CN109803934A

CN109803934A - 用于激光处理的装置和方法

Info

Publication number: CN109803934A
Application number: CN201780060290.0A
Authority: CN
Inventors: H·席林格; D·施尼茨勒
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2019-05-24
Also published as: JP2019529112A; JP7090594B2; US10377658B2; EP3490945B1; KR20190035805A; EP3490945A1; US20180029919A1; WO2018022476A1

Abstract

可以通过一种方法对工件进行激光处理，该方法可以包括在工件中形成轮廓线、以及沿着轮廓线或在轮廓线附近将红外激光束引导到工件上以沿着轮廓线分离工件。轮廓线可以包括工件中的缺陷。红外激光束可以具有光束轮廓，使得来自红外激光束的累积能量的较大分布位于与轮廓线邻近的区域中而不是直接在轮廓线上。

Description

用于激光处理的装置和方法

本申请根据35 U.S.C.§119要求于2016年7月29日提交的美国临时申请序列第62/368,571号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。

背景技术

领域

本说明书总体上涉及用于激光处理工件的装置和方法。

技术背景

材料的激光处理领域包括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。

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。

发明内容

根据一个实施例，可以通过一种方法对工件进行激光处理，该方法可以包括在工件中形成轮廓线、以及沿着轮廓线或在轮廓线附近将红外激光束引导到工件上以沿着轮廓线分离工件。轮廓线可包括工件中的缺陷。在一些实施例中，工件可以是透明工件。红外激光束可以具有光束轮廓，使得来自红外激光束的累积能量的较大分布位于与轮廓线邻近的区域中而不是直接在轮廓线上。在一些实施例中，红外激光束可具有环形光束轮廓。

在另一个实施例中，可以通过以下方法对透明工件进行激光处理，该方法可以包括：将脉冲激光束聚焦到被引导到透明工件中的脉冲激光束焦线中；将透明工件和脉冲激光束焦线相对于彼此平移，从而激光沿着轮廓线在透明工件内形成多个线缺陷；以及沿着轮廓线或在轮廓线附近将红外激光束引导到透明工件上，以便沿着轮廓线分离透明工件。脉冲激光束焦线可在透明工件内产生线缺陷。相邻线缺陷之间的间距可以为5微米至15微米。红外激光束可以具有光束轮廓，使得来自红外激光束的累积能量的较大分布位于轮廓线两侧的与轮廓线邻近的区域中，而不是直接在轮廓线上。

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。

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。包括了附图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。

附图简述

图1示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的穿过形成在透明工件中的轮廓线的环形红外激光束斑点；

图2图形地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的环形红外激光束的实施例的横截面功率分布；

图3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形成环形红外激光束轮廓的光学组件；

图4A图形地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的作为常规高斯红外激光束激光轮廓的合适功率的函数的红外激光束的光束直径；

图4B图形地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的作为环形红外激光束轮廓的合适功率的函数的红外激光束的光束直径；

图5描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的分离的透明工件的分离点处的一侧的图像，并且示出了通过利用高斯红外激光束的传统激光处理在轮廓线处进行的过度加热引起的裂缝。

图6示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的线缺陷的轮廓线的形成；

图7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脉冲激光束焦线的定位；

图8A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的一个实施例的用于脉冲激光处理的光学组件；

图8B-1示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的与透明工件相关的脉冲激光焦线的第一实施例；

图8B-2示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的与透明工件相关的脉冲激光焦线的第二实施例；

图8B-3示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的与透明工件相关的脉冲激光焦线的第三实施例；

图8B-4示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的与透明工件相关的脉冲激光焦线的第四实施例；

图9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脉冲激光处理的光学组件的另一个实施例；

图10A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脉冲激光处理的光学组件的另一个实施例；

图10B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的图10A的脉冲激光在透明工件处的详细视图；

图11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脉冲激光处理的光学组件的另一个实施例；

图12A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的未聚焦脉冲激光束的强度方案；

图12B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的利用球面透镜的会聚脉冲激光束的强度方案；

图12C示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的利用轴棱镜或衍射菲涅耳透镜的会聚脉冲激光束的强度方案；

图13A图形地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相对于时间的相对强度，其中每个示例性脉冲串具有7个脉冲；以及

图13B图形地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相对于时间的相对强度，其中每个示例性脉冲串包含9个脉冲。

具体实施方式

现在将详细参考用于激光处理透明工件(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，将在所有附图中使用相同的附图标号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，可以对透明工件进行激光处理以将透明工件分离成两个或更多个部分。通常，该过程至少包括：形成包括透明工件中的缺陷的轮廓线的第一步骤；以及通过使透明工件在轮廓线处或轮廓线附近经受红外激光束来沿着轮廓线分离透明工件的第二步骤。根据一个实施例，可以利用脉冲激光束在透明工件中产生一系列线缺陷，从而限定轮廓线。这些线缺陷在本文中可称为透明工件中的穿孔或纳米穿孔。然后可以利用红外激光加热透明工件的与轮廓线邻近的区域，以在轮廓线处分离透明工件。沿着轮廓线的分离可以是由透明工件中的机械应力引起的，该机械应力是由来自红外激光束的加热引起的透明工件在其不同部分处的温度差异引起的。这里将具体参考附图描述用于分离透明工件的方法和装置的各种实施例。

本文所用的短语“透明工件”是指由玻璃或玻璃-陶瓷形成的透明的工件，其中本文所用的术语“透明”表示该材料在400nm-700nm范围的波长上表现出大于40％的平均透射率。在一些实施例中，工件可以在400nm-700nm范围的波长上表现出大于40％的平均透射率。根据一些实施例，工件的至少一部分，诸如分离的部分，具有小于约5×10^-6/K的热膨胀系数，诸如小于约4×10^-6/K、或小于约3.5×10^-6/K。例如，工件可具有约3.2×10^-6/K的热膨胀系数。透明工件可以具有约50微米至约10毫米(诸如约100微米至约5毫米、或约0.5mm至约3mm)的厚度。

文本使用的短语“轮廓线”表示工件表面上预期分离的线(例如，线、曲线等)，在暴露于适当的处理条件时，透明工件将沿着该线被分成多个部分。轮廓线通常由使用各种技术引入透明工件中的一个或多个缺陷组成。如本文所用，“缺陷”可包括透明工件中的改性材料区域(相对于体材料)、空隙空间、划痕、瑕疵、孔或其他变形，其能够通过额外的热处理进行分离，诸如通过红外激光处理。

通过首先在工件的表面上形成轮廓线，然后在轮廓线上加热工件的表面以在工件中生成热应力，从而可以将透明工件(诸如玻璃基板等)分离成多个部分。应力最终导致工件沿轮廓线自发分离。加热工件的表面可以例如使用红外激光来进行。具体地，用于沿着轮廓线引起分离的传统的红外激光处理利用引导入射在轮廓线上的红外激光束，该红外激光束具有直接在限定轮廓线的缺陷上产生最大热强度的轮廓。例如，可以常规地使用高斯光束轮廓并且直接居中在轮廓线上。在这种传统过程中，激光能量的最大强度以及热量位于轮廓线处。然而，已经发现利用在轮廓线上具有峰值强度的红外激光束(其具有足够的能量来引起分离)可能对分离的透明工件的边缘造成损坏，轮廓线在分离之前存在于该边缘处。例如，对于需要相对高功率的红外激光进行分离的一些玻璃组合物，热裂缝可以在大致垂直于分离的透明工件的边缘的方向上从分离的边缘传播(即，通常垂直于由轮廓线表示的预期分离线)，该热裂缝削弱了分离的透明工件的边缘。

此外，在加热轮廓线之后的自发分离与透明工件的材料的热膨胀系数(CTE)有关，具有相对高的CTE的材料比具有相对低的CTE的材料更容易在加热时自发分离。在透明工件由具有相对低CTE的材料形成的情况下，可以通过增加施加于透明工件的热能来促进沿轮廓线的自发分离。然而，在某些条件下(例如，当材料的CTE极低时)，通过常规手段可能无法在不损坏(例如，熔化)工件的情况下增加施加于透明工件的热能，从而使得工件不可行。

例如，在传统红外激光处理的一些实施例中，如果光斑尺寸太小(例如，小于1mm)，或者CO₂激光功率太高(例如，大于400W)，则透明工件可能在轮廓线上过加热，从而在透明工件中产生烧蚀、熔化和/或热产生的裂缝，这是不希望的，因为它们会降低分离部件的边缘强度。在高斯光束轮廓的常规处理下，这些参数可能是不可避免的，特别是在诸如具有相对低的CTE(例如，小于约4×10^-6/K)的玻璃之类的透明基板上，这些高强度激光参数可能是必要的，以便在使用高斯激光轮廓时通过沿轮廓线的裂缝传播引起透明工件的分离。因此，通过常规手段，分离低CTE玻璃工件而不引起不希望的影响(诸如烧蚀、熔化和/或热产生的裂缝)可能具有挑战性或甚至不可避免。

通过利用以下红外激光束轮廓可以克服上述传统红外激光处理的缺陷，该红外激光束轮廓具有位于与轮廓线邻近的区域中而不是直接在轮廓线上的来自红外激光束的累积能量的更大分布。也就是说，红外激光束可以将更多的能量传递到与轮廓线邻近的区域上而不是直接传递到轮廓线上。如本文所用，“累积能量”是指当激光束相对于工件平移时由红外激光束转移到工件的特定区域上的所有能量。例如，在一个实施例中，红外激光分离可以利用环形激光束轮廓。环形激光束可以在轮廓线上居中，但是将更大量的能量投射到与轮廓线邻近的区域上而不是直接投射到轮廓线上。利用这种光束轮廓，可以向透明工件施加更大的总热量，而不会由于轮廓线处的过热而导致热裂缝和/或熔化。

作为示例，现在参考图1，透明工件130(诸如玻璃工件或玻璃陶瓷工件)示意性地描绘为经受根据本文描述的方法的分离。最初，在透明工件130的表面中形成轮廓线110，以描绘预期分离线，透明工件将围绕该预期分离线被分离成两个或更多个部分。轮廓线110可以通过透明工件130中的一系列缺陷来勾画轮廓。虽然在图1中描绘了轮廓线110基本上是线性的，但应该理解，可以设想其他配置并且其他配置是可能的，包括但不限于曲线、图案、规则几何形状、不规则形状等。如本文所述，轮廓线110包括可以进一步作用以引起透明工件130沿轮廓线110自发分离的缺陷。根据实施例，轮廓线110的缺陷可以通过多种方法形成，包括激光处理、机械处理或其组合。例如，轮廓线110可以通过激光划线或机械刻划形成。在一个实施例中，碳化硅轮或划线工具或金刚石尖端划线工具可用于形成轮廓线110和其中包含的缺陷。在另一个实施例中，可以利用激光处理技术在透明工件130中形成轮廓线110的缺陷。例如，在实施例中，可以使用如2015年12月17日公布的美国专利申请公开第2015/0360991号(其通过引用整体并入本文)所公开的用于形成“穿孔(perforated)”轮廓线的方法和装置来在透明工件130中形成轮廓线110。

根据美国专利申请公开第2015/0360991号中描述的方法，轮廓线110可以包括线形缺陷，本文称为“线缺陷”，其延伸到工件130的表面中并描绘出分离的工件的所需形状并建立用于裂缝传播并因此沿着轮廓线110将形状工件分离成单独部分的路径。为了形成轮廓线110，待处理的透明工件130可以用超短脉冲(即，具有小于100psec的脉冲宽度)激光束在1064nm或1064nm以下的波长下照射，该激光束被会聚成穿透透明工件130的厚度的至少一部分的高纵横比的线焦点。在该高能量密度体积内，透明工件130沿着轮廓线110的材料通过非线性效应(例如，通过双光子吸收)被改性，从而特别是在透明工件130的材料中产生缺陷。通过在期望的线或路径上扫描激光，可以形成限定轮廓线110的窄线缺陷(例如，几微米宽)。该轮廓线110可以限定在随后的加热步骤中将与透明工件130分离的周边或形状。

仍然参考图1，在透明工件130中形成轮廓线110之后，可以利用诸如红外激光束之类的热源沿着轮廓线110分离透明工件130。根据实施例，热源可用于产生热应力，从而在轮廓线110处分离透明工件130。在实施例中，红外激光可用于发起自发分离，然后可以机械地完成分离。

红外激光束，诸如由二氧化碳激光器(“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产生的激光束，是一种受控的热源，其在轮廓线110处或附近迅速提高透明工件130的温度。该快速加热可在透明工件130中在轮廓线110上或附近构建压缩应力。由于加热的玻璃表面的面积与透明工件130的总表面积相比相对较小，因此加热区域相对快速地冷却。所得到的温度梯度在透明工件130中引起足以沿着轮廓线110并穿透透明工件130的厚度传播裂缝的拉伸应力，导致透明工件130沿轮廓线110完全分离。不受理论束缚，据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膨胀(即，变化的密度)引起。

仍然参考图1，在本文描述的实施例中，红外激光束(具有投射到透明工件130上的束斑210)可以被引导到透明工件130上并且沿着轮廓线110在处理方向212上相对于透明工件130平移。应当理解，“束斑210”可以在某些情况下被互换地称为“红外激光束21”，参考图1，因为所描绘的束斑210是工件130的由红外激光束接触的区域。轮廓线110的分离部分142通过以下方式形成：用红外激光束加热轮廓线110(例如，通过穿过束斑210)，从而导致裂缝沿轮廓线110传播并穿过其厚度，从而导致自发分离发生。当束斑210在处理方向212上移动时，轮廓线110的分离部分142跟踪束斑210。根据一个或多个实施例，红外激光束可以通过透明工件130的运动、红外激光束的运动(即，束斑210的运动)或者透明工件130和红外激光束两者的运动来在透明工件130上平移。通过相对于透明工件130平移红外激光束斑点210，透明工件130可以沿着包含缺陷的轮廓线110被分离。

根据本文描述的实施例，红外激光束斑点210可以被投射在轮廓线110处或附近，并且将更大量的能量传递到透明工件130的与轮廓线110的两侧邻近的区域上而不是直接传递到轮廓线110上。与轮廓线110“邻近”的区域包括透明工件130的在轮廓线110两侧的任何区域(即，不包括缺陷线的任何区域)。在轮廓线110的两侧加热透明工件130产生热应力，以促进透明工件130沿轮廓线110的自发分离。然而，尽管施加于透明工件130以促进沿轮廓线110的自发分离的总的能量的量可以与红外激光束210以最大强度直接聚焦在轮廓线110上(例如，高斯光束轮廓)的相同，但在轮廓线110的两侧加热透明工件而不是直接在轮廓线110上以最大强度加热透明工件将热能的总量扩展到更大的区域，从而减轻由于过热而在轮廓线110侧面形成的裂缝，并且还减少或甚至减轻透明工件130的与轮廓线110邻近或在轮廓线110处的材料的熔化。实际上，在轮廓线110的两侧以最大强度加热透明工件130而不是直接在轮廓线110上以最大强度加热透明工件130实际上可以允许更大量的总热能被引入透明工件130中，而不会形成不希望的横向裂缝和/或熔化，从而能够激光分离由具有相对低CTE的材料形成的透明工件130。

在一些实施例中，用于促进自发分离的红外激光束210可包括环形光束轮廓，诸如图1中所描绘的圆形对称环形光束轮廓，以便将更大量的能量传递到与轮廓线110邻近的区域上而不是直接传递到轮廓线110上。图2图形地描绘了作为光束直径的函数的环形光束的能量分布。如本文所用，环形光束轮廓是指任何通常具有远离光束中心的最大强度并且在其中心处具有相对于最大强度的强度低谷的激光束轮廓。低谷可以包括在光束的中心处完全缺乏能量，诸如图2的示例光束轮廓中所示(即光束的强度在其中心处为0)。例如，在实施例中，具有环形光束轮廓的激光束的束斑具有内径216和外径214，如图1和图2所描绘。内径216限定束斑的中心区域，其强度通常低于内径216和外径214之间的区域。

虽然这里已经参考了使用相对于轮廓线110圆形对称的环形光束210以便于在轮廓线110的两侧加热透明工件130，但是应该理解光束的其他配置也可以设想并且是可能的，只要光束具有最大强度与光束中心不同心的轮廓。例如，环形光束轮廓可以是椭圆形。

如图1中所描绘，红外激光束210可以在轮廓线110上居中，使得等量的热能被投射到轮廓线110的每一侧上。在这样的实施例中，红外激光束210将更多的热能传递到轮廓线110两侧的邻近区域上而不是直接传递到轮廓线110上。应该理解的是，图1的红外激光束210本质上是示意性的，并且是环形光束轮廓的一种表示，诸如图2中所描绘的环形光束轮廓。

如本文所描述，具有环形轮廓的红外激光束210可包括内径216和外径214。根据实施例，内径216被定义为距离光束中心的距离的两倍(即，半径的2倍)，其中86％的光束能量在该距离之外。类似地，外径214被定义为距离光束中心的距离的两倍(即，半径的2倍)，其中86％的光束能量在该距离内。这样，一些光束能量存在于内径216和外径214之间的区域之外。根据实施例，外径214可以为约0.5mm至约20mm，诸如约1mm至约10mm、约2mm至约8mm、或约3mm至约6mm。内径216可以为约0.01mm至约10mm、约0.1mm至约10mm、或约0.7mm至约3mm。例如，内径216可以是外径214的约5％至约95％，诸如外径214的约10％至约50％、约20％至约45％、或约30％至约40％。根据一些实施例，来自红外激光束210的最大功率(以及透明工件130中的最大温度)可以与轮廓线110相距约等于内径216的约一半的距离。

根据一个实施例，可以利用图3中所描绘的光学组件产生环形光束轮廓。来自例如CO₂激光器330等的入射高斯光束302可以被引导通过轴锥透镜310，并且此后被引导通过第一平凸透镜312和第二平凸透镜314。根据一个或多个实施例，高斯光束302可以具有从约8mm到约10mm的直径(根据其1/e²直径)，并且轴锥透镜310可以具有具有约1.2°角度的锥形表面，诸如约0.5°至约5°，或约1°至约1.5°，或甚至约0.5°至约5°(相对于光束进入轴锥镜的平坦表面测量的角度)。轴锥透镜310将输入的高斯光束302整形为贝塞尔光束，该贝塞尔光束又被引导通过第一平凸透镜312和第二平凸透镜314。第一平凸透镜312和第二平凸透镜314准直贝塞尔光束并调整贝塞尔光束的环形光斑的(多个)直径。在实施例中，第一平凸透镜312可具有约50mm至约200mm(诸如约50mm至约150mm，或约75mm至约100mm)的焦距，并且第二平凸透镜314可以具有小于第一平凸透镜的焦距的焦距，诸如约25mm至约50mm。所得到的环形红外激光束316沿着轮廓线110投射到透明工件130上。

虽然图3示意性地描绘了用于产生环形激光束的一个光学组件，但应该理解的是，用于产生环形激光束的其他光学组件是可以预期并且可能的，因此，本文描述的分离过程不限于图3所描绘的光学组件。

利用将其最大功率投射远离轮廓线110的红外激光束的分离过程可以允许更多的总功率被施加于透明工件而不会因过度局部的加热对分离的表面和/或边缘造成损坏。额外的功率可以在透明工件内引起更多的热应力，这可以使低CTE材料、更厚的工件和/或工件堆叠分离而不损坏工件。

本文描述的实施例还可以在分离透明工件时实现更快的处理速度。例如，红外激光束和透明工件可以以至少约1mm/s、至少约5mm/s、至少约10mm/s、至少约100mm/s、至少约1m/s、至少约2mm/s、至少约5m/s、或者甚至至少约10m/s(例如从约1mm/s至约10m/s、或约10mm/s至约2m/s)的速度相对于彼此平移。通常，更快的处理速度需要更大量的激光功率来实现热应力以促进自发分离。如上所述，在传统分离技术中，更大的激光功率会损坏透明工件。然而，在本文所描述的实施例中，能量浓度远离轮廓线分布，从而能避免过热，这可以减少或消除透明工件中的不希望的损坏。

在实施例中，通过如本文所描述的红外激光束处理分离透明工件的过程可允许对给定的处理速度使用更大的功率窗口。例如，图4A的数据表示利用以200mm/s的速度投射到透明工件上的高斯红外激光束的传统分离技术，其中光束直径(即，1/e²直径)被图形地描绘为足够用于分离的光束功率的函数。图4B表示如本文所描述的环形红外激光束以200mm/s的速度投射到透明工件上，其中外光束直径被图形地描绘为合适的光束功率的函数。如图4A和图4B中可见，适合于分离透明工件的红外光束功率范围(即，引起自发分离而不会对透明工件造成损坏，诸如图5中所描绘的横向裂缝)利用环形光束而不是传统工艺的高斯光束而更宽。因此，对于给定的处理速度，使用环形光束轮廓可以更广泛地改变红外激光束的功率，从而允许处理的更大灵活性。根据实施例，红外激光束可具有约20W至约1000W的功率，诸如约50W至约300W，或约75W至约200W，以及如图4B所描绘的相对于外径的功率的子范围。

现在参考图1和图3，用于分离透明工件130的一个实施例包括在玻璃工件130的表面上形成轮廓线110的初始步骤。轮廓线110限定了预期的分离线，并且通常包括缺陷，当进一步诸如通过加热等操作时，该缺陷导致透明工件130沿轮廓线110自发分离。在形成轮廓线110之后的第二步骤中，来自红外激光器的环形激光束210沿着轮廓线被引导到玻璃工件130的表面上。在实施例中，环形激光束210可以通过以下步骤来形成：如图3所描绘那样将例如CO₂激光器的初始高斯形光束引导通过轴锥透镜310、第一平凸透镜312和第二平凸透镜314以便于将高斯形光束整形成贝塞尔光束，该贝塞尔光束具有如图1所描绘的带有环形轮廓的束斑以及如图2所描绘的环形能量分布。在图1中描绘的分离过程的实施例中，所得到的环形激光束210具有通常为圆形对称的轮廓(即，环形或环)。

环形激光束210定位在透明工件130的表面上，使得轮廓线110总体上将环形激光束210一分为二。也就是说，环形激光束210定位在透明工件130的表面上，使得轮廓线110沿着环形激光束210的直径。然后，通过相对于工件130移动环形激光束210，相对于环形激光束210移动工件130，或者相对于彼此移动环形激光束210和工件130，来使环形激光束210在轮廓线110上穿过。

如上所述，环形激光束210沿着轮廓线110向透明工件130施加热能。在本文所描述的实施例中，施加于透明工件130的最大量的热能不直接在轮廓线110上，而是在透明工件130的横向偏移并与轮廓线110间隔开的区域中，这减轻了对透明工件130的意外损坏，诸如熔化和/或横向开裂。当环形激光束210穿过轮廓线110时，环形激光束210加热透明工件130的材料，从而引起材料的膨胀。这导致在加热区域中产生压缩应力，同时沿着轮廓线110在环形激光束210之前和之后产生拉伸应力。这些应力导致轮廓线110，并且更具体地，导致轮廓线110的缺陷自发地穿过透明工件130的厚度并沿着轮廓线110传播，从而导致透明工件130沿着轮廓线110自发分离。

根据一个或多个实施例，本公开提供了用于精确切割和/或分离透明工件的方法，诸如例如由碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物、蓝宝石、熔融石英、或其组合形成的玻璃工件。这种透明工件可用作显示器和/或TFT(薄膜晶体管)基板。适合于显示器或TFT使用的这种玻璃或玻璃组合物的一些示例是可从纽约州康宁市的康宁公司获得的EAGLECONTEGO和CORNING LOTUS^TM。可以将碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物配制成适合用作用于电子应用的基板，包括但不限于用于TFT的基板。与TFT结合使用的玻璃组合物通常具有与硅相似的热膨胀系数(CTE)(诸如小于5×10^-6/K，或甚至小于4×10^-6/K，例如，约3×10^-6/K，或约2.5×10^-6/K至约3.5×10^-6/K)，并且在玻璃内具有低水平的碱。低水平的碱(例如，约0重量％至2重量％的痕量，诸如小于1重量％，例如，小于0.5重量％)可用于TFT应用中，因为在某些条件下，碱性掺杂剂从玻璃中浸出并污染或“毒化”TFT，从而可能使TFT无法工作。根据实施例，本文所描述的激光切割过程可用于以受控方式分离透明工件，其具有可忽略的碎屑、最小缺陷和对边缘的低亚表面损伤，从而保持工件完整性和强度。

如上所述，根据一些实施例，轮廓线可包括由透明工件与脉冲激光束的相互作用产生的线缺陷(在本文中有时称为穿孔)，如美国公开第2015/0360991号中所描述。利用脉冲激光在透明工件中形成缺陷的这种方法可以很好地适用于对所选择的脉冲激光波长透明的材料。该脉冲激光波长可以是例如1064nm、532nm、355nm或266nm。例如，通过使用厚度范围为0.025mm至0.7mm的EAGLE组合物，已经进行了用于形成缺陷的轮廓线的方法的证明。

脉冲激光束可以在基本上透明的材料(诸如玻璃工件)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，其将分子从一种状态(通常是基态)激发到更高能量的电子态(即电离)。涉及的分子的低态与高态之间的能量差等于所涉及的光子的能量和。MPA，还称作诱导吸收，可以为二阶过程、三阶(或更高阶)过程，例如，比线性吸收弱了数个数量级。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。

产生轮廓线的穿孔步骤可以与光学器件组合地利用超短脉冲激光器，该光学器件产生焦线以完全穿透由例如各种玻璃组合物形成的透明工件。在一些实施例中，各个脉冲的脉冲持续时间在约1皮秒至约100皮秒的范围内，诸如约5皮秒至约20皮秒，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、或约10kHz到约650kHz的范围内。

除了在上述各个脉冲重复率下的单脉冲操作之外，脉冲可以以两个脉冲或更多个脉冲的脉冲串产生(诸如，例如，3个脉冲、4个脉冲、5个脉冲、10个脉冲、15个脉冲、20个脉冲、或者每脉冲串更多个脉冲，诸如每脉冲串1到30个脉冲，或者每脉冲串5到20个脉冲)。脉冲串内的脉冲可以被持续时间分隔开，该持续时间在约1纳秒至约50纳秒的范围内，例如，约10纳秒至约30纳秒，诸如约20纳秒。脉冲串重复频率可以在约1kHz至约2MHz的范围内，诸如约1kHz至约200kHz。爆发或产生脉冲串是激光操作的类型，其中脉冲发射并非呈均匀且稳定的流，而是呈紧凑的脉冲簇。脉冲串激光束可以具有基于被操作的透明工件的材料选择的波长，使得透明工件的材料在该波长下基本上是透明的。在材料处测量的每个脉冲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，每个脉冲串的平均激光功率可以从约40μJ/mm至约2500μJ/mm，或约500μJ/mm至约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至约600μJ的脉冲串可以切割和/或分离工件，这对应于约428μJ/mm至约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)。

透明工件可以相对于脉冲激光束平移(或者脉冲激光束可以相对于玻璃平移)以产生轮廓线，该轮廓线利用缺陷描绘出所期望部件的形状。脉冲激光可以产生孔状缺陷区域，本文称为线缺陷，其可以穿透玻璃的整个深度。应当理解，虽然有时被描述为“孔”或“孔状”，但是本文公开的缺陷通常可以不是空隙空间，而是工件的已经通过如本文所述的激光处理进行了改性的部分。在显示器或TFT型玻璃中，这些线缺陷通常可以彼此间隔开约5微米至约20微米的距离。例如，线缺陷之间的合适间距可为约1微米至约30微米(诸如对于TFT/显示器玻璃组合物为约5微米至约15微米、约5微米至约12微米、约7微米至约15微米、或约7微米至约12微米)。

如本文所定义的，线缺陷的内径是限定透明工件中的线缺陷的经改性区域的内径。例如，在本文所描述的一些实施例中，线缺陷的内径可小于或等于约1微米，例如小于或等于约500nm，小于或等于约400nm，或者甚至小于或等于约300nm。在实施例中，线缺陷的内径可与激光束焦线的光斑直径一样大。在实施例中，脉冲激光束焦线的平均光斑直径可以在约0.1微米至约30微米的范围内，诸如约0.1微米至约10微米、约0.1微米至约5微米，例如，约1.5微米至约3.5微米。一旦工件沿轮廓线被分离，线缺陷可能仍然可在分离的表面处观察到，并且可能具有与线缺陷的内径相当的宽度。因此，通过本文描述方法的实施例制备的工件的切割表面上的线缺陷的宽度可具有约0.1微米至约5微米的宽度。

除了单个透明工件的穿孔之外，该过程还可以用于穿透透明工件的堆叠，诸如玻璃片的堆叠，并且可以通过单次激光完全穿透总高度达几mm的玻璃堆叠。玻璃堆叠可以额外在各种位置具有气隙。根据另一个实施例，诸如粘合剂之类的延性层可以设置在玻璃堆叠之间。然而，脉冲激光过程仍将在单次通过中完全穿透这种堆叠的上玻璃层和下玻璃层两者。

不受理论束缚，据信所描述的穿孔过程的促成因素之一是由超短脉冲激光产生的线缺陷的高纵横比。该高纵横比允许产生轮廓线，在一些实施例中，该轮廓线从待切割工件的顶表面延伸到底表面。原则上，该线缺陷可以通过单个脉冲形成，并且必要时，可使用额外的脉冲来增加受影响区域的延伸(深度与宽度)。

在实施例中，脉冲激光束焦线的长度可以为约0.1mm至约10mm、或约0.5mm至约5mm的范围，例如约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、约5mm、约6mm、约7mm、约8mm、或约9mm，或者约0.1mm至约2mm、或0.1mm至约1mm范围的长度。在实施例中，脉冲激光束焦线的平均光斑直径可以在约0.1微米至约5微米的范围内。线缺陷各自可具有约0.1微米至30微米的直径，例如约0.25微米至约5微米(例如，约0.25微米至约0.75微米)。

可以通过将高斯激光束发送到轴锥透镜中来执行焦线的产生，在这种情况下，产生称为高斯-贝塞尔光束的光束轮廓。与高斯光束相比，这样的光束衍射得慢得多(例如，该光束可以保持数百微米或毫米(而不是几十微米或更小)的范围的单微米直径光斑尺寸)。因此，与材料的强烈相互作用的焦深或长度可以比只使用高斯光束时大得多。也可以使用其他形式的慢速衍射或非衍射光束，诸如艾里光束。

如图6所图示，可以通过用在处理方向160上移动的超短脉冲激光束140处理透明工件130来形成包括多个线缺陷120的轮廓线110。线缺陷120可以例如延伸穿过透明工件130的厚度，并且可以与透明工件130的主(平坦)表面正交。虽然轮廓线可以是线性的，像图6中所图示的轮廓线110那样，但轮廓线也可以是非线性的(即，具有曲率)。例如，可以通过在两个维度而不是一个维度上使透明工件130或脉冲激光束140相对于另一方平移来产生弯曲轮廓线。虽然在一些透明工件中，选择用于处理透明工件的材料特性(例如，吸收、CTE、应力、成分等)和脉冲激光参数可以单独地引起自分离，但在本文所描述的实施例中，在形成轮廓线110之后，利用热处理(例如，利用红外激光)以便在轮廓线110处分离透明工件130。如图6所图示，多个线缺陷120可以限定轮廓线110。

对于一些透明工件，沿着轮廓线110的方向的相邻线缺陷120之间的距离或周期性可以是至少约0.1微米或1微米并且小于或等于约20微米或甚至30微米。例如，在一些透明工件中，相邻线缺陷120之间的周期性可以为约0.5微米至约15微米、或约3微米至约10微米、或约0.5微米至约3.0微米。例如，在一些透明工件中，相邻线缺陷120之间的周期性可以为约0.5微米至约1.0微米。然而，对于碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物，尤其是0.5mm厚或更大厚度的那些，相邻线缺陷120之间的周期性可以是至少约1微米，诸如至少约5微米、或约1微米至约15微米。

根据各种实施例，有几种用于通过用脉冲激光束处理来产生穿孔轮廓线的方法。形成焦线的光学方法可采取多种形式，使用圆环形激光束与球面透镜、轴锥透镜、衍射元件或其他方法来形成高强度线性区域。激光(皮秒、飞秒等)和波长(红外、绿光、UV等)类型也可以改变，只要达到的光学强度足以通过非线性光学效应在透明工件上的聚焦区域中产生工件材料的击穿即可。根据一个或更多实施例，激光器可以是脉冲串激光器，该脉冲串激光器允许通过调整在给定脉冲串内的脉冲数量而随时间控制能量沉积。

在当前实施例中，超短脉冲激光可以用于以一致、可控制及可重复的方式形成高纵横比的竖直线缺陷。根据一个实施例，光学技术用于在透明工件内产生高强度激光束的线聚焦。在一个实施例中，在光学透镜组件中使用轴锥透镜元件，以利用超短(皮秒或飞秒持续时间)贝塞尔光束形成高纵横比的无锥度的线缺陷区域。换言之，该轴锥镜将激光束会聚到圆柱形形状且高纵横比(长的长度且小的直径)的高强度区域内。由于用该会聚的激光束产生的高强度，激光的电磁场与工件材料的非线性相互作用可能发生并且激光能可能被转移到该工件以便实现缺陷形成，这些缺陷变成轮廓线的构成部分。然而，重要的是认识到，在其中激光能量强度不高的材料区域(例如围绕中心会聚线的工件的玻璃体积)中，透明工件的材料很大程度上不受激光的影响并且没有用于将能量从激光转移到该材料的机制。其结果是，当激光强度低于非线性阀值时，不直接在工件的焦点区域发生任何事情。

现在参考图7，用于形成穿孔轮廓线的方法可包括将来自激光装置3的脉冲激光束2聚焦到沿光束传播方向取向的激光束焦线2b。如图7中所示出，激光器(未示出)发射激光束2，该激光束2具有入射到光学组件6的部分2a。光学组件6使入射激光束转变为输出侧上的延伸激光束焦线2b(沿着光束方向在限定的扩大范围(焦线长度l)内)。平面工件1被定位于光束路径上以至少部分地与脉冲激光束2的激光束焦线2b重叠。激光束焦线因此被引导到工件1中。参考号1a指定平面工件1的面向光学组件6或激光的表面，参考号1b指定工件1的相反表面。工件1具有垂直于平面表面1a和1b(即，垂直于工件平面)测量的深度d。

如图7中描绘的，工件1与纵向光束轴垂直地对准并且因此处于由光学组件6产生的相同焦线2b的后面(工件1垂直于附图的平面)。焦线2b沿着光束方向取向或对准，工件1相对于焦线2b定位，使得焦线2b在工件1的表面1a之前开始并且在工件1的表面1b之前停止(即，焦线2b终止于工件1内并且不延伸超过表面1b)。在激光束焦线2b与工件1的重叠区域中(即，在被焦线2b覆盖的工件材料中)，延伸的激光束焦线2b产生延伸区段2c(沿着纵向光束方向对齐)，(假设沿着激光束焦线2b的合适的激光强度，该强度由脉冲激光束2在长度l的区段上的聚焦(即，长度l的线聚焦)确保)，沿着该区段2c在工件材料中产生诱导吸收。诱导吸收沿着区段2c在工件材料中产生线缺陷形成。线缺陷是工件中的微观(例如，具有约100nm至约0.5微米的内径)细长缺陷，其可以通过使用多个激光脉冲的单个高能量脉冲串来产生。一系列这些线缺陷沿着轮廓线在透明工件中产生穿孔图案。例如，可以以几百千赫兹的速率(即，每秒几十万线缺陷)产生单独的线缺陷。利用焦线2b和透明工件1之间的相对运动，这些线缺陷可以彼此相邻放置(根据需要，空间间隔从亚微米变化到许多微米)。可以选择该空间间隔(节距)以促进利用热源(诸如红外激光)对工件的分离。在一些实施例中，线缺陷是“贯穿缺陷”，其是从顶表面1a延伸到底表面1b的缺陷。线缺陷形成不仅在局部，而且在诱导吸收的延伸区段2c的整个长度上。区段2c的长度(其对应于激光束焦线2b与工件1的重叠的长度)用参考号L标记。诱导吸收的区段2c处的缺陷区域(即缺陷)的内径用参考号D标记。该内径D基本上对应于激光束焦线2b的平均直径δ，即，平均光斑直径在约0.1微米和约5微米之间的范围内。

下面将描述可应用于产生焦线2b的代表性光学组件6和其中可应用这些光学组件的代表性光学装置。所有组件或装置均基于以上描述，从而使得相同的参考号用于相同的部件或特征或在功能上相等的部件或特征。因此，以下仅描述不同之处。

根据图8A，由激光装置3发射的入射到光学组件6的激光束的部分2a首先被引导到圆形开口8上，该圆形开口8对所使用的激光辐射的波长是不透明的。开口8被取向为垂直于纵向光束轴并且以所描绘的光束部分2a的中心部分为中心。开口8的直径进行选择，其方式为使光束部分2a的中心附近的激光辐射(即，中心光束部分，这里用2aZ标记)撞击开口并且被其完全吸收。只有光束部分2a的外周边范围内的光束(即，边缘光线，在此用2aR标记)由于与光束直径相比的减小的开口尺寸而未被圆形开口8吸收，并且侧向地穿过开口8并且撞击光学组件6的聚焦透镜7(在此实施例中，其被设计为球形切割的双凸透镜)的边缘区域。

如图8A所图示，激光束焦线2b可以不仅仅是激光束的单个焦点，而可以是激光束中不同光线的一系列焦点。该系列焦点形成限定长度的细长焦线，在图8A示出为激光束焦线2b的长度l。透镜7可以以中心光束为中心并且可以被设计为呈常见的球形切割透镜形式的非校正的、双凸聚焦透镜。作为替代方案，还可以使用与理想校正的系统偏离的非球面或多透镜系统(即，不具有单个焦点的透镜或系统)，其不形成理想的焦点而形成限定长度的有区别的、延长的焦线。透镜的区域因此沿着焦线2b聚焦，受制于距透镜中心的距离。跨光束方向的开口8的直径可以是该光束部分2a的直径(由对于光束的强度降低至峰强度的1/e²所要求的距离限定的)的约90％并且是光学组件6的透镜7的直径的约75％。因此，使用通过阻挡掉中心的光束簇产生的非像差校正的球面透镜7的焦线2b。图8A示出了穿过中心光束的一个平面中的截面，并且当所描绘的光束绕着焦线2b旋转时，可以看到完整的三维簇。

图8B-1到图8B-4示出(不仅对于图8A中的光学组件，而且还对于任何其他适用的光学组件6)激光束焦线2b的位置可以通过相对于工件1适当地定位和/或对齐光学组件6以及通过适当地选择光学组件6的参数来控制。如图8B-1所图示，焦线2b的长度1可以调整，其方式为使该长度超过工件深度d(这里是因子2)。如果工件1(在纵向光束方向上观察)置于焦线2b中心，则可以在整个工件厚度内产生诱导吸收的延伸区段2c。激光束焦线2b的长度l可以在约0.01mm至约100mm的范围内，或者在约0.1mm至约10mm的范围内。各种实施例可以被配置为具有焦线2b，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，约0.5mm至约5mm。

在图8B-2所示的情况下，产生长度为l的焦线2b，其通常对应于工件深度d。由于工件1相对于焦线2b定位，其方式为使焦线2b在工件1外部的点处开始，因此诱导吸收的延伸区段2c的长度l(从工件表面延伸到限定的工件深度，但不延伸到相反表面1b)小于焦线2b的长度l。图8B-3示出了其中工件1(沿着垂直于光束方向的方向观察)定位于焦线2b的起点上方的情况，使得，如在图8B-2中，焦线2b的长度l大于在工件1中的诱导吸收区段2c的长度l。因此该焦线在工件内开始并延伸超出相反表面1b。图8B-4示出了其中焦线长度l小于工件厚度d的情况，使得，在入射方向上观察的工件相对于焦线中央定位的情况下，焦线2b在工件1内在表面1a附近开始并且在工件内在表面1b附近结束(例如，l＝0.75·d)。

可能特别有利的是，对焦线2b进行定位，其方式为使表面1a、1b中的至少一个表面被焦线覆盖(例如图8B-2或图8B-3的设置)，使得诱导吸收的区段2c至少在工件的一个表面上开始。以这种方式有可能实现几乎理想的切割，同时避免在表面处的烧蚀、羽化和微粒化。

图9描绘了光学组件6的另一个实施例。因为基本构造遵循图8A中所描述的基本构造，所以以下仅描述不同之处。图9中描绘的光学组件利用具有非球形自由表面的光学器件以便产生焦线2b，该焦线以这样的方式成形，即，使得形成限定长度l的焦线。为此目的，非球面透镜可以用作光学组件6的光学元件。在图9中，例如，使用所谓的圆锥形棱镜，也称作轴锥镜。轴锥镜是在沿着光轴的线上形成光斑源(或将激光束转变为环)的圆锥形切割透镜。该示例中的轴锥镜的锥角约为10°。然而，应该理解的是，也可以使用轴锥镜锥角的其他范围。在此，轴锥镜9的顶点指向入射方向并以光束中心为中心。由于轴锥镜9产生的焦线2b开始于轴锥镜的内部内，因此工件1(此处与主光束轴垂直对准)可以被定位在光束路径中，直接在轴锥镜9的后面。如图9所示，还有可能由于轴锥镜的光学特性，沿着光束方向移动工件1同时仍然在焦线2b的范围内。在工件1的材料中的诱导吸收区段2c因此在整个工件深度d上延伸。然而，所描绘的布局可能受制于以下限制：由于由轴锥镜9形成的焦线2b的区域在轴锥镜9内开始，因此在轴锥镜9与工件之间存在间隔的情况下，激光能量的显著部分不被聚焦到焦线2b的位于该材料内的诱导吸收区段2c内。此外，焦线2b的长度l通过轴锥镜9的折射率和锥角与光束直径有关。这是为什么，在相对薄的材料(例如，数毫米)的情况下，总焦线比工件的厚度长得多，从而具有许多激光能量没有被聚焦到该材料的厚度内的影响。

出于此原因，可能期望使用包括轴锥镜和聚焦透镜两者的光学组件6。图10A描绘了这种光学组件6，在该光学组件中，具有被设计用于形成延伸激光束焦线2b的非球面自由表面的第一光学元件被定位在来自激光装置3的光束路径中。在图10A中所示的情况下，该第一光学元件是具有5°锥角的轴锥镜10，该轴锥镜垂直于光束方向定位并且以来自激光装置3的光束为中心。轴锥镜10的顶点是朝向光束方向取向。第二聚焦光学元件在此为平凸透镜11(其曲率被取向成朝向所述轴锥镜)在光束方向上与轴锥镜10相距距离z1定位。距离z1可以为约300mm，并且可以进行选择，使得由轴锥镜10形成的激光辐射圆形地入射到透镜11的外径向部分上。透镜11将该圆形辐射聚焦到与透镜11相距距离Z2(在此情况下为约20mm)处的输出侧，在具有限定长度(在此情况下为1.5mm)的焦线2b上。在这个实施例中，透镜11的有效焦距为25mm。通过轴锥镜10进行的对激光束的圆形转变用参考号SR标记。

图10B描绘了根据图10A的光学组件6形成焦线2b或工件1的材料内的诱导吸收2c。选择元件10、11的光学特性以及它们的定位，使得焦线2b在光束方向上的长度l与工件1的深度d相同。在一些实施例中，可能需要沿着光束方向精确定位工件1，以便将焦线2b精确定位在工件1的两个表面1a与1b之间，如图10B中所示。

在另一个实施例中，代替图10A中所描绘的平凸透镜，也可能使用聚焦弯月形透镜或另一种更高阶校正聚焦透镜(例如，非球面、多透镜系统)。

为了用图10A中所描绘的轴锥镜与透镜组合产生相对短的焦线2b，可能必要的是选择入射到轴锥镜上的非常小的光束直径的激光束。这具有实际的缺点：将光束中心定在轴锥镜顶点上必须是非常精确的，并且结果对于激光的方向变化是非常敏感的，诸如光束漂移稳定性。此外，紧密准直的激光束可以是高度发散的，即，由于光偏转，光束簇可能在短距离内变得模糊。

如图11所示，通过在光学组件6中包括另一透镜(准直透镜12)，两种效应均可以避免。附加准直透镜12用于紧密地调整聚焦透镜11的圆形照射。选择准直透镜12的焦距f'，使得期望的圆直径dr产生自从轴锥镜至准直透镜12的距离z1a，其等于f'。期望的环宽度br可以经由准直透镜12与聚焦透镜11之间的距离z1b调整。作为纯几何学问题，圆形照射的小宽度导致短焦线。可以在距离f'处实现最小值。

因此，图11中所描绘的光学组件6基于图10A中所描绘的光学组件，所以以下仅描述了不同之处。准直透镜12，在此还设计为曲率朝向光束方向的平凸透镜，其居中置于在一侧的轴锥镜10(其顶点朝向光束方向)与在另一侧的平凸透镜11之间的光束路径中。准直透镜12距轴锥镜10之间的距离被称为z1a，聚焦透镜11距准直透镜12之间的距离被称为z1b，并且焦线2b距聚焦透镜11之间的距离被称为z2。如图11中所示，由轴锥镜10形成的发散地并且在圆直径dr下入射在准直透镜12上的圆形辐射SR针对在聚焦透镜11处的约恒定的圆直径dr沿着距离z1b被调整至所需圆宽度br。在示出的情况下，旨在产生很短的焦线2b，使得在透镜12处的约4mm的圆宽度br由于透镜12的聚焦特性被减小至在透镜11处的约0.5mm(在该实例中圆直径dr为22mm)。

在所描绘的示例中，有可能使用2mm的典型激光束直径、具有焦距f＝25mm的聚焦透镜11、具有焦距f’＝150mm的准直透镜以及选择距离Z1a＝Z1b＝140mm和Z2＝15mm来实现小于0.5mm的焦线1的长度。

图12A-图12C图示出在不同激光强度方案下的激光-物质相互作用。在第一种情况下，如图12A所示，未聚焦的脉冲激光束710穿过透明工件720而不对工件720引入任何改性。在此特定情况下，不存在非线性效应，因为激光能量密度(或被光束照射的每单位面积激光能量)低于诱发非线性效应所需的阀值。该能量密度越高，电磁场强度越强。因此，如图12B中所示，当激光光束通过球面透镜730聚焦成小光斑尺寸时，照射面积减小且能量密度增加，从而触发非线性效应，该非线性效应将改性透明材料以便允许只在满足该条件的体积中形成断裂线。以此方式，如果聚焦激光的束腰定位在工件表面，则表面改性将发生。反之，如果聚焦激光的束腰定位在工件表面下方，则能量密度低于非线性光学效应的阀值时，在表面不会发生任何事情。然而，当焦点740定位于工件720的主体中时，激光强度高到足以触发多光子非线性效应，因此诱发对材料的损伤。在另一实施例中，如图12C所示，在轴锥镜的情况下，轴锥透镜750或可替代地菲涅耳轴锥镜的衍射图案产生干涉，该干涉产生贝塞尔形状的强度分布(即，高强度圆柱760)，并且只有在该体积内的强度足以产生非线性吸收及对材料720的改性。圆柱760(其中贝塞尔形状的强度分布足以产生非线性吸收及对材料的改性)的直径也是激光束焦线的光斑直径。贝塞尔光束的光斑直径D可表示为D＝(2.4048λ)/(2πB)，其中λ是激光束波长并且B是轴锥镜角度的函数。

为了切割碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物，根据一些示例性实施例，产生具有多个脉冲的脉冲串的皮秒脉冲激光器(例如，1064nm或532nm皮秒脉冲激光器)与线聚焦光束形成光学器件结合可用于在玻璃组合物中产生线缺陷。然而，应注意，其他脉冲激光器也可用于本文所描述的穿孔过程。

例如，可以定位厚度高达0.7mm的显示器/TFT玻璃组合物，使得其位于由光学器件产生的焦线区域内。利用约1mm长的焦线、在透明工件处测量的200kHz(约120μJ/脉冲串或更多)的脉冲串重复率下产生约24W或更高的输出功率的1064nm皮秒激光器，焦线区域中的光学强度可足以在玻璃组合物中产生非线性吸收。脉冲激光束可以具有在材料处测量的平均激光脉冲串能量，其大于每毫米工件厚度40μJ。对于一些玻璃，所使用的平均激光脉冲串能量可以高达每毫米材料厚度2500μJ，例如约40μJ/mm至约2500μJ/mm、约400μJ/mm至约1300μJ/mm、或约550μJ/mm至约1000μJ/mm，因为能量密度足以对工件中的线缺陷进行彻底的损伤跟踪，同时最小化垂直于穿孔线或切割边缘的微裂缝的程度。这种每毫米的“平均脉冲串激光能量”也可称为平均每脉冲串线性能量密度，或每毫米材料厚度的每激光脉冲串的平均能量。可以产生玻璃组合物内的受损、烧蚀、蒸发或以其他方式改性的材料区域，其大致遵循由激光束焦线产生的高光强度的线性区域。

现在参考图13A和图13B，应该理解的是，这里描述的这种皮秒激光器的典型操作产生脉冲500A的脉冲串500。每个脉冲串500包含持续时间非常短的多个单独的脉冲500A(诸如至少两个脉冲、至少5个脉冲、至少7个脉冲、至少8个脉冲、至少9个脉冲、至少10个脉冲、至少15个脉冲、至少20个脉冲、或甚至更多个脉冲)。即，脉冲串是脉冲的组，且脉冲串通过比每个脉冲串内各个相邻脉冲的间隔长的持续时间来彼此间隔。根据一个或多个实施例，为了切割或穿孔显示器玻璃/TFT玻璃组合物，每个脉冲串的脉冲数可以为约1至30(诸如5至20)。脉冲500A具有最高达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)的脉冲持续时间T_d。脉冲串内的每一个单独脉冲500A的能量或强度可以不等于脉冲串内的其他脉冲的能量或强度，且脉冲串500内的多个脉冲的强度分布经常遵循由激光设计所决定的时间上的指数衰减。在一些实施例中，本文所描述的示例性实施例的脉冲串500内的每个脉冲500A通过1纳秒至约50纳秒(例如约10纳秒至约50纳秒、或约10纳秒至约30纳秒，该时间经常由激光腔设计所决定)的持续时间T_p而在时间上与该脉冲串中的后续脉冲间隔。对于给定的激光器，脉冲串500内的相邻脉冲之间的时间间隔T_p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，脉冲串内的每个脉冲在时间上与后续脉冲间隔大约20纳秒(50MHz)。例如，对于产生约20纳秒的脉冲间隔T_p的激光器，脉冲串内的脉冲到脉冲间隔T_p保持在约±10％内，或约±2纳秒内。每个脉冲串之间的时间(即，脉冲串之间的时间间隔T_b)将长得多。例如，每个脉冲串之间的时间可以是约0.25微秒至约1000微秒，例如，约1微秒至约10微秒、或约3微秒至约8微秒。在本文所描述的激光器的一些示例性实施例中，对于具有约200kHz的脉冲串重复率的激光器，时间间隔T_b为约5微秒。激光脉冲串重复率与脉冲串中的第一脉冲至后续脉冲串中的第一脉冲之间的时间T_b(激光脉冲串重复率＝1/T_b)有关。在一些实施例中，激光脉冲串重复率可以是在约1kHz至约4MHz的范围内。在实施例中，激光脉冲串重复率可以是例如在约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T_b可以是0.25微秒(4MHz脉冲串重复率)至约1000微秒(1kHz脉冲串重复率)，例如约0.5微秒(2MHz脉冲串重复率)至约40微秒(25kHz脉冲串重复率)、或约2微秒(500kHz脉冲串重复率)至约20微秒(50kHz脉冲串重复率)。确切时序、脉冲持续时间以及脉冲串重复率可取决于激光设计而改变，但高强度的短脉冲(T_d<20皮秒并且优选地T_d≤15皮秒)已示出尤其良好地工作。

改性材料所需的能量可以就脉冲串能量(即，脉冲串内含有的能量，每个脉冲串500含有一系列脉冲500A)而言、或就单激光脉冲内含有的能量(其中许多可包含脉冲串)而言进行说明。每脉冲串的能量可以为约25μJ至约750μJ，例如约50μJ至约500μJ、或约50μJ至约250μJ。对于一些玻璃组合物，每脉冲串的能量可以为约100μJ至约250μJ。然而，对于显示器或TFT玻璃组合物，每脉冲串的能量可以更高(例如，约300μJ至约500μJ、或约400μJ至约600μJ，取决于工件的特定的显示器/TFT玻璃组合物)。脉冲串内的单独脉冲的能量将较少，并且确切的单独激光脉冲能量将取决于脉冲串500内的脉冲500A的数量和激光脉冲随时间的衰减速率(例如，指数衰减速率)，如图13A和13B所示。例如，对于恒定的能量/脉冲串，如果脉冲串包含10个单独的激光脉冲500A，那么每个单独的激光脉冲500A将包含比如果同一脉冲串500仅具有2个单独的激光脉冲的情况下更少的能量。

对能够生成此类脉冲串的脉冲激光束的使用有利于切割或改性透明材料，例如玻璃。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，使用脉冲串序列(其使激光能量在脉冲串500内的快速脉冲序列内散布)允许获得比使用单脉冲激光可能的与材料高强度相互作用的更大时间尺度。虽然单脉冲可以在时间上扩大，但脉冲内的强度下降大致脉冲宽度分之一。因此，如果10皮秒的单脉冲扩展到10纳秒脉冲，则强度大约下降三个数量级。此种下降可能使光学强度降低到其中非线性吸收不再是显著的并且光-材料相互作用不再足以用于切割的点。相比之下，在脉冲串激光下，脉冲串500内的每个脉冲500A期间的强度可以维持得相对地高(例如在时间上由约10纳秒间隔开的三个10皮秒脉冲500A仍允许每个脉冲串内的能量比单个10皮秒脉冲的能量高约3倍)，并且该激光在大三个数量级的时间尺度上与材料相互作用。例如，通常在时间上间隔开约10纳秒的10皮秒脉冲500A导致每个脉冲串内的能量大约是单个10皮秒脉冲的能量的十倍，并且激光在现在大了几个数量级的时间尺度上与材料相互作用。在一个实施例中，用于对材料进行改性所需的脉冲串能量的量将取决于工件材料组成物以及用于与工件相互作用的线聚焦的长度。相互作用区越长，能量散布出的越多，并且将需要越高的脉冲串能量。确切的定时、脉冲持续时间和脉冲串重复率可以取决于激光器设计而变化，但是高强度脉冲的短脉冲时间(例如，小于约15皮秒、或甚至小于或等于约10皮秒)在一些实施例中可以是示例性的。当单个脉冲串撞击透明工件上的基本同一位置时，在材料中形成缺陷。即，单个脉冲串内的多个激光脉冲对应于透明工件中的单个线缺陷。由于工件平移(例如通过不断移动的平台、或光束相对于工件移动)，脉冲串内的单独脉冲无法在该玻璃上的完全相同的空间位置处。然而，各个脉冲可以在彼此的1μm内(即，它们在基本相同的位置有效地撞击玻璃)。例如，脉冲可以按彼此间隔sp撞击玻璃，其中0<sp≤500nm。当例如玻璃位置用20个脉冲的脉冲串击中时，该脉冲串内的单独脉冲在彼此的250nm内撞击该玻璃。因此，在一些实施例中，1nm<sp<250nm。在一些实施例中，1nm<sp<100nm。

在一个或多个实施例中，为了切割或分离工件，脉冲串能量可以是每脉冲串约100μJ至约600μJ，诸如每脉冲串约300μJ至约600μJ。在该范围之外工作可能导致其他玻璃的成功分离，而非显示器(或TFT)玻璃组合物。对于一些显示器玻璃类型，脉冲串能量可以为约300μJ至约500μJ，或者对于其他显示器类型玻璃为约400μJ至约600μJ。对于许多显示器类型的玻璃组合物，400μJ至500μJ的脉冲串能量可以很好地起作用。可以针对特定显示器或TFT玻璃优化线聚焦内的能量密度。例如，对于EAGLE XG和CONTEGO玻璃两者，脉冲串能量的合适范围可以是约300μJ至约500μJ，并且线聚焦可以是约1.0mm至约1.4mm(其中线聚焦长度由光学配置决定)。

在一个或多个实施例中，相对低的脉冲激光能量密度(例如，低于300μJ)可以形成不能如期望的那样形成的穿孔，导致缺陷之间的断裂在红外激光加工期间不容易实现，从而导致显示器玻璃中的抗断裂性(在本文中也称为断裂强度)增加。如果脉冲激光束的能量密度太高(例如，大于或等于600μJ、或甚至大于500μJ)，则热损伤可能更大，导致连接穿孔的裂缝杂散而不沿着所需的路径形成并且显示器(或TFT)玻璃的抗断裂性(断裂强度)显著增加。

鉴于前面的描述，应该理解的是，通过利用将最大强度投射在与包含缺陷的轮廓线邻近的区域上而不是直接投射到轮廓线上的红外激光束可以增强利用红外激光束进行的激光分离。在一个实施例中，可利用环形光束轮廓来实现与轮廓线邻近的该红外激光最大功率投射。

范围在本文中可被表达为从“约”一个特定值和/或到“约”另一特定值。当表达这种范围时，另一实施例包括从该一个特定值和/或到该另一特定值。类似地，当值被表达为近似值时，通过使用先行词“约”，将理解该特定值形成另一实施例。将进一步理解的是，每一个范围的端点在关于另一端点以及独立于另一端点两方面都是显著的。

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。

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取向。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取向、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取向的情况下，在任何方面，决不旨在推断顺序或取向。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取向的逻辑事项；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。

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。

对本领域的技术人员显而易见的是，可对本文描述的实施例作出各种修改和变化而不背离要求保护的主题的精神和范围。由此，旨在使说明书覆盖本文描述的各实施例的多种修正和变化，只要这些修正和变化落在所附权利要求书及其等效方案的范围内。

Claims

1.一种用于激光处理工件的方法，所述方法包括：

在所述工件中形成轮廓线，所述轮廓线包括所述工件中的缺陷；以及

沿着所述轮廓线或在所述轮廓线附近将红外激光束引导到所述工件上以便沿着所述轮廓线分离工件，其中所述红外激光束具有环形光束轮廓，使得来自所述红外激光束的累积能量的较大分布位于与所述轮廓线邻近的区域中而不是直接位于所述轮廓线上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环形光束轮廓的外径为约0.5mm至约20mm。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述环形光束轮廓的内径为所述外光束直径的约5％至约95％。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，来自所述红外激光束的累积能量的较大分布位于所述轮廓线两侧的与所述轮廓线邻近的区域中而不是直接位于所述轮廓线上。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述红外激光束以所述轮廓线为中心。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述红外激光束由二氧化碳激光器、一氧化碳激光器、固态激光器、激光二极管或其组合产生。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件包括碱土金属硼铝硅酸盐玻璃、蓝宝石、熔融石英或其组合。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述红外激光束和所述工件以约1mm/s至约10m/s的速度相对于彼此平移。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述红外激光束具有约20W至约1000W的功率。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件具有小于或等于约5x10^-6/K的CTE。

11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，工件具有约50微米至约10毫米的厚度。

12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，形成所述轮廓线包括：

将脉冲激光束聚焦到沿光束传播方向取向并引导到所述工件中的脉冲激光束焦线中，所述脉冲激光束焦线在所述工件内产生诱导吸收，并且所述诱导吸收沿所述脉冲激光束焦线在所述工件内产生线缺陷；

沿着所述轮廓线将所述工件和所述脉冲激光束焦线相对于彼此平移，从而激光沿所述轮廓线在所述工件内形成多个线缺陷，其中相邻线缺陷之间的间距为1微米至30微米；并且

其中所述脉冲激光以每脉冲串约1个脉冲至每脉冲串约30个脉冲产生脉冲串，并且所述脉冲串能量为每脉冲串约100μJ至每脉冲串约600μJ。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束以每脉冲串约9个脉冲至每脉冲串约20个脉冲产生脉冲串，且所述脉冲串能量为每脉冲串约300μJ至每脉冲串约500μJ。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，

相邻线缺陷之间的所述间距为约7微米至约12微米；并且

所述脉冲激光束以每脉冲串约5个脉冲至每脉冲串约15个脉冲产生脉冲串，且所述脉冲串能量为每脉冲串约400μJ至每脉冲串约600微焦。

15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲串的脉冲具有从约1皮秒至约100皮秒的持续时间。

16.如权利要求12至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲串的重复率在约10kHz至约3MHz的范围内。

17.如权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束焦线的平均光斑直径在约0.1微米至约10微米的范围内。

18.一种用于激光处理工件的方法，所述方法包括：

将脉冲激光束聚焦到被引导到所述工件中的脉冲激光束焦线中，所述脉冲激光束焦线在所述工件内产生线缺陷；以及

将所述工件和所述脉冲激光束焦线相对于彼此平移，从而激光沿轮廓线在所述工件内形成多个线缺陷，其中相邻线缺陷之间的间距为5微米至15微米；并且

沿着所述轮廓线或在所述轮廓线附近将红外激光束引导到所述工件上以便沿着所述轮廓线分离工件，其中所述红外激光束具有光束轮廓使得来自所述红外激光束的累积能量的较大分布位于所述轮廓线两侧的与所述轮廓线邻近的区域中而不是直接位于所述轮廓线上。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述红外激光束具有环形光束轮廓并且以所述轮廓线为中心。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述红外激光束由二氧化碳激光器、一氧化碳激光器、固态激光器、激光二极管或其组合产生。