【中玻網(wǎng)】玻璃是一種透明的類(lèi)固體材料，在人們日常生活中應用廣泛。玻璃的應用范圍在不斷擴大，尤其是和其他材料相結合能更多地應用于高科技領(lǐng)域。玻璃由物質(zhì)材料、石灰石和沙子等常見(jiàn)的材料制成。這些材料在高溫條件下（約1500℃）溶化，就像液體一樣，可以被灌注、吹制、壓制和模塑成各種形狀。但在室溫下，玻璃就成為固體，冷卻后由于機械性能的改變會(huì )變得難以加工處理。
　　
　　玻璃具有其他材料所不具備的獨特性能。它擁有較好的光學(xué)性能，能反射、彎曲、透射和吸收光線(xiàn)，在整個(gè)可視范圍內甚至更遠，都具有較高的透明度。從化學(xué)性能來(lái)說(shuō)，玻璃是一種抗腐蝕的惰性材料，可以作為很多化學(xué)品的容器。從熱力和電力方面來(lái)看，玻璃是一種上好的絕緣體。從物理性能來(lái)看，玻璃表面堅硬，防刮耐磨，近年來(lái)通過(guò)各種方法，玻璃甚至具備了彈性。但是，也正是這些性能使得玻璃加工面臨著(zhù)更大挑戰，例如一旦玻璃具備較好的抗拉強度，就變得易碎。
　　
　　因此，處理玻璃的方法和其應用都需要從長(cháng)計議。玻璃制造可以追溯到公元前3500年左右。人工制造玻璃大概首先出現在美索不達米亞和埃及，首先被用來(lái)制作珠寶，隨后被用來(lái)制作壺。之后，加工工藝不斷改進(jìn)，從手工加工演變?yōu)楝F今的高科技工業(yè)工藝，出現了眾多玻璃類(lèi)別和應用。盡管玻璃制造歷史悠久，但近幾十年來(lái)由于玻璃的易碎性能，對于玻璃成品進(jìn)行加工的工藝止步不前。
　　
　　通常一個(gè)小裂紋就會(huì )造成玻璃破碎。一旦微裂紋在玻璃的某個(gè)部位形成，它就會(huì )蔓延至玻璃邊緣，造成破裂。玻璃的這種易碎屬性使其難以加工。另外一方面，不斷發(fā)展的技術(shù)使其可制成結構更小，且形狀各異的玻璃來(lái)應用于不同領(lǐng)域。傳統的準確方法，如光刻和電子束光刻等來(lái)加工玻璃，但這些技術(shù)過(guò)于昂貴，不易操作，特別是大面積使用�，F今，激光技術(shù)提供了加工玻璃的較準確方法。較直截了當的方法就是在波長(cháng)范圍內利用單光子吸收，玻璃在紅外線(xiàn)或紫外線(xiàn)下不會(huì )高度透明。
　　
　　但是，直接吸收會(huì )產(chǎn)生一些問(wèn)題，包括不良熱影響以及形成熱影響區，這會(huì )產(chǎn)生微裂紋，嚴重危害玻璃的機械穩定性。此外，在玻璃表面下方進(jìn)行加工，制造三維結構，需要使用高透明度波長(cháng)。雖然納秒脈沖激光器可以用于在玻璃中制造次表層結構（如圖1），玻璃的物理機制會(huì )對微處理的精細程度造成限制，也會(huì )產(chǎn)生微裂紋。

　　
　　圖1：使用納秒激光器（左圖）和使用近紅外（NIR）飛秒激光器（右圖）對玻璃進(jìn)行激光加工示例。

　　近年來(lái)，一種激動(dòng)人心的替代性工藝已投入工業(yè)應用，即使用超快激光器在近紅外波長(cháng)范圍內產(chǎn)生次皮秒脈沖。在這一方法中，超短脈沖緊密聚焦于玻璃的大部分或表面，每平方厘米的功率密度超過(guò)數太瓦，引發(fā)復雜多樣的工藝，如同時(shí)多光子吸收、雪崩和碰撞電離，造成對玻璃基質(zhì)高度局域化的破壞，同時(shí)幾乎不存在能量沉積（只有幾微焦甚至更少）。由于每次脈沖所用能量較其適度，對該部位（甚至是聚焦體積）造成的熱影響可以忽略不計。這一方法通常被稱(chēng)為“冷消融”，可以用來(lái)制造較為準確的3D結構。和其他微制造技術(shù)相比，飛秒激光微制造透明材料具有獨特優(yōu)勢（圖2）。

　　
　　圖2：由光纖激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖在玻璃上快速打標。

　　首先，由于非線(xiàn)性吸收機制，激光感應變型被局限于聚焦體積。使用掃描或輸樣微處理，可以實(shí)現幾何上難度非常大的三維結構。其次，材料單獨的非線(xiàn)性吸收工藝使得在透明材料中形成光學(xué)設備等精細結構成為可能（圖3）。

　　
　　圖3：飛秒激光器/透明材料相互作用原理圖。

　　飛秒激光微加工由一種叫做“激光感應光學(xué)擊穿”的現象引起。在這一過(guò)程中，飛秒激光器的光學(xué)能量被輸送到加工過(guò)的材料上，激發(fā)出很多電子，促使電子離子化，并將能量向晶體運輸。隨后，材料發(fā)生結構變化或相位交替，造成折射率較久性改變，甚至在焦點(diǎn)處留下一個(gè)孔。