超薄柔性玻璃超快激光精密切割技術：關鍵參數優化與工業應用分析

    隨著柔性顯示、有機發光二極管（OLED）照明、微流體芯片等高端制造領域的迅猛發展，超薄柔性玻璃（TFG/UTG）以其輕量化、超薄化、柔性化及高透光性等核心特性，成為支撐相關產業創新的關鍵基材。然而，TFG/UTG厚度多集中于50100μm，傳統機械切割技術易引發邊緣裂紋、碎屑殘留等問題，且難以實現微孔（<80μm）加工，其加工瓶頸已成為制約產業高質量發展的關鍵因素。

    超快激光（皮秒、飛秒級）憑借“冷加工”特性，可大幅縮減熱影響區（HAZ），實現“無裂紋、無碎屑”的高精度加工，為TFG/UTG加工提供了核心技術解決方案。此前研究已明確激光切割設備選型的重要性，而針對TFG/UTG加工，工藝參數的精準調控是決定加工質量與效率的核心環節。本文基于《OpticsandLasersinEngineering》期刊發表的“皮秒激光切割/鉆孔超薄柔性玻璃”實驗研究，結合工業應用實際，系統解析超快激光切割TFG/UTG的關鍵參數優化邏輯、補充控制變量及技術應用前景。

    一、核心工藝參數實驗研究：質量與效率的平衡機制

    本研究以TRUMPFTruMicro52503C皮秒激光器為實驗設備（脈沖寬度6ps，可選波長1030nm近紅外、515nm綠光、343nm紫外；最大脈沖能量分別為125μJ、60μJ、24μJ；最大重復頻率400kHz），選用SchottAG的AF32?EcoTFG（50μm、100μm兩種厚度）作為加工基材，重點圍繞波長、脈沖重疊率、偏振態三大核心參數展開實驗，同時驗證復雜結構加工的可行性。

    1.激光波長：加工質量與效率的權衡關系

    波長決定激光與玻璃材料的能量耦合效率，直接影響切割速度、脈沖能量需求及熱影響區大小。在50μm厚AF32?EcoTFG上的對比實驗結果如下：

    1030nm（近紅外）：最高有效切割速度達220mm/s，但需脈沖能量>70μJ；加工質量較差，熱影響區（HAZ）約30μm，伴隨明顯碎屑與微裂紋；

    515nm（綠光）：最高有效切割速度100mm/s，脈沖能量需求降至>45μJ；加工質量優良，HAZ<25μm，無裂紋與碎屑；

    343nm（紫外）：最高有效切割速度<40mm/s，脈沖能量僅需24μJ；加工質量最優，HAZ<20μm，切口潔凈無瑕疵。

    當基材厚度增至100μm時，各波長的有效切割速度均顯著下降，脈沖能量需求相應提升，但“波長越短，加工質量越優”的規律保持一致，為不同場景的波長選型提供明確依據：追求加工效率優先選近紅外波長，追求高精度優先選紫外波長，兼顧質量與效率則選綠光波長。

    2.脈沖重疊率：防止開裂的臨界閾值

    脈沖重疊率是控制熱積累的核心參數，直接關聯TFG/UTG加工過程中的開裂風險。以1030nm波長切割100μm厚TFG的實驗表明，脈沖重疊率控制在85%以下是避免基材開裂的關鍵閾值：

    重疊率過高（>85%，如95.5%、88.9%）：激光脈沖產生的熱量無法通過基材及時傳導散失，局部熱應力急劇升高，100μm厚TFG出現明顯裂紋；

    重疊率適中（77.8%，對應掃描速度2m/s）：無裂紋產生，僅需9次激光掃描即可完全切割100μm厚TFG，實現質量與效率的平衡；

    重疊率過低（<77.8%）：材料去除效率顯著下降，需增加至27次激光掃描才能切透基材，加工效率大幅降低。

    該結論對工業生產具有直接指導意義，無需過度追求高重疊率，77.8%左右的“最優重疊區間”可實現加工效能最大化。

    3.偏振態：無需額外控制，降低設備成本

    在100μm厚TFG上加工<80μm微孔（采用旋渦式鉆孔工藝）時，實驗對比了515nm、343nm波長下線偏振與圓偏振的加工效果：

    515nm波長：兩種偏振態下，鉆孔速度均為8個/秒，孔徑特征一致（入口≤75μm，出口最大26μm），HAZ<25μm，最小孔錐度8.5°（入口55μm/出口25μm），無顯著差異；

    343nm波長：兩種偏振態下，鉆孔速度均為2個/秒，HAZ<20μm，孔壁平整性一致，未觀測到質量差異。

    實驗結果表明，偏振態對TFG/UTG微孔加工質量影響極小，無需額外配置偏振控制模塊，可有效降低設備采購及運維成本，對中小型制造企業具備較高實用價值。

    4.復雜結構加工驗證：高效與高精度的協同實現

    為驗證技術實用性，實驗采用515nm皮秒激光在100μm厚AF32?EcoTFG上加工“4mm大孔+1mm中孔+75μm微孔陣列”的復雜結構，結果顯示：

    總加工時長僅34秒，遠低于傳統機械加工效率；

    切割邊緣HAZ極小，微孔無堵塞現象，無明顯崩邊或裂紋，完全滿足高端精密器件的加工要求。

    二、工業級加工的關鍵補充參數：完整工藝窗口構建

    實驗室研究聚焦波長、重疊率等核心參數，而在工業級應用中，以下六大參數對加工質量與效率具有同等重要影響，需納入工藝優化體系：

    1.脈沖寬度：作為區分超快激光與長脈沖激光的核心指標，決定能量沉積至基材的時間尺度。本實驗固定采用6ps皮秒激光，而更短的飛秒脈沖可進一步縮減HAZ，但會增加設備成本與系統復雜度，需根據精度需求動態選擇；

    2.光束質量與聚焦光斑尺寸：直接決定能量密度分布，更小、更規則的聚焦光斑可提升加工精度、降低切割閾值能量，是突破“加工極限分辨率”的關鍵因素；

    3.聚焦位置與景深：激光焦點位于基材表面、內部或底面，會顯著改變切口形狀、孔錐度及材料去除效率，對控制微孔錐度與切割垂直度至關重要；

    4.輔助氣體：惰性氣體可抑制氧化反應，減少熔融物再沉積與黑邊；反應性氣體可增強材料去除的化學反應；高壓氣體能有效清除切縫內熔融及汽化產物，三者均能提升加工質量與速度；

    5.激光脈沖時域整形：高端應用的前沿技術，通過將單一宏脈沖分解為緊密排列的微脈沖序列，優化能量耦合效率，進一步抑制熱影響，適用于超高精度加工場景；

    6.基材特性：不同成分的TFG/UTG，其熱膨脹系數、玻璃轉變溫度、特定波長吸收率存在差異，需根據基材特性針對性調整激光參數，確保加工穩定性。

    三、技術總結與應用展望

    從實驗研究到工業應用延伸，超快激光切割TFG/UTG的核心邏輯已明確：以“波長、脈沖重疊率、脈沖能量、掃描速度”為基礎調控變量，結合“脈沖寬度、聚焦位置、輔助氣體”等補充參數，可構建覆蓋不同精度與效率需求的完整工藝窗口。

    當前，皮秒激光已能滿足絕大多數TFG/UTG的精密切割需求，包括50100μm厚基材切割、<80μm微孔加工及復雜結構集成加工；在更高精度場景（如<10μm甚至<5μm微孔加工、玻璃通孔（TGV）制備）中，飛秒激光將成為主流技術，其參數調節邏輯與皮秒激光一致，僅需在脈沖寬度與能量密度上進一步優化。

    未來，隨著參數調控技術的成熟與設備成本的下降，超快激光將持續推動TFG/UTG加工技術向更高精度、更優效率、更低成本方向迭代，為柔性電子、微機電系統（MEMS）、生物醫療芯片等領域的創新發展提供核心技術支撐。