玻璃材料激光加工技術(shù)的研究進(jìn)展

龐繼偉，王 超，蔡玉奎,3*

(1.山東職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，濟(jì)南 250100；2.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250000；3. 山東大學(xué) 深圳研究院，深圳 518000)

引 言

玻璃材料因其獨(dú)特的理化性質(zhì)(良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱力學(xué)特性、透光性和生物相容性等)廣泛應(yīng)用于傳感器、半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、光通信及光存儲(chǔ)設(shè)備等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件制造[1]。但由于其硬脆性的特點(diǎn)，采用常規(guī)的機(jī)械或化學(xué)加工方法在進(jìn)行刻蝕、制孔、焊接等加工時(shí)易產(chǎn)生裂紋破損和各種缺陷，且加工效率低下。激光技術(shù)作為一種新型的特種加工方法，可將高能脈沖精準(zhǔn)聚焦到待加工玻璃材料表面或內(nèi)部，使材料瞬間熔化或氣化，實(shí)現(xiàn)非接觸加工。與常規(guī)加工方式相比，具有非接觸、加工效率及精度高、柔性高等優(yōu)點(diǎn)，在玻璃材料加工領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用與研究。本文中從激光加工玻璃的4種典型工藝(激光刻蝕、激光打孔、激光焊接及激光制備功能結(jié)構(gòu))入手，總結(jié)歸納了各種激光加工玻璃工藝基本原理以及最新研究進(jìn)展，旨在推動(dòng)激光加工技術(shù)在玻璃加工領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，為進(jìn)一步的研究和發(fā)展方向提供有價(jià)值的參考。

1 激光刻蝕

與傳統(tǒng)刻蝕方法相比，激光刻蝕具有非接觸、柔性化、加工速度快、無(wú)噪聲、可聚焦到激光波長(zhǎng)級(jí)的極小光斑等優(yōu)點(diǎn)。目前，常用的激光刻蝕方法有：激光直寫(xiě)刻蝕法、激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕法、激光誘導(dǎo)背部濕法刻蝕。

1.1 激光直寫(xiě)刻蝕

激光直寫(xiě)刻蝕玻璃方法，按激光波長(zhǎng)不同主要分為紅外和紫外激光刻蝕法，而按照激光脈寬不同則可分為：連續(xù)激光刻蝕；納秒、皮秒及飛秒激光刻蝕。YANG等人[2]使用248nm深紫外準(zhǔn)分子激光在石英玻璃表面刻蝕微通道，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光能量密度是決定石英玻璃發(fā)生刻蝕及裂損的主要因素，無(wú)裂損刻蝕石英玻璃的激光能量密度閾值區(qū)間應(yīng)在16J/cm2～30J/cm2；而掃描次數(shù)的增加、重復(fù)頻率和微通道深度的增大也會(huì)加劇微通道的裂損程度，最后通過(guò)加工參量的優(yōu)化(激光能量密度23.5J/cm2，圓弧段重頻為50Hz，直線段重頻為40Hz，掃描1次)實(shí)現(xiàn)了寬度小于100μm的直線型(深度不大于50μm)和圓弧型微通道(深度不大于28.5μm)的無(wú)裂損刻蝕。LI等人[3]利用波長(zhǎng)為355nm, 脈寬為10ns～25ns的全固態(tài)紫外激光器直寫(xiě)刻蝕BF33硼硅玻璃微通道，試驗(yàn)中采用單一變量法探究激光能量密度、重復(fù)頻率、掃描速率等參量對(duì)刻蝕效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光能量密度過(guò)大時(shí)，玻璃易發(fā)生嚴(yán)重崩邊裂損現(xiàn)象，刻蝕深度減??；而隨著重復(fù)頻率的減小，通道碎裂現(xiàn)象減輕，刻蝕深度增大。YU等人[4]采用波長(zhǎng)為1030nm、脈寬和重復(fù)頻率分別為290fs,50kHz的飛秒激光器在石英玻璃樣品上刻蝕線寬小于1μm的凹槽圖案以制備亞微米金屬線，研究了不同脈沖能量激光與燒蝕凹槽及機(jī)械拋光后的金屬線的線寬之間的關(guān)系，如圖1所示。結(jié)果表明，當(dāng)脈沖能量在0.18μJ以下時(shí)，凹槽線寬已降低至1μm以下，最終在石英玻璃上制備出多種不同圖案且線寬穩(wěn)定控制在0.8μm左右的凹槽。

圖1 不同脈沖能量激光燒蝕凹槽及機(jī)械拋光后金屬線的光學(xué)顯微圖[4]

1.2 激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕與激光背部濕法刻蝕

如圖2所示，激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕和激光背部濕法刻蝕的實(shí)質(zhì)都是利用激光透過(guò)玻璃后與靶材互相作用，產(chǎn)生等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)石英的刻蝕，從而克服玻璃無(wú)法直接吸收激光脈沖的缺陷，在玻璃的底面實(shí)現(xiàn)材料去除。兩者的主要區(qū)別在于激光誘導(dǎo)等離子刻蝕的靶材主要為不銹鋼、銅等金屬材料，而激光背部濕法刻蝕則常用甲苯、丙酮等有機(jī)溶劑作為激光吸收介質(zhì)[5]。

圖2 激光誘導(dǎo)等離子刻蝕和激光背部濕法刻蝕示意圖[5]

在激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕過(guò)程中，靶材的選取是刻蝕的關(guān)鍵。只有選取在相應(yīng)激光波長(zhǎng)下具有較高吸收率的金屬材料，才能保證靶材表面形成足夠強(qiáng)大的等離子體并最終形成高速等離子射流對(duì)玻璃材料進(jìn)行刻蝕。HAMDANI等人[6]利用波長(zhǎng)為1064nm紅外激光在銹鋼、銀、銅靶材料上誘導(dǎo)等離子體刻蝕石英玻璃，結(jié)果表明，利用不銹鋼作為靶材的去蝕率最高且3種靶材的去蝕率大小排序?yàn)椋翰讳P鋼>銅>銀，這是由于黃銅、銀靶材對(duì)于1064nm波長(zhǎng)激光反射率較高，其中銀靶材對(duì)激光的吸收率很低(約為2 %)，無(wú)法形成足夠強(qiáng)度的等離子體進(jìn)行刻蝕。RAHMAN等人[7]采用波長(zhǎng)為1064nm,脈沖寬度為6ns的調(diào)QNd∶YAG激光器，以鋁作靶材研究激光能量密度(27J/cm2～870J/cm2)和靶-基材料間的距離(0μm～600μm)對(duì)鈉鈣玻璃上加工出的微坑直徑和深度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，微坑的深度隨著激光能量密度的增大而增大，并逐漸趨于飽和，而微坑的直徑和深度則隨著靶-基距離的增加而線性減小。SARMA等人[8]基于物理分析和有限元法建立了以鋁為靶材激光誘導(dǎo)等離子刻蝕加工鈉鈣玻璃的2維軸對(duì)稱(chēng)非線性瞬態(tài)傳熱模型，如圖4所示，并利用該模型仿真激光誘導(dǎo)等離子刻蝕過(guò)程的溫度場(chǎng)變化以及激光參量變化對(duì)刻蝕深度的影響，之后利用Nd∶YAG激光器基于該模型進(jìn)行了大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型對(duì)激光參量(掃描速率、激光功率和脈沖寬度)變化對(duì)玻璃燒蝕深度的影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖3 玻璃表面產(chǎn)生微坑的光學(xué)圖像[7]

圖4 激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕工藝傳熱模型與溫度場(chǎng)仿真[8]

對(duì)于激光誘導(dǎo)背部濕法刻蝕，溶劑材料種類(lèi)和激光工藝參量的選取都對(duì)刻蝕質(zhì)量有較大的影響。EHRHARDT等人[9]以甲苯溶液為液體介質(zhì)，采用355nm和266nm的皮秒激光對(duì)石英玻璃進(jìn)行刻蝕，發(fā)現(xiàn)甲苯溶液中芘的含量對(duì)去蝕率有較大影響，且在一定范圍內(nèi)芘的含量越高，去蝕率越大。KWON等人[10]提出在使用波長(zhǎng)為1064nm、脈寬為100ns的近紅外激光刻蝕鈉鈣玻璃的過(guò)程中，可通過(guò)在吸收劑中加入磷酸抑制裂紋的產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)比不同磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0～0.40)的吸收劑刻蝕效果(如圖5所示)發(fā)現(xiàn)，加入磷酸后，最大可刻蝕深度提高了約5倍(從103μm提高到530μm)，且側(cè)壁的粗糙度從0.55μm下降到0.16μm；此外，通過(guò)調(diào)整溶液中的磷酸濃度，可以制備出多種不同形狀及深寬比的微通道。SUN等人[11]利用飛秒激光分別在空氣、水和乙醇中加工熔石英玻璃，結(jié)果表明，以乙醇為吸收介質(zhì)時(shí)，熔石英玻璃的燒蝕閾值從2.22J/cm2降到了1.02J/cm2，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，刻蝕時(shí)乙醇比水需更低的激光能量便能達(dá)到形成等離子體的電子密度，同時(shí)激光誘導(dǎo)等離子體形成后會(huì)在液體中產(chǎn)生氣泡，酒精中的氣泡比水中的對(duì)石英表面的沖擊壓力更大。

圖5 不同磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)吸收劑制備的微通道[10]

激光刻蝕作為玻璃材料微納加工的一項(xiàng)重要應(yīng)用技術(shù)，如何在刻蝕時(shí)兼顧去蝕率、刻蝕深度與加工質(zhì)量、無(wú)裂損率是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵，對(duì)于激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕和激光誘導(dǎo)背部濕法刻蝕，更好的靶材料、吸收劑的研究，對(duì)于刻蝕加工參量的優(yōu)化以及加工過(guò)程的仿真的相關(guān)研究已經(jīng)大量展開(kāi)，而使用超快激光、激光掩模技術(shù)、復(fù)合激光對(duì)玻璃材料進(jìn)行直寫(xiě)刻蝕以無(wú)損制備微納結(jié)構(gòu)是當(dāng)前玻璃材料刻蝕的研究熱點(diǎn)。

2 激光打孔

激光打孔是在玻璃透明材料上加工微米級(jí)、高深徑比微孔的一種重要方法。目前，遠(yuǎn)紅外CO2激光器、超快激光器等多種激光器在微孔加工中都有應(yīng)用。

2.1 遠(yuǎn)紅外CO2激光打孔

遠(yuǎn)紅外CO2激光由于其脈沖寬度較長(zhǎng)，在加工玻璃時(shí)易產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致冷卻過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋。BRUSBERG等人[12]利用CO2激光器對(duì)500μm厚的Schott D263 Teco薄玻璃進(jìn)行打孔，幾乎所有直徑小于100μm的圓柱形孔都可以在0.25s內(nèi)加工完成，但玻璃基板上51%的制孔都存在微裂紋。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在CO2激光加工前后對(duì)玻璃基板進(jìn)行熱處理(加工前將玻璃基板預(yù)熱至100℃～400℃，制孔后將基板加熱到300℃～557℃,即Schott D263 Teco玻璃退火點(diǎn))可以有效避免此類(lèi)熱應(yīng)力造成的裂紋的產(chǎn)生(98.4%孔無(wú)裂紋)。UNO等人[13]開(kāi)發(fā)了一種縱向激發(fā)的CO2激光器，該激光器可產(chǎn)生4種類(lèi)型的短激光脈沖，研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)短脈沖的能量密度和照射次數(shù)可以有效控制SiO2玻璃板上的制孔深度并減少微裂紋的產(chǎn)生，且峰脈沖能量為0.82mJ，脈沖尾部能量為19.88mJ的激光脈沖加工效果最好。因此，盡管CO2激光玻璃打孔的可靠性偏低，但由于其打孔速度很快，設(shè)備成本低，仍在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 超快激光打孔

超快激光由于作用時(shí)間極短，加工時(shí)的熱滲透很小，在玻璃樣品上不會(huì)留下很大的熱影響區(qū)域，能夠有效地減少加工后微裂紋的產(chǎn)生。ARGUMENT[14]使用波長(zhǎng)為248nm～800nm、脈寬為130fs～300fs的飛秒激光器在石英玻璃上加工出寬度在25μm～40μm，最深可達(dá)100μm的微孔，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)在加工前預(yù)熱玻璃基板，在玻璃基板上預(yù)先制備金屬鎢薄膜，加工后通過(guò)過(guò)氧化氫腐蝕去除的辦法可以有效地減少裂紋和碎片的產(chǎn)生。CHUANG等人[15]利用波長(zhǎng)為1065nm的皮秒激光器在超薄玻璃上加工出一連串直徑為3μm、間隔為2μm～3μm的通孔，在掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)下觀察玻璃微孔橫截面發(fā)現(xiàn)沒(méi)有可見(jiàn)的熔化區(qū)，這表明皮秒激光加工微孔時(shí)的熱影響區(qū)基本可以忽略不計(jì)。ITO等人[16]對(duì)化學(xué)強(qiáng)化玻璃進(jìn)行飛秒激光打孔試驗(yàn),并通過(guò)數(shù)值分析加工時(shí)的應(yīng)力波的傳播及溫度場(chǎng)的分布，發(fā)現(xiàn)制孔側(cè)壁和底部的殘余應(yīng)力主要是由應(yīng)力波引起的，而孔入口周?chē)膿p傷則與熱應(yīng)力的弛豫有關(guān)，如圖6所示。WEI等人[17]建立了基于飛秒激光抽運(yùn)-探測(cè)原理的時(shí)間分辨陰影成像平臺(tái)，直接獲取了飛秒激光燒蝕石英微孔的超快過(guò)程圖像，如圖7所示。通過(guò)對(duì)不同能量密度、時(shí)間延遲、脈沖條件下拍攝圖像的分析，發(fā)現(xiàn)在飛秒激光燒蝕制備石英微孔的過(guò)程中，當(dāng)能量密度低于石英玻璃破壞閾值時(shí)，石英玻璃表面觀測(cè)到?jīng)_擊波隨時(shí)間延遲增加逐漸膨脹，石英玻璃內(nèi)部觀測(cè)到隨時(shí)間延遲增大逐漸衰退的等離子通道；當(dāng)能量密度大于破壞閾值時(shí)，可觀察到隨沉積激光脈沖數(shù)量而伸長(zhǎng)的縱向微孔，且在微孔底部可觀察到?jīng)_擊波傳輸?shù)妮喞?/p>

圖6 光學(xué)顯微鏡下飛秒激光制孔的截面圖[16]

圖7 時(shí)間分辨陰影成像光路圖及時(shí)間延時(shí)校準(zhǔn)方法[17]

2.3 激光打孔改進(jìn)工藝研究

針對(duì)激光打孔過(guò)程中玻璃崩邊及裂紋現(xiàn)象嚴(yán)重，高深徑比微孔加工難度大的瓶頸問(wèn)題，許多學(xué)者提出了改進(jìn)的打孔方法。為了減少微孔加工時(shí)裂紋的產(chǎn)生，KONO等人[18]將二氧化鈰粉末和水的混合物涂覆到玻璃材料的表面后，晾干制成30μm的吸收層，之后再用波長(zhǎng)為355nm的納秒激光器進(jìn)行微孔加工，成功在硼硅玻璃和石英玻璃上分別加工出深徑比12以上的微孔，通過(guò)對(duì)照試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)該方法可以大大減少裂紋的產(chǎn)生，并在不影響加工質(zhì)量的前提下提高加工速度(XY工作臺(tái)進(jìn)給速率最高可達(dá)100μm/s)。針對(duì)飛秒激光打孔制孔速度低、制孔時(shí)易產(chǎn)生損傷的問(wèn)題，ITO等人[19]將波長(zhǎng)為780nm的飛秒激光器與波長(zhǎng)為1070nm的光纖激光器相結(jié)合，如圖8a所示，加工時(shí)首先使用飛秒激光在玻璃基板上加工出高寬深比的細(xì)線，之后將光纖激光輻照到細(xì)線上逐步獲得所需的微孔(其中在飛秒激光輻照后的光纖激光輻照時(shí)間定義為時(shí)間延遲τ，如圖8b所示),研究發(fā)現(xiàn),飛秒激光產(chǎn)生的細(xì)線會(huì)選擇性地吸收光纖激光脈沖利用熱效應(yīng)去除材料，可以有效地避免直接飛秒激光加工過(guò)程產(chǎn)生的強(qiáng)應(yīng)力波對(duì)材料的損傷，制孔的直徑和深度與τ有關(guān)，如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在40μs內(nèi)加工出了直徑為10μm、深度達(dá)133μm的微孔，制孔速度只采用飛秒激光加工的5000倍以上,且能有效地抑制裂紋的產(chǎn)生。為了解決傳統(tǒng)打孔由上至下的加工方式制孔時(shí)出現(xiàn)的坡度效應(yīng)(制孔開(kāi)口表現(xiàn)出入口大出口小的特征)，WANG等人[20]提出在加工透明材料時(shí)，嘗試采用由下至上的打孔方式代替常規(guī)的由上至下方式，將激光透過(guò)材料聚焦于材料的下表面，由底部開(kāi)始一層層地將材料向上去除,試驗(yàn)中分別采用波長(zhǎng)為532nm的納秒激光、波長(zhǎng)為1064nm的皮秒激光及波長(zhǎng)為515nm的飛秒激光在康寧大猩猩玻璃上加工孔徑為100μm～120μm、深度為200μm～900μm的微孔,試驗(yàn)結(jié)果表明，在采用由下至上的加工方式時(shí)，脈寬區(qū)間不存在死亡谷(自納秒開(kāi)始，脈寬愈短，材料移除率愈低，在2ns～50ps之間移除率極低)，脈寬為2ns～50ps的激光切割效率高于超快激光，能夠?qū)崿F(xiàn)零錐度鉆孔且玻璃的崩邊尺寸小于50μm。

圖8 飛秒激光與光纖激光復(fù)合微孔加工系統(tǒng)示意圖[19]

圖9 制孔直徑和制孔深度與時(shí)間延遲τ的關(guān)系及不同τ下飛秒激光與光纖激光結(jié)合制孔光學(xué)顯微圖像[19]

綜上所述，如何在減少、消除制孔損傷的前提條件下，以較快的加工速度制備出尺寸更小、精度更高、具有更大深徑比的微孔是激光打孔技術(shù)難點(diǎn)所在。隨著超快激光器的發(fā)展以及新器件、新技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)超快激光制孔過(guò)程的觀測(cè)和分析、超快激光與材料作用機(jī)理的研究也有所展開(kāi)。為了滿足微孔加工在尺寸、圓度、深徑比、微裂紋及重鑄層等方面越來(lái)越高的要求，學(xué)者們也在不斷尋找著復(fù)合激光加工[19]、激光加工與熱處理相結(jié)合[14]等新的加工工藝。

3 激光焊接

在焊接玻璃類(lèi)硬脆材料時(shí)，傳統(tǒng)的焊接方法由于焊料與玻璃材料的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)降低焊縫在高溫下的穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[21]。而激光焊接是基于雪崩電離的原理，使聚焦處的玻璃材料熔化并熔接。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接具有連接穩(wěn)定性好、焊接強(qiáng)度高、焊接空間選擇性好、能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)添加材料的直接熔接等一系列優(yōu)點(diǎn)[21]。

3.1 CO2遠(yuǎn)紅外激光器焊接

玻璃對(duì)于CO2遠(yuǎn)紅外激光，吸收率較高，激光能量可直接作用在表面，因此在焊接玻璃時(shí)表面加熱產(chǎn)生的孔道會(huì)向內(nèi)延伸，整個(gè)焊接區(qū)域均會(huì)被熔化再凝固，為避免缺陷的產(chǎn)生需要非常嚴(yán)格的控制溫度，且焊接速度受限。POHL等人[22]采用CO2激光器角接石英玻璃及硼硅玻璃，如圖10所示，試驗(yàn)中通過(guò)非接觸的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接處溫度并控制激光功率以穩(wěn)定玻璃溫度，并通過(guò)在接合處加入玻璃粉作為添加劑的方式以連接不對(duì)稱(chēng)的復(fù)雜幾何形狀接口,該研究還表明,焊接后的熱處理可以有效地去除石英玻璃接頭處的殘余應(yīng)力，而在焊接硼硅玻璃前將連接部位預(yù)熱至退火溫度再焊接可以有效避免玻璃焊接時(shí)的碎裂問(wèn)題。此外，CO2激光焊接時(shí)可通過(guò)玻璃纖維作添加劑實(shí)現(xiàn)間隙橋接，試驗(yàn)時(shí)為防止破碎缺陷的產(chǎn)生需在加工前將玻璃材料加熱到退火溫度1220℃，在加工時(shí)需嚴(yán)格保持加工溫度在1800℃(略高于熔石英玻璃的軟化溫度1700℃)～2230℃(低于熔石英玻璃材料沸點(diǎn)2230℃)之間且焊接速率不能超過(guò)100mm/min[23]。

圖10 自動(dòng)控溫CO2激光焊接系統(tǒng)及其加工樣品示意圖[22]

3.2 納秒Nd∶YAG激光器焊接

納秒Nd∶YAG長(zhǎng)脈沖激光由于波長(zhǎng)處在玻璃的透過(guò)窗口，其焊接時(shí)熱影響區(qū)域小于CO2激光器，溫度控制更加容易，但往往需要在焊接時(shí)在材料間隙內(nèi)預(yù)置一層吸收材料才能獲得更好的焊接效果。de PABLOS-MARTN等人[24]利用1064nm和532nm、5ns Nd∶YAG激光對(duì)硼硅玻璃進(jìn)行焊接試驗(yàn)，整個(gè)研究包括3組試驗(yàn)：(1)使用納秒激光對(duì)1mm厚的兩塊玻璃板進(jìn)行直接焊接；(2)在兩塊1mm厚的玻璃板間涂覆一層50nm厚的鈦薄膜作吸收層，再進(jìn)行焊接；(3)焊接兩塊厚度為86μm的超薄玻璃板，同樣在連接處涂覆50nm厚的鈦薄膜作吸收層,試驗(yàn)結(jié)果表明，在無(wú)Ti吸收層的情況下，由于兩塊玻璃交接界面產(chǎn)生的光散射，在焊接后接合處會(huì)產(chǎn)生微裂紋和微孔；而使用Ti吸收層的組接合良好，在SEM下無(wú)可見(jiàn)的損傷出現(xiàn)，但通過(guò)進(jìn)一步的能量色散X射線(energy dispersive X-ray,EDX)分析發(fā)現(xiàn)接合處存在Ti—O鍵，Ti—O鍵的強(qiáng)度低于Si—O鍵，故使用Ti添加劑會(huì)影響連接處的穩(wěn)定性。ZHANG等人[25]利用1064nm納秒激光器焊接兩塊1mm厚的鈉鈣玻璃基板，并在兩塊基板間加入了14nm厚的鈦薄膜涂層輔助焊接，在SEM下接合處并未發(fā)現(xiàn)裂紋和損傷，且激光焊接后焊接區(qū)域變得高度透明，在400nm～1800nm的光波范圍內(nèi)其透光度與2mm厚的玻璃基板僅相差8.88%。de PABLOS-MARTN等人[26]還利用fresnoite玻璃薄膜(2BaO-TiO2-2SiO2,BTS)作吸收劑，采用1064nm、5ns Nd∶YAG激光器焊接兩塊500μm厚的熔石英玻璃(其中吸收劑涂層厚1μm)，通過(guò)對(duì)焊接樣品的分析發(fā)現(xiàn)，采用添加劑后接合處無(wú)明顯裂紋和空隙，如圖11所示，且接合處殘余拉應(yīng)力比直接焊接下降85%,由47MPa降至7MPa，但與熔石英基板相比，焊接后的基板其透光率下降了2%～10%。

圖11 底部基板涂覆BTS結(jié)合劑的焊接樣品顯微截面圖[26]

3.3 超快激光器焊接

超快激光脈沖可在全透明或相對(duì)于激光波長(zhǎng)透明的玻璃材料內(nèi)產(chǎn)生非線性吸收，不需要在玻璃間添加吸收劑，也無(wú)需熱處理便可獲得高質(zhì)量焊縫。如圖12所示，超快激光焊接對(duì)于完全透明或部分透明的焊接母材間的焊接均可實(shí)現(xiàn)[27]。RICHTER等人[28]使用波長(zhǎng)515nm、脈寬450fs、脈沖頻率為9.4MHz的飛秒激光器，焊接石英玻璃，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)線掃描方式的焊縫彎曲強(qiáng)度最高為25MPa，點(diǎn)焊接方式的焊縫彎曲強(qiáng)度最高為54MPa，文中還指出，焊接區(qū)域的邊緣能夠阻止應(yīng)力裂紋的擴(kuò)展增加連接強(qiáng)度。DING等人[29]使用波長(zhǎng)為1064nm、脈沖寬度為300fs、重復(fù)頻率175kHz～2MHz的飛秒激光以20mm/s速率焊接石英玻璃并研究了重復(fù)頻率和激光功率的變化對(duì)玻璃焊接強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在保持激光重復(fù)頻率為500kHz時(shí)，焊接強(qiáng)度隨激光功率先增大后減小，最大焊接強(qiáng)度為12.15MPa；在保持激光功率為4.14W時(shí)，焊接強(qiáng)度隨著激光重復(fù)頻率的增大而減小，且當(dāng)激光重復(fù)頻率超過(guò)175kHz后，焊接熔融區(qū)域頂部會(huì)出現(xiàn)圓形空腔。

圖12 超短脈沖激光焊接示意圖[27]

在采用超快激光焊接玻璃材料時(shí)，通常要求焊接材料要達(dá)到光學(xué)接觸，這是因?yàn)槌旒す鈨H使焦點(diǎn)處少許材料熔化難以填充較大間隙，加工時(shí)不充足的熔化材料會(huì)進(jìn)入空隙并釋放壓應(yīng)力，這樣在材料冷卻凝固后便會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，將嚴(yán)重影響焊縫的強(qiáng)度[21]。然而要實(shí)現(xiàn)焊接材料的光學(xué)接觸十分困難，為了避免光學(xué)接觸的苛刻條件，近幾年來(lái)，許多學(xué)者就如何在大間隙下進(jìn)行超快激光焊接進(jìn)行研究。RICHER等人[30]使用波長(zhǎng)為1030nm、脈寬為500fs的飛秒激光器以10mm/s的焊接速率對(duì)間隙3μm～4μm的石英玻璃進(jìn)行焊接，如圖13所示。每次掃描后焦點(diǎn)稍微上移，可見(jiàn)在右側(cè)初始寬度為4μm的間隙已經(jīng)被焊縫閉合，試驗(yàn)中通過(guò)最多將4個(gè)脈沖能量為10μJ的激光脈沖間隔20ns串聯(lián)發(fā)射來(lái)增大激光平均功率和熱效應(yīng)，使焊接區(qū)域擴(kuò)大到450μm×160μm，焊接后經(jīng)3點(diǎn)彎曲測(cè)試得到最大焊接強(qiáng)度為73MPa。CHEN等人[31]利用脈寬為10ps、重復(fù)頻率為1MHz、單脈沖能量為12μJ的皮秒激光通過(guò)小規(guī)模的快速振蕩掃描以實(shí)現(xiàn)大間隙(10μm)鈉鈣玻璃的焊接，試驗(yàn)中使用裝有103mm聚焦鏡(焦點(diǎn)直徑為20μm)的振鏡掃描儀以環(huán)形振蕩的方式(振蕩半徑為300μm，光束偏轉(zhuǎn)速度為1m/s)進(jìn)行焊接，結(jié)果表明，該方法產(chǎn)生的熔池能夠?qū)⒉ＡО彘g的間隙縮小到3μm，且能達(dá)到最大為64MPa的焊接強(qiáng)度，但是焊接區(qū)域存在微裂紋。YU等人[32]采用波長(zhǎng)為515nm、脈寬800fs、最大功率達(dá)75W的綠光飛秒激光器和焦距為255mm的長(zhǎng)焦距掃描振鏡對(duì)兩塊厚度為0.5mm、間隙為約3μm的硼硅玻璃進(jìn)行焊接，試驗(yàn)中研究了焦點(diǎn)位置、脈沖能量和掃描速率對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律和焊接工藝窗口，在40mm/s的焊接速率下獲得了單道掃描焊縫結(jié)合寬度達(dá)30μm，剪切強(qiáng)度可達(dá)16MPa，且具有良好耐水性和高透過(guò)率的焊縫。

圖13 激光焊接樣品側(cè)視圖[30]

綜上所述，現(xiàn)有的玻璃材料激光焊接方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)：CO2遠(yuǎn)紅外激光焊接時(shí)無(wú)需添加吸收劑且能實(shí)現(xiàn)較大間隙的連接，但由于玻璃材料對(duì)紅外激光的透過(guò)性較差，在加工時(shí)需嚴(yán)格的溫度控制；Nd∶YAG激光器由于波長(zhǎng)處在玻璃的透過(guò)窗口，熱影響區(qū)域小，溫度控制容易，但需在焊接材料間加入吸收劑才能獲得好的焊接效果，而吸收層的加入往往會(huì)降低焊縫的強(qiáng)度；超快激光焊接時(shí)不需要在玻璃間添加吸收劑，熱影響區(qū)域也最小，是近年來(lái)極具發(fā)展前景的激光焊接方式，但超快激光焊接區(qū)域熔化材料較少、難以填補(bǔ)較大空隙所帶來(lái)的光學(xué)接觸的苛刻要求也限制了它的實(shí)際應(yīng)用。

4 激光制備玻璃材料功能結(jié)構(gòu)

激光制備功能結(jié)構(gòu)分為表面功能結(jié)構(gòu)制備和內(nèi)部3維功能結(jié)構(gòu)制備。其中利用激光在玻璃表面制備功能結(jié)構(gòu)又稱(chēng)激光表面改性，指通過(guò)激光與玻璃材料表面的相互作用，在表面制備功能性微納結(jié)構(gòu)，來(lái)使材料表層發(fā)生所希望的理化和力學(xué)性能變化[33]；激光內(nèi)部3維功能結(jié)構(gòu)制備指利用激光可以聚焦到玻璃內(nèi)部的特點(diǎn)，在玻璃內(nèi)部加工3維功能結(jié)構(gòu)例如3維空洞、微通道、自組裝結(jié)構(gòu)等微納結(jié)構(gòu)以制備3維光子器件、微流控芯片等特殊器件。在玻璃材料微納功能結(jié)構(gòu)制備領(lǐng)域，超快激光因其極高的峰值功率、較小的熱影響區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)有著廣泛的應(yīng)用[34]。

4.1 激光表面改性

4.1.1 激光制備疏水、超疏水表面 通過(guò)激光脈沖在玻璃材料表面加工出周期性微米結(jié)構(gòu)或者具有較高粗糙度的納米結(jié)構(gòu)以及二級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)以改變材料表面潤(rùn)濕性[35]，制備疏水性、超疏水結(jié)構(gòu)是玻璃材料激光表面改性的一個(gè)重要研究方面。AHSAN等人[36]使用波長(zhǎng)786nm、脈寬183fs、重復(fù)頻率1kHz的飛秒激光器在鈉鈣玻璃上制備出周期約為100μm的溝槽結(jié)構(gòu)，并在溝槽內(nèi)部誘導(dǎo)出規(guī)則的寬度約為1μm，周期為5μm的波紋結(jié)構(gòu)，成功獲得了可見(jiàn)光范圍內(nèi)光透性達(dá)到77%，接觸角約為155°的超疏水玻璃表面。WANG等人[37]利用波長(zhǎng)為1064nm、脈寬為10ps的皮秒激光在原透光率為91.03%的太陽(yáng)能玻璃板上制作出周期性條紋結(jié)構(gòu)，如圖14a所示，通過(guò)在50μm～70μm范圍內(nèi)調(diào)控條紋周期，能實(shí)現(xiàn)從156°～172°的靜止接觸角，實(shí)現(xiàn)超疏水，如圖14b所示，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光范圍內(nèi)最高為87.25%的透光率。

圖14 皮秒激光制備周期性微溝槽及表面液滴實(shí)驗(yàn)效果圖[37]

4.1.2 激光表面金屬化、導(dǎo)電層制備 采用激光表面改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)玻璃材料表面金屬化及導(dǎo)電層的制備是激光表面功能結(jié)構(gòu)制備的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域。HOU等人[38]利用波長(zhǎng)為355nm的調(diào)Q納秒激光器，在100kHz的脈沖頻率、能量密度分別為27J/cm2～37J/cm2、200mm/s的加工參量下首先在硅酸鹽玻璃上刻蝕出深度在25μm～35μm、粗糙度Ra在6μm～7μm之間的微凹槽以增大與銅層的接觸面積，再經(jīng)過(guò)HF酸洗、NaOH清洗和PdCl2溶液浸泡后通過(guò)第2次輸出能量低于玻璃破壞閾值的紫外激光加工活化表面的Pd原子，最后進(jìn)行化學(xué)沉積鍍銅，加工流程如圖15所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，銅層和玻璃之間的平均結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)10MPa以上,且銅層的體積電阻率可以達(dá)到10-6Ω·cm3的數(shù)量級(jí)。REINHARDT等人[39]采用激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)技術(shù)在涂敷于硼硅玻璃上的銦錫化合物(indium tin oxide,ITO)透明導(dǎo)電膜中制備納米級(jí)圖案，試驗(yàn)中利用波長(zhǎng)為532nm的納秒激光器以100kHz～200kHz的脈沖頻率、20μJ的脈沖能量、50mm/s～80mm/s的掃描速率創(chuàng)建周期低于175nm的條紋狀圖案，結(jié)果表明，加工后的納米結(jié)構(gòu)表面仍具有導(dǎo)電性且獲得了改善的光學(xué)透明性以及對(duì)強(qiáng)酸的耐腐蝕性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在激光加工后在納米結(jié)構(gòu)中生成的ITO與硅的混合相是導(dǎo)電層化學(xué)穩(wěn)定性提升的來(lái)源。

圖15 激光改性玻璃表面選擇性制備銅導(dǎo)電層加工流程[38]

4.2 激光內(nèi)部3維功能結(jié)構(gòu)制備

4.2.1 激光制備3維光子器件 超快激光內(nèi)部改性制備光波導(dǎo)、光學(xué)存儲(chǔ)器件等3維光子器件是激光內(nèi)部3維功能結(jié)構(gòu)制備應(yīng)用的熱點(diǎn)。光波導(dǎo)通常通過(guò)平行或垂直于激光束的移動(dòng)激光在玻璃樣品中的焦點(diǎn)位置以實(shí)現(xiàn)制備，如圖16所示[34]。ZHANG等人[42]利用波長(zhǎng)為1030nm的超快激光(脈寬190fs～10ps)貝塞爾光脈沖在熔石英玻璃中飛秒光刻的單模波導(dǎo)上逐點(diǎn)寫(xiě)入真空結(jié)構(gòu)的Bragg光柵,研究表明，光柵空隙的大小和相對(duì)位置對(duì)光柵的諧振響應(yīng)有著重要影響，而通過(guò)控制貝塞爾脈沖的能量可以將光柵空隙的直徑精確地控制在100nm～300nm以下，獲得最高達(dá)43dB的諧振譜強(qiáng)度。HUANG等人[43]利用波長(zhǎng)為800nm、脈寬為150fs的飛秒激光配合退火熱處理在特制的含有銫、鉛和溴元素的氧化物玻璃上制備出可擦除和重復(fù)寫(xiě)入的量子點(diǎn)發(fā)光圖案，如圖17所示。試驗(yàn)中利用生成的量子點(diǎn)物質(zhì)CsPbBr3易分解和較低形成能的特點(diǎn)，使用低于玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞閾值的飛秒激光和低溫退火可以擦除已寫(xiě)入的綠色發(fā)光圖案并寫(xiě)入新的圖案。這種可重復(fù)寫(xiě)入的鈣鈦量子點(diǎn)在大容量光存儲(chǔ)、信息加密等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。

圖16 在玻璃材料中嵌入波導(dǎo)的制造方案[34]

圖17 可擦除和重復(fù)寫(xiě)入的CsPbBr3量子點(diǎn)發(fā)光圖案[43]

4.2.2 激光制備微通道/微流控裝置 激光制備玻璃微通道/微流控裝置是另一重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前制備方法主要為兩種：液體輔助超快激光鉆孔以及超快激光輔助濕法化學(xué)刻蝕。液體輔助超快激光鉆孔的基本加工原理如圖18所示，超快激光首先從材料的背面即與蒸餾水或其它液體接觸的一側(cè)開(kāi)始加工，隨著加工進(jìn)行液體被導(dǎo)流吸入到激光鉆孔的通道中，大大促進(jìn)燒蝕碎屑的排出，顯著緩解微通道加工中碎屑堵塞的問(wèn)題。LI等人[44]利用蒸餾水輔助激光打孔的方法，采用波長(zhǎng)為800nm、重復(fù)頻率1kHz、脈寬120fs的飛秒激光在鈉鈣玻璃上制備出管道直徑50μm、螺紋半徑100μm～300μm、螺距150μm～250μm、總長(zhǎng)1mm的螺旋狀微通道，如圖19所示。試驗(yàn)表明，飛秒激光與水相互作用產(chǎn)生的氣泡、沖擊波以及高速射流共同作用引發(fā)激光誘導(dǎo)破壞現(xiàn)象可去除材料且通過(guò)將水引入管道來(lái)清除燒蝕碎屑效果很好，試驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)生碎屑堵塞以及管道變形現(xiàn)象。TAN等人[45]利用波長(zhǎng)為800nm、重復(fù)頻率為1kHz的飛秒激光器采用時(shí)空同時(shí)聚焦(simultaneous spatiotemporal focusing，SSTF)和水輔助的加工方法成功在石英玻璃上加工出無(wú)微裂紋和微損傷、最高寬深比達(dá)30的深孔以及半徑為150μm的螺旋狀微通道。

圖18 液體輔助超快激光鉆孔加工原理圖[34]

圖19 水輔助超快激光加工微螺旋通道示意圖[44]

如圖20所示，超快激光輔助濕法化學(xué)刻蝕加工過(guò)程大體可分為3步：(1)通過(guò)超快激光在玻璃材料內(nèi)部輻照誘導(dǎo)出預(yù)期3-D結(jié)構(gòu)的潛影；(2)對(duì)于光敏玻璃，需要通過(guò)熱處理對(duì)潛影區(qū)域進(jìn)行化學(xué)改性，對(duì)于熔石英玻璃這一步可以忽略；(3)用酸對(duì)改性區(qū)域進(jìn)行濕化學(xué)蝕刻，對(duì)于激光輻照后的區(qū)域其刻蝕速率大大快于未輻照區(qū)域。BROKMANN等人[46]通過(guò)超快激光濕法化學(xué)刻蝕的方法在光敏玻璃上加工微毛細(xì)管結(jié)構(gòu)以制備生物組織工程芯片,整個(gè)制備過(guò)程分為大致3步：首先使用波長(zhǎng)為800nm、重復(fù)頻率80MHz、脈寬140fs的飛秒激光進(jìn)行輻照，之后通過(guò)熱處理(570℃，1h)促進(jìn)輻照區(qū)域的異質(zhì)成核和晶體的生長(zhǎng)，最后通過(guò)HF酸進(jìn)行腐蝕獲得深度在69μm～350μm的微毛細(xì)管簇。通過(guò)后續(xù)生物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在制備的生物芯片上小鼠成纖維細(xì)胞成功增殖，細(xì)胞成活率在93%以上。QI等人[47]利用激光輔助濕法化學(xué)刻蝕結(jié)合氫氧化物催化鍵合法在熔石英玻璃上加工出如圖21所示的高通量微流控混合器，加工步驟如圖22所示，首先利用波長(zhǎng)為1030nm、脈寬270fs的飛秒激光對(duì)需要加工的3-D區(qū)域進(jìn)行輻照，之后在10mol/L的KOH溶液中對(duì)被輻照的區(qū)域材料進(jìn)行選擇性腐蝕，最后通過(guò)氫氧化物催化鍵合方法成功制備出最大深度為270μm的微流混合器，通過(guò)后續(xù)流體混合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該高通量微流控混合器可以實(shí)現(xiàn)6mL/min的高流量率微流體混合。

圖20 超快激光輔助濕法化學(xué)刻蝕示意圖[34]

圖21 a—微流混合工作原理圖 b—?dú)溲趸锎呋I合微流混合器3-D示意圖[47]

圖22 加工流程[47]

激光制備功能結(jié)構(gòu)是激光加工技術(shù)研究的前沿，它綜合了激光刻蝕、激光打孔等多項(xiàng)激光技術(shù)并交叉生物、化學(xué)、微電子等多個(gè)領(lǐng)域。利用超快激光特別是飛秒激光加工精度高、熱影響區(qū)域小的特點(diǎn)，在玻璃材料表面或者內(nèi)部燒蝕出各種功能性的3-D微納結(jié)構(gòu)而制備出的功能表面、微流控芯片、光子器件都有著廣闊的應(yīng)用前景。但與光刻技術(shù)相比，超快激光在芯片制作領(lǐng)域的應(yīng)用還處于早期且存在著成本高、穩(wěn)定性較差等許多難題，但隨著新一代超快激光器的飛速發(fā)展以及人們對(duì)芯片功能性、復(fù)雜性的要求越來(lái)越高，激光改性技術(shù)在玻璃材料上制備各種微納功能結(jié)構(gòu)有著很大的研究和發(fā)展空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

從激光刻蝕、激光打孔、激光焊接、激光制備功能結(jié)構(gòu)4個(gè)激光加工玻璃材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域簡(jiǎn)述了加工原理和研究進(jìn)展。玻璃材料作為一種性能獨(dú)特的非金屬材料其加工產(chǎn)品在傳感器、光子器件、生物芯片等高新技術(shù)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，而激光加工技術(shù)特別是超快激光技術(shù)為玻璃材料的刻蝕、制孔、焊接乃至傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的表面和內(nèi)部微納加工提供一種高質(zhì)量、高效率且清潔無(wú)污染的加工方法。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，更快速、更高能量密度激光器的投入使用已經(jīng)在玻璃透明材料加工領(lǐng)域取得了許多進(jìn)步與成就。未來(lái)在以下幾方面可進(jìn)行深入研究以推動(dòng)激光加工玻璃技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

(1)對(duì)于超快激光、復(fù)合激光束加工以及各種激光輔助加工方法中激光與材料的相互作用過(guò)程、機(jī)理的研究是保證制造質(zhì)量的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

(2)模擬實(shí)際加工工況的激光加工仿真模型開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)激光加工參量?jī)?yōu)選和工藝流程的優(yōu)化。

(3)集成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)激光加工參量的實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性。

(4)更加小型化、低成本的激光系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及新的光化學(xué)方案研究將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展可加工的玻璃材料的范圍，提高加工精度并降低時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。