文/Patricia Panchak

为了克服激光玻璃和聚合物切割所面临的固有挑战，波兰Fluence公司的研究人员开发了一种使用超快飞秒光纤激光器的最新切割工艺。这种方法提供了一种不受加工方向限制的切割工艺，能够在高切割速度下实现高质量的切割边缘和更小的切口宽度，即使是切割厚玻璃也能达到米每秒的切割速度，并且不会产生碎屑/烟雾，对环境友好。

测试表明，该方法适用于各种材料，包括蓝宝石，以及显示器和消费电子领域应用的大多数玻璃，如用于移动设备中的盖板玻璃和用于可折叠显示器中的超薄玻璃（UTG）。对于UTG的切割结果表明，仅使用250fs的脉冲就可以实现低于100nm的表面粗糙度。

在聚合物切割中，特别是医用级聚乳酸（PLA）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），基于250fs脉冲的切割工艺，有助于克服热积聚问题以及厚聚合物基底的低切割速度。研究人员证明，与典型的聚合物烧蚀切割工艺相比，飞秒工艺的切割速度快了几个数量级。

具体来说，实验测试了各种参数，包括脉冲持续时间、脉冲串能量、脉冲串中的脉冲数和切割不同材料时的脉冲间距，最终得出以下三个结果：

1、展示了工艺参数对各种材料的切割边缘质量（在裂纹自定向状态下裂开）的影响。[1]边缘粗糙度影响材料加工后的强度，而材料强度对于可折叠显示器等应用至关重要。

2、展示了在任何方向上都能实现高速切割的可能性，例如在制造圆形形状时，无需主动光束转向，而且无论方向如何都能获得高质量切割边缘。

3、展示了使用相同的简化装置和激光源，能够切割玻璃和聚合物的能力。

实验装置

研究人员使用了Fluence公司的Jasper X0飞秒光纤激光器，其工作的平均功率为20W，在200kHz下的单脉冲输出能量为100μJ，工作波长为1030nm。

测试包括切割厚度为50μm和100μm的UTG（见图1）、厚度1.1mm的BK7玻璃、双面层压UTG、厚度0.3mm的PLA和厚度3mm的PMMA。另外，还使用LEXT OLS500激光共聚焦显微镜测量了切割边缘的粗糙度。

图1：上图显示的是厚度为100μm的超薄玻璃（UTG）的切割样品，其中左图是利用飞秒脉冲切割的，展现出了精密、光滑的切割边缘质量，明显优于右图中使用皮秒脉冲获得的粗糙边缘质量。下图显示了厚度为200µm的UTG样品的切割效果。（图片来源：Fluence）

研究人员使用了之前报道的全向微裂纹定向工艺，[1]该工艺能够确保微裂纹沿着切割轨迹进行自定向，从而可以在不旋转光路中光学元件的情况下，沿任何方向进行切割。

UTG的超高质量切割

为了测试UTG切割，研究人员将使用皮秒脉冲的自裂纹定向机制与使用几个参数集的新机制进行了比较。结果表明，250fs的短脉冲（Jasper X0激光器可以产生的最短飞秒脉冲）以及优化的脉冲间距，可以很容易地切割厚度为50μm和100μm的UTG，并且边缘粗糙度低于Sa=0.15μm，即切割边缘基本上是光滑的。研究人员表示，还可以根据UTG的厚度调整激光参数，以获得最高质量的切割边缘。

Fluence公司超快激光应用实验室激光微加工研发总监Bogusz Stepak认为，实际的切割边缘粗糙度甚至可能低于测量值，因为现在已经达到了显微镜的分辨极限。Stepak表示，极低的边缘粗糙度非常有益，因为“粗糙度和UTG弯曲强度之间存在着很强的相关性”。

有趣的是，这种新方法不会产生微裂纹，而且这种工艺也是皮秒脉冲无法实现的。Stepak说：“脉冲沉积后，材料内部的能量弛豫不会导致开裂。这是一种不同类型的改性，如果将这些改性彼此靠近，就可以形成一条均匀的改性线，UTG会沿着这条改性线断裂，从而获得非常高质量的断裂边缘。”然而，研究人员还需要进行更多的测试，以充分了解该工艺的工作原理，并测试分开后玻璃的强度。

当将相同的设置应用于混合材料（将一片厚度90μm的UTG玻璃芯夹在两片厚度30μm的聚合物层之间）时，使用250fs和8ps的脉冲都能实现材料切割，但使用250fs脉冲获得的边缘质量明显更好。

此外，该方法可以仅使用单次脉冲通过就实现材料切割，从而消除了后处理、分层、开裂或表面污染。

切割BK7

对于厚度1.1mm的硼硅酸盐玻璃，研究人员使用飞秒激光切割出了圆形，切割中使用了各种参数集，包括不同的能量、脉冲间距和脉冲串中的脉冲数。任何一个参数的微小变化都会影响切割质量。然而，在使用脉冲间距为5.0~7.5μm的三到四次脉冲串时，“我们发现脉冲间距有一个最佳点，可以获得低于0.4μm的高质量表面粗糙度，这个粗糙度通常足以满足大多数工业应用的要求。”Stepak说道。

该团队测量了水平和垂直切割的粗糙度，以评估无论切割方向如何，该工艺都能产生相同的切割质量，两者的粗糙度相似。Stepak说：“所以，我们有一个非常简单的装置，没有任何旋转部件，并且我们在所有方向上都获得了相同的切割质量。因此，这是一个能够轻松分离材料的非常高质量的加工过程。”

Stepak补充说，使用更大的脉冲间距可以增加切割速度。在100kHz的重复频率下，UTG和通常厚度高达1.5mm的玻璃，都能以高达1m/s的速度进行单次脉冲切割。使用60W Jasper X0激光器，在300kHz下可以将速度提升到现在的三倍。

切割聚合物

Stepak解释说，研究人员使用相同的工艺切割厚度0.3mm的PLA和厚度高达3mm的PMMA，并且也获得了非常可喜的结果。他们发现，使用250fs的最短脉冲，获得了最容易的机械断裂（见图2）。当使用皮秒脉冲时，几乎不可能实现相同样品的断裂。

不同的材料需要不同的脉冲间距，才能获得良好的切割效果。“因此，对于聚乳酸等半结晶聚合物，我们可以用更大的脉冲间距切割，因为这种材料更脆。”Stepak说，“如果被加工的材料不那么脆（例如PMMA，它是一种完全无定形的聚合物），那么我们就需要使用更小的脉冲间距。”

Stepak说：“使用与切割玻璃相同的超短脉冲和相同的光学元件，还可以切割聚合物。测试显示，这种工艺没有切口，没有材料损耗和烟雾，并且几乎没有热影响区。所以这是一个非常好的加工过程，尤其是对于医疗等要求苛刻的应用而言。”

图3：在无定形物和结晶PLA中，使用飞秒脉冲切割圆形。这种切割方法在聚合物上的应用，展示了无缺陷的光滑切割边缘。（图片来源：Fluence）

该工艺显示出在各种无定形物（PMMA、PC）和半结晶聚合物（PET、PLA、PA6、PE、PEEK；见图3）切割方面的应用潜力。未来的测试将探索其他加工机制，以发现如何进一步优化各种材料的切割质量和切割速度，并应用该工艺创造更复杂的边缘形状。

参考文献：

1. B. Stepak, N. Grudzień, K. Kowalska, Y. Stepanenko, and M. Nejbauer, J. Laser Appl., 35, 012005 (2023); https://doi.org/10.2351/7.0000798.