Стекольная промышленность

Сверление стекла с помощью прямой абляции

На рисунке ниже показано инновационное применение лазеров с технологией InnoSlab – высокоточное сверление стекла, когда в стекле создаются высокоточные пустотелые структуры с формами, не поддающимися обработке обычными механическими методами. По запатентованной технологии лазерный луч подается с задней части заготовки и фокусируется на противоположной внутренней поверхности. В отличие от процессов резки и гравировки под поверхностью испаренный стеклянный материал может свободно вытекать из зоны обработки, и при соответствующем управлении лучом лазера в стекле могут быть получены очень точные и воспроизводимые отверстия с любыми поперечными сечениями. Данный процесс имеет несколько ключевых преимуществ:

• процесс является очень точным и воспроизводимым, так как выходящий пар материала не взаимодействует с лазерным пучком, что может привести к серьезному снижению качества из-за происходящих плазменных процессов
• глубина отверстия или соотношение сторон (глубина отверстия по отношению к диаметру отверстия) соответственно масштабируется почти без ограничений без потери точности
• отверстия могут быть получены с поперечными сечениями, которые меняются по глубине отверстия (например, отверстие имеет точное коническое расширение в середине (см. ниже))
• благодаря процессу послойного удаления можно создать практически любую трехмерную структуру из стекла и стеклоподобных материалов

При использовании лазера с технологией InnoSlab, работающего на частоте 50 кГц, объемная абляция может достигать более 1 мм³/с. Подложки с более чем 1000 отверстиями с коническим сечением могут быть легко изготовлены (см. рис. ниже): толщина стеклянной подложки в этом случае составляла 2 мм; время обработки на одно отверстие – 5 секунд; диаметр перетяжки составляет 0.5 мм.

Резка стекла

Полный процесс резки листового стекла для сенсорных дисплеев и 3D-резка стеклянных конденсаторов для концентрирования солнечных элементов может быть осуществлен с помощью процесса послойной абляции. В случае сенсорного дисплея толщина стекла может составлять 0.7 мм. Максимальная скорость резания доходит до 10 мм/с.

Гравирование под поверхностью

Ранее лазерная обработка стекла в основном ограничивалась лазерами с рабочими длинами волн из дальнего ИК или УФ спектра. Это связано с тем, что стекло поглощает лазерное излучение только на данных длинах волн. Длины же волн твердотельных лазеров (вблизи 1 мкм и вторая гармоника) очень прозрачны для стекол и лишь небольшая часть мощности лазера преобразуется в тепловую энергию.

Однако если лазер сфокусирован в пятно очень малого диаметра и излучает очень короткие и интенсивные импульсы, то в фокусе достигается очень высокая интенсивность, превышающая пороговую интенсивность I_S (см. ниже). Выше этой пороговой интенсивности создается электронная лавина, начиная с пары свободных носителей заряда, которые всегда присутствуют. Из-за сильно увеличенной плотности носителей заряда коэффициент поглощения электромагнитного излучения резко возрастает до значений нескольких десятков процентов и мощность лазера, таким образом, поглощается в среде, что приводит к плавлению и испарению небольшого количества материала. Для этого процесса характерно, что взаимодействие между лазером и материалом локализовано в фокусе лазерного излучения, а материал, находящийся ниже и выше, не подвергается воздействию лазера вообще.

Пороговая интенсивность I_S такого нелинейного процесса значительно высока и находится в диапазоне от 10⁹ до 10¹⁰ Вт/см². Такие интенсивности могут быть достигнуты, если выполняются два условия: с одной стороны, требуется лазер, имеющий высокое качество луча, что означает, что луч можно сфокусировать в пятно очень малого размера, а, с другой стороны, лазер должен излучать импульсы очень высокой пиковой мощности. Такими лазерами являются твердотельные лазеры с диодной накачкой и модуляцией добротности, выполненные по технологии InnoSlab.

Наносекундные лазеры для микрообработки высокой мощности