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蓝宝石的生长及激光切割工艺简介

导读: 蓝宝石在外力作用下,带正电的Al原子移动,带负电的O原子随之移动。金属则与蓝宝石不同,带正电的金属原子在外力作用下,带负电的自由电子随之移动。因为原子质量远大于电子,因此O原子的加速度和速度远小于电子,蓝宝石不能像金属那样塑性变形。蓝宝石和SiO2为主要成分的玻璃易脆,适合用超短脉冲激光加工。

蓝宝石的莫氏硬度高达9,超过沙子的硬度7。如果用蓝宝石作为屏幕,手机就不会被沙子刮伤。华为推出蓝宝石屏幕的手机Ascend P7,售价4688元。而玻璃屏幕的P7,售价仅为1788元。虽然蓝宝石屏幕不用贴膜,但价格远高于玻璃屏幕,这是什么原因呢?

古代的玻璃用高温熔融法制备后,跟蓝宝石一样,需要打磨抛光,才能获得镜面效果,因此玻璃原来也很贵。然而1959年英国人Pilkington发明了浮法工艺,SiO2为主要成分的玻璃溶液,平整地浮在低熔点金属Sn的表面。浮法工艺避免了打磨抛光,降低了玻璃的生产成本,平板玻璃窗、玻璃镜得以大规模生产,进入千家万户。那么,蓝宝石可否用玻璃的制备工艺来廉价地生产呢?答案是不能。因为SiO2可作为非晶态网络的生成体,而蓝宝石的成分Al2O3只可以作为非晶态网络的中间体,不能单独形成非晶态。

蓝宝石虽然昂贵,但相比两个世纪前,已经便宜了不少。蓝宝石最早来源于天然矿石,法国人Verneuil于1892年发明了火焰法,实现了蓝宝石的人工合成,使蓝宝石广泛用在手表、宝石和刀具等产品上。Al2O3粉末被高温的氢氧焰融化,然后进行冷却,Al离子和O离子在库伦力作用下,规则地排列成单晶体。火焰法虽然速度快、成本低,但是温度梯度较高,导致蓝宝石内的残余应力很大。为了降低温度梯度,近年来GTAT公司发展了热交换法,用来生长蓝宝石梨晶,梨晶经过掏棒、抛光等工艺后,被激光切割成为摄像头盖板、Home键等。

蓝宝石在外力作用下,带正电的Al原子移动,带负电的O原子随之移动。金属则与蓝宝石不同,带正电的金属原子在外力作用下,带负电的自由电子随之移动。因为原子质量远大于电子,因此O原子的加速度和速度远小于电子,蓝宝石不能像金属那样塑性变形。蓝宝石和SiO2为主要成分的玻璃易脆,适合用超短脉冲激光加工。激光脉宽短,晶格来不及响应,激光将能量全部传递给电子,然后高温的电子在温度梯度作用下,将热量单向地传递给低温的晶格。晶格加热时间短,因此材料温度低,热应力小。

激光切割蓝宝石,关键在于控制激光的传输。当单脉冲能量从30 μJ增大到150 μJ,加工长度从98 μm增大到240 μm。当单脉冲能量从150 μJ增大到210 μJ,加工长度几乎保持不变。蓝宝石被单脉冲能量为210 μJ的超短脉冲激光辐照后,加工长度为242 μm。从图1(a)中可以明显看出,加工长度随着单脉冲能量的增加而增大,然而,加工长度在单脉冲能量超过150 μJ后饱和。

蓝宝石的生长及激光切割工艺简介

图1. 不同单脉冲能量下蓝宝石的加工形貌,以及模拟的光强分布

饱和现象由散射引起。如图1(b)-(d)中模拟的光强所示,在空气和蓝宝石界面处的散射区域随着单脉冲能量的增大而增大。当单脉冲能量从30 μJ增大到150 μJ,激光光强增大。当单脉冲能量从150 μJ增大到210 μJ,光强几乎不变,如图1(c)和1(d)所示。尽管单脉冲能量增大,激光在蓝宝石中的传播受到散射效应的限制。

为了加工厚度超过饱和长度的蓝宝石,我们采用“隐切”的加工方式,将焦点从远离物镜的下表面,逐渐向靠近物镜的上表面移动。如图2所示,激光在3个聚焦位置辐照后,切割500 μm厚的蓝宝石。结合散射和非线性传输的模型,计算出的光强分布,与实际加工形貌一致。

蓝宝石的生长及激光切割工艺简介

图2. “隐切”过程中累积的光强的分布

德龙激光自主研发的皮秒激光应力诱导加工设备,应用于蓝宝石和玻璃等材料的切割,荣获“OFweek2016年最佳激光行业应用案例奖”。

蓝宝石的生长及激光切割工艺简介

图3. 皮秒激光应力诱导加工设备

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