千百年來，玻璃已經成為人們非常熟知的材料了，被用于種類繁多的透明或彩色產品中。現在，玻璃的生產具有顯著的生態優勢，這主要得益于其取之不盡的原材料，例如沙子、純堿、石灰石和回爐碎玻璃，它在工業國家的回收率高達80%，并且有些地方（例如德國）還有著高效的回收系統。由于其優異的耐久性、機械強度和耐化學腐蝕性，玻璃這種令人著迷的材料具有非常廣泛的應用范圍（圖1），盡管聚合物在過去50年中也搶走了不少市場份額。

　　圖1：用超快激光器對化學鋼化玻璃進行成絲切割和表面雕刻

　　為了保持原有市場并開拓新的市場，玻璃制造企業的研發活動持續不斷。其中之一是朝著非常薄的玻璃（20-200μm的厚度）發展，以應用在消費類產品和電子產品領域的輕質和柔韌的產品中。對于較厚的玻璃，研發人員不斷嘗試提高其機械強度或進一步改進玻璃產品的光學性能，以滿足消費類電子產品、醫療設備、光學器件以及建筑、汽車、航空航天、太陽能等應用的高要求。

　　當玻璃的機械性能或其他特定性能不能滿足一項應用的要求時，就要考慮其他種類的透明脆性材料了。鑒于玻璃大多數是無定形結構（如凍結熔融），替代的無機材料要么是由純晶體構成，要么是透明的陶瓷。所有這些材料都要經過漫長的生產環節，最終才能得到想要的形狀和屬性。直到今天，絕大多數的加工步驟仍然依賴傳統的機械加工技術，包括成型、劃線、打孔、研磨或拋光等工序。

　　用激光加工玻璃和晶體一直以來都相當具有挑戰性，主要是因為其在可見光和近紅外（NIR）光譜的低吸收和低的耐熱沖擊性。最突出和最“顯而易見”的應用是用CO2激光器的高吸收波長在玻璃上進行激光打標。過去幾年，在市場上出現了更復雜的方式來實現表面或玻璃的打標——使用飛秒激光器。然而，由于這些激光器的價格較高，其應用主要集中在醫療設備或高檔化妝品和香水的包裝中。

　　眾多選項

　　由于對減少加工步驟、材料浪費以及生產中對用水需求在不斷上升，市場不斷推動著激光制造商和系統集成商開發傳統加工技術的替代方案。在微加工領域的一些工序特別需要更加和水消耗較少的技術，例如切割和打孔等。過去采用的多種方法或多或少都獲得了成功，它們使激光成功應用在切割玻璃或其他透明脆性材料上。這些工序分為：

　　• 劃片和斷裂；

　　• 特定應力分布的玻璃熱分離；

　　• 純激光燒蝕；

　　• 自下而上加工；

　　• 用高能量密度的光學擊穿來實現玻璃內劃線；

　　• 傳統的熔化切割；

　　• 在反應體積內成絲（例如長而窄的變型）。

　　這些方法大多數都有優點，但同時還有很多局限性。例如，在用超快激光進行表面劃線之后，用劃片和斷裂來機械分離截面較薄的脆性材料（厚度小于0.5mm）很有趣。但是它僅適用于直線以及低速到中速（10到100mm/s，根據厚度而定）的劃線，并且經常會在斷裂后留下不直的邊緣，劃線邊和斷裂邊的彎曲強度也會有差異。不過，我們成功地將激光劃片和斷裂用于藍寶石劃切生產發光二極管（LED）中。

　　在激光熱分離中使用NIR固體激光器來取代標準的CO2激光器，這是基于多重激光束吸收技術（multiple laser beam absorption，簡稱為MLBA），它是從外部通過激光誘導應力分布來引導產生材料內部的裂縫。被分離的壁具有準完美、無微裂紋的質量，使得彎曲試驗斷裂強度接近理論玻璃水平。但是它也有其缺點：很難引導裂縫沿著輪廓按預定的曲線擴展并封閉輪廓，而其中不發生任何偏差，因為裂縫的擴展很大程度取決于玻璃中當前的張力分布。最近在這一方面的研發包括用超快激光器來實現類似的效果和邊緣質量，但輪廓切割仍然是一個問題。因此，熱分離有時需要與純激光燒蝕相結合，例如，生產手機顯示屏。在這個例子中，激光熱分離主要用于直線切割，而圓角通過高功率超快激光器的燒蝕來實現（圖2）。

　　圖2：激光加工透明材料的各種選擇，包括通過表面雕刻來對石英玻璃進行打標(a)，劃片和斷裂用于玻璃的表面雕刻(b)，藍寶石的內劃線(c)，玻璃的自下而上加工(d)，玻璃的激光成絲(e和h)、玻璃的激光熱分離(f)和藍寶石的熱熔切(g)

　　純激光燒蝕可以用于表面甚至整個截面來地去除材料，并且最終產生一個切口。缺點包括相對較低的燒蝕速度（特別是在厚的截面上），對于厚度不超過0.5mm的材料，切割速度通常為1-10mm/s，不可避免的錐角為10-12°，當燒蝕深度超過200μm時會產生非常明顯的熱影響區。純燒蝕方法也可以用于玻璃和其他透明材料的打孔，使用超快激光器與五軸打孔頭的組合，以實現垂直的孔壁。當然，在較厚（0.3-0.7mm）材料上的加工速度相當低，每個孔需要近十秒的時間。

　　純燒蝕過程是在樣品的上端開始進行，反之，“自下而上”加工方法是由激光從工件的底部開始瓦解透明材料，變成粉狀的材料會在重力作用下掉落，從而離開燒蝕區域。用一種連續的方法來向上移動焦點，便可以實現各種形狀的打孔。使用515–532nm倍頻納秒或皮秒脈沖是因為這一過程依賴于激光波長的高透明度。在3mm厚的鈉鈣玻璃上，1秒就可以打1個直徑為1mm的孔，而自由曲線輪廓的切割速度在3mm/s范圍內。除了加工速度相對較慢以外，還有其他一些缺點，例如不能用這種方法加工強化玻璃，并且邊緣會出現明顯的豁口（距離加工邊緣約50-10μm）。

　　通過使用超快脈沖帶來的高能量密度，再加上低至幾微米的深聚焦，基本上可以在任何透明介質中實現光學擊穿。通過快速的相對運動和焦點位置的主動控制，可以在反應體積內進行高達1000mm/s速度的劃線，例如100-200μm厚的藍寶石LED晶圓。可應用的材料厚度甚至能達到50μm。有必要用機械斷裂工藝來分離切下的部分。缺點包括劃線區域的高粗糙度，并且很難控制從中央的劃線向邊緣發生的破裂，這可能會導致不均勻的切割壁。