使用弯曲准非衍射激光射束来激光加工透明工件的方法与流程

使用弯曲准非衍射激光射束来激光加工透明工件的方法
1.本技术根据35 usc
§
119(e)，要求于2019年7月1日提交的美国临时专利申请序列号62/869,272的优先权，并且该申请通过引用以其整体并入本文。


背景技术：
技术领域
2.本说明书总体涉及用于激光加工透明工件的设备和方法，并且更具体地，涉及包括沿着激光射束焦弧(focal arc)在线位移方向上变化的激光射束焦弧的激光射束。技术背景
3.材料的激光加工领域涵盖涉及不同类型材料的切割、钻孔、铣削、焊接、熔化等的各种应用。在这些工艺中，特别感兴趣的一种工艺是在可用于生产用于薄膜晶体管(tft)或电子设备的显示材料的材料(诸如玻璃、蓝宝石或熔融石英)的工艺中切割或分离不同类型的透明基板。
4.从工艺开发和成本角度来看，在切割和分离玻璃基板方面存在许多改进的机会。与目前在市场上实施的方法相比，具有更快、更清洁，更便宜、更可重复且更可靠的分离玻璃基板的方法是非常有意义的。因此，需要用于分离玻璃基板的替代改进方法。


技术实现要素：

5.根据本公开的一个实施例，一种用于加工透明工件的方法包括：将沿着射束路径定向的激光射束引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的激光射束的部分是激光射束焦弧，并且在透明工件内生成诱导吸收，该诱导吸收在透明工件内产生缺陷。该激光射束焦弧包括波长λ、光斑尺寸w0、以及大于的瑞利范围zr，其中fd是具有为10或更大的值的无量纲发散因子。该激光射束焦弧在线位移方向上变化，其中线位移方向沿着激光射束焦弧的长度在x-方向、y-方向或这两者上延伸，使得透明工件内的缺陷在线位移方向上变化。此外，x-方向和y-方向各自正交于不受影响的射束传播方向。
6.根据本公开的另一实施例，一种用于加工透明工件的方法包括：将沿着射束路径定向并且在射束传播方向上传播的激光射束引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的激光射束的部分是激光射束焦弧，并且在透明工件内生成诱导吸收，该诱导吸收在透明工件内产生缺陷。该激光射束焦弧包括波长λ、光斑尺寸w0、以及大于的瑞利范围zr，其中fd是包括为10或更大的值的无量纲发散因子。该激光射束焦弧在线位移方向上变化，其中线位移方向沿着激光射束焦弧的长度在x-方向、y-方向或这两者上延伸，使得缺陷在线位移方向上变化。此外，x-方向和y-方向各自正交于不受影响的射束传播方向。该方法还包括沿着轮廓线在平移方向上将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移，从而在透明工件中形成包括多个缺陷的轮廓，其中所述多个轮廓中的每个轮廓在线位移方向上
变化，并且平移方向正交于射束传播方向，并且与线位移方向不同。
7.本文中所描述的过程和系统的附加特征和优点将在以下具体实施方式中阐述，并且将部分地从所述描述中对本领域的技术人员变得显而易见，或可通过实践本文中所描述的实施例(包括下面的具体实施方式、权利要求书以及附图)而被认识。
8.应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者描述了各种实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的主题的本质和特性的概观或框架。附图被包括以提供对各个实施例的进一步的理解，并且附图被结合到本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本文所述的各个实施例，并与说明书一起用于说明所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
9.附图中阐述的实施例本质上是说明性的和示例性的，并且不旨在限制由权利要求所限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解对说明性实施例的以下详细描述，其中，用类似的附图标记指示类似的结构，并且其中：
10.图1a示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的透明工件中的缺陷的轮廓的形成；
11.图1b示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在处理透明工件期间的激光射束焦弧的定位；
12.图1c示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的透明工件中的缺陷的轮廓的形成；
13.图1d示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的从透明工件分离的两个分离的透明制品的侧视图，分离的透明制品中的每一者具有非平面边缘；
14.图2a示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于激光加工的光学组件；
15.图2b示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于激光加工的另一光学组件；
16.图3a以图形方式描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的示例性脉冲串内的激光脉冲的相对强度与时间的关系；
17.图3b以图形方式描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的另一示例性脉冲串内的激光脉冲的相对强度与时间的关系；
18.图4以图形方式描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的相位函数，该相位函数用于改变激光射束的相位，使得线位移方向在x-方向上变化；
19.图5以图形方式描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用图4中以图形方式描绘的相位函数创建的在x-方向上变化的激光射束焦弧的模拟；
20.图6以图形方式描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用图4中以图形方式描绘的相位函数创建的激光射束的光斑尺寸的模拟；
21.图7是根据本文描述的一个或多个实施例的用图4中以图形方式描绘的相位函数创建的在x-方向上变化的激光射束焦弧的图像；以及
22.图8是根据本文描述的一个或多个实施例的由用图4中以图形方式描绘的相位函数创建的在x-方向上变化的激光射束焦弧在透明工件中产生的缺陷的图像。
具体实施方式
23.现在将详细参考用于激光加工透明工件(诸如玻璃工件)的过程的实施例，其示例在附图中图示出。在可能时，贯穿附图将使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。根据本文描述的一个或多个实施例，透明工件可以被激光加工以在透明工件中形成轮廓，该轮廓包括沿着透明工件的期望分离线的一系列缺陷以形成两个或更多个分离的透明制品。此外，在本文描述的实施例中，一系列缺陷中的每个缺陷可包括穿过透明工件的深度的至少一部分的弯曲形状，使得在沿着轮廓分离透明工件之后，所得的分离的透明工件包括具有与缺陷的曲率(curvature)相对应的曲率的非平面边缘(诸如牛鼻(bullnose)边缘)。可以使用弯曲激光射束在透明工件中形成弯曲缺陷。然而，形成弯曲射束的常规方法具有多种限制。例如，形成弯曲射束的常规方法在几何上可受限于抛物线曲线，并且可具有高射束发散角，从而限制了使用这些常规方法形成的缺陷的形状和长度两者。因此，本文描述了用于激光加工透明工件以促进形成具有非平面边缘的分离的透明制品的改进方法。
24.特别地，本文描述的实施例包括将激光射束引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的激光射束的部分包括在线位移方向上变化的激光射束焦弧，其中线位移方向沿着激光射束焦弧的长度在x-方向、y-方向或这两者上延伸(即，任意地弯曲)，并且包括波长λ、光斑尺寸w0、以及大于的瑞利范围zr，其中fd是包括为10或更大的值的无量纲发散因子，使得激光射束焦弧是准非衍射射束。换言之，使用本文描述的方法和系统形成的激光射束焦弧可具有任意且可修改的曲率，并且包括低射束发散度，从而促进在透明工件的厚度内(并且在一些实施例中穿过透明工件的厚度)形成长而弯曲的缺陷。如本文描述的，可通过在将激光射束引导到透明工件中之前改变激光射束的相位来形成弯曲的激光射束焦弧。本文将具体参考附图来描述用于利用包括弯曲的激光射束焦弧的激光射束来激光加工透明工件以在透明工件中形成包括多个弯曲缺陷的轮廓，从而使得能够将具有非平面边缘的透明制品从透明工件分离的过程的各种实施例。
25.如本文所使用，“激光加工”包括将激光射束引导到透明工件上和/或透明工件中。在一些实施例中，激光加工进一步包括：例如，沿着轮廓线或其他路径，将激光射束和透明工件中的至少一者相对于彼此平移。激光加工的示例包括使用激光射束来形成包括延伸到透明工件中的一系列缺陷的轮廓，以及使用红外激光射束来加热透明工件。激光加工可以沿着由一个或多个轮廓定义的一个或多个期望的分离线来分离透明工件。然而，在一些实施例中，附加的非激光步骤可用于沿着一个或多个期望的分离线来分离透明工件。
26.如本文所使用，短语“射束横截面”是指激光射束的沿着与激光射束的不受影响的射束传播方向垂直的平面的横截面，例如，当不受影响的射束传播方向处于z-方向时沿着x-y平面。
27.如本文所使用，“射束传播方向”是指最大射束强度点的轨迹。
28.如本文所使用，“不受影响的射束传播方向”是指如果激光射束的相位没有被如本文所述的相变光学元件改变，则激光射束将在透明工件中具有的射束传播方向，并且“相变射束传播方向”是指由相变光学元件产生的激光射束的射束传播方向。不受影响的射束传播方向在本文中定义为xyz坐标系的z-方向。出于本公开的目的，xyz坐标系在空间中是固定的，并且激光射束的曲率由线位移函数x
p
和y
p
表征，线位移函数x
p
和y
p
将x-y平面中激光
射束的最大强度的位置量化为z坐标的函数。射束传播方向和不受影响的射束传播方向可以是相同的，或者可以是不同的。例如，不受影响的射束传播方向可以在激光射束上的所有点处与射束传播方向平行。特别地，如果没有相变光学元件基于相位函数改变激光射束的相位，则射束无曲率地传播，射束传播方向是z-方向，并且射束传播方向和不受影响的射束传播方向是相同的。在优选实施例中，射束是以相对于不受影响的射束传播方向(z-方向)以曲率传播的准非衍射射束。当射束以曲率传播时，射束传播方向是相变射束传播方向并且与不受影响的射束传播方向不同。相变射束传播方向是xyz坐标系中与由应变于z的线位移函数x
p
和y
p
定义的轨迹相对应的方向。
29.如本文所使用，“射束斑”是指激光射束在冲击表面(即，透明工件的最接近激光光学器件的表面)处的横截面(例如，射束横截面)。射束斑是在与工件(例如，透明工件)的第一接触点处的横截面。在本文描述的实施例中，射束斑有时被称为是“轴对称”或“非轴对称”的。如本文所使用，轴对称是指对于围绕中心轴作出的任何任意旋转角度而言对称或看起来相同的形状，并且“非轴对称”是指对于围绕中心轴作出的任何任意旋转角度而言不对称的形状。旋转轴(例如，中心轴)最常被视为激光射束的传播轴，该传播轴是在射束传播方向上延伸的轴。
30.如本文所使用，“上游”和“下游”是指两个位置或部件沿着射束路径相对于射束源的相对定位。例如，如果第一部件沿着由激光射束穿过的路径比第二部件更接近激光源或腔体，则第一部件处于第二部件的上游。
31.如本文所使用，“激光射束焦弧”是指激光射束的相交(例如，交叉)的光线的图案，这些光线形成在相变射束传播方向上细长的聚焦区域。在常规激光加工中，激光射束紧密聚焦到焦点。焦点是激光射束的最大强度点，并且位于透明工件中的焦平面处。相反，在焦弧的细长聚焦区域中，激光射束的最大强度区域延伸超过点，延伸到与相变射束传播方向对准的弧。通过使相交(例如，交叉)的光线会聚以形成与沿着相变射束传播方向对准的连续的一系列焦点来形成焦弧。本文描述的激光射束焦弧使用准非衍射射束来形成，下文详细地从数学上定义。激光射束焦弧的示意性描绘在图1b中示出。如下文更完全讨论的，本文描述的激光射束焦弧具有由线位移函数x
p
(z)和y
p
(z)定义的曲率，其中线位移函数x
p
(z)和y
p
(z)中的至少一者是非零的。如果x
p
(z)和y
p
(z)两者都为零，则聚焦区域是线性的，而不是弯曲的，并且与激光射束焦线相对应。如本文所使用，激光射束焦弧是指具有曲率并且排除激光射束焦线的特征。即，根据本公开，激光射束焦线不是激光射束焦弧。
32.如本文所使用，“轮廓线”对应于由于激光射束与透明工件之间的相对运动而产生的激光射束与透明工件的入射表面的一组相交点。轮廓线的形状可以是线性的，成角度的，多边形的或弯曲的。轮廓线可以是闭合的(即，在透明工件的表面上限定封闭区域)或开放的(即，不在透明工件的表面上限定封闭区域)。轮廓线表示边界，沿着该边界促进将透明工件分离成两个或更多个部分。分离同时发生或在外部热能或机械能的辅助下发生。
33.如本文所使用，“轮廓”是指由激光射束通过激光射束与透明工件沿着轮廓线的相对运动来形成在透明工件中的一组缺陷。缺陷沿着轮廓线间隔开，并且被全部包含在透明工件的内部或穿过一个或多个表面延伸到透明工件的内部。缺陷还可以延伸穿过透明工件的整个厚度。透明工件的分离通过连接缺陷(诸如例如通过裂缝的传播)而发生。此外，在所描述的实施例中，焦弧用于创建具有弯曲缺陷的轮廓，使得在分离时，形成具有非平面边缘
(例如，牛鼻边缘、圆角边缘或其他弯曲边缘)的部分。
34.如本文所使用，“缺陷”是指透明工件的已经被激光射束改性的区域。缺陷包括透明工件的相对于透明工件的周围未改性区域具有修改的折射率的区域。常见缺陷包括透明工件中的结构上改性的区域，诸如空隙空间、裂纹、划痕、瑕疵、孔、穿孔、致密化或其他变形。在本文的各种实施例中，缺陷还可被称为缺陷线或损伤轨迹。缺陷线或损伤轨迹通过激光射束焦弧与透明工件的相互作用来形成。如下文更完全描述的，激光射束焦弧由脉冲激光器产生。在沿着轮廓线的特定位置处的缺陷由通过在特定位置处的单个激光脉冲产生的焦弧形成，或者由通过在特定位置处的多个激光脉冲产生的焦弧形成。在本文描述的实施例中，激光射束焦弧可以沿着其长度弯曲(即，沿着其长度在x-方向、y-方向或这两者上变化)，使得缺陷包括在透明工件的厚度内和/或穿过透明工件的厚度的对应弯曲形状。
35.如本文所使用的短语“透明工件”是指由玻璃、玻璃陶瓷或透明的其他材料形成的工件，其中如本文所使用的术语“透明”是指该材料针对每毫米的材料深度具有小于20％的线性光学吸收，诸如对于指定的脉冲激光波长，针对每毫米的材料深度小于10％，或者诸如对于指定的脉冲激光波长，针对每毫米的材料深度小于1％。除非另有规定，否则材料针对每毫米的材料深度具有小于约20％的光学吸收。透明工件可以具有从约50微米(μm)到约10mm(诸如从约100μm到约5mm，或从约0.5mm到约3mm)的深度(例如，厚度)。
36.透明工件可包括由玻璃组合物形成的玻璃工件，所述玻璃组合物为诸如硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱金属铝硅酸盐、碱土金属铝硅酸盐玻璃、碱土金属硼铝硅酸盐玻璃、熔融石英、或晶体材料(诸如蓝宝石、硅、砷化镓)、或其组合。在一些实施例中，可在激光加工透明工件之前或之后经由热回火来强化透明工件。在一些实施例中，玻璃可以是离子可交换的，使得在激光加工透明工件之前或之后，玻璃组合物可以经历离子交换以实现玻璃强化。例如，透明工件可包括离子交换玻璃和离子可交换玻璃，诸如可从纽约州康宁市康宁公司获得的(corning )玻璃(例如，编号2318、编号2319和编号2320)。此外，离子交换玻璃可具有从约6ppm/℃到约10ppm/℃的热膨胀系数(cte)。其他示例透明工件可以包括可从纽约州康宁市康宁公司获得的eagle 和康宁lotus
tm
。此外，透明工件可包括对激光的波长透明的其他成分，例如，玻璃陶瓷或诸如蓝宝石或硒化锌之类的晶体。
37.在离子交换工艺中，透明工件的表面层中的离子被具有相同价态或氧化态的较大离子取代，例如，通过将透明工件部分或全部浸入离子交换浴中。用较大离子取代较小离子使压缩应力层从透明工件的一个或多个表面延伸到透明工件内的一定深度，该深度被称为层的深度。压缩应力被拉伸应力(称为中心张力)层平衡，使得玻璃片中的净应力为零。在玻璃片的表面处形成的压缩应力使玻璃坚固并抵抗机械损伤，并且因此减轻了玻璃片由于未延伸穿过层深度的瑕疵而造成的灾难性故障。在一些实施例中，透明工件的表面层中的较小的钠离子与较大的钾离子交换。在一些实施例中，表面层中的离子和较大的离子是一价碱金属阳离子，诸如li+(当存在于玻璃中时)、na+、k+、rb+和cs+。替代地，表面层中的一价阳离子可以用除了碱金属阳离子之外的一价阳离子(诸如ag+、tl+、cu+等)代替。
38.如本文所使用，术语“准非衍射射束”用于描述具有低射束发散度的激光射束，如下文在数学上定义的。特别地，用于在本文描述的实施例中形成缺陷的轮廓的激光射束是准非衍射射束。激光射束具有强度分布i(x,y,z)或i(x
–
x
p
(z),y-y
p
(z),z)，其中z是激光射
束的不受影响的射束传播方向，x和y是与不受影响的射束传播方向正交的方向，并且x
p
(z)和y
p
(z)是线位移函数。与射束传播方向正交的方向也可被称为横截面方向，并且与射束传播方向正交的平面可被称为横截面。在优选实施例中，射束传播方向是相变射束传播方向。激光射束在横截面平面中的强度分布可以被称为横截面强度分布。
39.准非衍射性质可通过将衍射激光射束(诸如高斯射束)冲击到相变光学元件(诸如非球面光学元件(例如，轴棱锥或纳米光刻光学元件)、空间光调制器、相位板、相位掩模、可变形镜、自适应光学器件等)之中或之上和/或穿过该相变光学元件来形成以修改衍射射束的相位，以减小射束发散度并增加瑞利范围，如下文在数学上定义的。示例准非衍射射束包括高斯-贝塞尔射束和贝塞尔射束。此外，下文更详细地描述了包括相变光学元件的光学组件。
40.在不旨在受理论限制的情况下，射束发散度是指射束横截面在射束传播方向(即，不受影响的射束传播方向或相变射束传播方向)上的放大率。本文所讨论的射束横截面的一个示例是投射到透明工件160(图1a)上的激光射束112的射束斑114。衍射是导致激光射束的发散的一个因素。其他因素包括由形成激光射束的光学系统引起的聚焦或散焦或界面处的折射和散射。用于形成轮廓的缺陷的激光射束由激光射束焦弧形成。激光射束焦弧具有低发散度和弱衍射。激光射束的发散度由瑞利范围zr表征，该瑞利范围zr与激光射束的强度分布的方差σ2以及射束传播因子m2有关。在接下来的讨论中，将使用笛卡尔坐标系来呈现公式。使用本领域技术人员已知的数学技术，针对其他坐标系的对应表达式是可获得的。射束发散的附加信息可以在a.e.siegman发表在spie研讨会系列第1224卷第2页(1990)的题为“new developments in laser resonators(激光谐振器的新发展)”的文献以及r.borghi和m.santarsiero发表在光学快报(optics letters)第22(5)卷第262页(1997)的题为“m
2 factor of bessel-gauss beams(贝塞尔-高斯射束的m2因子)”的文献中找到，这些文献的公开内容通过引用整体并入本文。附加信息还可以在国际标准iso 11146-1:2005(e)题为“lasers and laser-related equipment—test methods for laser beam widths,divergence angles and beam propagation ratios—part 1:stigmatic and simple astigmatic beams(激光器和激光相关装备——激光射束宽度、发散角和射束传播比的测试方法——第1部分：去像散和简单像散射束)”、iso 11146-2:2005(e)题为“lasers and laser-related equipment—test methods for laser beam widths,divergence angles and beam propagation ratios—part 2:general astigmatic beams(激光器和激光相关装备——激光射束宽度、发散角和射束传播比的测试方法——第2部分：一般像散射束)”、以及iso 11146-3:2004(e)题为“lasers and laser-related equipment—test methods for laser beam widths,divergence angles and beam propagation ratios—part 3:intrinsic and geometrical laser beam classification,propagation and details of test methods(激光器和激光相关装备——激光射束宽度、发散角和射束传播比的测试方法——第3部分：固有和几何激光射束分类、传播和测试方法的细节)”中找到，这些文献的公开内容通过引用整体并入本文。
41.对于无曲率曲率地传播的激光射束，呈现了以下公式(1)-(32)，使得射束传播方向与不受影响的射束传播方向(z-方向)相对应。当用相变光学元件引入射束的曲率曲率时，射束传播方向是相变射束传播方向并且从z-方向偏离。适用于具有曲率曲率的射束的
公式(1)-(32)的变体是由通过将公式(1)-(32)中的x和y分别替换为x
–
x
p
(z)和y
–yp
(z)来进行坐标系的变换而导出的，其中x
p
(z)和y
p
(z)是量化射束曲率曲率的线位移函数。
42.具有时间平均强度分布i(x,y,z)的激光射束的强度分布的质心的空间坐标由以下表达式给出：下表达式给出：
43.这些也被称为维格纳(wigner)分布的一阶矩，且在iso 11146-2:2005(e)的第3.5节进行描述。它们的测量在iso 11146-2:2005(e)的第7节进行描述。
44.方差是作为射束传播方向上的位置z的函数的激光射束的强度分布在横截面(x-y)平面中的宽度的量度。对于任意激光射束，x-方向上的方差可能与y-方向上的方差不同。我们让和分别表示x-方向和y-方向上的方差。特别感兴趣的是近场极限和远场极限中的方差。我们让和分别表示在近场极限中x-方向和y-方向上的方差，以及我们让和分别表示在远场极限中x-方向和y-方向上的方差。对于具有时间平均强度分布i(x,y,z)的激光射束，x-方向和y-方向上的近场和远场方差分别由下列表达式给出，时间平均强度分布i(x,y,z)具有傅里叶变换(其中v
x
和vy分别为x-方向和y-方向上的空间频率)：方向上的空间频率)：方向上的空间频率)：方向上的空间频率)：
45.方差量和也被称为维格纳分布的对角元素(见iso 11146-2:2005(e))。可以使用iso 11146-2:2005(e)第7节所描述的测量技术对实验激光射束的这些方差进行量化。简而言之，测量使用线性不饱和像素化检测器在有限的空间区域上测量i(x,y)，该有限的空间区域近似于定义了方差和质心坐标的积分方程的无限积分区域。测量区域、背景减法和检测器像素分辨率的适当范围由iso 11146-2:2005(e)第7节中所描述的迭代测量程序的收敛确定。等式1-6给出的表达式的数值根据由像素化检测器测量的强度值的数组通过数值方式来计算。
46.通过任意光学射束(其中)的横向振幅分布与任意光学射束(其中)的空间-频率分布之间的傅里叶变换关系，其可示出为：换关系，其可示出为：
47.在等式(7)和(8)中，和是和的最小值，和分别在x-方向和y-方向上的腰部位置z
0x
和z
0y
处发生，并且λ是激光射束的波长。等式(7)和(8)指示和从与激光射束的腰部位置(例如，激光射束焦弧的腰部部分)相关联的最小值在任一方向上随着z平方地增加。此外，在本文描述的实施例中包括射束斑114，该射束斑114是轴对称的并且由此包括轴对称强度分布i(x,y)、在本文描述的实施例中包括射束斑114，该射束斑114是非轴对称的并且由此包括非轴对称强度分布i(x,y)、即或
48.等式(7)和(8)可以根据射束传播因子m2来重写，其中针对x-方向和y-方向的单独的射束传播因子和被定义为：被定义为：
49.将等式(9)和(10)重新排列并代入等式(7)和(8)中产生：将等式(9)和(10)重新排列并代入等式(7)和(8)中产生：其可以被重写为：其可以被重写为：其中x-方向和y-方向上的瑞利范围z
rx
和z
ry
分别由以下等式给出：
50.瑞利范围对应于(如在iso 11146-1:2005(e)第3.12节中定义，相对于射束腰部的位置的)距离，在该距离上激光射束的方差(相对于射束腰部位置处的方差)加倍，并且该距离是激光射束的横截面积的发散度的量度。此外，在本文描述的实施例中包括射束斑114，该射束斑114是轴对称的并且由此包括轴对称强度分布i(x,y)、z
rx
＝z
ry
，在本文描述的实施例中包括射束斑114，该射束斑114是非轴对称的并且由此包括非轴对称强度分布i(x,y)、z
rx
≠z
ry
，即z
rx
＜z
ry
或z
rx
＞z
ry
。瑞利范围也可以被观察为沿着射束轴的距离，在该距离处光学强度衰减到在射束腰部位置(最大强度的位置)处观察到的光学强度的值的一半。具有大瑞利范围的激光射束具有低发散度，并且与具有小瑞利范围的激光射束相比在射束传播方向上随距离更加缓慢地扩展。
51.以上公式可以通过使用描述激光射束的强度分布i(x,y,z)而适用于任何激光射束(不只是高斯射束)。在高斯射束的tem
00
模式的情况下，强度分布由下式给出：其中wo为半径(定义为射束强度减小到射束的峰值射束强度的1/e2处的半径，峰值射束强度位于射束腰部位置zo处)。根据等式(17)和以上公式，对于tem
00
高斯射束，我们获得如下结果：得如下结果：得如下结果：得如下结果：得如下结果：得如下结果：得如下结果：其中zr＝z
rx
＝z
ry
。对于高斯射束，还要注意
52.射束横截面由形状和尺寸表征。射束横截面的尺寸由射束的光斑尺寸表征。对于高斯射束，光斑尺寸常被定义为射束强度减小到其最大值的1/e2处的径向范围，在等式(17)中表示为w0。高斯射束的最大强度发生在强度分布的中心(x＝0且y＝0(笛卡尔)或r＝0(圆柱))，并且用于确定光斑尺寸的径向范围是相对于中心测量的。
53.具有轴对称(即，围绕射束传播轴z旋转对称的)横截面的射束可以由在iso 11146-1:2005(e)第3.12节中规定的射束腰部位置处测量的单个尺寸或光斑尺寸来表征。对于高斯射束，等式(17)示出了光斑尺寸等于wo，根据等式(18)wo对应于2σ
0x
或2σ
0y
。对于具有轴对称横截面(诸如圆形横截面)的轴对称射束，σ
0x
＝σ
0y
。因此，对于轴对称射束，横截面尺寸可以用单个光斑尺寸参数来表征，其中w0＝2σ0。对于非轴对称射束横截面，可以类似地定义光斑尺寸，其中与轴对称射束不同，σ
0x
≠σ
0y
。因此，当射束的光斑尺寸非轴对称时，有必要用两个光斑尺寸参数表征非轴对称射束的横截面尺寸：分别为x-方向和y-方向上的w
0x
和w
0y
，其中w
ox
＝2σ
0x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)w
oy
＝2σ
0y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
54.此外，对于非轴对称射束，缺少轴向(即任意旋转角度)对称性意味着计算值σ
0x
和σ
0y
的结果将取决于x-轴和y-轴的取向的选择。iso11146-1:2005(e)将这些参考轴称为功率密度分布的主轴(第3.3-3.5节)，并且在下文的讨论中，我们将假设x轴和y轴与这些主轴对准。此外，x-轴和y-轴可以在横截面中绕其旋转的角度φ(例如，x-轴和y-轴分别相对于x-轴和y-轴的参考位置的角度)可以用于定义非轴对称射束的光斑尺寸参数的最小值(w
o,min
)和最大值(w
o,max
)：w
o,min
＝2σ
0,min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)w
o,max
＝2σ
0,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)其中2σ
0，min
＝2σ
0x
(φ
min，x
)＝2σ
0y
(φ
min，y
)且2σ
0，max
＝2σ
0x
(φ
max，x
)＝2σ
0y
(φ
max，y
)。射束横截面的轴不对称的大小可以通过纵横比来量化，其中纵横比被定义为w
o,max
与w
o,min
的比率。轴对称射束横截面的纵横比为1.0，而椭圆射束横截面以及其他非轴对称射束横截面的纵横比大于1.0，例如，大于1.1、大于1.2、大于1.3、大于1.4、大于1.5、大于1.6、大于1.7、大于1.8、大于1.9、大于2.0、大于3.0、大于5.0、大于10.0等等。
55.为了促进沿着射束传播方向在透明工件中的缺陷的均匀性，可以使用具有低发散度的激光射束。在一个或多个实施例中，具有低发散度的激光射束可以被用于形成缺陷。如上所述，发散度可以由瑞利范围来表征。对于非轴对称射束，对于x-方向和y-方向的主轴x和y的瑞利范围分别由等式(15)和(16)定义，其中可以示出，对于任何真实射束，且并且其中和由激光射束的强度分布确定。对于轴对称射束，瑞利范围在x-方向和y-方向上是相同的，并且由等式(22)或等式(23)表达。低发散度与瑞利范围的大值以及激光射束的弱衍射相关。
56.具有高斯强度分布的射束可能不太优选用于激光加工以形成缺陷，因为当被聚焦成实现足以对诸如玻璃之类的材料改性的激光脉冲能量所需的足够小的光斑尺寸(诸如在微米范围内的光斑尺寸，诸如约1-5μm或约1-10μm)时，这些射束在短的传播距离上是高度衍射的并显著地发散。为了实现低发散度，期望控制或优化脉冲激光射束的强度分布以减少衍射。脉冲激光射束可以是非衍射的或弱衍射的。弱衍射的激光射束包括准非衍射激光射束。代表性的弱衍射激光射束包括贝塞尔射束、高斯-贝塞尔射束、韦伯射束和马蒂厄(mathieu)射束。
57.对于非轴对称射束，瑞利范围z
rx
和z
ry
不相等。等式(15)和(16)显示z
rx
和z
ry
分别取决于σ
0x
和σ
0y
，并且以上我们注意到了σ
0x
和σ
0y
的值取决于x-轴和y-轴的取向。z
rx
和z
ry
的值
将相应地变化，并且各自将具有对应于主轴的最小值和最大值，其中z
rx
的最小值被表示为z
rx,min
，并且z
ry
的最小值被表示为z
ry,min
，对于任意射束分布，z
rx,min
和z
ry,min
可被示出为由下式给出以及
58.由于激光射束的发散发生在具有最小瑞利范围的方向上的较短距离上，所以可以控制用于形成缺陷的激光射束的强度分布，使得z
rx
和z
ry
的最小值(或者对于轴对称射束，zr的值)尽可能大。由于非对称性射束的z
rx
的最小值z
rx,min
和z
ry
的最小值z
ry,min
不同，所以可以使用具有在形成损坏区域时使z
rx,min
和z
ry,min
中的较小一者尽可能大的强度分布的激光射束112。
59.在不同实施例中，z
rx,min
和z
ry,min
中的较小一者(或者对于轴对称射束，zr的值)大于或等于50μm，大于或等于100μm，大于或等于200μm，大于或等于300μm，大于或等于500μm，大于或等于1mm，大于或等于2mm，大于或等于3mm，大于或等于5mm，在50μm到10mm范围内，在100μm到5mm范围内，在200μm到4mm范围内，在300μm到2mm范围内，等等。
60.通过调节等式(27)中定义的光斑尺寸参数w
o,min
，针对对于工件透明的不同波长，可以实现本文指定的z
rx,min
和z
ry,min
中的较小一者(或者对于轴对称射束，zr的值)的值和范围。在不同实施例中，光斑尺寸参数w
o,min
大于或等于0.25μm，大于或等于0.50μm，大于或等于0.75μm，大于或等于1.0μm，大于或等于2.0μm，大于或等于3.0μm，大于或等于5.0μm，在0.25μm到10μm的范围内，在0.25μm到5.0μm的范围内，在0.25μm到2.5μm的范围内，在0.50μm到10μm的范围内，在0.50μm到5.0μm的范围内，在0.50μm到2.5μm的范围内，在0.75μm到10μm的范围内，在0.75μm到5.0μm的范围内，在0.75μm到2.5μm的范围内，等等。
61.非衍射或准非衍射射束通常具有复杂的强度分布，诸如那些相对于半径非单调地减小的强度分布。通过类比于高斯射束，对于非轴对称射束，可以将有效光斑尺寸w
o,eff
定义为在射束横截面的任何方向上距最大强度的径向位置(r＝0)的最短径向距离，在该处，强度降低到最大强度的1/e2。此外，对于轴对称射束，w
o,eff
是距最大强度的径向位置(r＝0)的径向距离，在该处，强度降低到最大强度的1/e2。可以使用针对非轴对称射束的等式(31)或针对轴对称射束的等式(32)来将基于非轴对称射束的有效光斑大小w
o,eff
或轴对称射束的光斑大小wo的瑞利范围的标准指定为用于形成损伤区域的非衍射射束或准非衍射射束，如下所示：z
rx,min
,z
ry,min
中的较小一者中的较小一者其中fd是具有至少为10、至少为50、至少为100、至少为250、至少为500、至少为1000、在约10到约2000范围内、在约50到约1500范围内、在约100到约1000范围内的值的无
量纲发散因子。通过将等式(31)与等式(22)或(23)进行比较，可以看出，对于非衍射或准非衍射射束在等式(31)中的距离“z
rx,min
，z
ry,min
中的较小一者”(在该距离上有效射束尺寸加倍)是使用的典型高斯射束分布的情况下所预期的距离的fd倍。无量纲发散因子fd为确定激光射束是否为准非衍射提供了标准。如本文所使用，如果在值fd≥10时激光射束的特性满足等式(31)或等式(32)，则激光射束112被认为是准非衍射的。随着值fd的增大，激光射束112接近更接近完美的非衍射状态。此外，应当理解的是，等式(32)仅仅是等式(31)的简化，并且因此，等式(31)数学地描述了轴对称的和非轴对称的脉冲激光射束两者的无量纲发散因子fd。
62.现在参考图1a、图1b和图1c，示例透明工件160被示意性地描绘为根据本文描述的方法经历激光加工。特别地，图1a和图1c示意性地描绘了将沿着射束路径111定向的激光射束112引导到透明工件160中，使得被引导到透明工件160中的激光射束112的部分包括激光射束焦弧113，并且在透明工件160内生成诱导吸收，以在透明工件160内产生缺陷172。激光射束焦弧113包括波长λ、光斑尺寸w0、以及大于的瑞利范围zr，其中fd是包括为10或更大的值的无量纲发散因子。换言之，激光射束焦弧113是准非衍射射束。此外，激光射束焦弧113在线位移方向上变化，其中线位移方向沿着激光射束焦弧113的长度在x-方向(即，a
±
x-方向)、y-方向(即，a
±
y-方向)或这两者上延伸，使得缺陷172在线位移方向上变化。在激光射束112冲击在相变光学元件120上之后，但在形成激光射束焦弧113之前，可存在沿着激光射束的长度在x-方向或y-方向上变化的焦点。此外，应理解，x-方向和y-方向两者都正交于不受影响的射束传播方向(例如，如图1a和图1c中描绘的z-方向)。
63.多个缺陷172形成轮廓170，轮廓170可用于将透明工件160分离成多个分离的透明制品260，每个分离的透明制品260包括非平面边缘262(图1d)。轮廓170包括多个缺陷172，多个缺陷172可通过将激光射束112引导到透明工件160中来形成，使得被引导到透明工件160中的激光射束112的至少一部分包括激光射束焦弧113，并且沿着轮廓线165在平移方向101上平移激光射束112。缺陷172可以例如延伸穿过透明工件160的深度(即，厚度)。此外，激光射束112最初在冲击位置115处接触透明工件160，该冲击位置115是冲击表面上的特定位置。如图1a、图1b和图1c所描绘，透明工件160的第一表面162包括冲击表面；然而，应当理解的是，在其他实施例中，激光射束112最初可以替代地照射透明工件160的第二表面164。此外，图1a和图1c描绘了激光射束112形成投射到透明工件160的第一表面162上的射束斑114。
64.图1a、图1b和图1c描绘了激光射束112，激光射束112沿着射束路径111定向并且定向为使得激光射束112可被聚焦到透明工件160内的激光射束焦弧113中。如先前所述的，激光射束焦弧113在线位移方向上变化，其中线位移方向沿着激光射束焦弧113的长度在x-方向、y-方向或这两者上延伸，使得由激光射束焦弧形成的缺陷172在线位移方向上变化。具体地，激光射束焦弧13可根据函数x
p
(z)在x-方向上变化，在函数x
p
(z)中，z-方向在不受影响的射束传播方向上延伸，并且激光射束焦弧13可根据函数y
p
(z)在y-方向上变化，在函数y
p
(z)中，z-方向在不受影响的射束传播方向上延伸。函数x
p
(z)和y
p
(z)在本文中可被称为线位移函数。在一些实施例中，线位移函数x
p
(z)、线位移函数y
p
(z)或这两者包括曲线、圆弧、双曲线、抛物线、圆形、椭圆形、对数函数、指数函数、正弦函数、余弦函数、正切函数、以
上各项的部分或以上各项的组合。在一些实施例中，线位移函数x
p
(z)或线位移函数y
p
(z)为0。在一些实施例中，线位移函数x
p
(z)或线位移函数y
p
(z)包括本文提及的曲率函数中的任一者，并且进一步包括恒定偏移项。因此，本文描述的激光射束112可形成准非衍射射束，并且本文描述的激光射束焦弧113可根据任意线位移函数x
p
(z)、任意线位移函数y
p
(z)或这两者在线位移方向上变化。相比之下，用于形成弯曲射束的常规方法在几何上受限于抛物线曲线，并且不能形成准非衍射射束。
65.在一些实施例中，如图1a和图1b所示，可使用透镜132(例如，第一透镜130和第二透镜132，以及如在下文描述并在图2a和图2b描绘的该第一透镜130和该第二透镜132的重复)将激光射束112聚焦到激光射束焦弧113中。在一些实施例中，如图1c所示，可使用相变光学元件120将激光射束112聚焦到激光射束焦弧113中，如将在下文更详细地描述的。可以沿着z-轴并且绕z-轴控制激光射束焦弧113的位置。此外，激光射束焦弧113可具有在约0.1mm到约100mm的范围内，或者在约0.1mm到约10mm的范围内的长度。各种实施例可以被配置为具有激光射束焦弧113，其长度l为约0.1mm、约0.2mm、约0.3mm、约0.4mm、约0.5mm、约0.7mm、约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、或约5mm，例如，从约0.5mm到约5mm。
66.如上文所提及，焦弧113是弯曲焦弧，并且具有由相对于z-方向在x-方向和/或y-方向上的线位移定义的曲率。z-方向与不受影响的射束传播方向相对应，其中“不受影响”是指不受本文描述的曲率诱导相变的影响地传播的射束。当激光射束112接近透明工件160的冲击表面时，z-方向(不受影响的射束传播方向)的规格由射束路径111的方向确定。冲击表面对应于激光射束112穿过其进入透明工件160的表面。在图1a和图1c，透明工件160的冲击表面是表面162，并且射束路径111定向为法向于透明工件160的冲击表面162。在图1a和图1c描绘的实施例中，法向方向与不受影响的射束传播方向相对应并且定义如图所示的z-方向。出于本公开的目的，法向方向与90
°
的入射角相对应。
67.在其他实施例中，射束路径111定向在除了法向于冲击表面162的方向之外的方向上。例如，激光射束112可以以非法向入射角(除了90
°
之外的入射角)接近冲击表面162。在此类实施例中，z-方向(不受影响的射束传播方向)与如由入射角定义的非法向射束传播方向相对应，x-y横截面由法向于z-方向的平面定义，并且x-方向和y-方向上的线位移相对于z-方向定义。
68.取决于光学系统的配置和相变光学元件120的放置和取向，激光射束112的曲率的开始可位于相对于透明工件160的冲击表面的不同位置处。在图1b的实施例中，激光射束112的曲率和激光射束焦弧113的形成开始于透明工件160的冲击表面162的上游位置处。在此类实施例中，入射角和z-方向(不受影响的射束传播方向)由激光射束焦弧113在其与冲击表面162的交点(其与冲击位置115相对应)处的切线定义。在其他实施例中，激光射束112的曲率和激光射束焦弧113的形成开始于在透明工件160的冲击表面162处或该冲击表面162的下游处。在这些实施例中，入射角和z-方向(不受影响的射束传播方向)由激光射束112在入射表面处的传播方向定义。
69.如参考图1d提及的，激光射束焦弧113的曲率使得能够将透明工件160分离成具有弯曲边缘262的透明制品260。弯曲边缘260的曲率的方向和角度与激光射束焦弧113的方向和形状紧密对准。弯曲边缘262的曲率是在透明工件160的厚度方向上，其中厚度方向与法向于透明工件160的冲击表面162的方向相对应。在轮廓线165笔直的实施例中，弯曲边缘
262的曲率仅存在于厚度方向上。在轮廓线165是圆角的(例如，圆形、卵形、圆弧)的实施例中，弯曲边缘262在厚度方向和法向于厚度方向的方向上弯曲(例如，由圆角的分离制品260的周边定义的方向)。
70.现在参考图2a和图2b，示意性地描绘了用于产生激光射束112的光学组件100，该激光射束112是准非衍射的，并使用相变光学元件120在透明工件160处形成激光射束焦弧113。光学组件100包括输出激光射束112的射束源110、以及两组透镜。每组透镜包括第一透镜130和第二透镜132。尽管图2a和图2b描绘了两组透镜，但光学组件100可包括任何数量的透镜，或者根本没有透镜。在一些实施例中，透镜可布置在如图2a和图2b所描绘的8f透镜组件中、布置在包括单组的第一透镜130和第二透镜132的4f透镜组件中、或布置在用于将激光射束112聚焦到激光射束焦弧113中的任何其他已知或仍待开发的透镜组件中。此外，应理解，一些实施例可以不包括成组的第一透镜130和第二透镜132，并且替代地，相变光学元件120可将激光射束112聚焦到激光射束焦弧113。
71.仍参考图2a和图2b，射束源110可以包括被配置为输出激光射束112(例如，脉冲激光射束或连续波激光射束)的任何已知的或仍待开发的射束源110。在一些实施例中，射束源110可以输出包括例如1064nm、1030nm、532nm、530nm、355nm、343nm或266nm或215nm的波长的激光射束112。此外，用于在透明工件160中形成缺陷172的激光射束112可以很好地适用于对所选择的脉冲激光波长透明的材料。
72.在一些实施例中，本文公开的方法可进一步包括将激光射束112引导到相变光学元件120上或穿过相变光学元件120，以改变激光射束112的相位，使得激光射束112沿着激光射束焦弧113的长度在线位移方向上变化。相变光学元件120的实施例包括折射相变光学元件(例如，图1c)和反射相变光学元件(例如，图2b)。此外，透明工件160可以被定位成使得由射束源110输出的激光射束112例如在冲击相变光学元件120之后并且此后冲击两组透镜之后照射透明工件160。如图2a和图2b所描绘，相变光学元件120定位在射束源110与透明工件160之间、具体地定位在射束源110与成组的第一透镜130和第二透镜132之间的射束路径111内，使得激光射束112在激光射束112被聚焦到激光射束焦弧113中并且被引导到透明工件160中之前冲击相变光学元件120。
73.在一些实施例中，如图2b所示，射束源110定位成使得射束路径111由相变光学元件120重定向，并且激光射束112在激光射束112冲击相变光学元件120时从相变光学元件120反射。在该实施例中，相变光学元件120可包括空间光调制器。在其他实施例中，如图2a所示，射束源110定位成使得射束路径111延伸穿过相变光学元件120，并且激光射束112在激光射束112冲击相变光学元件120时穿过相变光学元件120。在此实施例中，相变光学元件120可包括非球面光学元件、可变厚度光学元件等。
74.在操作中，由相变光学元件120施加到激光射束112的相变改变激光射束112以使得激光射束112在冲击和/或穿过相变光学元件120之后为准非衍射的、改变激光射束112以在后续形成的激光射束焦弧113中引起曲率、或这两者。该曲率可导致具有曲线的缺陷，使得在沿着轮廓170分离透明工件160之后，所得的分离的透明制品260包括具有曲线的非平面边缘262。曲线的一个示例是牛鼻曲线。此外，虽然图2a和图2b中描绘了单个相变光学元件120，但是其他实施例可包括多个相变光学元件120，例如，相变光学元件120被配置为将激光射束112变换为准非衍射射束，并且相变光学元件120被配置为在后续形成的激光射束
焦弧113中引起曲率。在实施例中，可存在多个相变光学元件120，其中相变光学元件120被配置为在激光射束112中引起曲率，并且相变光学元件120被配置为将弯曲的激光射束112变换为准非衍射射束。在实施例中，激光射束112可以是高斯射束或入射贝塞尔射束。在激光射束112是入射贝塞尔射束的实施例中，仅需要一个相变光学元件120以在激光射束112中引起曲率。在此类实施例中，相变光学元件120可以是如后续描述的非球面光学元件，并且不需要被配置为将激光射束112变换为准非衍射射束。
75.相变光学元件120可包括被配置为改变激光射束112的相位，使得激光射束112在沿着激光射束焦弧113的长度在线位移方向上变化，从而使得激光射束焦弧113具有曲率的任何光学部件。相变光学元件120可包括非球面光学元件、空间光调制器、自适应光学器件、相位掩模、可变厚度光学元件、相位滤光器、任何其他相变介质或其组合。
76.在一些实施例中，相变光学元件120包括非球面光学元件。非球面光学元件可包括至少一个非球面表面轮廓。在操作中，使激光射束112(例如，传入高斯射束)冲击相变光学元件120可以改变激光射束112，使得传播超过相变光学元件120的激光射束112的部分是准非衍射的，如上文描述的。非球面光学元件可以包括任何包括非球面形状的光学元件。在一些实施例中，非球面光学元件可以包括锥形波前产生光学元件，诸如轴棱锥透镜，例如，锥形轴棱锥透镜、负折射率轴棱锥透镜、正折射率轴棱锥透镜、反射轴棱锥透镜、衍射轴棱锥透镜等。
77.在一些实施例中，相变光学元件120包括具有可变厚度(即，两个或更多个局部厚度)的可变厚度光学元件。局部厚度是在光学元件的离散位置处的相对表面之间测量的厚度。由于在整个可变厚度光学元件上的离散点处变化的局部厚度，可变厚度光学元件可具有可变厚度。该可变厚度可通过纳米光刻实现在可变厚度光学元件上，这意味着可变厚度光学元件可具有在纳米尺度上变化的可变厚度，诸如小于100nm的变化。可变厚度光学元件的可变厚度可根据相位函数变化以改变激光射束112的相位，以根据先前描述的方法产生激光射束焦弧113，激光射束焦弧113跟随线位移函数x
p
(z)和y
p
(z)的轨迹。线位移函数x
p
(z)定义激光射束焦弧113沿着激光射束焦弧113的长度在x-方向上的变化，并且线位移函数y
p
(z)定义激光射束焦弧113沿着激光射束焦弧113的长度在y-方向上的变化。线位移函数x
p
(z)和y
p
(z)定义激光射束焦弧113的曲率，其中如果x
p
(z)和y
p
(z)中的至少一者是非零的，则激光射束焦弧113被认为是“弯曲的”或具有“曲率”。如果x
p
(z)和y
p
(z)两者都为零，则由激光射束形成的特征没有曲率，具有笔直的几何形状，与激光射束焦线相对应，并且不是激光射束焦弧。
78.此外，在一些实施例中，相变光学元件120可包括空间光调制器。空间光调制器是可以在至少一个维度上空间地调制激光射束112的幅度和/或相位的透射或反射设备。在一些实施例中，相变光学元件120可包括可变形镜。可变形镜是使用致动器阵列来弯曲其表面以操纵激光射束的相位的自适应光学器件。在一些实施例中，空间光调制器或可变形镜可耦接到调制控制器。调制控制器可向空间光调制器或可变形镜施加相位函数以基于该相位函数改变激光射束112的相位。在一些实施例中，调制控制器可以随时间向空间光调制器或可变形镜施加不同的相位函数，从而产生在激光射束焦弧113的长度上根据不同相位函数变化的激光射束焦弧113。可以设想，在一些实施例中，不需要附加的非球面光学元件(诸如轴棱锥)来改变激光射束112的相位，以根据先前描述的方法产生跟随线位移函数x
p
(z)和y
p
(z)的轨迹的激光射束焦弧113，并产生准非衍射射束。
79.在操作中，相变光学元件120基于相位函数改变激光射束112的相位。如前所述，相变光学元件120通过改变激光射束112的相位来施加曲率，使得激光射束112沿着激光射束焦弧113的长度在x-方向、y-方向或这两者上变化。当激光射束112冲击在相变光学元件120上时，相变光学元件120根据相位函数将该变化施加在激光射束112上。虽然不旨在受理论的限制，但是相位函数是相变光学元件120的形状、(在包括空间光调制器的实施例中)由相变光学元件120施加的特定调制等的产物。
80.如前所述，激光射束焦弧113在线位移方向上变化。线位移方向可根据线位移函数x
p
(z)在x-方向上变化，在x
p
(z)中，z-方向(在激光射束焦弧113的曲率开始于冲击表面162处或冲击表面162的下游处的实施例中)沿着不受影响的射束传播方向的长度延伸或(在激光射束焦弧113的曲率开始于冲击表面162的上游的实施例中)在激光射束焦弧113的切线方向上延伸，并且线位移方向可根据线位移函数y
p
(z)在y-方向上变化，在y
p
(z)中，z-方向(在激光射束焦弧113的曲率开始于冲击表面162处或冲击表面162的下游处的实施例中)沿着不受影响的射束传播方向的长度延伸或(在激光射束焦弧113的曲率开始于冲击表面162的上游的实施例中)在激光射束焦弧113的切线方向上延伸。因此，函数x
p
(z)和y
p
(z)用作起始点以确定相变光学元件120的相位函数，其中，对于每个点z，相变函数的中心跟随由x
p
(z)和y
p
(z)指定的轨迹。
81.在每个点z处平行于z-轴行进的贝塞尔射束可被分解为平面波的总和，每个平面波具有相对于z-轴的相同角度，从而在x-y平面上形成圆形。该圆形的半径的方程由下式给出：r＝γz
ꢀꢀꢀꢀ
(33)其中γ＝k sinθ
ꢀꢀꢀꢀ
(34)其中θ是激光射束的半锥角。随后，可将x-y平面视为同心圆的集合，每个同心圆是z的等曲线(isocurve)。为了形成弯曲的激光射束，射束必须不能在所有点处平行于z-轴。因此，每个单独的同心圆的半径和中心也必须通过激光射束相对于z-轴的曲率来修改。每个单独的同心圆的中心将位于与弯曲的激光射束的轨迹正切的线和z-轴的交点处。该切线将在弯曲轨迹上的点[x
p
(z),y
p
(z)]处开始并且具有斜率[x
pz
,y
pz
]，其中下标z表示关于z的偏导数。该切线与x-y平面(在z＝0处)的交点将位于：c＝(x
p-zx
pz
,y
p-zy
pz
)
ꢀꢀꢀꢀ
(35)
[0082]
给定等式(33)、(34)和(35)，每个单独的同心圆的等式可以表示为：其中x'和y'是x-y平面(在z＝0处)的空间坐标。等式(36)可用于在每个空间坐标x'和y'处求解z以找到z(x',y')，z(x',y')对应于x-y平面上的每个点之间的z-距离以及其所贡献的射束聚焦的部分。
[0083]
为了确定激光射束的每个点对激光射束焦弧的相位贡献，使用了近轴菲涅尔积分，如下式所示：
其中e(x,y,z)是电场、x'和y'是输入平面的横坐标、并且x,y,z是输出平面上的横坐标，其沿z的演变由函数x
p
(z)和y
p
(z)给出。如果e(x',y',0)如下所示地定义：e(x
′
,y
′
,0)＝a(x
′
,y
′
)e
ikφ(x
′
,y
′
)
ꢀꢀꢀꢀ
(38)则可以假设高斯幅度a，并且可以通过组合等式33和等式34并用x
p
和y
p
替代x和y来找到如下所示的相位函数：
[0084]
根据固定相位法，相位函数对e的主要贡献将是在导数φ
x
和φy等于0时。关于x和y对等式35进行微分，将结果设置为等于0，并且分别求解φ
x
和φy，得到如下所示的等式：，得到如下所示的等式：
[0085]
每个平面波对电场e(x,y,z)的总贡献可以表示为该平面波在x-y平面上的投影：其中点表示内积。最后，等式40可被积分并与等式36以及等式40和等式41组合，以得出在近轴近似中平面波的总贡献的表达式：
[0086]
对激光射束可具有的最大曲率存在自然限制。该限制是因为z(x',y')必须针对每个点x',y'唯一地定义(即，等式35中的各个同心圆必须不重叠)。这意味着z的梯度必须是有限的。对等式35进行微分提供了如下所示的自然限制：
[0087]
为了确定生成激光射束焦弧遵循由x
p
(z)和y
p
(z)定义的路径的激光射束所需的相位函数，对于输入平面x',y'上的每个点，z(x',y')被找到并代入等式43，等式43被代入等式39以确定相位函数。
[0088]
仍参考图2a和图2b，在每组透镜中，第一透镜130定位在第二透镜132的上游，并且可以在第一透镜130与第二透镜132之间的准直空间134内对激光射束112进行准直。此外，第二透镜132可以将激光射束112聚焦到透明工件160中，透明工件160可定位在成像平面104处。在一些实施例中，第一透镜130和第二透镜132各自包括平凸透镜。当第一透镜130和第二透镜132各自包括平凸透镜时，第一透镜130和第二透镜132的曲率可以各自朝向准直空间134取向。在其他实施例中，第一透镜130可包括其他准直透镜，并且第二透镜132可包
括弯月形透镜、非球面或其他更高阶校正聚焦透镜。
[0089]
再次参考图1a-2b，在操作中，激光射束112可以沿着轮廓线165相对于透明工件160(例如，在平移方向101上)平移，以形成轮廓170的多个缺陷172。具体地，该方法可包括沿轮廓线165在平移方向101上将透明工件160和激光射束112中的至少一者相对于彼此平移，从而在透明工件160中形成包括多个缺陷172的轮廓170。将激光射束112引导或定位到透明工件160中生成透明工件160内的诱导吸收，并且蓄积足够的能量以沿着轮廓线165在间隔开的位置处破坏透明工件160中的化学键以形成缺陷172。在一些实施例中，轮廓线165可包括弯曲轮廓线或闭合轮廓线。具体地，作为非限制性示例，弯曲轮廓线的形状可以是双曲线、抛物线、圆形、椭圆形、对数函数、指数函数、正弦函数、余弦函数、正切函数、螺旋形或其组合。闭合轮廓线的形状可以是圆形、卵形、椭圆形、多边形或任何类似的闭合形状。根据一个或多个实施例，可以通过透明工件160的运动(例如，耦接到透明工件160的平移台190的运动，如图2a和图2b所示)、激光射束112的运动(例如，激光射束焦弧113的运动)、或透明工件160和激光射束焦弧113两者的运动来使激光射束112横跨透明工件160平移。
[0090]
通过将激光射束焦弧113和透明工件160中的至少一者相对于彼此平移，可以在透明工件160中形成多个缺陷172，其中多个缺陷172中的每个缺陷172沿着每个缺陷的长度在线位移方向上变化。多个缺陷172中的每个缺陷172在线位移方向上变化。此外，平移方向101(例如，图1a和图1c中描绘的实施例中的y-方向)在至少一个平面(例如，图1a和图1c描绘的实施例中的y-z平面)中正交于射束传播方向，或者平行于冲击表面，并且与线位移方向不同。在一些实施例中，平移方向101可以正交于线位移方向(例如，当线位移方向在x-方向上时，如图1a和图1c中描绘的实施例中所示)。将线位移方向和平移方向101彼此不同地定向促进形成具有在线位移方向上变化的形状的缺陷172，从而促进形成弯曲的缺陷和具有非平面边缘262的分离的透明制品260。相反，如果线位移方向和平移方向101是相同的，则激光射束焦弧113将在与平移方向101相同的方向上变化，使得所形成的缺陷172也在平移方向101上变化。因此，在此场景中，当透明工件160通过沿着这些缺陷172的轮廓170传播裂纹而分离时，因为缺陷172的曲率将不会沿着所得边缘表面显现，所以所得的分离的透明制品260将包括平面边缘。在一个实施例中，缺陷是弯曲的，并且具有不与不受影响的射束传播方向对准的中心轴。相反，由激光射束焦线形成的缺陷不是弯曲的，并且具有与不受影响的射束传播方向对准的中心轴。
[0091]
在包括弯曲的轮廓线165的实施例中，例如，当激光射束焦弧113沿着弯曲轮廓线165平移时，可以结合平移方向101上的变化来改变激光射束焦弧113的线位移方向。通过结合平移方向101改变线位移方向，可以在所得的分离的透明制品260中形成一致的非平面边缘262。在相变光学元件120包括非球面光学元件、可变厚度光学元件等的实施例中，可通过围绕射束路径111旋转相变光学元件120来改变线位移方向。在相变光学元件120包括空间光调制器的实施例中，可通过(例如，使用调制控制器)改变由空间光调制器施加到激光射束112的相位函数来改变线位移方向。
[0092]
在一些实施例中，光学组件100可被配置成例如使用美国专利申请公开20180093941a1中描述的方法和系统来进一步改变激光射束112，使得在透明工件160的冲击表面处的激光射束112的横截面是非轴对称的，并且因此激光射束焦弧113的横截面是非轴对称的，所述美国专利申请公开通过引用以其整体并入本文。例如，由激光射束焦弧113
在透明工件160的冲击表面处形成的射束斑114可包括具有长轴和短轴的非轴对称射束斑，使得使用该激光射束焦弧113形成的缺陷172包括在长轴和短轴的交点处形成的中心缺陷区域以及在长轴的方向上形成的一个或多个径向臂以及由线位移函数x
p
(z)和y
p
(z)定义的曲率。这些缺陷172是使用具有非轴对称射束斑的激光射束焦弧113形成的，该非轴对称射束斑取向为使得射束斑114的长轴沿着轮廓线165延伸，从而形成具有沿着轮廓线165延伸的径向臂的缺陷172。通过控制激光射束焦弧113使得每个缺陷172的径向臂的方向沿着轮廓线165延伸，可以更好地控制裂纹传播。
[0093]
在相变光学元件120包括空间光调制器的实施例中，可通过由空间光调制器施加的相位修改来形成具有非轴对称的横截面的激光射束焦弧113。在相变光学元件120包括可变厚度光学元件的实施例中，可通过使用偏振光学器件将射束拆分成多个分量或使用其他方法来形成具有非轴对称的横截面的激光射束焦弧113。此外，如美国专利申请公开20180093941a1中所描述的，在相变光学元件120包括非球面光学元件的实施例中，可通过将非球面光学元件定位成在径向方向上从射束路径111偏移、阻挡激光射束112的部分或使用相位延迟板使激光射束的部分去相干(decohere)来形成具有非轴对称的横截面的激光射束焦弧113。
[0094]
在一些实施例中，缺陷172通常可以沿着轮廓170彼此间隔开约0.1μm到约500μm，例如，约1μm到约200μm、约2μm到约100μm、约5μm到约20μm等的距离。例如，对于tft/显示器玻璃组合物，缺陷172之间的合适间距可以为约0.1μm到约50μm，诸如约5μm到约15μm、约5μm到约12μm、约7μm到约15μm、或约7μm到约12μm。在一些实施例中，相邻缺陷172之间的间距可以是约50μm或更小、45μm或更小、40μm或更小、35μm或更小、30μm或更小、25μm或更小、20μm或更小、15μm或更小、10μm或更小等。此外，在激光射束焦弧113的横截面为非轴对称的实施例中，缺陷172之间的间隔可以增加。
[0095]
如图1a和图1c所示，轮廓170的多个缺陷172延伸到透明工件160中并且建立用于裂纹传播的路径，以用于沿着轮廓170将透明工件160分离成数个分离的部分。形成轮廓170包括沿着轮廓线165(例如，在平移方向101上)将激光射束112和透明工件160中的至少一者相对于彼此平移，以形成轮廓170的多个缺陷172，其中多个缺陷172中的每个缺陷172沿着每个缺陷的长度在线位移方向(即，x-方向、y-方向或这两者)上变化。根据一个或多个实施例，可以通过透明工件160的运动、激光射束112的运动(例如，激光射束焦弧113的运动)、或透明工件160和激光射束112两者的运动(例如，使用一个或多个平移台190(图2a和图2b))来使激光射束112横跨透明工件160平移。通过将激光射束焦弧113和透明工件160中的至少一者相对于彼此平移，可以在透明工件160中形成多个缺陷172，其中多个缺陷172中的每个缺陷沿着每个缺陷的长度在线位移方向上变化。
[0096]
用于形成缺陷172的合适的激光波长是指在该波长处透明工件160的线性吸收和散射的组合损失足够低的波长。在实施例中，透明工件160在该波长处的由于线性吸收和散射的组合损失小于20％/mm，或小于15％/mm，或小于10％/mm，或小于5％/mm，或小于1％/mm，其中尺寸“/mm”是指在激光射束112的射束传播方向(例如，z-方向)上透明工件160内的每毫米距离。许多玻璃工件的代表性波长包括nd
3+
的基波和谐波波长(例如，具有接近1064nm的基波波长和接近532nm、355nm和266nm的高阶谐波波长的nd
3+
:yag或nd
3+
:yvo4)。也可以使用光谱中的满足给定基板材料的组合的线性吸收和散射损失要求的紫外线、可见光
和红外线部分中的其他波长。
[0097]
在操作中，由射束源110输出的激光射束112可以在透明工件160中产生多光子吸收(mpa)。mpa是同时吸收两个或更多个相同或不同频率的光子，该同时吸收将分子从一种状态(通常是基态)激发到更高能量的电子态(即电离)。分子的所涉及的较低态与较高态之间的能量差等于所涉及的光子的能量和。mpa(也被称作诱导吸收)可以是例如比线性吸收弱数个数量级的二阶或三阶(或更高阶)过程。它与线性吸收的不同之处在于，例如，二阶诱导吸收的强度可以与光强度的平方成比例，因此它是非线性光学过程。
[0098]
创建轮廓170(图1a、图1b和图1c)的穿孔步骤可以利用射束源110(例如，诸如超短脉冲激光器之类的脉冲射束源)与相变光学元件120、第一透镜130和第二透镜132相结合来对透明工件160进行照射并生成激光射束焦弧113。激光射束焦弧113包括准非衍射射束，诸如高斯-贝塞尔射束或贝塞尔射束并沿其长度在线位移方向上变化，并且可以完全或部分地对透明工件160穿孔以在透明工件160中形成缺陷172，这可形成轮廓170。在其中激光射束112包括脉冲激光射束的实施例中，各个脉冲的脉冲持续时间在约1飞秒到约200皮秒的范围内，诸如约1皮秒到约100皮秒，5皮秒到约20皮秒等，并且各个脉冲的重复率可以在约1khz到4mhz的范围内，诸如在约10khz到约3mhz范围内，或约10khz到约650khz范围内。
[0099]
另外参考图3a和图3b，除了在上述各个脉冲重复率下的单脉冲操作之外，在包括脉冲激光射束的实施例中，脉冲还可以以两个子脉冲500a或更多个子脉冲的脉冲串500产生(诸如例如，每个脉冲串有3个子脉冲、4个子脉冲、5个子脉冲、10个子脉冲、15个子脉冲、20个子脉冲或更多个子脉冲，诸如每个脉冲串500有1至30个子脉冲，或每个脉冲串500有5至20个子脉冲)。虽然不旨在受理论的限制，但脉冲串是子脉冲的短而快的群组，该群组在使用单脉冲操作不容易获得的时间尺度上产生与材料的光能交互(即透明工件160的材料中的mpa)。虽然仍不旨在受理论的限制，但脉冲串(即一群组脉冲)内的能量是守恒的。作为说明性示例，对于具有100μj/串的能量和2个子脉冲的脉冲串，100μj/串的能量在2个脉冲之间分配，以产生针对每个子脉冲的50μj的平均能量，并且对于具有100μj/串的能量和10个子脉冲的脉冲串，100μj/串的能量在10个子脉冲之间分配，以产生针对每个子脉冲的10μj的平均能量。此外，脉冲串的子脉冲之间的能量分布不需要是均匀的。事实上，在一些实例中，脉冲串的子脉冲之间的能量分布按照指数衰减的形式，其中脉冲串的第一个子脉冲包含最多的能量，脉冲串的第二个子脉冲包含略少的能量，脉冲串的第三个子脉冲包含更少的能量，以此类推。然而，各个脉冲串内的其他能量分布也是可能的，其中每个子脉冲的确切能量可以被定制以实现对透明工件160的不同程度的改性。
[0100]
虽然仍不旨在受理论的限制，但当用具有至少两个子脉冲的脉冲串形成一个或多个轮廓170的缺陷172时，与在相同的透明工件160中使用单脉冲激光形成的、在相邻缺陷172之间具有相同间距的轮廓170的最大断裂阻力相比，沿着轮廓170分离透明工件160所需的力(即最大断裂阻力)降低。例如，使用单脉冲形成的轮廓170的最大断裂阻力是使用具有2个或更多个子脉冲的脉冲串形成的轮廓170的最大断裂阻力的至少两倍。此外，使用单脉冲形成的轮廓170与使用具有2个子脉冲的脉冲串形成的轮廓170之间的最大断裂阻力的差大于使用具有2个子脉冲的脉冲串与具有3个子脉冲的脉冲串形成的轮廓170之间的最大断裂阻力的差。因此，脉冲串可用于形成比使用单脉冲激光形成的轮廓170更容易分离的轮廓170。
[0101]
仍然参考图3a和图3b，脉冲串500内的子脉冲500a可以被持续时间分隔开，该持续时间在约1纳秒到约50纳秒的范围内，例如，约10纳秒到约30纳秒，诸如约20纳秒。在其他实施例中，脉冲串500内的子脉冲500a可以被持续时间分隔开，该持续时间高达100皮秒(例如，0.1皮秒、5皮秒、10皮秒、15皮秒、18皮秒、20皮秒、22皮秒、25皮秒、30皮秒、50皮秒、75皮秒或其间的任何范围)。对于给定的激光，脉冲串500内的相邻子脉冲500a之间的时间间隔t
p
(图3b)可以是相对均匀的(例如，在彼此的约10％内)。例如，在一些实施例中，脉冲串500内的每个子脉冲500a与后续子脉冲在时间上分开接近20纳秒(50mhz)。此外，每个脉冲串500之间的时间可以是约0.25微秒到约1000微秒，例如，约1微秒到约10微秒，或约3微秒到约8微秒。
[0102]
在本文所描述的射束源110的示例性实施例中的一些中，对于输出包括大约200khz的脉冲串重复率的激光射束112的射束源110，时间间隔tb(图3b)为大约5微秒。激光脉冲串重复率与脉冲串中的第一脉冲到后续脉冲串中的第一脉冲之间的时间tb有关(激光脉冲串重复率＝1/tb)。在一些实施例中，激光脉冲串重复率可以是在约1khz到约4mhz的范围内。在实施例中，激光脉冲串重复率可以例如在约10khz至650khz的范围内。每个脉冲串中的第一脉冲与后续脉冲串中的第一脉冲之间的时间tb可以是约0.25微秒(4mhz脉冲串重复率)到约1000微秒(1khz脉冲串重复率)，例如约0.5微秒(2mhz脉冲串重复率)到约40微秒(25khz脉冲串重复率)，或约2微秒(500khz脉冲串重复率)到约20微秒(50khz脉冲串重复率)。确切的时序、脉冲持续时间、以及串重复率可以取决于激光器设计而变化，但已经显示具有高强度的短脉冲(td《20皮秒，并且在一些实施例中，td≤15皮秒)工作得特别好。
[0103]
脉冲串重复率可以在约1khz到约2mhz的范围内，诸如约1khz到约200khz。猝发或产生脉冲串500是这种类型的激光操作，在其中子脉冲500a的发射并非呈均匀且稳定的流，而是呈紧凑的脉冲串500的簇。脉冲串激光射束可以具有基于被操作的透明工件160的材料而选择的波长，使得透明工件160的材料在该波长下基本上是透明的。在该材料处测量的每串的平均激光功率可以是每mm材料厚度至少约40μj。例如，在实施例中，每脉冲串的平均激光功率可以从约40μj/mm到约2500μj/mm，或约500μj/mm到约2250μj/mm。在具体示例中，对于0.5mm至0.7mm厚的康宁eagle 透明工件，约300μj到约600μj的脉冲串可以切割和/或分离工件，这对应于约428μj/mm到约1200μj/mm的示例性范围(即，对于0.7mm eagle 玻璃为300μj/0.7mm，对于0.5mm eagle 玻璃为600μj/0.5mm)。
[0104]
对透明工件160进行改性所需的能量是脉冲能量，其可以根据脉冲串能量(即，脉冲串500内包含的能量，其中每个脉冲串500包含一系列子脉冲500a)来描述，或根据单个激光脉冲(其中许多脉冲可以包括串)内包含的能量来描述。脉冲能量(例如，脉冲串能量)可以为约25μj到约750μj，例如，约50μj到约500μj，或约50μj到约250μj。对于一些玻璃组合物，脉冲能量(例如，脉冲串能量)可以为约100μj到约250μj。然而，对于显示器或tft玻璃组合物，脉冲能量(例如，脉冲串能量)可以更高(例如，约300μj到约500μj、或约400μj到约600μj，这取决于透明工件160的特定的玻璃组合物)。
[0105]
虽然不旨在受理论的限制，但使用包括能够生成脉冲串的脉冲激光射束的激光射束112对于切割透明材料或对透明材料改性是有利的，所述透明材料为例如玻璃(例如，透明工件160)。与使用在时间上由单脉冲激光的重复率间隔开的单脉冲相比，使用使脉冲能量在脉冲串内的快速脉冲序列内散布的串序列允许获得与使用单脉冲激光可能达到的水
平相比更大的与材料的高强度相互作用的时间尺度。使用脉冲串(与单脉冲操作相对)增大了缺陷172的尺寸(例如，横截面尺寸)，这在沿着一个或多个轮廓170分离透明工件160时促进相邻缺陷172的连接，从而最小化非预期的裂纹形成。此外，使用脉冲串形成缺陷172增加了从每个缺陷172向外延伸到透明工件160的体材料中的裂纹取向的随机性，使得从缺陷172向外延伸的各个裂纹不影响轮廓170的分离或以其他方式使轮廓170的分离偏离，从而使缺陷172的分离遵循轮廓170，最小化非预期裂纹的形成。
[0106]
再次参考图1a、图1c和图1d，在一些实施例中，可在后续的分离步骤中对透明工件160进行进一步作用，以沿着轮廓170诱导透明工件160的分离，以形成包括非平面边缘262的分离的透明制品260。后续的分离步骤可包括使用机械力或热应力引起的力来沿着轮廓170传播裂纹。诸如红外激光射束之类的热源可用于产生热应力，并且由此沿着轮廓170分离透明工件160。分离透明工件160可包括在轮廓170处引导红外激光射束以引起热应力，以沿着轮廓170传播裂纹。在一些实施例中，红外激光射束可用于发起分离，并且随后分离可以被机械地完成。不受限于理论，红外激光是受控的热源，其快速提高透明工件160在轮廓170处或轮廓170附近的温度。该快速加热可以在透明工件160中在轮廓170上或轮廓170附近构建压缩应力。由于加热的玻璃表面的面积与透明工件160的总表面积相比相对较小，因此加热区域相对快速地冷却。所形成的温度梯度在透明工件160中诱导足以沿着轮廓170并穿过透明工件160的深度传播裂纹的拉伸应力，从而导致透明工件160沿着轮廓170完全分离。不受限于理论，人们相信拉伸应力可以由工件的具有较高局部温度的部分中的玻璃的膨胀(即，变化的密度)引起。
[0107]
用于在玻璃中产生热应力的合适的红外激光典型地将具有容易被玻璃吸收的波长，典型地具有1.2μm到13μm范围内的波长，例如，4μm到12μm范围内的波长。此外，红外激光射束的功率可以从约10w到约1000w，例如100w、250w、500w、750w等。此外，红外激光射束的1/e2射束直径可以为约20mm或更小，例如，15mm、12mm、10mm、8mm、5mm、2mm或更小。在操作中，红外激光射束的较大的1/e2射束直径可以促进更快的激光加工和更大的功率，而红外激光射束的较小的1/e2射束直径可以通过限制对透明工件160的靠近轮廓170的部分的损伤来促进高精度分离。示例红外激光器包括二氧化碳激光器(“co2激光器”)、一氧化碳激光器(“co激光器”)、固态激光器、激光二极管、或其组合。
[0108]
在其他实施例中，取决于类型、深度和材料特性(例如，吸收、cte、应力、成分等)，透明工件160中存在的应力可能会引起沿轮廓170的自发分离，而无需进一步的加热或机械分离步骤。例如，当透明工件160包括强化玻璃基板(例如，离子交换或热回火玻璃基板)时，轮廓170的形成可能诱导裂纹沿轮廓170传播以分离透明工件160。示例
[0109]
现在参考图4-6，使用内部专有软件运行基于双曲线x
p
(z)函数的相位函数模拟。在该示例中，线位移函数x
p
(z)和y
p
(z)为：y
p
(z)＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(46)
[0110]
使用先前描述的方法，从x
p
(z)和y
p
(z)确定相位函数。相位函数在图4中以图形方
式描绘，其中在右侧以弧度为单位示出了相移尺度。
[0111]
图5以图形方式描绘了由在图4中以图形方式描绘的相位函数创建的模拟激光射束焦弧。图5所示的激光射束焦弧展示了x-z平面中的双曲线。
[0112]
还模拟了用图4中以图形方式描绘的相位函数创建的激光射束的光斑尺寸。该模拟在图6中在x-y平面中以图形方式描绘。尽管有一些像差，但激光射束具有在贝塞尔射束中典型的紧密核心区域。
[0113]
为了捕获根据等式45和等式46在线位移方向上变化的激光射束焦弧的图像，透明工件在脉冲激光射束下方通过，该脉冲激光射束具有1030nm的波长、20μj到1mj的脉冲能量、6khz的重复率、以及1皮秒到10皮秒的脉冲宽度。脉冲激光射束以图4中以图形方式描绘的相位函数被空间光调制器反射，然后通过总缩小为约20倍的四个透镜，以形成接触透明工件的激光射束焦弧。最后一个透镜(即，最下游的透镜)具有约0.4的数值孔径。为了验证激光射束焦弧的传播，在z-方向上扫描相机。在每个步骤处在z上拍摄图像，然后将图像拼接在一起以表示激光射束焦弧。所得图像在图7中示出。图7所示的激光射束焦弧根据等式45在x-方向上在线位移方向上变化。
[0114]
为了用根据等式45和等式46在线位移方向上变化的激光射束焦弧对玻璃样品进行穿孔和切割，在y-方向上扫描透明工件，其中相邻缺陷之间有8μm的节距。检查由激光射束的诱导吸收导致的缺陷。为了观察缺陷的轮廓，在与缺陷垂直的平面中切割透明工件并在显微镜下检查透明工件。图8是由用图4中以图形方式描绘的相位函数创建的在x-方向上变化的激光射束焦弧在透明工件中产生的缺陷的图像。图8所示的缺陷根据等式45在x-方向上在线位移方向上变化。
[0115]
将根据本文描述的实施例的弯曲的贝塞尔射束的光斑尺寸宽度和旁瓣强度与艾里(airy)射束的光斑尺寸宽度和旁瓣强度进行比较。弯曲的贝塞尔射束以及艾里射束两者都通过数值孔径为约0.40的透镜。弯曲的贝塞尔射束的光斑尺寸宽度为约2.7μm，并且艾里射束的光斑尺寸宽度为约7μm。因此，弯曲的贝塞尔射束的光斑尺寸宽度小于艾里射束的光斑尺寸宽度。旁瓣强度是激光射束焦弧的横截面的旁瓣区域的总强度的量度。弯曲的贝塞尔射束的旁瓣强度是最大强度的约0.32倍，并且艾里射束的旁瓣强度是最大强度的约0.52倍。因此，弯曲的贝塞尔射束的旁瓣强度小于艾里射束的旁瓣强度。这意味着与在艾里射束的激光射束焦弧的横截面的内部呈现的贝塞尔射束的强度相比，更大百分比的贝塞尔射束的强度呈现在贝塞尔射束的激光射束焦弧的横截面的内部。
[0116]
本描述的方面1为：一种用于加工透明工件的方法，该方法包括：将沿着射束路径定向并且在射束传播方向上传播的激光射束引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的激光射束的部分包括激光射束焦弧，并且在透明工件内生成诱导吸收，该诱导吸收在透明工件内产生缺陷，其中该激光射束焦弧包括：曲率；波长λ；光斑尺寸wo；以及瑞利范围zr，该瑞利范围zr大于其中fd是包括10或更大的值的无量纲发散
因子。
[0117]
本描述的方面2为：如方面1所述的方法，其中所述曲率由从不受影响的射束传播方向偏离的线位移方向定义，并且其中线位移方向根据线位移函数x
p
(z)在x-方向上变化，或者线位移方向根据线位移函数y
p
(z)在y-方向上变化；并且其中z-方向是不受影响的射束传播方向，并且x
p
(z)和y
p
(z)中的至少一者是非零的。
[0118]
本描述的方面3为：如方面2所述的方法，其中线位移函数x
p
(z)、线位移函数y
p
(z)或这两者包括双曲线、抛物线、圆形、椭圆形、对数函数、指数函数、以上各项的部分或以上各项的组合。
[0119]
本描述的方面4为：如方面2或方面3所述的方法，其中线位移函数x
p
(z)或线位移函数y
p
(z)为0。
[0120]
本描述的方面5为：如方面2-4中任一项所述的方法，其中缺陷具有不与不受影响的射束传播方向对准的中心轴。
[0121]
本描述的方面6为：如方面1-5中任一项所述的方法，其中曲率通过使激光射束冲击在相变光学元件上来产生。
[0122]
本描述的方面7为：如方面6所述的方法，其中相变光学元件包括空间光调制器。
[0123]
本描述的方面8为：如方面6所述的方法，其中相变光学元件包括非球面光学元件。
[0124]
本描述的方面9为：如方面8所述的方法，其中非球面光学元件包括折射轴棱锥、反射轴棱锥、负轴棱锥、衍射光学器件或立方形光学元件。
[0125]
本描述的方面10为：如方面6所述的方法，其中相变光学元件包括相位函数其中x
p
(z)和y
p
(z)是量化确定激光射束焦弧的曲率的线位移方向的线位移函数。
[0126]
本描述的方面11为：如方面6所述的方法，其中相变光学元件包括具有两个或更多个局部厚度的可变厚度光学元件。
[0127]
本描述的方面12为：如方面1-11中任一项所述的方法，进一步包括：沿着轮廓线将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移，从而在透明工件中形成包括多个缺陷的轮廓。
[0128]
本描述的方面13为：
如方面12所述的方法，进一步包括：沿着轮廓分离透明工件，以形成包括非平面边缘的分离的透明制品。
[0129]
本描述的方面14为：如方面13所述的方法，其中分离透明工件包括在轮廓处引导红外激光射束以引起热应力，以沿着轮廓传播裂纹。
[0130]
本描述的方面15为：如方面1-14中任一项所述的方法，其中激光射束包括脉冲激光射束。
[0131]
本描述的方面16为：如方面15所述的方法，其中脉冲激光射束由射束源输出，该射束源产生包括每个脉冲串有2个子脉冲或更多个子脉冲的脉冲串。
[0132]
本描述的方面17为：如方面1-16中任一项所述的方法，其中无量纲发散因子fd包括从约10到约2000的值。
[0133]
本描述的方面18为：如方面1-16中任一项所述的方法，其中无量纲发散因子fd包括从约50到约1500的值。
[0134]
本描述的方面19为：如方面1-16中任一项所述的方法，其中无量纲发散因子fd包括从约100到约1000的值。
[0135]
本描述的方面20为：如方面1-19中任一项所述的方法，其中相邻缺陷之间的间隔为约50μm或更小。
[0136]
本描述的方面21为：如方面1-19中任一项所述的方法，其中相邻缺陷之间的间隔为约25μm或更小。
[0137]
本描述的方面22为：如方面1-19中任一项所述的方法，其中相邻缺陷之间的间隔为约15μm或更小。
[0138]
本描述的方面23为：如方面1-22中任一项所述的方法，其中透明工件包括碱金属铝硅酸盐玻璃材料。
[0139]
本描述的方面24为：一种用于加工透明工件的方法，该方法包括：将沿着射束路径定向并且在射束传播方向上传播的激光射束引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的激光射束的部分包括激光射束焦弧，并且在透明工件内生成诱导吸收，该诱导吸收在透明工件内产生缺陷，其中该激光射束焦弧包括：曲率；波长λ；光斑尺寸wo；以及瑞利范围zr，该瑞利范围zr大于其中fd是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及沿着轮廓线在平移方向上将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移，
从而在透明工件中形成包括多个缺陷的轮廓。
[0140]
本描述的方面25为：如方面24所述的方法，其中轮廓线包括弯曲轮廓线。
[0141]
本描述的方面26为：如方面24或方面25所述的方法，其中轮廓线包括闭合轮廓线。
[0142]
本描述的方面27为：如方面24-26中任一项所述的方法，其中所述曲率由从不受影响的射束传播方向偏离的线位移方向定义，并且其中线位移方向根据线位移函数x
p
(z)在x-方向上变化，或者线位移方向根据线位移函数y
p
(z)在y-方向上变化；并且其中z-方向是不受影响的射束传播方向，并且x
p
(z)和y
p
(z)中的至少一者是非零的。
[0143]
本描述的方面28为：如方面24-27中任一项所述的方法，其中平移方向正交于线位移方向。
[0144]
本描述的方面29为：如方面24-28中任一项所述的方法，进一步包括使激光射束冲击在相变光学元件上以改变激光射束的相位，使得激光射束沿着激光射束焦弧的长度在x-方向、y-方向或这两者上变化。
[0145]
本描述的方面30为：如方面29所述的方法，其中相变光学元件包括空间光调制器。
[0146]
本描述的方面31为：如方面29所述的方法，其中相变光学元件包括相位函数其中x
p
(z)和y
p
(z)是量化确定激光射束焦弧的曲率的线位移方向的线位移函数。
[0147]
本描述的方面32为：如方面29所述的方法，其中相变光学元件包括具有两个或更多个局部厚度的可变厚度光学元件。
[0148]
本描述的方面33为：如方面24-32中任一项所述的方法，进一步包括：沿着轮廓分离透明工件，以形成包括非平面边缘的分离的透明制品。
[0149]
本描述的方面34为：一种用于加工透明工件的方法，该方法包括：将透明工件暴露于激光射束焦弧，该激光射束焦弧包括：波长λ；光斑尺寸wo；瑞利范围zr，该瑞利范围zr大于其中fd是包括10或更大的值的无量纲发散
因子。曲率；以及足以在透明工件中引起非线性光学吸收的强度。
[0150]
本描述的方面35为：如方面34所述的方法，其中曲率由相对于不受影响的射束传播方向z的线位移方向定义，该线位移方向根据线位移函数x
p
(z)在x-方向上变化并且根据线位移函数y
p
(z)在y-方向上变化，x-方向和y-方向各自正交于不受影响的射束传播方向，并且x
p
(z)和y
p
(z)中的至少一者是非零的。
[0151]
本描述的方面36为：如方面35所述的方法，其中不受影响的射束传播方向z以到透明工件的非法向入射角定向。
[0152]
本描述的方面37为：如方面35或方面36所述的方法，其中线位移函数x
p
(z)、线位移函数y
p
(z)或这两者包括双曲线、抛物线、圆形、椭圆形、对数函数、指数函数、以上各项的部分或以上各项的组合。
[0153]
本描述的方面38为：如方面35-37中任一项所述的方法，其中线位移函数x
p
(z)或线位移函数y
p
(z)为0。
[0154]
本描述的方面39为：如方面34-38中任一项所述的方法，其中激光射束焦弧通过使激光射束冲击在相变光学元件上来形成。
[0155]
本描述的方面40为：如方面39所述的方法，其中激光射束是高斯射束或贝塞尔射束。
[0156]
本描述的方面41为：如方面39或方面40所述的方法，其中激光射束包括脉冲激光射束。
[0157]
本描述的方面42为：如方面41所述的方法，其中脉冲激光射束包括每个脉冲串有2个或更多个子脉冲的脉冲串。
[0158]
本描述的方面43为：如方面39-42中任一项所述的方法，其中相变光学元件包括空间光调制器或自适应光学器件。
[0159]
本描述的方面44为：如方面39-42中任一项所述的方法，其中相变光学元件包括非球面光学元件。
[0160]
本描述的方面45为：如方面44所述的方法，其中非球面光学元件包括折射轴棱锥、反射轴棱锥、负轴棱锥、衍射光学器件或立方形光学元件。
[0161]
本描述的方面46为：如方面39-42中任一项所述的方法，其中相变光学元件包括具有两个或更多个局部厚度的可变厚度光学元件。
[0162]
本描述的方面47为：
如方面34-46中任一项所述的方法，进一步包括：沿着轮廓线将透明工件和激光射束焦弧中的至少一者相对于彼此平移，从而在透明工件中形成包括多个缺陷的轮廓，其中多个缺陷中的每个缺陷沿着所述缺陷中的每个缺陷的长度在x-方向、y-方向或这两者上变化。
[0163]
本描述的方面48为：如方面47所述的方法，进一步包括：沿着轮廓分离透明工件，以形成包括非平面边缘的分离的透明制品。
[0164]
本描述的方面49为：如方面48所述的方法，其中非平面边缘在透明工件的厚度方向上弯曲。
[0165]
本描述的方面50为：如方面48或方面49所述的方法，其中分离透明工件包括在轮廓处引导红外激光射束以引起热应力，以沿着轮廓传播裂纹。
[0166]
本描述的方面51为：如方面34-50中任一项所述的方法，其中无量纲发散因子fd包括从约10到约2000的值。
[0167]
本描述的方面52为：如方面34-50中任一项所述的方法，其中无量纲发散因子fd包括从约50到约1500的值。
[0168]
本描述的方面53为：如方面34-50中任一项所述的方法，其中无量纲发散因子fd包括从约100到约1000的值。
[0169]
本描述的方面54为：如方面34-53中任一项所述的方法，其中相邻缺陷之间的间隔为约25μm或更小。
[0170]
为了描述和限定本发明技术，注意本文中引用的作为参数或另一变量的“函数”的变量并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。而是，在本文中引用作为所列举的参数的“函数”的变量旨在是开放式的，使得该变量可以是单个参数或多个参数的函数。
[0171]
如本文中所使用，术语“约”是指量、尺寸、配方、参数、和其他数量和特性不是也不需要是精确的，但可以根据需要是近似的和/或更大或更小，从而反映出公差、转换因子、舍入、测量误差等和本领域技术人员已知的其他因素。当在描述值或范围的端点中使用术语“约”时，包括所指的特定值或端点。无论说明书中的数值或范围的端点是否记载了“约”，都描述了两个实施例：一个由“约”修饰，并且一个不由“约”修饰。还将理解的是，每一个范围的端点相对于另一个端点都是重要的，并且独立于另一个端点。
[0172]
如本文中所使用的方向性术语(例如，上、下、右、左、前、后、顶部、底部)仅参考如所绘制的附图作出，而不旨在隐含绝对取向。
[0173]
除非另外明确地指出，此处所阐述的任何方法决不会被解释为要求其步骤以特定的顺序执行，也不要求任何装置特定定向。因此，在方法权利要求实际上未叙述要遵循其步骤的顺序、或者任何装置权利要求实际上未叙述各个部件的顺序或定向、或者在权利要求或描述中没有以其他方式特别说明这些步骤将被限制于特定顺序、或者没有记载对装置的
组件的特定顺序或定向/取向的情况下，在任何方面，决不旨在推断顺序或定向/取向。这适用用于解译的任何可能的非明确的基础，包括：相对于步骤排列、操作流程、部件的顺序或部件的定向的逻辑事项；从语法组织或标点推出的普通含义；以及说明书中所描述的实施例的数量或类型。
[0174]
如本文中所使用的，单数形式“一/一个(a/an)”、和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文明确地另作规定。因此，例如，对“部件”的引用包括具有两个或多个这样的部件的方面，除非上下文明确地另作指示。
[0175]
对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离要求保护的主题的精神和范围的情况下对本文描述的实施例作出各种修改和变化。因此，旨在使说明书覆盖本文描述的各实施例的多种修改和变化，只要这些修改和变化落在所附权利要求书及其等效方案的范围内。

技术特征：
1.一种用于加工透明工件的方法，所述方法包括：将沿着射束路径定向并且在射束传播方向上传播的激光射束引导到所述透明工件中，使得被引导到所述透明工件中的所述激光射束的部分包括激光射束焦弧，并且在所述透明工件内生成诱导吸收，所述诱导吸收在所述透明工件内产生缺陷，其中所述激光射束焦弧包括：曲率(curvature)；波长λ；光斑尺寸w
o
；以及瑞利范围z
r
，所述瑞利范围z
r
大于其中f
d
是包括10或更大的值的无量纲发散因子。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所述曲率由从不受影响的射束传播方向偏离的线位移方向定义，并且其中所述线位移方向根据线位移函数x
p
(z)在x-方向上变化，或者所述线位移方向根据线位移函数y
p
(z)在y-方向上变化；并且其中z-方向是所述不受影响的射束传播方向，并且x
p
(z)和y
p
(z)中的至少一者是非零的。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述线位移函数x
p
(z)、所述线位移函数y
p
(z)或这两者包括双曲线、抛物线、圆形、椭圆形、对数函数、指数函数、以上各项的部分或以上各项的组合。4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其特征在于，所述线位移函数x
p
(z)或所述线位移函数y
p
(z)为0。5.如权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述缺陷具有不与所述不受影响的射束传播方向对准的中心轴。6.如权利要求2-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述不受影响的射束传播方向z以到所述透明工件的非法向入射角定向。7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述曲率通过使所述激光射束冲击在相变光学元件上来产生。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相变光学元件包括空间光调制器或自适应光学器件。9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相变光学元件包括非球面光学元件。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述非球面光学元件包括折射轴棱锥、反射轴棱锥、负轴棱锥、衍射光学器件或立方形光学元件。11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相变光学元件包括相位函数其中x
p
(z)和y
p
(z)是量化确定所述激光射束焦弧的所述曲率的线位移方向的线位移函数。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述相变光学元件包括具有两个或更多个局部厚度的可变厚度光学元件。13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，进一步包括：沿着轮廓线将所述透明工件和所述激光射束中的至少一者相对于彼此平移，从而在所述透明工件中形成包括多个所述缺陷的轮廓。14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述轮廓线包括弯曲轮廓线。15.如权利要求13或权利要求14所述的方法，其特征在于，所述轮廓线包括闭合轮廓线。16.如权利要求13-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述平移方向正交于所述线位移方向。17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个所述缺陷中的每个缺陷沿着所述缺陷中的每个缺陷的长度在所述x-方向、所述y-方向或这两者上变化。18.如权利要求13-17中任一项所述的方法，进一步包括：沿着所述轮廓分离所述透明工件，以形成包括非平面边缘的分离的透明制品。19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述非平面边缘在所述透明工件的厚度方向上弯曲。20.如权利要求18或权利要求19所述的方法，其中分离所述透明工件包括在所述轮廓处引导红外激光射束以引起热应力，以沿着所述轮廓传播裂纹。21.如权利要求1-20中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光射束包括脉冲激光射束。22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光射束由射束源输出，所述射束源产生包括每个脉冲串有2个子脉冲或更多个子脉冲的脉冲串。23.如权利要求1-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述无量纲发散因子f
d
包括从约50到约1500的值。24.如权利要求1-23中任一项所述的方法，其特征在于，相邻缺陷之间的间隔为约50μm或更小。25.如权利要求1-24中任一项所述的方法，其特征在于，所述透明工件包括碱金属铝硅酸盐玻璃材料。26.如权利要求1-25中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光射束是高斯射束或贝塞尔射束。

技术总结
本申请涉及一种加工透明工件(160)的方法，该方法包括：将沿着射束路径(111)定向的激光射束(112)引导到透明工件(160)中，使得被引导到透明工件(160)中的激光射束(112)的部分是激光射束焦弧(113)，并且在透明工件(160)内生成诱导吸收，该诱导吸收在透明工件(160)内产生缺陷(172)。该激光射束焦弧(113)具有波长λ、光斑尺寸w0、以及大于(I)的瑞利范围Z


技术研发人员：C
受保护的技术使用者：康宁股份有限公司
技术研发日：2020.06.17
技术公布日：2022/4/15