飞秒激光应用于玻璃加工

　　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。

　　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。

　　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。

　　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(如图1)，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。

　　图1：使用纳秒激光器(左图)和使用近红外(NIR)飞秒激光器(右图)对玻璃进行激光加工示例。

　　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(图2)。

　　图2：由光纤激光器产生的飞秒脉冲在玻璃上快速打标。

　　首先，由于非线性吸收机制，激光感应变型被局限于聚焦体积。使用扫描或输样微处理，可以实现几何上难度较大的三维结构。其次，材料独立的非线性吸收工艺使得在透明材料中形成光学设备等精细结构成为可能(图3)。

　　图3：飞秒激光器/透明材料相互作用原理图。

　　飞秒激光微加工由一种叫做“激光感应光学击穿”的现象引起。在这一过程中，飞秒激光器的光学能量被输送到加工过的材料上，激发出很多电子，促使电子离子化，并将能量向晶体运输。随后，材料发生结构变化或相位交替，造成折射率永久性改变，甚至在焦点处留下一个孔。

　　要理解为什么超快脉冲最适用于微加工，需要从材料加工的时间尺度这个角度来看待。大家都了解激光器在加工过程中对材料造成的损害，但飞秒脉冲激光器和持续时间超过皮秒的脉冲激光器所产生的损害存在重大差异。在大多数材料中，声子是热效应最主要的原因，它至少需要1皮秒的激光曝光来激发。而对于飞秒激光器脉冲来说，曝光时间要低于这一限定。因此，由于飞秒脉冲不到1皮秒就会中止，离子不会被电子热激发。焦点区外的导热被降到最小，从而增加加工的精度。此外，飞秒激光材料加工具有高准确性，因为造成吸收效应的种子电子是通过非线性电离化产生，并不需要缺陷电子。由于非线性激发的重复性和限制，飞秒激光微加工可以用于实际用途，而其他方法则行不通。

　　由于这一加工所需脉冲能量相对较高，所以直到最近，使用超短脉冲加工玻璃虽为人熟知却并未得到广泛应用。

　　能提供这一级别脉冲能量的激光器只有固体激光器，其操作相对复杂，且价格昂贵。在过去的几年光纤激光器技术不断进步，已能够提供短脉冲和高质量光束，成为固体激光器的重要替代产品。

　　此外，光纤激光器更为划算、紧凑、可靠，而且由于其不需要校准，因此也更易于操作。微焦耳范围内的超快光纤激光器设计人性化，价格便宜，其发展正将这一技术从利基应用转变为一种被广泛采用的工业加工工具(图4)。应用范围包括产品认证，玻璃切割，以及次表面光波导等。

　　图4：飞秒光纤激光器切割玻璃示例。

　　应用

　　在超短脉冲作用下对金属进行表面纹理化和粗化处理，结果显示，其对工艺的控制和精度都非常满意，能粗化处理生物医学植入片来增加细胞粘合度，能够对LEDs和太阳能电池进行薄膜蚀刻，使其增效。使用喷砂处理和化学蚀刻等常用方式对玻璃表面进行纹理化处理，其精度适中，对式样有一定的限制，而且通常会产生细微裂纹，降低了成品玻璃的耐用性。

　　因此，光纤激光器在玻璃表面纹理化处理中有着相当重要的作用，特别是像制造疏水性/亲水性玻璃表面等应用。近来，使用超短脉冲激光器对玻璃表面加工能够达到同样甚至更好的润湿性，其表面加工应用前景一片光明。他们能全面控制表面加工的流程模式，使其得以最优化液态玻璃相互作用。超短脉冲光纤激光器的另外一种极具前景的应用是焊接玻璃。最为广泛的应用方法是使用化学物质将两块玻璃粘贴在一起。这一方法最大的缺陷在于所使用的大多数化学物质会释放出一些气体，从而造成玻璃间的粘结力量不断减弱。另外一种方法是将玻璃表面抛光后，将两块玻璃放在一块，然后通过热处理粘贴在一起。这一方法也存在缺陷，特别是对两种不同类型的玻璃进行粘贴时。由于玻璃的热膨胀系数不同，经过热处理后玻璃间的粘结力量也会变弱。近来，高重复频率(兆赫)和高脉冲能量(微焦耳)超短脉冲激光器已开始应用于玻璃焊接。当超短脉冲聚焦于需要焊接的两块玻璃的交会处，每块玻璃都会溶化一小块，然后在一块冷却，从而形成强大的粘结力量。正确地选择最佳的超短激光器进行焊接，可获得和玻璃本身一样的粘结力量(图5)。

　　图5：使用飞秒脉冲对两块玻璃进行激光粘结。

　　在光学和光子学行业中的另外一个重要应用，也许只能利用超短脉冲激光器来完成在玻璃内部刻写波导，从而以三维的方式引导光。当超短脉冲聚焦于玻璃内部，在聚焦体积上发生折射率的变化，通常是折射率变大。通过使用位移平台来扫描玻璃，折射率增大的区域可以用于形成路径。和光纤工作原理类似，光可以使用全内置反射机制，通过这些路径进行引导。

　　使用这一方法可以用三维光子来将光从一个地方引导和传递到另一个地方，组合或分离不同波长的光，在玻璃内部制造光栅或棱镜结构等。因此，在玻璃内部进行超短激光波导刻写(图6)极为重要，因为光电技术有望主导通信、生物医药和传感器技术等主要由电子技术支撑的技术。