化學(xué)強(qiáng)化玻璃是通過離子交換工藝，將玻璃表面體積較小的鈉離子置換為體積較大的鉀離子，在玻璃表面形成深度為幾十微米的壓應(yīng)力層的一種特殊玻璃。相對(duì)于普通玻璃，化學(xué)強(qiáng)化玻璃具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備的顯示屏。
因?yàn)檫@層表面壓應(yīng)力，傳統(tǒng)的機(jī)械切割或水射流切割加工強(qiáng)化玻璃時(shí)，極易引起強(qiáng)化玻璃崩邊爆裂。在生產(chǎn)過程中，切割分離加工必須在化學(xué)強(qiáng)化步驟之前完成，這導(dǎo)致加工過程繁瑣而且效率較低，靈活性極差。
華中科技大學(xué)段軍教授課題組利用皮秒激光的高峰值功率和超短脈沖以及貝塞爾光束長(zhǎng)焦深的特點(diǎn)，通過控制單脈沖能量和脈沖改性間距，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)強(qiáng)化玻璃的自動(dòng)斷裂分離，提升了化學(xué)強(qiáng)化玻璃切割的速度與質(zhì)量。
圖1 產(chǎn)生貝塞爾光束的實(shí)驗(yàn)裝置及貝塞爾光束的輪廓
在高功率密度的皮秒貝塞爾光束的作用下，每個(gè)脈沖都會(huì)在強(qiáng)化玻璃內(nèi)加工出一條半徑約1μm，覆蓋整個(gè)厚度的柱狀改性微通道，導(dǎo)致強(qiáng)化玻璃上下表面壓應(yīng)力失去靜態(tài)平衡。
由于強(qiáng)化玻璃表面產(chǎn)生了損傷，損傷點(diǎn)受到周圍強(qiáng)烈的壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生形變，誘導(dǎo)損傷點(diǎn)之間的區(qū)域誘導(dǎo)產(chǎn)生拉應(yīng)力。一旦誘導(dǎo)拉應(yīng)力超過玻璃的抗拉強(qiáng)度，玻璃上下表面會(huì)產(chǎn)生斷裂裂紋;
而玻璃內(nèi)部本身就存在一定的拉應(yīng)力，因此裂紋迅速沿表面向中心擴(kuò)展，形成穿透裂紋，從而使強(qiáng)化玻璃精確地沿著激光掃描的軌跡自動(dòng)斷開分離。
圖2 化學(xué)強(qiáng)化玻璃的切割原理。(a)化學(xué)強(qiáng)化玻璃的應(yīng)力分布;(b)貝塞爾光束在玻璃內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)改性面
影響切割速度和質(zhì)量的主要參數(shù)是單脈沖能量和脈沖改性間距。以化學(xué)強(qiáng)化玻璃可以自動(dòng)斷開為前提，在單脈沖能量為150μJ，改性間距為5μm的實(shí)驗(yàn)條件下，0.7mm厚的化學(xué)強(qiáng)化玻璃的切割面的質(zhì)量佳，粗糙度的算術(shù)平均值為395nm。激光頻率設(shè)為80 kHz，相應(yīng)的切割速度可達(dá)到400mm/s。
圖3 切面平均粗糙度隨脈沖能量和脈沖改性間距的變化規(guī)律
利用皮秒激光貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)化學(xué)強(qiáng)化玻璃自動(dòng)斷開分離，不但能有效提升化學(xué)強(qiáng)化玻璃切割的速度與質(zhì)量，并且可進(jìn)行任意的曲線圖形切割分離，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)
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