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飞秒激光微加工透明材料具有独特的优势

玻璃在人们的日常生活中得到了广泛的应用,其应用范围不断扩大,特别是与其他材料相结合,可以更广泛地应用于高科技领域。这种玻璃由碳酸钠、石灰石和沙子等常见材料制成。这些材料在高温条件下溶解(1500°C),像液体一样,可以倒,吹,敦促和塑造成各种形状。然而,在室温下,由于冷却后机械性能的变化,玻璃变成了固体,难以加工。

玻璃是一种透明的固态材料,具有其他材料所没有的独特性能:

它具有优异的光学性能,能够反射、弯曲、发射和吸收光线,在整个可见范围内具有高透明度;就化学性质而言,玻璃是一种防腐惰性材料。可作为许多化学品的容器。

玻璃在热和电方面是极好的绝缘体。从物理性能上看,玻璃表面坚硬、耐刮擦、耐磨。近年来,玻璃通过各种方法具有均匀的弹性。然而,正是这些特性使得玻璃加工更具挑战性,例如,一旦玻璃具有极好的抗拉强度,它就会变得易碎。

因此,玻璃的处理方法及其应用需要长期进行。玻璃制造可以追溯到公元前3500年左右。人工制造的玻璃最初出现在美索不达米亚和埃及,最初用于制造珠宝,后来用于制造罐子。从那以后,加工技术从手工加工发展到今天的高科技工业工艺,出现了大量的玻璃种类和应用。尽管玻璃制造历史悠久,但近几十年来,由于玻璃的脆性,玻璃成品的加工工艺一直停滞不前。

通常一个小裂缝会导致玻璃破裂。一旦微裂纹在玻璃的某一部分形成,就会扩散到玻璃的边缘,造成裂纹。

玻璃的这种易碎性使其难以加工。另一方面,不断发展的技术使制造具有更小结构和不同形状的玻璃应用于不同领域成为可能。

传统的精密方法,如光刻和电子束光刻,工艺玻璃,但这些技术太昂贵和难以处理,特别是在大的地区。今天,激光技术提供了最精确的玻璃加工方法。

最直接的方法是在波长范围内使用单光子吸收,并且在红外或紫外光下玻璃不是高度透明的。

然而,直接吸收会导致一些问题,包括不良的热效应和热影响区的形成,这可能会导致微裂纹,严重影响玻璃的机械稳定性。此外,在玻璃表面下加工创造出三维结构需要使用高透明度的波长。虽然纳秒脉冲激光器可以用于制造玻璃的地下结构(图1),但玻璃的物理机制限制了微加工的细度,并产生微裂纹。

图1:使用纳秒激光器(左)和近红外飞秒激光器(右)对玻璃进行激光加工的例子。

近年来,一种令人兴奋的替代方法投入工业应用,利用超快激光器在近红外波长范围内产生亚皮秒脉冲。

在这种方法中,超短脉冲密切关注大多数或玻璃的表面,和功率密度每平方厘米超过几个太瓦时,触发等复杂和多样化的过程同时多光子吸收,雪崩和碰撞电离,导致玻璃矩阵高度本地化和几乎没有能量沉积(只有几微焦或更少)。

由于每个脉冲所消耗的能量非常有限,因此对这部分的热效应(甚至对焦体积)可以忽略不计。这种方法,通常被称为“冷烧蚀”,可以用来制作非常精确的三维结构。与其他微加工技术相比,飞秒激光微加工透明材料具有独特的优势。

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