光學百科之激光切玻璃 003

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Think differently about glass.

最早的玻璃切割方式是在中世紀，人們用尖的熱鐵杆在玻璃上沿形狀劃槽，然後在槽上澆上冷水讓玻璃裂開。這樣切割的玻璃往往不光滑，因此人們還需要使用一個叫做grozing iron(熨燙鐵)的東西來處理切口。

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後來人們發明了帶鑽石頭的玻璃刀，從而讓切玻璃更容易。使用鑽石頭玻璃刀遵循兩個步驟，先劃槽，再折斷。這個方法的好處是方便，但是也有很多小問題。比如劃槽和折斷時會產生很多玻璃碎片，也會留下一些伸入到玻璃內部的裂痕，另外折斷後的切割面也不一定剛好和玻璃表面呈90度。雖然使用鑽石頭的機械方法有很多缺點，但是在工業上，仍然廣泛的在玻璃切割上應用，僅限於那些精度和質量要求不那麼高的切割上。

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機械切割有兩個致命缺點，一是切割邊緣的強度，二是切割時留下的小裂痕。這兩個缺點，都可能導致玻璃因為應力而沿著強度低的地方，或者小裂痕的地方而整個裂開。

於是工業界在2000年引入了CO2激光用來切割玻璃，原理其實很類似中世紀熱鐵杆+澆冷水的方法。

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從上圖右邊，我們可以看到激光切割後的切面十分平整，不像機械切割（上圖左）的有那麼多裂紋。

CO2激光切割現在仍然是玻璃切割中的主力，但是最近超快激光漸漸被工業界所接受，特別是在硬玻璃上(藍寶石、大猩猩玻璃)。這一方面，Peter Herman教授的組走在比較前面，感興趣的可以看下他們組的專利（Method of material processing by laser filamentation）。主要原理就是激光拉絲現象（filamentation）。

上圖是比較傳統的激光切割和利用超快激光成絲的區別，出處已經標了我就不再寫了。這個圖還是很容易引起歧義的，之所以傳統的激光切割會產生各種飛濺的小殘渣並引起一些小的裂縫，而激光成絲只產生一些霧化殘渣的根本原因是使用激光的脈寬，而不是兩個技術本身。長脈寬的激光會產生很強的熱效應，從而導致熱在玻璃中傳導，且因為玻璃從固態到液態（或軟化）而產生大量的應力。短脈寬的皮秒或飛秒激光，會在熱效應產生前就完成能量的傳遞（大部分傳遞到電子，少部分到晶格），玻璃也會直接從固態到氣態，從而對切割面的影響最小。

激光成絲是超快激光和玻璃作用時產生的非線性自聚焦現象的結果。我先解釋下什麼是自聚焦。

當光照射到非線性材料中，材料的折射率因為電場的原因而增長的現象叫做克爾效應(Kerr effect)。它遵循一個很簡單的方程：

n=n0+n2I

其中，n0是材料本身的折射率，n2是材料的二階非線性折射率，I是光場強度。增加的折射率delta n= n2I。

我們可以看到，材料的折射率n是和光強I呈一個線性關係的。如下圖左，當光束的前幾個脈衝作用在材料時，從而會改變這一塊材料的折射率，光斑的強度分部大多是高斯分布的，根據公式中的線性關係，增加的折射率值（delta n）也會成一個高斯分布。

【1】

這塊區域折射率增加的數值呈高斯分布（上圖左1）相當於一個正透鏡（上圖左2），從而將後續的激光脈衝聚焦到克爾效應作用的區域前。這個效應就叫做自聚焦，因為重複聚焦，焦點的能量也會越來越高。自聚焦一般在使用高NA的物鏡在非線性材料內部加工時出現，在材料表面是不會出現這個現象的。

自聚焦並不是一個好的現象，它會導致焦點的移動，所以通常在做激光加工前可以通過計算臨界峰值，來確保自聚焦效應的最小化。

如果激光功率超過了臨界峰值，隨著焦點處能量的堆積，材料也會被高度電離，電離後產生電子氣體相當於一個負折射率的透鏡（上圖右1），從而將激光發散（上圖右2）。

這樣一個自聚焦 --- 電離散焦 --- 自聚焦 --- 電離散焦的過程可以前後反覆出現，從而在材料中形成激光成絲的獨特現象。

【2】

激光成絲切割玻璃的好處在於，它變相的增加了激光的加工深度，可以最長切割3mm厚的玻璃，而且不會產生任何錶面劃痕或掉落的殘渣，但缺點就是拉絲切割出的平面不會那麼規整（下面的比較圖中，Filamentation的模擬圖）。

最後，另外再介紹一個方法，就是使用Bessel光束。Bessel光束在聚焦後可以產生非常長的Rayleigh length，從而非常適合玻璃的切割。下圖對Bessel光束（d）和激光成絲（d）做了比較，我們可以發現， Bessel的切割質量是最好的。但是使用Bessel光束有個最大問題就是能量的損耗，Bessel光束聚焦後除了主光斑以外，還有很多個水平方向的副光斑，導致它的能量利用率不高。

【3】

切割玻璃，是現在工業界急需解決的問題，特別是新一代的高硬度玻璃，而現有的技術，無論是CO2切割，還是激光成絲，還是Bessel光束切割都或多或少有著各自的問題。有條件的朋友，可以想想新方法，說不定就走向人生巔峰了呢。

【1】「Self-focusing and Filamentation of Femtosecond Pulses in Air and Condensed Matter: Simulations and Experiments」

【2】from the December 2002 issue of the European Physical Journal — Applied Physics.

【3】Dave Ross Blog

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