玻璃、藍寶石和陶瓷是普遍應用于微加工和精細加工的材料。然而，它們給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了越來越多的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)也為強大的超短脈沖激光器提供了更多機會。
　　材料優(yōu)質的屬性對很多產品來說是不可或缺的：玻璃用來制作智能手機的顯示屏，顯示屏有著鋼化的外殼 ；陶瓷堅硬，化學性質穩(wěn)定，可用來制作電子零部件和電路基板以及電氣絕緣體；藍寶石極其堅硬，耐劃傷，適合用于半導體和LED技術。但玻璃、 陶瓷和藍寶石的共同點就是很難加工。由于它們易碎而且都是非常堅硬的材料，因而挑戰(zhàn)著銑、 鉆和磨等傳統(tǒng)制造工藝的極限。加工這些材料時，刀具磨損快，并且需要多個加工環(huán)節(jié)才能獲得足夠好的加工質量。
　　激光光束在加工堅硬、易碎的材料方面具有良好的效果。它們不會磨損且能聚焦到最小直徑。掃描振鏡能靈活定位光束，幾乎可以滿足各種形狀輪廓的加工需要。超短脈沖激光器（如圖1所示）特別適合加工易碎的材料。對于小于10ps的激光脈沖，當熱傳導到周邊的材料上之前，被加工區(qū)域的材料已經汽化。只要激光參數精確調整并與應用相匹配，那么就不需返工。

圖1  超短脈沖皮秒激光器TruMicro 5000

　　對可見光以及近紅外光譜范圍內的光來說，很多像玻璃這樣的寬帶隙電介質是透光的。然而，高強度的皮秒脈沖能通過多光子電離產生自由電子。大量連續(xù)的電離進一步釋放電荷載體，這些電荷載體能夠破壞材料中的化學鍵，最終達到燒蝕材料的目的。
　　當加工易碎材料時，避免產生小裂縫是經常遇到的挑戰(zhàn)，這些小裂縫會削弱零部件的強度。產生裂縫的一個原因是過度的熱量進入了零部件。熱量導致材料膨脹，加快了裂縫的生成。適當的加工策略可以防止小裂紋的形成，這其中包括精準定義加工參數，如脈沖能量、 脈沖重疊度、 重復頻率、 焦點直徑和激光加工次數。最佳工作點取決于材料、 加工形狀、加工時間和質量的要求，并通過試驗加以確認。位于德國南部Ditizingen的Trumpf公司和德國西部 Aachen的Fraunhofer激光技術研究所開展聯合研究，奠定了優(yōu)化激光加工脆性材料效果的理論基礎。
　　不同標準可用來評估質量：零部件的彎曲強度（用來測量材料的斷裂強度，裂縫會使斷裂強度降低）、切割邊緣粗糙度以及邊緣視覺效果。切割邊緣的情況可以通過光學顯微鏡以及借助掃描電子顯微鏡來測量。
　　測量零部件彎曲強度的普通方法是四點折彎測試。用兩根圓柱對一定加工輪廓的試驗樣品進行支撐和定位。另外兩個圓柱以既定速度對樣件不斷加力，直到它被折斷。破壞時間點的壓力因此而得到測量，斷裂強度可以通過零部件的形狀以兆帕為單位計算得出。
　　智能手機的興起突出了顯示屏的重要性。智能觸摸顯示屏已經超越了手機鍵盤成為最主要的用戶界面。典型的智能手機包括4塊玻璃平板：兩塊在顯示屏上，容納薄膜晶體管和液晶材料；一塊提供觸摸功能；一塊化學鋼化玻璃蓋板，保護底層免于劃傷、沖擊損傷或被弄臟。輕便、纖薄的智能手機意味著需要更薄的玻璃面板。典型的玻璃顯示面板為0.3mm，化學鋼化玻璃蓋板為0.7mm，這使得傳統(tǒng)的切割工藝達到了極限。切削輪子已經不適合加工這種玻璃，因為它們都經過特殊的化學強化處理，而銑削加工則需要大量研磨和拋光的返工。
　　紅外和綠光波長的超短脈沖激光器正好可用于這種材料的加工。皮秒脈沖能減少裂縫的產生，切割質量遠遠超過普通的銑削加工。激光光束多次掃過被加工材料來實現切割。速度、邊緣質量和邊緣的角度可以由加工策略來決定。相對于其他的激光工藝，燒蝕工藝更穩(wěn)妥。例如，輕微變形的玻璃并不影響加工結果。在測試中，使用綠光皮秒激光器，“Corning Eagle XG”的彎曲強度達280MPa。使用紅外皮秒激光器的測試結果表明，速度增加了3倍，邊緣的彎曲強度略有降低。

圖2  使用皮秒激光器加工玻璃

　　更強大的皮秒激光器為提高加工玻璃的效率提供了更多的機會（如圖2所示）。由于等離子體屏蔽的原因，鋼材的燒蝕效率在5J/cm2的脈沖能量密度時開始降低，而玻璃允許更高的脈沖能量密度，直到加工效率達到最高。因此，當加工玻璃時，更高的脈沖能量可以轉化為更高的燒蝕效率。
　　藍寶石是地球上僅次于鉆石的第二堅硬材料，很難使用機械的方法來加工。使用激光器來切割藍寶石是當今LED制造業(yè)的標準加工方法，藍寶石在這里用作基板襯底。由于其抗劃傷性和透光性，藍寶石被用來生產手表和光學儀器的保護鏡面。
　　當加工細小輪廓時，超短脈沖激光器可以實現精準加工。例如當切割圓形部件和鉆微孔時，柔性的輪廓加工可以通過高速掃描器來實現。超短脈沖消除了加工時的熱影響，從而實現了極好的切割邊緣質量。
　　與超短脈沖相結合的智能加工方式可以避免形成缺口及開裂。經驗表明，100μJ左右的脈沖能量是最佳的。例如，將脈沖能量為250μJ的激光光束分成兩個125μJ的獨立激光光束，同時加工兩個零部件就可以獲得更高的產量。卓越的加工質量取決于加工方法、 除塵和工件夾具之間的適宜配合。
　　工程陶瓷經常會用于暴露在高溫或要求耐磨損的零部件上。在許多應用中，對材料的電絕緣性要求很高。例如，工程陶瓷用作汽車行業(yè)中傳感器芯片的PCB材料、用作油泵的耐磨損貯存材料，或用作食品行業(yè)中的噴嘴材料。
　　激光非常適合在薄陶瓷上鉆孔、切割或者進行結構處理。例如，使用紅外超短脈沖激光器能以高達10mm/s的速度切割0.3mm的氧化鋯板。超短脈沖可產生平滑、無裂紋的切割邊緣。
　　鑒于超短脈沖激光銳利的聚焦特性，它們非常適用于打孔：能在0.5mm的氧化鋁和氮化鋁陶瓷上鉆出直徑60μm的孔。打孔速度可達20個孔/s。在劃片-裂片的工藝中，激光切割到材料厚度的1/3，然后用機械方式裂片，速度可達50mm/s。
　　在達到加工質量要求的前提下，產能是工業(yè)制造中的一個決定性的變量。為了將超短脈沖激光的卓越特性應用到高生產率要求的工業(yè)制造中，可按比例增加皮秒激光器TruMicro 5000的輸出功率。新型TruMicro 5070和TruMicro 5270分別是功率100W紅光和60W綠光皮秒激光器，脈寬在10ps之內?；诘降募す夤β史糯蠹夹g，可以減少激光在介質中的熱透鏡效應，獲得好的光束質量和更高的激光功率。
　　由于所有超短脈沖激光器都有雙級功率調節(jié)特點，加工效果在各種情況下都可重復實現，放大器外的外部調節(jié)模塊會調整脈沖能量和頻率，這確保了光束特性不會受激光參數變化的影響。