有什么代加工的可以做吗(固体皮秒激光技术，脆硬性材料加工的“利刃”)

Posted 2023-05-29

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有什么代加工的可以做吗(固体皮秒激光技术，脆硬性材料加工的“利刃”)

文 / 张楠，李伊妮，余冠南

深圳市杰普特光电股份有限公司

玻璃、蓝宝石等透明脆硬材料因具有较好的光学、化学稳定、物理抗冲击、绝缘等特性，在建筑、汽车、显示、电子设备、光伏、生物医学、光通信及光存储设备等领域均有广泛的应用。近年来，随着节能减排的社会可持续发展战略需求，Low-E建筑玻璃、光伏、BIPV、新能源汽车等行业高速发展，对玻璃等透明脆硬材料的产品需求逐步增大，且对玻璃制造提出了更高效率、精度的加工要求。

传统的玻璃加工方式采用机械刀具、砂轮或化学腐蚀等进行接触式加工，易引入外部应力产生表面微裂纹、亚表层损伤、碎裂、环境污染等问题。且在玻璃产品日益轻薄化的趋势下，更加增大了加工难度，因此，高峰值、大脉冲能量皮秒激光技术引起了广泛关注。

激光加工技术是将激光光束聚焦在物体表面，利用聚焦光斑的高能量密度气化或融化待加工材料，具有以下优点：

非接触加工，无二次污染或破坏；
热影响区域小；
加工精度高，易于自动化集成；
加工灵活性强，可做异型切割或钻孔。

随着近年来超短脉冲、高峰值功率激光技术的发展，以皮秒激光为代表的超快激光加工技术已经在玻璃加工制程升级和改进改性等方面展现出极大的发展潜力。本文将从皮秒激光的技术发展及对脆硬材料加工两方面作系统介绍。

皮秒激光技术

高功率皮秒激光通常采用主振荡器功率放大（MOPA）结构，典型的皮秒激光由皮秒激光种子源、预放大及主放大等模块构成；短波长激光输出采用非线性晶体基频变换产生。

工业制造用皮秒激光种子源波长多选用1064 nm或1030 nm，主要产生途径有掺镱光纤锁模激光技术、全固态锁模晶体激光技术以及半导体激光器直接调制技术。近年来，随着光纤被动锁模激光技术的可靠性及稳定性得到长期验证，目前其已成为市场的主流皮秒种子源技术。

商用被动锁模光纤激光器主要采用基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模[1]或非线性环路镜锁模技术[2]。线性SESAM腔具有高一致性、高可靠且自启动等优点，但面临SESAM单点寿命问题，长期寿命可通过SESAM移点解决；非线性环路腔中无易损器件，寿命得到保证，但100%自启动的实现需借助辅助电路。

在工业高功率皮秒激光放大方面，国内外目前主要有棒状晶体结构放大、碟片结构皮秒激光放大、Innoslab板条结构皮秒激光放大、晶体光纤的皮秒激光放大等方式。其中，光纤高功率放大相干合成[3]、碟片[4]、Innoslab板条[5]放大结构皮秒激光器功率均已超过千瓦量级。目前，高功率红外皮秒激光器主流产品功率在100～400 W，但通常采用脉冲串工作模式，最大单脉冲能量在数百微焦耳到毫焦耳量级，进一步提高功率仍存在挑战。

碟片结构皮秒激光器因其一维热分布，具有高功率、高光束质量输出能力，但增益长度过短，高功率输出需多程放大，激光器的机械结构易受振动影响。板条结构皮秒激光器因其冷却面大，具有高功率、高光束质量输出能力，在100～200 W功率输出的可靠性已在制造应用中得到证明，但高功率输出（如500～1000 W）的长期运行是挑战；光子晶体光纤放大器随着功率提升，热积累增加，引起放大光束质量退化，高功率输出的长期运行高可靠性存疑。针对制造用超高功率、高性能和长期运行高可靠性要求的固体皮秒激光器仍需进一步技术攻关。

在皮秒激光器倍频方面，倍频技术用于近红外波段到短波长输出转换，高效率长寿命的紫外倍频主要依赖先进倍频晶体生长和表面处理技术。受空间走离角度和模块设计要求，商用激光器主要采用三硼酸锂晶体（LBO）。

国外研究紫外倍频晶体LBO晶体主要有俄罗斯地矿研究院和美国的CrystaLaser。国内主要有中科院理化所、中科院物构所和福晶科技在从事LBO晶体的生长，其中福晶科技LBO晶体已实现大规模商业化，其晶体毛坯尺寸及质量已经处于世界前列水平。国内外研究光学薄膜激光抗损伤的有美国桑迪亚国家实验室、德国汉诺威激光中心、美国Gamdan Optics公司、上海光机所、长春光机所等研究机构。其中，上海光机所采用原子层沉积技术制备了355 nm的HfO2/SiO2双层减反膜，膜层在355 nm处实测反射率低于0.2%，激光损伤阈值达到24.4 J/cm2（脉宽7.8 ns）[6]。

皮秒激光脆硬性材料加工

皮秒激光技术对于脆硬性材料的加工应用覆盖二维码标刻追溯、切割、钻孔、除膜等。

二维码标刻追溯

激光标刻主要有表面雕刻和玻璃内雕两个大类。

表面标刻是激光器发出高能量激光光束，聚焦后的激光作用于玻璃表面如图1（a）所示，激光的能量密度达到材料的破坏阈值，使表面材料瞬间熔融和气化，通过控制激光在材料表面移动路径，局部去除表面材料，从而形成需要的标记图案。皮秒激光表面标刻在加工过程中因热影响区域小，不会造成材料热变形，也极大减少了内生应力。

图 1 (a) 激光聚焦在材料表面；(b) 采用 JPT-PS-UV 系列激光器制作的玻璃表面标刻二维码样品；（c）激光聚焦在玻璃内部；（d）JPT 5W 紫外皮秒制作的激光玻璃内雕显微镜图片

激光表面标刻出的图案具有：

耐磨性：不会因环境关系（触摸、温度等）而消退；
防伪性：标刻的图案成型后不易仿制或更改，具有很强的防伪功能。

例如使用JPT紫外皮秒激光器在玻璃表面做二维码标刻，触摸无明显凹凸感，在显微镜下观察如图1（b），码点清晰。同样，皮秒激光在半导体芯片行业二维码追溯中已得到广泛应用。

玻璃内雕则如图 1（c）和（d）所示：将激光光束聚焦至玻璃内部，高能量密度的激光脉冲使得玻璃内部瞬间产生微米数量级至毫米数量级的微裂纹，由光的散射而呈现白色，在玻璃内部通过控制激光路径而雕刻出理想的图案。

激光切割

激光加工技术已广泛应用于透明脆性材料的切割分离。根据切割加工原理的不同，激光切割脆性材料的方法主要可分为激光划线断裂法、激光热应力切割法、激光成丝效应法和贝塞尔光束切割法等。

激光划线断裂法与传统的机械划线断裂的方法类似，使用激光进行材料表面划线后借助外力进行应力分离，切割质量较差，边缘锐利需要后续打磨。激光热应力切割法主要依靠激光光束进行加热，随后的冷却系统进行降温使得材料表面或内部形成适当的温度梯度，诱导出热拉应力，当其热拉应力超过脆性材料的抗拉强度阈值时，就会在材料表面或内部产生微裂纹并沿激光运动方向扩展，使玻璃进行分离。

激光成丝效应法主要应用于超快激光领域，当激光的能量密度超过一定的阈值时，非线性自聚焦效应与等离子体引起的散焦效应会达到动态平衡，传播光束不会产生明显的发散，在介质中几乎以恒定的尺寸传播数倍于瑞利长度的距离。利用这种效应进行玻璃的分离，适用范围小且较难控制。

贝塞尔光束又称“无衍射光束”，其横向光场分布不随光束的传播而变化，主瓣直径可小到几微米，但焦深可达几毫米，如图2（a）所示。利用贝塞尔光束这一特点，采用贝塞尔超快激光束切割玻璃（如图 2（b）所示），只需稍微施加外力或热应力梯度即可使激光改性截面处的玻璃分离，从而获得较高的切割分离质量。

图2（a）贝塞尔光束示意图；（b）超快激光脆性材料切割裂片过程示意图；（c）采用JPT-PS-IR系列大脉冲能量红外皮秒系列激光器切割玻璃样品断面显微镜图片；（d）厚玻璃圆形切割；（e）、（f）盖板玻璃、摄像头异形切割；（g）汽车双层夹胶玻璃切割

例如激光切割高铝盖板玻璃，使用JPT-PSIR大脉冲能量固体红外皮秒激光器搭配贝塞尔切割头，通过轴运动、PSO打点的方式实现玻璃切割，再通过CO2 激光器出光，振镜扫描轨迹加热的方式或者是机械裂片的方式实现裂片。定位精准、耗时短、激光切割点大小均匀、轨迹平滑。切割后的玻璃轮廓清晰，如图2（c）所示，薄玻璃断面光滑、边缘平整、崩边可控制在10 μm以内，无碎屑。目前这种切割技术广泛应用于电子产品的玻璃基板、玻璃盖板、显示面板、摄像头等玻璃精密切割中，如图2（d）~（g）采用JPT红外皮秒激光器制作的样品所展示，并可拓展至光伏玻璃等。

激光钻孔

激光钻通孔的主要方式如图3（a）所示：激光透过玻璃聚焦于材料的下表面，由底部开始一层一层地将材料气化，螺旋上升，逐层扫描直至玻璃上表面。由于不透光的材料钻孔只能由上往下，并且气化的材料从上方溢出容易吸收激光能量变为等离子体，形成等离子掩盖效应，使得加工效率降低，且会产生锥度，通孔表现为入口大出口小的特征。而激光对玻璃采取由下往上的方式进行钻孔时，避免了表面等离子体掩盖效应的产生，加工效率高，通孔锥度小。

激光玻璃钻孔相对于机械钻孔具有无接触、无耗材、可任意调节形状、无污染、无需额外消耗水进行冷却等优势。例如使用JPT-PS-IR系列红外皮秒激光器对基板玻璃进行钻孔，在显微镜下观察如图 3（b）和（c）所示：孔径 1 mm，玻璃崩边在 30 μm以内。

图3（a）激光自下而上钻孔示意图；（b）和（c）1 mm直径孔径基板玻璃钻孔；（d）钻孔样品图

除了常见的电子玻璃外，如今光伏行业持续发展，在光伏行业中玻璃背板的市场需求量很大，而玻璃背板关键技术之一就是玻璃钻孔，背板玻璃一般需要预留出线孔，且还多出现异形孔等，传统机械打孔技术效率与质量无法满足，目前均采用光纤激光器进行光伏玻璃的钻孔。此外，电子设备里的玻璃钻微型孔工艺中，皮秒激光配合化学试剂湿法刻蚀能够加工出深径比较大且基本无裂纹的微孔。

激光除膜

激光除膜主要是利用高能量的激光束聚焦至需去除膜层的表面致使该膜层迅速气化剥离，从而达到去除的目的。通常会选择膜层吸收率较高而基底吸收率较低的波长，并且调整激光参数将激光能量密度控制在膜层破坏阈值到基底破坏阈值这一区间，避免激光损伤膜层下的基底。

传统的除膜方法有机械打磨、化学腐蚀等，均属于接触式加工，且这些传统技术手段存在精度差、容易损伤玻璃基底或是对环境不友好等不可避免的短板。例如，在节能减排的大环境驱动下，Low-E玻璃在国内呈现高增长趋势，激光也被引入用于去除特定区域的双银、多银等隔热膜或介质膜层；或在半导体材料上选择性去除钝化/绝缘层等。

除以上应用外，工业级皮秒激光器也已在半导体晶圆加工、显示面板切割、钙钛矿薄膜电池模切等行业获得广泛应用。随着激光脉冲能量、平均功率、稳定性的进一步提升，其在新能源锂电、光伏晶硅产业、军事、航天科技等领域实现高精度、高效率加工上将取得进一步的进展。

结束语

深圳市杰普特光电股份有限公司专注激光光源研发，利用MOPA技术基于掺铷钒酸钇晶体研制的JPT-PS-IR 系列工业级红外皮秒激光器可实现2 mJ的脉冲能量输出，工业级绿光皮秒激光器可以输出50 W以上平均功率，紫外皮秒激光器可以实现30 W以上的平均功率输出，参数性能均能满足以上二维码标刻、切割、钻孔、除膜等应用场景的加工要求，在脆性材料加工、FPC电路板切割、医用不锈钢表面改性等领域中积累了丰富的工艺经验。并且，公司在皮秒、飞秒锁模技术、飞秒啁啾脉冲放大技术和高功率、高能量密度激光产品投入较大研发力量，在满足高精度加工要求的前提下，推动加工效率的进一步提升，有望创造新的激光应用领域。

作者简介

张楠，深圳市杰普特光电股份有限公司，激光战略发展部高级项目经理，研究方向为光纤种子源锁模技术、放大技术、及超短脉冲激光在光伏及脆性材料中的应用开发；

李伊妮，激光战略发展部高级项目助理，研究方向为高效晶硅太阳能电池、钙钛矿薄膜电池及透明材料中的激光加工应用开发；

余冠南，固体超快产品线主任工程师，研究方向为固体超快激光器与参量放大器集成与产业化。

参考文献

1. Gomes L A, Orsila L, Jouhti T,et al.Picosecond SESAM-based ytterbium mode locked fiber lasers[J]. IEEE J.Sel. Top.Quan tum Electron, 2004, 10(1):129-136.

2. Jiang T, Cui Y, Lu P, et al. All pm fiber laser mode locked with a compact phase biased amplifier loop mirror[J]. IEEE Photon.

3. Technol. Lett. ,2016, 28(16):1786-1789.Müller M, Aleshire C, Klenke A,et al.10.4 kW coherently combined ultrafast fiber laser[J].Opt. Lett., 2020, 45(11):3083-3086.

4. Dietz T, Jenne M, Bauer D,et al. Ultrafast thin-disk multi-pass amplifier system providing 1.9 kW of average output power and pulse energies in the 10 mJ range at 1 ps of pulse duration for glass-cleaving 5. applications[J]. Opt. Express, 2020, 28(8):11415-11423.

5.Russbueldt P, Mans T, Weitenberg J,et al.Compact diode-pumped 1.1 kW Yb:YAG Innoslab femtosecond amplifier[J]. Opt. Lett., 2010, 35(24):4169-4171.

6. Yin C Y, Zhu M P, Zeng T T, et al.HfO2/SiO2 anti-reflection films for UV lasers via plasma enhanced atomic layer deposition[J].Journal of Alloys and Compounds, 2021, 859:157875.