm的表面粗糙度。

在聚合物切割中，特別是醫(yī)用級(jí)聚乳酸（PLA）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），基于250fs脈沖的切割工藝，有助于克服熱積聚問(wèn)題以及厚聚合物基底的低切割速度。研究人員證明，與典型的聚合物燒蝕切割工藝相比，飛秒工藝的切割速度快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

具體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了各種參數(shù)，包括脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖串能量、脈沖串中的脈沖數(shù)和切割不同材料時(shí)的脈沖間距，最終得出以下三個(gè)結(jié)果：

1、展示了工藝參數(shù)對(duì)各種材料的切割邊緣質(zhì)量（在裂紋自定向狀態(tài)下裂開(kāi)）的影響。[1]邊緣粗糙度影響材料加工后的強(qiáng)度，而材料強(qiáng)度對(duì)于可折疊顯示器等應(yīng)用至關(guān)重要。

2、展示了在任何方向上都能實(shí)現(xiàn)高速切割的可能性，例如在制造圓形形狀時(shí)，無(wú)需主動(dòng)光束轉(zhuǎn)向，而且無(wú)論方向如何都能獲得高質(zhì)量切割邊緣。

3、展示了使用相同的簡(jiǎn)化裝置和激光源，能夠切割玻璃和聚合物的能力。

實(shí)驗(yàn)裝置

研究人員使用了Fluence公司的Jasper X0飛秒光纖激光器，其工作的平均功率為20W，在200kHz下的單脈沖輸出能量為100μJ，工作波長(zhǎng)為1030nm。

測(cè)試包括切割厚度為50μm和100μm的UTG（見(jiàn)圖1）、厚度1.1mm的BK7玻璃、雙面層壓UTG、厚度0.3mm的PLA和厚度3mm的PMMA。另外，還使用LEXT OLS500激光共聚焦顯微鏡測(cè)量了切割邊緣的粗糙度。

圖1：上圖顯示的是厚度為100μm的超薄玻璃（UTG）的切割樣品，其中左圖是利用飛秒脈沖切割的，展現(xiàn)出了精密、光滑的切割邊緣質(zhì)量，明顯優(yōu)于右圖中使用皮秒脈沖獲得的粗糙邊緣質(zhì)量。下圖顯示了厚度為200µm的UTG樣品的切割效果。（圖片來(lái)源：Fluence）

研究人員使用了之前報(bào)道的全向微裂紋定向工藝，[1]該工藝能夠確保微裂紋沿著切割軌跡進(jìn)行自定向，從而可以在不旋轉(zhuǎn)光路中光學(xué)元件的情況下，沿任何方向進(jìn)行切割。

UTG的超高質(zhì)量切割

為了測(cè)試UTG切割，研究人員將使用皮秒脈沖的自裂紋定向機(jī)制與使用幾個(gè)參數(shù)集的新機(jī)制進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，250fs的短脈沖（Jasper X0激光器可以產(chǎn)生的最短飛秒脈沖）以及優(yōu)化的脈沖間距，可以很容易地切割厚度為50μm和100μm的UTG，并且邊緣粗糙度低于Sa=0.15μm，即切割邊緣基本上是光滑的。研究人員表示，還可以根據(jù)UTG的厚度調(diào)整激光參數(shù)，以獲得最高質(zhì)量的切割邊緣。

Fluence公司超快激光應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室激光微加工研發(fā)總監(jiān)Bogusz Stepak認(rèn)為，實(shí)際的切割邊緣粗糙度甚至可能低于測(cè)量值，因?yàn)楝F(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了顯微鏡的分辨極限。Stepak表示，極低的邊緣粗糙度非常有益，因?yàn)?ldquo;粗糙度和UTG彎曲強(qiáng)度之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性”。

有趣的是，這種新方法不會(huì)產(chǎn)生微裂紋，而且這種工藝也是皮秒脈沖無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。Stepak說(shuō)：“脈沖沉積后，材料內(nèi)部的能量弛豫不會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂。這是一種不同類(lèi)型的改性，如果將這些改性彼此靠近，就可以形成一條均勻的改性線，UTG會(huì)沿著這條改性線斷裂，從而獲得非常高質(zhì)量的斷裂邊緣。”然而，研究人員還需要進(jìn)行更多的測(cè)試，以充分了解該工藝的工作原理，并測(cè)試分開(kāi)后玻璃的強(qiáng)度。

當(dāng)將相同的設(shè)置應(yīng)用于混合材料（將一片厚度90μm的UTG玻璃芯夾在兩片厚度30μm的聚合物層之間）時(shí)，使用250fs和8ps的脈沖都能實(shí)現(xiàn)材料切割，但使用250fs脈沖獲得的邊緣質(zhì)量明顯更好。

此外，該方法可以?xún)H使用單次脈沖通過(guò)就實(shí)現(xiàn)材料切割，從而消除了后處理、分層、開(kāi)裂或表面污染。

切割BK7

對(duì)于厚度1.1mm的硼硅酸鹽玻璃，研究人員使用飛秒激光切割出了圓形，切割中使用了各種參數(shù)集，包括不同的能量、脈沖間距和脈沖串中的脈沖數(shù)。任何一個(gè)參數(shù)的微小變化都會(huì)影響切割質(zhì)量。然而，在使用脈沖間距為5.0~7.5μm的三到四次脈沖串時(shí)，“我們發(fā)現(xiàn)脈沖間距有一個(gè)最佳點(diǎn)，可以獲得低于0.4μm的高質(zhì)量表面粗糙度，這個(gè)粗糙度通常足以滿(mǎn)足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的要求。”Stepak說(shuō)道。

該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了水平和垂直切割的粗糙度，以評(píng)估無(wú)論切割方向如何，該工藝都能產(chǎn)生相同的切割質(zhì)量，兩者的粗糙度相似。Stepak說(shuō)：“所以，我們有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的裝置，沒(méi)有任何旋轉(zhuǎn)部件，并且我們?cè)谒�有方向上都獲得了相同的切割質(zhì)量。因此，這是一個(gè)能夠輕松分離材料的非常高質(zhì)量的加工過(guò)程。”

Stepak補(bǔ)充說(shuō)，使用更大的脈沖間距可以增加切割速度。在100kHz的重復(fù)頻率下，UTG和通常厚度高達(dá)1.5mm的玻璃，都能以高達(dá)1m/s的速度進(jìn)行單次脈沖切割。使用60W Jasper X0激光器，在300kHz下可以將速度提升到現(xiàn)在的三倍。

切割聚合物

Stepak解釋說(shuō)，研究人員使用相同的工藝切割厚度0.3mm的PLA和厚度高達(dá)3mm的PMMA，并且也獲得了非�？上驳慕Y(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，使用250fs的最短脈沖，獲得了最容易的機(jī)械斷裂（見(jiàn)圖2）。當(dāng)使用皮秒脈沖時(shí)，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)相同樣品的斷裂。

不同的材料需要不同的脈沖間距，才能獲得良好的切割效果。“因此，對(duì)于聚乳酸等半結(jié)晶聚合物，我們可以用更大的脈沖間距切割，因?yàn)檫@種材料更脆。”Stepak說(shuō)，“如果被加工的材料不那么脆（例如PMMA，它是一種完全無(wú)定形的聚合物），那么我們就需要使用更小的脈沖間距。”

Stepak說(shuō)：“使用與切割玻璃相同的超短脈沖和相同的光學(xué)元件，還可以切割聚合物。測(cè)試顯示，這種工藝沒(méi)有切口，沒(méi)有材料損耗和煙霧，并且?guī)缀鯖](méi)有熱影響區(qū)。所以這是一個(gè)非常好的加工過(guò)程，尤其是對(duì)于醫(yī)療等要求苛刻的應(yīng)用而言。”

圖3：在無(wú)定形物和結(jié)晶PLA中，使用飛秒脈沖切割圓形。這種切割方法在聚合物上的應(yīng)用，展示了無(wú)缺陷的光滑切割邊緣。（圖片來(lái)源：Fluence）

該工藝顯示出在各種無(wú)定形物（PMMA、PC）和半結(jié)晶聚合物（PET、PLA、PA6、PE、PEEK；見(jiàn)圖3）切割方面的應(yīng)用潛力。未來(lái)的測(cè)試將探索其他加工機(jī)制，以發(fā)現(xiàn)如何進(jìn)一步優(yōu)化各種材料的切割質(zhì)量和切割速度，并應(yīng)用該工藝創(chuàng)造更復(fù)雜的邊緣形狀。

參考文獻(xiàn)：

1. B. Stepak, N. Grudzień, K. Kowalska, Y. Stepanenko, and M. Nejbauer, J. Laser Appl., 35, 012005 (2023); https://doi.org/10.2351/7.0000798.