傳統(tǒng)的玻璃切割工藝包括刀輪切割和CNC研磨切割（如圖1）。刀輪切割的玻璃良率較低，材料利用率較低，在進行異型切割時速度及精度會大幅下降，有些異型全面屏因轉(zhuǎn)角太小，根本無法用刀輪切割。CNC較刀輪的精度高，缺點是速度慢。

圖1 傳統(tǒng)方式玻璃切割.(a)(b)刀輪切割示意圖及效果.(c)(d)CNC研磨切割示意圖及效果

這些機械切割方法會沿著切割邊緣產(chǎn)生微裂紋和碎屑，也會產(chǎn)生崩邊。此外，機械切割方法還會在切割邊緣產(chǎn)生殘余應力，從而降低玻璃基板的機械強度（抗斷裂性）。同時，機械切割方法可能還需要各種后處理步驟（如研磨、拋光）來緩解上述問題，這必然會增加額外的生產(chǎn)時間和成本。

玻璃激光切割是一項易于控制的非接觸式的少污染技術(shù)，為客戶帶來極大便利；同時在高速切割下能保證邊緣整齊、垂直性佳和內(nèi)損傷低的優(yōu)勢，正成為玻璃切割行業(yè)的新型解決方案。尤其是高精度切割，皮秒級超快激光器因極窄的脈寬而展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，利用低熱能擴散的特點，在熱傳導到周邊材料前完成材料打斷，在脆性材料切割中表現(xiàn)出良好的效果。

眾所周知，超快激光器是指輸出激光的脈沖寬度在皮秒（10^-12 s）級別、或小于皮秒級別的脈沖激光器，具備極高的峰值功率。

對玻璃等透明材料而言，當超高峰值功率的激光被聚焦在透明材料內(nèi)部時，材料內(nèi)部由光傳播造成的非線性極化改變了光的傳播特性，使光束出現(xiàn)自聚焦現(xiàn)象（波前聚焦）。由于超快激光的峰值功率極高，使脈沖在玻璃內(nèi)不斷重復聚焦，在不發(fā)散的狀態(tài)下一路向下傳輸?shù)讲牧蟽?nèi)部，直至激光的能量不足以繼續(xù)支持發(fā)生自聚焦現(xiàn)象^[1]。至此，激光傳輸過的地方留下了如同絲線般的軌跡（直徑只有數(shù)個微米），將這些絲線連起來，對其施加應力，玻璃便會自行沿著絲線裂開。

這是玻璃被激光改性過的結(jié)果，改性后的玻璃與原本的性質(zhì)不同。而這樣的加工方式也確保了加工過程中不會對所涉及的空間范圍的周圍材料造成影響，從而做到了加工的“超精細”。

如今對曲線切割的需求量越來越大，尤其在手機制造行業(yè)，制造商們希望生產(chǎn)幾何形狀更復雜的屏幕，超快激光優(yōu)勢更加顯著（如圖2）^[2]。 

圖2 超快激光切割在屏幕異形切割優(yōu)勢

此外，非接觸式加工也可避免傳統(tǒng)機加方式切割容易發(fā)生崩邊、裂紋等問題，具有精度高、不產(chǎn)生微裂紋、破碎或碎片問題、邊緣抗破裂性高、無需沖洗、打磨、拋光等二次制造成本等優(yōu)點，降低成本的同時大幅提高了工件良率及加工效率^[3]。

通常的長脈沖激光，如脈寬為微秒、納秒的激光加工，其原理是基于材料中的電子共振線性吸收獲得的能量，將材料逐步熔化、蒸發(fā)移除。由于激光脈沖持續(xù)時間較長，遠大于材料熱擴散的時間，電子傳遞給離子的能量很高，熱擴散涉及比焦點更大的區(qū)域，激光聚焦點周圍一個較大的體積會被熔化，使得加工區(qū)域邊緣不清晰，加工精度有限。

超快激光在極短的時間和極小的空間內(nèi)物質(zhì)相互作用，作用區(qū)域內(nèi)的溫度在瞬間內(nèi)急劇上升，并以等離子體向外噴發(fā)的形式得到去除，極大的避免了熱熔化的存在，大大減弱和消除了傳統(tǒng)機械加工中熱效應帶來的諸多負面影響，超快激光微加工和材料相互作用的時間很短，使得能量以等離子體的形式被瞬間帶走，熱量來不及在材料內(nèi)部擴散，熱影響非常小，不會產(chǎn)生重鑄層，屬于冷加工，呈現(xiàn)銳利的加工邊緣，加工精度高。

在切割玻璃的時候，一個比較典型的方式，就是采用成絲的方式切割玻璃。

什么是成絲效應？

玻璃切割通過特定形式的內(nèi)部變形來實現(xiàn)，需要利用由超快激光器聚焦光束提供的超高功率密度。在這個過程中，受非線性克爾光學效應影響，超高密度的激光光束會產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象。這種自聚焦會進一步提高功率密度，直到達到某一閾值后在材料中產(chǎn)生低密度等離子體。這種等離子體會降低材料在光束路徑中間的折射率，并會造成光束散焦。通過適當配置光束聚焦光學部件，可以讓這種聚焦/散焦效應達到平衡，從而實現(xiàn)周期性重復并在光學透明材料中形成長達數(shù)毫米、較為穩(wěn)定的光絲。

目前成絲切割是一種可行的工藝，激光行業(yè)均具有成熟解決方案，在顯示行業(yè)內(nèi)已進行廣泛的應用。如圖3所示，當超快激光束通過玻璃材料傳播時，同時存在克爾自聚焦和等離子體散焦，光束在兩者動態(tài)平衡中能實現(xiàn)長距離傳播，在材料中形成微米級的絲孔，這種絲孔在玻璃中能延展幾毫米的深度。直線電機控制玻璃工件相對于激光束進行運動來生成等間距的眾多絲孔，通過優(yōu)化絲孔間距產(chǎn)生沿直徑方向的微裂紋。對存在微裂紋的玻璃施加外力，增加微裂紋處的應力，使玻璃沿微裂紋斷裂，達到切斷的目的^[4]。

圖3 皮秒超快實現(xiàn)成絲切割原理

另外一種在超快激光加工中獨有的Burst mode加工方式。例如一個30 W 500 kHz的激光器，單脈沖能量為60 μJ，在Burst模式下工作時，總的脈沖能量不改變，但是Burst脈沖是多個子脈沖組成的脈沖串，每個子脈沖能量更低，激光器內(nèi)部器件承受的脈沖峰值能量更低，整機的穩(wěn)定性和可靠性更優(yōu)。實驗表明，采用同樣能量的Burst輸出和單脈沖輸出作用于玻璃上時，在Burst工作狀態(tài)下，產(chǎn)生的熱效應更小，成絲距離更長,切割效果更好。與機械式工藝相比，這樣得到的切割工件的彎曲強度更高。為了有效得到零間隙切割或穿孔線，需要移動工件與激光光束之間的相對位置，讓激光生成的光絲彼此靠近。根據(jù)材料厚度和需要的切割幾何圖形，切割速度可以達到 50-300 mm/s。

對于非強化透明玻璃（例如鈉鈣玻璃、硼硅酸鹽玻璃和鋁硅酸鹽玻璃）以及藍寶石，在成絲之后還需增加一個分離環(huán)節(jié)。這可以通過施加一個不大的機械力或溫差力來實現(xiàn)。例如，后者可以由 CO₂激光器加熱來提供。對于化學強化或熱強化玻璃，工件內(nèi)部的應力可以實現(xiàn)自動沿外部輪廓分離，因此無需再額外增加其他環(huán)節(jié)。圖4為皮秒超快激光玻璃異形切割的效果圖。

圖5 皮秒激光玻璃切割平臺

如圖5所示，本系統(tǒng)主要包括皮秒紅外固體激光器、光束變換系統(tǒng)、光束聚焦系統(tǒng)和真空吸附直線電機運動平臺。

采用激光加工設(shè)備，同時通過多軸聯(lián)動的工作臺來完成平面或三維工件的加工，可實現(xiàn)直線、圓弧、直線-圓弧等方式的連續(xù)切割^[7]。從激光器的角度來講，實際生產(chǎn)中影響玻璃切割品質(zhì)的主要因素為激光器的脈沖穩(wěn)定性與功率穩(wěn)定性以及是否具有POD功能，穩(wěn)定性不夠容易造成個別脈沖點位置沒有將玻璃切透進而在裂片的時候產(chǎn)生較大的崩邊，若無POD功能則會導致在切割異形圖形在拐角、加減速階段出現(xiàn)脈沖點堆積的情況，同樣不利于裂片，容易出現(xiàn)較大的崩邊以及強度差等問題。

華日激光器擁有≤2%的脈沖穩(wěn)定性以及≤1%的功率穩(wěn)定性，同時已開發(fā)出完整的POD功能，能夠保證切割過程中每個脈沖的穩(wěn)定性以及脈沖點與點之間的距離，目前華日激光器能做到切割崩邊＜5 μm,裂片后崩邊＜10 μm，邊沿光滑整齊，切割端面細膩的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品（如圖6）。

激光切割玻璃是一項創(chuàng)新技術(shù)，目前已在切割觸摸顯示類玻璃、手機背板玻璃的應用中進入實用階段。實現(xiàn)了新型玻璃的高效和低成本切割。從長遠來看，采用激光切割玻璃具有明顯優(yōu)勢，使得激光成為一種替代傳統(tǒng)機械切割，用于信息顯示領(lǐng)域制造的可行手段。