1 引言

化学强化玻璃是通过离子交换工艺将玻璃表面体积较小的钠离子置换为体积较大的钾离子,在玻璃表面形成深度为几十微米压应力层的一种特殊玻璃^[1-2]。与普通玻璃相比,化学强化玻璃具有更高的机械强度和热稳定性,被广泛应用于手机、平板电脑等电子设备的显示屏^[3-4]。但正因为这层表面压应力,采用传统机械切割^[5]或水射流切割^[6]加工强化玻璃时,极易使强化玻璃崩边爆裂。通常,在生产各种形状和尺寸强化玻璃的工艺流程中,切割分离加工必须在化学强化步骤之前完成,这不但导致加工过程繁琐,效率较低^[7],而且一旦化学强化工艺完成,强化玻璃便无法进行切割加工处理,工艺灵活性极差。

激光切割技术是一种无接触、热损伤小、加工灵活的精密加工技术,是加工透明材料的最佳选择^[8-9]。超快激光以其脉冲极短(皮秒、飞秒)、峰值功率极高的特点,在超薄材料的切割分离方面得到了广泛应用^[10]。采用超快激光切割化学强化玻璃时,高峰值功率密度的激光会引起强烈的非线性吸收,导致焦点附近的材料发生改性,改性区沿着激光扫描方向延伸,从而使得玻璃可以沿着改性截面断裂^[11]。但由于高斯光束的焦点深度较小,改性区的深度无法覆盖玻璃的厚度,导致玻璃断裂面偏离改性截面,无法实现精确的切割分离路径控制^[12]。

贝塞尔光束又称“无衍射光束”^[13-14],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,因此贝塞尔光束常被用于加工高深径比的光波导^[15]或微通道^[16]。有些学者利用贝塞尔光束这一特点,采用贝塞尔超快激光束切割分离厚度为0.1~10 mm的玻璃,获得了较高的切割分离质量,但需要施加外力才能使激光改性截面处的玻璃分离^[17-18]。这种方法同样会导致加工过程繁琐,而且还会受到切割加工图形的限制。本文利用皮秒激光贝塞尔光束切割分离化学强化玻璃,在合适的皮秒激光脉冲能量作用下,不需要施加任何外力,就可使化学强化玻璃沿着激光扫描路径自动分离,不但有效简化了工序,提高了强化玻璃的切割加工效率,而且不受切割加工图形的限制,提高了激光切割加工的适应性和灵活性。

2 实验设备及方法

2.1 实验设备

图1(a)给出皮秒贝塞尔光束切割实验装置。实验所用光源为Edgewave公司生产的皮秒激光器,中心波长为1064 nm,脉冲宽度为10 ps,重复频率为1~50 MHz,经过扩束后的高斯光束直径为12 mm。使用一个底角为5°的锥透镜(Thorlabs AX255-C)将高斯光束转换为初始的贝塞尔光束。透镜L1(焦距150 mm)与透镜L2(焦距20 mm)组成一个4f系统,该系统可将贝塞尔光束的中心主瓣直径压缩到约2.71 μm。贝塞尔光束的无衍射传输距离约为2.67 mm^[19-21],其横纵截面的光场强度分布如图1(b)、(c)所示,r表示径向距离,z表示轴向距离,有r²=x²+y²。由于贝塞尔光束的有效传输距离远大于同等尺寸下高斯光束的焦深,因此加工时不需要上下移动焦点就可以使激光中心主瓣能量覆盖整个材料的厚度。XY二维位移工作台带动实验样品沿预设的切割路径移动,进行复杂曲线的切割分离加工。

图 1. 产生贝塞尔光束的实验装置及贝塞尔光束的轮廓。(a)实验装置;(b)贝塞尔光束纵截面的光场强度;(c)贝塞尔光束横截面的光场强度

Fig. 1. Experimental setup for generating Bessel beam and profile of Bessel beam. (a) Experimental setup; (b) longitudinal intensity distribution of Bessel beam; (c) lateral intensity distribution of Bessel beam

下载图片 查看所有图片

2.2 实验材料及检测仪器

实验切割分离的材料为0.7 mm厚的铝硅强化玻璃(Corning Gorilla Glass 3)。该化学强化玻璃的上下表面各有一层厚度约为50 μm的强化层(压应力层,可承受的压应力约为950 MPa),而玻璃内部则存在相对较弱的拉应力,从而可使表面的压应力与内部的拉应力形成静态平衡^[22]。

采用光学显微镜(Nikon Epiphot)和扫描电子显微镜(Nova NanoSEM)观察玻璃切割分离的表面形貌;采用台阶仪(Veeco Dektak)测量切割面的表面粗糙度。

2.3 实验方法及参数

采用皮秒贝塞尔光束固定不动,XY二维工作台带动强化玻璃沿着切割分离轨迹运动的方式实现对强化玻璃的切割分离。通过调节镜头的高度,可使贝塞尔光束覆盖整个玻璃的厚度。通过改变皮秒激光的重复频率f₀、单脉冲能量E和扫描速度v,研究不同的加工参数组合对强化玻璃切割分离质量的影响规律。为了方便起见,引入脉冲改性间距参数d,即两个相邻皮秒激光脉冲与化学强化玻璃相互作用的距离,该距离为皮秒激光的重复频率与扫描速度的比值:d=v/f₀。通过观察强化玻璃在皮秒激光扫描后能否自动断裂分离来探究单脉冲能量和脉冲改性间距的可行性参数区间。实验参数见表1。

3 实验结果

实验结果表明,小于中心主瓣直径的脉冲改性间距(d<3 μm)极易导致化学强化玻璃断裂,甚至爆裂。当皮秒激光重复频率f₀=20 kHz、单脉冲能量E=120 μJ时发现,改变扫描速度(即改变脉冲改性间距d)不能使化学强化玻璃自动断裂分离。由图2可见:当单脉冲能量增加到150 μJ,脉冲改性间距d≥3 μm时,化学强化玻璃才会准确地沿着激光扫描路径自动断裂分离;随着改性间距增大,切割面的表面粗糙度逐步减小;当d>5 μm时,化学强化玻璃不会自动断裂分离。

图 2. 切割面的表面粗糙度随脉冲能量和脉冲改性间距的变化规律

Fig. 2. Variation in roughness of cutting surface with pulse energy and pulse modification spacing

下载图片 查看所有图片

图3给出化学强化玻璃在150 μJ单脉冲能量和5 μm脉冲改性间距条件下的自动断开分离效果。化学强化玻璃准确地沿着激光扫描路径断成两半,切割分离表面没有任何较大的碎屑和裂纹存在,表面的边缘损伤宽度小于2 μm。

图 3. 自动断裂后的化学强化玻璃。(a)切割面;(b)表面的边缘

Fig. 3. Chemically strengthened glass after self-breaking. (a) Cutting plane; (b) edge of the surface

下载图片 查看所有图片

通过扫描电子显微镜进一步观察切割面的微观形貌(如图4所示),也未发现化学强化玻璃切面割上有任何微小的破碎和微裂纹缺陷的存在,但周期为5 μm的梳状结构贯穿了整个玻璃切割面,并且在上下表面附近深度约50 μm处的化学强化层内的梳状结构要比玻璃中间清晰很多。

图 4. 玻璃切割面的电镜照片。(a)切面全貌;(b)上边缘;(c)中间部分;(d)下边缘

Fig. 4. SEM images of glass cutting plane. (a) Full view of cutting plane; (b) top edge; (c) central part; (d) bottom edge

下载图片 查看所有图片

通过台阶仪测得化学强化玻璃切割面的粗糙度曲线如图5所示。测量结果显示,在单脉冲能量为150 μJ、脉冲改性间距为5 μm的实验条件下,0.7 mm厚的化学强化玻璃切割面粗糙度的算术平均值为395 nm。

图 5. 化学强化玻璃的切面粗糙度

Fig. 5. Roughness of the cutting plane of chemically strengthened glass

下载图片 查看所有图片

随着单脉冲能量的增加,玻璃自动断开分离所允许的脉冲改性间距越来越大,但切割面的粗糙度也越来越大,并呈现随脉冲改性间距增加而先下降后上升的变化规律,如图2所示。当皮秒激光单脉冲能量达到最大值210 μJ时,能使玻璃自动断开的脉冲改性间距可以增加到7 μm,但切割面的平均粗糙度将大于700 nm。图6给出了化学强化玻璃自动分离可行性皮秒激光参数区间。实验结果表明,在单脉冲能量为150 μJ和脉冲改性间距为5 μm的条件下,可以获得最佳的自动切割分离质量。基于上述最佳参数匹配,将激光频率提高至80 kHz,相应的切割速度可以增加到400 mm/s(工作台的最大速度)。在此条件下获得的自动切割分离各种形状的化学强化玻璃如图7所示。

图 6. 实验得到的可行参数区间

Fig. 6. Range of appropriate parameters obtained by experiment

下载图片 查看所有图片

图 7. 曲线切割得到的化学强化玻璃

Fig. 7. Chemically strengthened glass obtained by curved cutting

下载图片 查看所有图片

4 分析讨论

化学强化玻璃在上下表面各有一层厚度为几十微米的压应力层,而玻璃内部存在相对较弱的拉应力,使表面压应力与内部的拉应力形成了静态平衡,如图8(a)所示。

图 8. 化学强化玻璃的切割原理。(a)化学强化玻璃的应力分布;(b)贝塞尔光束在玻璃内产生一个改性面

Fig. 8. Cutting principle of chemically strengthened glass. (a) Stress distribution of chemically strengthened glass; (b) modified plane of glass generated by Bessel beam

下载图片 查看所有图片

在高功率密度的皮秒贝塞尔光束的作用下,每个脉冲都会在强化玻璃内加工出一条半径约1 μm,覆盖整个厚度的柱状改性微通道,如图8(b)所示,导致强化玻璃上下表面的压应力失去静态平衡。由于强化玻璃表面产生了损伤,损伤点受到周围强烈的压应力作用而产生形变,诱导损伤点之间的区域产生诱导拉应力,如图9所示。一旦诱导拉应力超过玻璃的抗拉强度,玻璃上下表面会产生断裂裂纹;而玻璃内部本身就存在一定的拉应力,因此裂纹迅速沿表面向中心扩展,形成穿透裂纹,从而使强化玻璃精确地沿着激光扫描轨迹自动断开分离。

图 9. 激光扫描后化学强化玻璃的表面应力

Fig. 9. Surface stress of chemically strengthened glass after laser scanning

下载图片 查看所有图片

显然,皮秒激光的单脉冲能量和脉冲改性间距是影响化学强化玻璃能否自动断开以及切割质量的重要因素。当单脉冲能量过小时,柱状改性通道无法形成或形成的直径较小,化学强化玻璃表面无法诱导出足够的拉应力,因而不能产生断裂裂纹,导致化学强化玻璃无法自动断开分离;但当单脉冲能量过大时,又会使柱状改性通道直径较大,导致化学强化玻璃表面损伤宽度增大,玻璃断开后的边缘质量下降,断面粗糙度增加,严重时甚至会导致化学强化玻璃爆裂。脉冲改性间距过小时,同样也会导致玻璃表面损伤宽度增大,降低切割质量,尤其是脉冲改性间隔小于中心主瓣直径时,强化玻璃会因热积累过大而发生爆裂;而脉冲改性间距过大时,化学强化玻璃又会因诱导拉应力不足而无法自动断开分离。因此,单脉冲能量和脉冲改性间距必须适当匹配才能使化学强化玻璃自动断开,从而可以获得较高的切割质量。

5 结论

本文利用皮秒激光贝塞尔光束,在未采用任何辅助措施的条件下,实现了化学强化玻璃的自动断开分离,并给出了自动分离可行性皮秒激光参数区间。实验结果表明,在单脉冲能量为150 μJ和脉冲改性间距为5 μm的最佳条件下,切割速度可达到本实验工作台的最大速度400 mm/s,并可获得自动断开分离表面损伤小于2 μm、切割面粗糙度低至395 nm的切割分离质量。这种方法不但能有效提升化学强化玻璃切割的速度与质量,并且可实现任意曲面图形的切割分离,具有较高的实际应用价值。