玻璃、藍(lán)寶石和陶瓷是普遍應(yīng)用于微加工技術(shù)和精細(xì)加工的材料。然而，它們給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了越來越多的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)也給強(qiáng)大的超短脈沖激光器贏得了更多機(jī)會。這些材料高質(zhì)的屬性對很多產(chǎn)品來說是不可或缺的：玻璃用來制作智能手機(jī)的顯示屏，顯示屏有著鋼化的外殼 ;陶瓷堅(jiān)硬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可用來制作電子零部件和電路基板，以及電氣絕緣體。藍(lán)寶石極其堅(jiān)硬，耐劃傷，適合用于半導(dǎo)體和 LED 技術(shù)。但玻璃、 陶瓷、 和藍(lán)寶石有個共同點(diǎn)就是很難加工。由于它們易碎而且都是非常堅(jiān)硬的材料，他們挑戰(zhàn)著銑、 鉆、 磨等傳統(tǒng)制造工藝的極限。加工這些材料時(shí)刀具磨損快，并且需要好幾個加工環(huán)節(jié)才能得到足夠好的加工質(zhì)量。

  1、在堅(jiān)硬、易碎的材料上使用激光光束

  激光光束在堅(jiān)硬、易碎的材料特別能展現(xiàn)出良好的效果。它們不會磨損且能聚焦到最小直徑。掃描振鏡能靈活定位光束，能幾乎滿足各種形狀輪廓的加工需要。超短脈沖激光器特別適合加工易碎的材料。對于小于100 ps的激光脈沖，在熱傳導(dǎo)到周邊的材料上之前，被加工區(qū)域的材料已經(jīng)汽化了。只要激光參數(shù)精確調(diào)整到和應(yīng)用相匹配，那么就不需返工。對可見光以及近紅外的光譜范圍內(nèi)的光來說，很多像玻璃這樣的寬帶隙電介質(zhì)是透光的。然而，高強(qiáng)度的皮秒脈沖能通過多光子電離產(chǎn)生自由電子。大量連續(xù)的電離進(jìn)一步釋放電荷載體，這些電荷載體能夠破壞材料中的化學(xué)鍵，最終達(dá)到燒蝕材料的目的。

  2、低熱輸入避免產(chǎn)生裂縫

  當(dāng)加工易碎材料時(shí)，避免產(chǎn)生小裂縫是經(jīng)常要遇到的挑戰(zhàn)，這些小裂縫會削弱零部件的強(qiáng)度。產(chǎn)生裂縫的一個原因是過度的熱量進(jìn)入了零部件。熱量導(dǎo)致材料膨脹，加快了裂縫的生成。適當(dāng)?shù)募庸げ呗钥梢苑乐剐×鸭y的形成。這其中就包括準(zhǔn)確定義加工參數(shù)，如脈沖能量、 脈沖重疊度、 重復(fù)頻率、 焦點(diǎn)直徑和激光加工次數(shù)。最佳工作點(diǎn)取決于材料、 加工形狀、加工時(shí)間和質(zhì)量的要求，并通過應(yīng)驗(yàn)試驗(yàn)加以確認(rèn)。位于德國南部Ditizingen的Trumpf公司和德國西部 Aachen的Fraunhofer激光技術(shù)研究所開展聯(lián)合研究，發(fā)展了優(yōu)化激光加工脆性材料效果的理論基礎(chǔ)。

  3、加工強(qiáng)化玻璃

  智能手機(jī)的興起加大了顯示屏的重要性。智能觸摸顯示屏(觸摸屏)已經(jīng)超越了手機(jī)鍵盤成為最主要的用戶界面。典型的智能手機(jī)包括四塊玻璃平板：兩塊在顯示屏上，容納薄膜晶體管和液晶材料;一塊提供觸摸功能;還有一塊化學(xué)鋼化玻璃蓋板保護(hù)底層免于劃傷，沖擊損傷和臟物。由于用戶想要輕便、纖薄的智能手機(jī)，更薄的玻璃面板被使用。典型的玻璃顯示面板為0.3 mm厚;化學(xué)鋼化玻璃蓋板0.7 mm厚。這使得傳統(tǒng)的切割工藝達(dá)到了極限。切削輪子已經(jīng)不適合加工這種玻璃，因?yàn)樗麄兌冀?jīng)過特殊的化學(xué)強(qiáng)化處理，而銑削加工則需要大量研磨和拋光上的返工工作。

  紅外和綠光波長的超短脈沖激光器正好可用于這種材料的加工。皮秒脈沖能減少裂縫的產(chǎn)生，切割質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的銑削加工。激光光束多次掃過被加工材料來實(shí)現(xiàn)切割。速度，邊緣質(zhì)量和邊緣的角度可以由加工策略來決定。相對于其他的激光工藝，燒蝕工藝更穩(wěn)妥：例如，輕微變形的玻璃并不影響加工結(jié)果。在測試中，使用綠光皮秒激光器，”Corning Eagle XG”的彎曲強(qiáng)度達(dá)280兆帕。使用紅外皮秒激光器的測試結(jié)果表明速度增加三倍，邊緣的彎曲強(qiáng)度略低。

  更強(qiáng)大的皮秒激光器使我們有更大的機(jī)會來提高加工玻璃的效率。我們比較鋼材和玻璃的燒蝕速度以及加工效率時(shí)這種機(jī)會尤為明顯。由于等離子體屏蔽的原因，鋼材的燒蝕效率在5 J/cm2的脈沖能量密度時(shí)開始降低，而玻璃允許更高的脈沖能量密度，直到加工效率達(dá)到較高。因此當(dāng)加工玻璃時(shí)，更高的脈沖能量可以轉(zhuǎn)化為更高的燒蝕效率。

  4、適用于任何棘手情況的藍(lán)寶石

  藍(lán)寶石是地球上僅次于鉆石第二堅(jiān)硬的材料，很難使用機(jī)械的方法來加工。使用激光器來切割藍(lán)寶石是當(dāng)今LED制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)加工方法，藍(lán)寶石在這里用作基板襯底。由于其抗劃傷性和透光性，藍(lán)寶石會用來生產(chǎn)手表和光學(xué)儀器的保護(hù)鏡面。 當(dāng)加工細(xì)小的輪廓時(shí)，超短脈沖激光器可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的加工。例如當(dāng)切割圓形部件和鉆微孔時(shí)，柔性的輪廓加工可以通過高速掃描器來實(shí)現(xiàn)。超短脈沖除去了加工時(shí)的熱影響，從而產(chǎn)生極好的切割邊緣質(zhì)量。良好的加工質(zhì)量取決于加工方法、 除塵和工件夾具之間的適宜的配合。 例如，將脈沖能量為250 μJ的激光光束分成兩個125 μJ的獨(dú)立激光光束同時(shí)加工兩個零部件就可以獲得更高的產(chǎn)量。

  5、陶瓷

  工程陶瓷經(jīng)常會用于暴露在高溫或要求耐磨損的零部件上。在許多應(yīng)用中，對材料的電絕緣性要求很高。例如，工程陶瓷用于汽車行業(yè)中傳感器芯片的PCB材料，用于油泵的耐磨損貯存材料，或用于食品行業(yè)中噴嘴材料。最常見的工程陶瓷材料有氧化鋁，氮化鋁和氧化鋯。 激光非常適合在薄陶瓷上鉆孔，切割或者結(jié)構(gòu)處理。例如，使用紅外超短脈沖激光器可以以高達(dá)10 mm/s的速度切割0.3 mm厚的氧化鋯板。超短脈沖可產(chǎn)生平滑，無裂紋的切割邊緣。鑒于超短脈沖激光銳利的聚焦特性，他們非常適用于打孔：能在0.5 毫米厚的氧化鋁和氮化鋁陶瓷上鉆出直徑為60 μm的孔。打孔速度可達(dá)每秒20個孔。在劃片-裂片的工藝中，激光切割到材料的三分之一厚度，然后用機(jī)械方式裂片，速度可達(dá)50 mm/s。