藍(lán)寶石的莫氏硬度高達(dá)9，超過沙子的硬度7。如果用藍(lán)寶石作為屏幕，手機(jī)就不會(huì)被沙子刮傷。華為推出藍(lán)寶石屏幕的手機(jī)Ascend P7，售價(jià)4688元。而玻璃屏幕的P7，售價(jià)僅為1788元。雖然藍(lán)寶石屏幕不用貼膜，但價(jià)格遠(yuǎn)高于玻璃屏幕，這是什么原因呢？
古代的玻璃用高溫熔融法制備后，跟藍(lán)寶石一樣，需要打磨拋光，才能獲得鏡面效果，因此玻璃原來也很貴。然而1959年英國(guó)人Pilkington發(fā)明了浮法工藝，SiO2為主要成分的玻璃溶液，平整地浮在低熔點(diǎn)金屬Sn的表面。浮法工藝避免了打磨拋光，降低了玻璃的生產(chǎn)成本，平板玻璃窗、玻璃鏡得以大規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)入千家萬戶。那么，藍(lán)寶石可否用玻璃的制備工藝來廉價(jià)地生產(chǎn)呢？答案是不能。因?yàn)镾iO2可作為非晶態(tài)網(wǎng)絡(luò)的生成體，而藍(lán)寶石的成分Al2O3只可以作為非晶態(tài)網(wǎng)絡(luò)的中間體，不能單獨(dú)形成非晶態(tài)。
藍(lán)寶石雖然昂貴，但相比兩個(gè)世紀(jì)前，已經(jīng)便宜了不少。藍(lán)寶石最早來源于天然礦石，法國(guó)人Verneuil于1892年發(fā)明了火焰法，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石的人工合成，使藍(lán)寶石廣泛用在手表、寶石和刀具等產(chǎn)品上。Al2O3粉末被高溫的氫氧焰融化，然后進(jìn)行冷卻，Al離子和O離子在庫(kù)倫力作用下，規(guī)則地排列成單晶體。火焰法雖然速度快、成本低，但是溫度梯度較高，導(dǎo)致藍(lán)寶石內(nèi)的殘余應(yīng)力很大。為了降低溫度梯度，近年來GTAT公司發(fā)展了熱交換法，用來生長(zhǎng)藍(lán)寶石梨晶，梨晶經(jīng)過掏棒、拋光等工藝后，被激光切割成為攝像頭蓋板、Home鍵等。
藍(lán)寶石在外力作用下，帶正電的Al原子移動(dòng)，帶負(fù)電的O原子隨之移動(dòng)。金屬則與藍(lán)寶石不同，帶正電的金屬原子在外力作用下，帶負(fù)電的自由電子隨之移動(dòng)。因?yàn)樵淤|(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，因此O原子的加速度和速度遠(yuǎn)小于電子，藍(lán)寶石不能像金屬那樣塑性變形。藍(lán)寶石和SiO2為主要成分的玻璃易脆，適合用超短脈沖激光加工。激光脈寬短，晶格來不及響應(yīng)，激光將能量全部傳遞給電子，然后高溫的電子在溫度梯度作用下，將熱量單向地傳遞給低溫的晶格。晶格加熱時(shí)間短，因此材料溫度低，熱應(yīng)力小。
激光切割藍(lán)寶石，關(guān)鍵在于控制激光的傳輸。當(dāng)單脈沖能量從30 μJ增大到150 μJ，加工長(zhǎng)度從98 μm增大到240 μm。當(dāng)單脈沖能量從150 μJ增大到210 μJ，加工長(zhǎng)度幾乎保持不變。藍(lán)寶石被單脈沖能量為210 μJ的超短脈沖激光輻照后，加工長(zhǎng)度為242 μm。從圖1（a）中可以明顯看出，加工長(zhǎng)度隨著單脈沖能量的增加而增大，然而，加工長(zhǎng)度在單脈沖能量超過150 μJ后飽和。
圖1． 不同單脈沖能量下藍(lán)寶石的加工形貌，以及模擬的光強(qiáng)分布
飽和現(xiàn)象由散射引起。如圖1（b）－（d）中模擬的光強(qiáng)所示，在空氣和藍(lán)寶石界面處的散射區(qū)域隨著單脈沖能量的增大而增大。當(dāng)單脈沖能量從30 μJ增大到150 μJ，激光光強(qiáng)增大。當(dāng)單脈沖能量從150 μJ增大到210 μJ，光強(qiáng)幾乎不變，如圖1（c）和1（d）所示。盡管單脈沖能量增大，激光在藍(lán)寶石中的傳播受到散射效應(yīng)的限制。
為了加工厚度超過飽和長(zhǎng)度的藍(lán)寶石，我們采用“隱切”的加工方式，將焦點(diǎn)從遠(yuǎn)離物鏡的下表面，逐漸向靠近物鏡的上表面移動(dòng)。如圖2所示，激光在3個(gè)聚焦位置輻照后，切割500 μm厚的藍(lán)寶石。結(jié)合散射和非線性傳輸?shù)哪Ｐ停?jì)算出的光強(qiáng)分布，與實(shí)際加工形貌一致。
圖2． “隱切”過程中累積的光強(qiáng)的分布
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