藍寶石的莫氏硬度高達9，超過沙子的硬度7。如果用藍寶石作為屏幕，手機就不會被沙子刮傷。華為推出藍寶石屏幕的手機Ascend P7，售價4688元。而玻璃屏幕的P7，售價僅為1788元。雖然藍寶石屏幕不用貼膜，但價格遠高于玻璃屏幕，這是什么原因呢？

古代的玻璃用高溫熔融法制備后，跟藍寶石一樣，需要打磨拋光，才能獲得鏡面效果，因此玻璃原來也很貴。然而1959年英國人Pilkington發明了浮法工藝，SiO2為主要成分的玻璃溶液，平整地浮在低熔點金屬Sn的表面。浮法工藝避免了打磨拋光，降低了玻璃的生產成本，平板玻璃窗、玻璃鏡得以大規模生產，進入千家萬戶。那么，藍寶石可否用玻璃的制備工藝來廉價地生產呢？答案是不能。因為SiO2可作為非晶態網絡的生成體，而藍寶石的成分Al2O3只可以作為非晶態網絡的中間體，不能單獨形成非晶態。

藍寶石雖然昂貴，但相比兩個世紀前，已經便宜了不少。藍寶石最早來源于天然礦石，法國人Verneuil于1892年發明了火焰法，實現了藍寶石的人工合成，使藍寶石廣泛用在手表、寶石和刀具等產品上。Al2O3粉末被高溫的氫氧焰融化，然后進行冷卻，Al離子和O離子在庫倫力作用下，規則地排列成單晶體。火焰法雖然速度快、成本低，但是溫度梯度較高，導致藍寶石內的殘余應力很大。為了降低溫度梯度，近年來GTAT公司發展了熱交換法，用來生長藍寶石梨晶，梨晶經過掏棒、拋光等工藝后，被激光切割成為攝像頭蓋板、Home鍵等。

藍寶石在外力作用下，帶正電的Al原子移動，帶負電的O原子隨之移動。金屬則與藍寶石不同，帶正電的金屬原子在外力作用下，帶負電的自由電子隨之移動。因為原子質量遠大于電子，因此O原子的加速度和速度遠小于電子，藍寶石不能像金屬那樣塑性變形。藍寶石和SiO2為主要成分的玻璃易脆，適合用超短脈沖激光加工。激光脈寬短，晶格來不及響應，激光將能量全部傳遞給電子，然后高溫的電子在溫度梯度作用下，將熱量單向地傳遞給低溫的晶格。晶格加熱時間短，因此材料溫度低，熱應力小。

激光切割藍寶石，關鍵在于控制激光的傳輸。當單脈沖能量從30 μJ增大到150 μJ，加工長度從98 μm增大到240 μm。當單脈沖能量從150 μJ增大到210 μJ，加工長度幾乎保持不變。藍寶石被單脈沖能量為210 μJ的超短脈沖激光輻照后，加工長度為242 μm。從圖1（a）中可以明顯看出，加工長度隨著單脈沖能量的增加而增大，然而，加工長度在單脈沖能量超過150 μJ后飽和。

圖1． 不同單脈沖能量下藍寶石的加工形貌，以及模擬的光強分布

飽和現象由散射引起。如圖1（b）－（d）中模擬的光強所示，在空氣和藍寶石界面處的散射區域隨著單脈沖能量的增大而增大。當單脈沖能量從30 μJ增大到150 μJ，激光光強增大。當單脈沖能量從150 μJ增大到210 μJ，光強幾乎不變，如圖1（c）和1（d）所示。盡管單脈沖能量增大，激光在藍寶石中的傳播受到散射效應的限制。

為了加工厚度超過飽和長度的藍寶石，我們采用“隱切”的加工方式，將焦點從遠離物鏡的下表面，逐漸向靠近物鏡的上表面移動。如圖2所示，激光在3個聚焦位置輻照后，切割500 μm厚的藍寶石。結合散射和非線性傳輸的模型，計算出的光強分布，與實際加工形貌一致。

圖2． “隱切”過程中累積的光強的分布

德龍激光自主研發的皮秒激光應力誘導加工設備，應用于藍寶石和玻璃等材料的切割，榮獲“OFweek2016年激光行業應用案例獎”。

圖3． 皮秒激光應力誘導加工設備