MKS丨Spectra-Physics 黄显东：使用红外皮秒激光器精细切割用于增强现实眼镜的高折射率玻璃

2023年9月6日，由VR陀螺联合CIOE中国光博会主办、恒悦创客魔方协办的“光遇·第四届中国AR技术应用高峰论坛”在深圳会展中心顺利举办。

该活动以“光遇”为主题，聚焦AR在光学技术、工艺制作方面的突破以及应用场景和发展机遇。来自JBD、耐德佳、莫界科技、瑞声科技、谷东科技、MKS、VR陀螺的行业嘉宾为到场观众带来了精彩的分享，演讲内容干货满满。

其中，MKS | Spectra-Physics 应用工程师 黄显东为与会来宾奉上了“使用红外皮秒激光器精细切割用于增强现实眼镜的高折射率玻璃”的主题演讲。

以下为演讲实录：

我今天给大家分享的是皮秒激光器切割AR眼镜高折射玻璃的技术。我要讲的内容主要是跟产品的精密加工有关。

首先简单地介绍一下我们公司，公司全称叫 MKS 万机仪器，是一家全球化的公司。在 2022 年实现了35亿美元的收入，在研发方面投入了2.4亿美元，全球员工数量达到1.1万人。MKS的产品主要应用于半导体行业、以及精密制程领域。全球客户群体达到3.3万家，所拥有的世界专利大概有4000多项，研发工程师有1500余人。

围绕激光精密加工领域，我们公司提供三大类的产品。比如激光光源，我们可以提供纳秒激光器、皮秒、飞秒以及多种波段的激光器，包括红外、紫外、绿光三种波长。同时我们还提供一系列光机产品，包括光学镜片、镜架，对应的运动控制等；以及在加工过程中的一系列检测设备，比如激光功率计、激光光斑分析仪，M2测试仪等等。对应的三大品牌分别是光谱-物理（Spectra-Physics）、Ophir和Newport 。

本次的报告重点是超快激光切割 AR 高折射玻璃的技术，我们推出了50 W 的皮秒红外激光器，除此之外也可以做50 W皮秒绿光以及皮秒紫外激光器。

我们IceFyre激光器独有的技术--TimeShift ，它可以实现这个激光波形的自由编辑，包括它burst（脉冲）的个数和burst的间距，激光频率，以及burst子脉冲包络的形状，它也可以进行自由编辑。它最大的好处就是在整个工艺加工过程中可以进行有效的调控，方便工艺工程师进行自行调试或者是研发。这款激光器可以广泛地应用于PCB的切割，钻孔以及OLED材料的切割，屏幕切割、玻璃加工，蓝宝石加工等等。

AR眼镜为什么会选择用这种高折射玻璃？主要还是为了把整个AR眼镜做成更轻薄、更时尚的产品，更适合大家穿戴，所以会选用这种高折射玻璃，从而将视场角做得更大，同时形态可以做得更加轻薄。

对比在显示屏幕大小相同的情况下，高折射率的镜片可以实现更加轻薄，更大的视场角以及更高亮度的显示。我们采用了传统的Bessel beam（贝塞尔光束）玻璃切割工艺，在工业领域也得到了广泛的应用。它是由1个锥棱镜和2个球面透镜，组成的系统，最后聚焦的光斑大小大概是2-4微米，沿Z轴延伸的距离大概是在1毫米左右，所以可以加工高折射玻璃。

整个实验过程中我们用的是4寸的高折射玻璃的晶圆片，它的厚度大概是0.7毫米左右，折射率是在1.8，使用IceFyre系列的50 W红外皮秒激光器。在实验过程中，主要是看它切割直线的速度以及断面效果，然后根据断面效果不断优化整个断面的粗糙度，减少后续的加工或处理步骤。

我们TimeShift的技术可以灵活的调节子脉冲间隔时间，子脉冲的个数以及子脉冲的能量分布，来改善粗糙度，最终实现更快、更低成本的加工。

实验主要是用两个burst的方式来进行加工，子脉冲的间隔时间可以从10纳秒到100纳秒的跨度进行调节；同时也可以将两个相等能量子脉冲调节到第二子脉冲是第一个能量的30%左右进行对应的加工研究。

在直线加工部分，之前的一些普通的玻璃切割，包括蓝宝石切割，大部分情况都是用2个burst进行加工。对于高折射玻璃我们也优先想到用2个burst或者3个burst进行加工，设定每个脉冲和脉冲之间的距离是1-3微米。而在加工过程中，我们发现4微米距离效果是更好的。

我们展示的图片（右下角），显示的是脉冲个数和材料改性深度方面的关系。不是说burst的个数越多，它的改性深度越深。因为如果burst的个数多，它的能量就比较小，所以说它能改性的长度不够，最终会导致整个玻璃没法切开或者是切割的深度不够。一般而言，在2-3脉冲材料的改性长度越长，越有利于切割。

首先看直线部分切割以后的效果，左侧的这个图片是切割以后没有把整个玻璃裂开的情况，右边的图片是在裂开以后的边缘效果。刚刚陶总说他们的崩边做到了50微米以下，而我们可以做到在5微米以下的崩边，一般是在10微米以下的崩边。在速度方面，我们的激光器可以支持1.6米/秒的加工速度，效率和产出可以做到非常快。从断面效果来看，经过加工之后，断面粗糙度就在1微米以下。所以几乎不用再做后续处理，能够节约不少成本。

刚刚讲的是直线切割效果，我们在实验室里面也研究了切割R角（圆角）的工艺，这个R角是半径大概500微米的尺寸，受到实验室条件的影响，切割速度也有所下降，但可以看到整个R角的切割效果比较顺滑，玻璃分离以后它的崩边大小都是在10微米以下。

本次报告更偏向于实验或者是加工研究类的，所以会有不少图表。实验中还分析了脉冲间隔时间和子脉冲能量分布对断面粗糙度的影响。我们调节两个子脉冲之间的距离，发现它们的距离变化对整个断面的粗糙度有着重要的影响。可以看到2个burst之间从10纳秒到最长100纳秒，整个断面的粗糙度大概有20%的提升，即做到断面粗糙度从0.7到0.55提升。

同时我们在整个加工过程中还发现子脉冲能量分布对整个断面粗糙度的也有重要影响。我们在实验室成功把脉冲和脉冲的间距固定在30纳秒，第二个子脉冲能量从100%调节到了30%左右观察切割后的断面粗糙度。我们还发现随着第二个子脉冲能量的下降，断面粗糙度是越来越好的，最终能实现大概40%的效果提升（右侧图片）。这里展示了断面图，在点间距2微米的时候，断面粗糙度大概在0.9微米，可以优化到0.6微米甚至是0.4微米，后期不需要再做任何的处理，简化流程工序。

最后做个简单的总结：首先AR和VR的快速发展会促使企业寻找新材料来开发对应的产品，对整个行业来说也会越来越好，这种高折射玻璃的切割技术也会有越来越多人去研究它。为此我们提供了这款Icefyre激光器，结合了TimeShift的功能，可以实现脉冲串的自由编辑，有利于整个工艺的开发和研究，提供更好的技术支持，最终可以实现低粗糙度、高效率的加工，实现低成本的制造，为整个AR的发展提供一份力量。我们的这项研究成果同样适用于普通玻璃的切割工艺。

以上就是我本次报告的主要内容，本次光博会（2023），我们（MKS）在4号馆也有参展，欢迎大家莅临，共同探讨。谢谢大家。