CN104968620B

CN104968620B - 透明材料的高速激光加工

Info

Publication number: CN104968620B
Application number: CN201380060470.0A
Authority: CN
Inventors: 马诺·库马尔·布扬; 欧莉·杰德克维兹; 保罗·狄·特拉帕尼; 维陶塔斯·萨博尼斯; 明道加斯·米库蒂斯
Original assignee: UAB ALTECHNA R & D
Current assignee: UAB ALTECHNA R & D
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2018-06-05
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP2017064795A; US9850159B2; LT3241809T; JP6149314B2; WO2014079570A1; JP6275886B2; EP2922793A1; JP2016503383A; EP2922793B1; WO2014079478A1; CN104968620A; LT3246296T; US20150299018A1; KR20150087369A; KR20170042793A; EP3246296B1; EP3246296A1; EP3241809B1; KR101818409B1; KR101793351B1

Abstract

本发明公开了一种用激光束(14)对层状材料(31)进行激光预切割的方法和系统。所述层状材料(31)包括至少一个拉应力层(TSL)、至少一个压应力层(CSL1，CSL2)以及所述至少一个拉应力层(TSL)与所述至少一个压应力层(CSL1，CSL2)之间的至少一个界面区(IR1，IR2)，并且所述层状材料(31)是透明的，以允许所述激光束(14)传播穿过所述层状材料(31)。所述方法包括：设置所述激光束(14)的光学路径(8)和激光特征使得所述激光束(14)与所述层状材料(31)的交互作用在所述层状材料(31)中产生细长的损伤区(57)；并且对于所述层状材料(31)的一系列预切割位置(X_N‑1，X_N，X_N+1)的每个位置而言，通过使所述层状材料(31)和所述激光束(14)相对彼此定位并且照射所述激光束(14)使得所述各个细长的损伤区(57)延伸穿过所述至少一个界面区(IR1，IR2)从而预切割所述层状材料(31)。

Description

透明材料的高速激光加工

技术领域

本发明总体上涉及例如玻璃的透明材料的激光切割，并且更具体地讲，涉及使用类贝塞尔光束构造的激光切割。

背景技术

材料的激光加工，特别是激光与材料的受控相互作用已广泛应用于各种领域，例如在工业以及医疗应用中的激光切割和激光焊接。这种交互作用取决于例如波长、焦点区、激光功率等激光参数以及例如各个波长的吸收率、材料的带隙等材料性能。这些参数和性能的组合限定了发生的交互作用，具体地讲，限定了在材料内的特定位置提供的场强。US2009/0294419 A1中公开了一种热方法，该方法使用根据移动激光束并随后进行局部冷却所产生的热冲击对不平坦材料进行激光刻线的系统。

US 2011/0183116 A1和US 2012/0064306 A1公开了用于切割玻璃、特别是钢化玻璃的激光加工方法的实例。具体地讲，对于钢化玻璃而言，内应力分布影响切割。因此，US2012/0064306 A1公开了不对切割区进行处理，而US 2011/0183116 A1公开了沿着预定切割路径提供形成在压应力层中的沟槽结构。

在2012&0196071 A1中公开了一种用于从玻璃基板制造钢化玻璃面板的方法。其中，首先例如通过激光加工、机械钻孔或蚀刻方法来制备孔，然后，即在形成一系列孔之后，进行钢化过程。这导致沿着孔壁侧面形成径向压应力层。

具体地讲，当应用脉冲激光系统时，可以很好地控制激光脉冲能量以及激光脉冲持续时间，并且因此使其适用于具体应用。JP 2005/288503 A中公开了一种基于激光交互作用的激光束加工方法，该方法使用自聚焦以及贝塞尔光束形用于在处理前切割玻璃。

“使用单发飞秒贝塞尔光束的大展弦比纳米通道加工”(“High aspect rationanochannel machining using single shot femtosecond Bessel beams”)(M.K.Bhuyan等，《应用物理快报》97,081102-1(2010))和“飞秒非衍射贝塞尔光束和可控的纳米级消融”(“Femtosecond non-diffracting Bessel beams and controlled nanoscaleablation”)(M.K.Bhuyan等，IEEE(2011))中公开了使用贝塞尔光束用于激光加工。

WO 2012/006736 A1中公开了一种用于激光切割透明材料的方法，该方法通过用例如聚焦激光束的突发脉冲串照射基板，其中聚焦条件、脉冲能量和持续时间经过选择以在基板内产生细丝，并且基板相对于激光束平移。根据WO 2012/006736 A1，通过弱聚焦、高强度、短持续时间的激光来产生细丝，激光通过非线性的克尔效应可以自聚焦，从而导致峰值强度增大并且在激光束的高强度部分中形成低密度等离子体。在WO 2012/006736 A1中进一步阐述道该方法避免了致密等离子体的产生，例如在紧密光学聚焦条件下会容易产生的槽式光学击穿，其中等离子体产生机制取决于最初的电子的多光子激发，随后是逆轫致辐射、碰撞电离和电子雪崩过程。根据WO 2012/006736 A1，在光学击穿域中，透明材料的分离、切片、划线、切开、切割和小平面处理存在很多缺点，例如，加工速度慢、产生裂纹、烧蚀碎屑造成污染以及切口宽度大。

本发明至少部分地旨在改进或克服现有系统的一个或多个方面，并且特别是提供钢化玻璃的高精度切割，而这对目前的技术仍然是个挑战。

发明内容

根据本发明的第一方面，公开了一种用激光束对层状材料进行激光预切割的方法，其中所述层状材料包括至少一个拉应力层、至少一个压应力层以及所述至少一个拉应力层与所述至少一个压应力层之间的至少一个界面区，并且所述层状材料是透明的，以允许所述激光束传播穿过所述层状材料。所述方法包括：设置所述激光束的光束路径和激光特征，使得所述激光束与所述层状材料的交互作用在所述层状材料中产生细长的损伤区；并且对于所述层状材料的一系列预切割位置的每个位置而言，通过使所述层状材料和所述激光束相对彼此定位并且照射所述激光束使得所述各个细长的损伤区延伸穿过所述至少一个界面区来预切割所述层状材料。

根据另一方面，一种用于使材料分成材料部分的方法，所述材料包括至少一个拉应力层、至少一个压应力层以及所述至少一个拉应力层与所述至少一个压应力层之间的至少一个界面区，所述方法包括：按照本文公开的方式预切割所述层状材料，从而沿着分离线形成延伸穿过所述至少一个界面区的细长的损伤区；并且在所述层状材料上施加作用在所述一系列预切割位置上的分离力，从而沿着所述一系列预切割位置切开所述层状材料。

根据另一方面，一种用于分成至少两个层状材料部分的层状材料，所述层状材料包括：彼此相反的前面和后面；至少一个拉应力层；至少一个压应力层；所述至少一个拉应力层与所述至少一个压应力层之间的至少一个界面区；以及形成在所述层状材料中并且延伸穿过所述至少一个界面区的细长的损伤区。

根据另一方面，一种层状材料部分包括：彼此相反的前面和后面；至少一个拉应力层；至少一个压应力层；所述至少一个拉应力层与所述至少一个压应力层之间的至少一个界面区；以及连接所述前面和所述后面的至少一个切割面，其中所述切割面包括由激光交互作用引起的延伸穿过所述至少一个界面区的表面结构。

根据另一方面，一种用激光束预切割层状材料的激光加工系统，包括：用于提供所述激光束的激光光源；用于从所述激光光源引导所述激光束到所述层状材料的光学系统；用于相对于所述激光束定位所述层状材料的平移机构；控制单元，被配置成设置所述激光束的光学路径和激光特征，使得所述激光束与所述层状材料的交互作用在所述层状材料中产生细长的损伤区，并且对于所述层状材料的一系列预切割位置的每个位置而言，进一步被配置成使所述层状材料和所述激光束相对彼此定位并且照射所述激光束，使得所述各个细长的损伤区延伸穿过所述至少一个界面区从而预切割所述层状材料。

根据另一方面，一种使用脉冲类贝塞尔激光束对材料进行激光预切割的方法，由此所述材料相对于传播穿过所述材料的所述脉冲类贝塞尔激光束的单光子吸收基本透明，所述方法包括：设置所述脉冲类贝塞尔激光束的光束路径和激光特征，使得单个激光脉冲与所述材料的交互作用在所述材料中产生延伸穿过所述材料厚度的至少50％或至少70％或至少90％的细长的单个激光脉冲损伤区；并且通过沿着所述材料扫描所述脉冲类贝塞尔激光束而预切割所述材料，使得彼此紧挨着的连续的激光脉冲的单个激光脉冲损伤区相对彼此移动。

根据另一方面，本发明公开了一种用于使材料分成材料部分的方法，包括：按照本文公开的方式预切割所述材料，从而沿着切割路径在一系列预切割位置形成细长的单个激光脉冲损伤区；并且在所述材料上施加作用在所述一系列预切割位置上的分离力，从而沿着所述一系列预切割位置切开所述材料。

根据另一方面，一种用于分成至少两个材料部分的材料，包括：彼此相反的前面和后面；以及形成在所述材料中的单个激光脉冲损伤区，延伸穿过所述材料厚度的至少50％或至少70％或至少90％，并且沿着分离线空间间隔至少2μm或至少3μm或至少4μm的距离。

根据另一方面，一种材料部分，包括：彼此相反的前面和后面；以及连接所述前面和所述后面的至少一个切割面，其中所述切割面包括由激光交互作用引起的延伸穿过所述材料部分厚度的至少50％或至少70％或至少90％的表面结构，并且所述表面结构在空间上相对彼此间隔至少2μm或至少3μm或至少 4μm的距离。

根据另一方面，一种使用脉冲类贝塞尔光束预切割材料的激光加工系统，其中所述材料相对于传播穿过所述材料的所述脉冲类贝塞尔激光束的单光子吸收基本透明，所述激光加工系统包括：用于提供脉冲激光束的激光光源；用于将所述脉冲激光束从所述激光光源引导到所述材料并将所述脉冲激光束转换成脉冲类贝塞尔激光束的光学系统；用于相对于所述脉冲类贝塞尔激光束定位所述材料的平移机构；控制单元，被配置成设置所述脉冲类贝塞尔激光束的光束路径和激光特征，使得所述脉冲类贝塞尔激光束的单个激光脉冲与所述材料交互作用在所述材料上，产生延伸穿过所述材料厚度的至少50％或至少70％或至少90％的细长的单个脉冲损伤区，并且对于所述材料的一系列预切割位置的每个位置而言，所述控制单元被配置成使所述材料和所述脉冲类贝塞尔激光束相对彼此定位并且照射所述脉冲类贝塞尔激光束，使得连续激光脉冲的单个激光脉冲损伤区相对彼此移动，从而预切割所述材料。

根据另一方面，一种用脉冲类贝塞尔激光束对层状材料进行激光预切割的方法，其中所述层状材料包括至少一个拉应力层、至少一个压应力层以及所述至少一个拉应力层与所述至少一个压应力层之间的至少一个界面区，并且所述层状材料是透明的，以允许所述激光束传播穿过所述层状材料。所述方法包括：设置所述激光束的光束路径和激光特征，使得所述激光束与所述层状材料的交互作用在所述层状材料中产生细长的单个激光脉冲损伤区；并且对于所述层状材料的一系列预切割位置的每个位置而言，通过使所述层状材料和所述激光束相对彼此定位并且照射所述激光束，使得所述各个细长的单个激光脉冲损伤区延伸穿过所述至少一个界面区来预切割所述层状材料。

根据另一方面，一种使用脉冲类贝塞尔激光束对材料进行激光预切割的方法，所述材料相对于传播穿过所述材料的所述脉冲激光束的单光子吸收基本透明，所述方法包括：设置所述脉冲激光束的光束路径和激光特征，使得单个激光脉冲与所述材料的交互作用在所述材料中产生延伸穿过所述材料厚度的至少50％或至少70％或至少90％的细长的单个激光脉冲损伤区；并且通过沿着所述材料扫描所述脉冲激光束而预切割所述材料，使得彼此紧挨着的连续的激光脉冲的单个激光脉冲损伤区相对彼此移动。

根据另一方面，一种使用脉冲类贝塞尔激光束对材料进行激光预切割的方法，所述材料相对于传播穿过所述材料的所述脉冲类贝塞尔激光束的单光子吸收基本透明，所述方法包括：设置所述脉冲类贝塞尔激光束的光束路径和激光特征，使得单个激光束的特征在于在1ps至100ps范围内的脉冲持续时间以及在5°至30°范围内的锥形半角，并且使得单个激光脉冲与所述材料的交互作用在所述材料中产生延伸穿过所述材料厚度的至少50％或至少70％或至少90％的细长的单个激光脉冲损伤区；并且通过沿着所述材料扫描所述脉冲类贝塞尔激光束而预切割所述材料，使得彼此紧挨着的连续的激光脉冲的单个激光脉冲损伤区相对彼此在1μm至4μm的范围内移动。

根据另一方面，一种使用脉冲类贝塞尔激光束对材料进行激光预切割的方法，所述材料相对于传播穿过所述材料的所述脉冲激光束的单光子吸收基本透明，所述方法包括：设置所述激光束的光束路径和激光特征使得单个激光脉冲与所述材料的交互作用在所述材料上产生细长的单个激光脉冲损伤区；并且通过沿着所述材料扫描所述脉冲激光束预切割所述材料，使得彼此紧挨着的连续的激光脉冲的单个激光脉冲损伤区对第一扫描序列在所述材料内以第一水平并且对第二扫描序列在所述材料内以第二水平相对彼此移动。

实施方式可以包括一个或多个以下特征。在一些实施例中，所述层状材料包括中心在一对界面区之间的中心拉应力层或中心压应力层，并且其中进行预切割使得所述各个细长的损伤区延伸穿过所述中心拉应力层或所述中心压应力层的至少30％或至少50％或至少70％或至少90％。

在一些实施例中，可以进行预切割使得所述各个细长的损伤区延伸穿过所述层状材料厚度的至少50％或至少70％或至少90％。

在一些实施例中，可以预切割相邻的细长损伤区使得相邻的细长损伤区相对彼此移动至少2μm或至少3μm或至少4μm的距离。

在一些实施例中，所述激光束可以是脉冲类贝塞尔激光束或形成细丝的高斯束，并且其中可以对各预切割位置用单个激光脉冲进行预切割，使得所述细长的损伤区是单个激光脉冲损伤区，并且/或者所述层状材料对传播穿过所述材料的所述激光束，例如所述脉冲类贝塞尔激光束或所述形成细丝的高斯束的单光子吸收基本透明。

在一些实施例中，所述细长的损伤区可以延伸到所述层状材料的前面或后面中，并且可以施加所述分离力使得有损伤的面首先分离。

在一些实施例中，可以在各个预切割位置施加类贝塞尔光束，类贝塞尔光束的锥形半角(θ)在7°至11°(或5°至15°)的范围内，例如设置成9°，一系列激光脉冲的单程应用中的脉冲持续时间在1ps与100ps之间。本发明公开了一种通过用例如单程切割的所谓的类贝塞尔(激光)束的脉冲照射基板来对透明材料进行预切割的方法。类贝塞尔光束沿着狭窄的芯部束表现出从芯部束的径向外截面供应能量的高注量区。

一般而言，诸如零阶贝塞尔光束的类贝塞尔光束的特点例如可以是强烈的中心点，该中心点在基本不发生明显衍射的情况下在传播方向上持续，这与在紧聚焦之后通常强烈发散的标准高斯束的聚焦形成对照。因此，由于类贝塞尔光束的单个脉冲，可以获得高达几毫米及更大的交互作用区，这将导致非常窄的针状激光损伤区。

强烈且超短的类贝塞尔光束在透明材料中的传播概括了在细丝制度与紧聚焦制度之间的制度。事实上，在细丝的情况中，由于聚焦条件弱，激光脉冲能量基本沿着光束轴传播。因此，弱等离子体引起的自散焦应该有助于使强度钳位在极限值以下。在紧聚焦条件中，相比之下，使所有的激光脉冲能量从所有方向朝着共同的焦点汇聚，达到这样多的程度使得所述聚焦再也无法被等离子体散焦抵消，获得非常高的注量，从而触发上述突变过程。

在类贝塞尔光束制度中，激光脉冲能量不在轴线上传播，而是沿着分散在给定锥面上的方向传播，即，相对于轴向传播方向以给定角度传播。因此，类贝塞尔光束制度不同于细丝制度，其中能量主要在轴线上流动，并且对于紧聚焦制度，其中能量在所有方向上流动。因此，类贝塞尔光束的能量没有汇聚到单个(理想的)点，而是汇聚到一条线上。换句话讲，靠在聚焦线上的每个点不接收来自脉冲的全部能量，而是仅接收来自脉冲的环形部分的能量。要注意的是，由于能量来自一侧，所以等离子体散焦会变得无效，并且可以获得非常高的峰值注量，且峰值注量比细丝制度中高很多。然而，由于在每个点进入的能量限于期望值，所以不会发生作为紧聚焦制度的典型特征的切趾现象。

基于上述理解，认识到使用大角度类贝塞尔光束会导致峰值注量大到足够导致发生光学击穿。然而，所述击穿只能在非常微小且精确的小范围的体积中发生，例如，在围绕束轴、直径在激光波长的量级的圆柱类体积中发生，这因此会吸收激光并且变成用于制备材料的强冲击波的来源。然而，由于到达轴线的每个点的受到控制的能量总量，所以可以谨慎地避免作为高斯束紧聚焦制度的特征的切趾行为。

注意到，凭借类贝塞尔激光束的单个脉冲形成细长的损伤区可以提供用于对透明材料进行高精度的激光切割，这种损伤区会在非常长(例如，≥50μm，≥100μm，≥300μm，甚至≥700μm)且非常细(例如，直径≤2μm，≤1.5μm，≤1μm，甚至≤0.5μm)的针状体积内，例如在长度/直径的长宽比>25，≥100，≥500，甚至≥1000的针状体积内引起光学击穿。这种精确性可以至少部分地归因于能控制能量转移到物质的机制，例如，都涉及控制局部产生单次脉冲的冲击压力波 (即，据信产生材料的局部变化，例如损伤，和/或局部形成材料应力的波形) 所需的精确的能量大小，并且控制应当产生所述压力波的横坐标平面的精确位置。要注意的是，尽管产生的细长的损伤区的特征可以是比发生击穿的体积(即，电子等离子体的密度超过吸收的临界值的体积)更大的体积，能够以单脉冲制度 (即，不存在任何热或机械累积效果)工作也有利于形成细小的针状损伤体积，例如，在横向平面中的直径不大于击穿体积的直径，例如≤击穿体积的直径的4 倍或者3倍或者甚至2倍。换句话讲，损伤体积的直径可以比类贝塞尔光束的第一零强度环的直径大≤2倍，或≤1.5倍，或甚至≤1倍。能够以非常高的分辨率控制细长的损伤区的横向大小和位置是旨在提高本文公开的切割过程的质量(例如，锐利度、曲率等)的类贝塞尔光束单脉冲激光切割方法的关键特征。

还要注意的是，致密且超短脉冲的类贝塞尔光束的一般使用不足以获得上述高精度的切割制度，特别是不足以获得所需的局部且受控的光学击穿。事实上，正如已提到的，首要要求是所述超短的类贝塞尔光束的特征为大锥角，例如，锥形半角≥4°，≥7°，≥10°，甚至≥15°，上限受到不使用比该范围所需的激光脉冲能量更多的激光脉冲能量的要求的限制，例如≤30°或25°。需要足够大的角度的原因在于“类贝塞尔光束能量替代长度”，即，已经从第一外环聚焦在轴线上的第一部分能量离开同一轴线并且被来自第二外环的第二部分能量替代的沿着传播方向的长度，自然随着锥角的增大而减小。事实上，更大的锥角支持更快的能量更换。另一方面，由于高峰值强度和高峰值注量(能量密度)，在类贝塞尔中心峰值发生相关的非线性过程，其中Kerr诱导的自聚焦、等离子体诱导的自散焦、自相位调节、时空聚焦、锥形发射、时空不稳定性等的存在会阻碍形成所需的致密的等离子体以及后续的光学击穿。对于给定的峰值强度和注量，所述非线性过程发展达到干扰水平所需的特征长度被称为“类贝塞尔光束非线性长度”，显然，在增加类贝塞尔光束锥角时，“类贝塞尔光束能量替代长度”与(任一)“类贝塞尔光束非线性长度”的比值减小，因此使(线性)能量替代机制能够克服可能引起强度和/或注量水平在光学击穿所需的水平以下的水平发生饱和的任何非线性效应。

此外，应注意到，使用特征为大锥角的超短脉冲类贝塞尔光束可能不足以获得所需的光学击穿。事实上，如果激光脉冲持续时间非常短，例如≤200 fs，或者≤1ps，或者甚至≤7ps，峰值强度(对于给定的脉冲能量)会变得非常高，并且因此相关的Kerr非线性长度变得非常短。因此，严重的不稳定性会占优势，这将阻碍有待形成的致密的等离子体。相比之下，在增加脉冲持续时间时，例如，对于脉冲持续时间≥0.5ps，≥1ps，≥5ps，甚至≥10ps，上线在大约100ps的范围以下(本领域的技术人员能根据例如材料、激光脉冲波长等评价最佳值)，并且因此减小峰值强度，在飞秒制度中事实上并不有效的电子雪崩离子化开始在使等离子体密度增大到所需临界值中发挥关键作用，因此取代多光子离子化，并且相比之下，控制飞秒制度。

鉴于上述内容，用于凭借单脉冲类贝塞尔光束获得透明材料的高精度切割的最佳条件依赖于结合使用足够大的锥角和足够长的脉冲持续时间，例如，在一些实施例中：半宽锥角≥4°，≥7°，≥10°，甚至≥15°，上限受到不使用比该范围所需的激光脉冲能量更多的激光脉冲能量的要求的限制，例如≤30°，并且脉冲持续时间≥0.5ps，≥1ps，≥5ps，甚至≥10ps，上限例如大约为100ps。鉴于本文的公开内容，本领域的技术人员将能够根据例如材料、激光脉冲波长、可用的激光脉冲能量、损伤区的所需长度(即，样品厚度和/或在不同深度可以进行扫描的数量)评价锥角和脉冲持续时间的最佳选择，要记住，由于以上原因，对于给定的脉冲能量和光束大小，更长的持续时间(在具体范围内)允许稍小的锥角，并且因此稍长的损伤区比较短的损伤区更小。

此外，上述考量澄清了可以参与本文公开的预切割过程的关键线性和非线性现象的潜在物理机制和相对重要性。例如，当使用不同的材料(例如，聚合物、陶瓷、半导体、固态晶体和液晶、活体组织等)和不同的激光波长时，本领域的技术人员可以辨别不同的参数范围，例如，不同的锥角或持续时间。

针对透明材料的激光切割，使用类贝塞尔光束比细丝方案的一些优点可以包括：

对于类贝塞尔光束，导致激光脉冲能量转移到物质上，机制并不要求光束剖面的任何非线性变化(例如，自聚焦/自散焦)。因此，类贝塞尔光束产生的效果对于例如脉冲能量、脉冲持续时间、焦点位置、样品厚度等的波动更加健壮。

导致产生长且细的体积(其中产生了高注量)的机制不依赖于非线性光束和脉冲整形，而是仅依赖于线性输入光束的聚焦条件(见下文)。因此，如果可使用足够的光学器件和束宽，则可以实施任意长的通道(例如，任意大的长度/宽度的长宽比)。非线性制度中的情况并非如此。

对于类贝塞尔光束，导致激光脉冲能量转移到物质上，机制可以依赖于光学击穿，并且因此依赖于物质对激光的强烈诱导局部吸收。这种情况允许通过只使用单个激光脉冲，即，在不需要脉冲序列或一串突发脉冲的情况下容易形成所需长度的细长的损伤区。此外，由于击穿诱导的吸收，切割材料所需的总的激光能量有望比细丝制度的激光能量小。

在附图和以下描述中阐述了本文公开的几个实施例的细节。从以下说明和附图及权利要求书中将明白本发明的其他方面、特征、目的和优点。

附图说明

图1是用于采用类贝塞尔光束切割材料的激光系统的示意图；

图2是示出了图1中的激光系统的光学系统中类贝塞尔光束形成的视图；

图3是在激光传播的方向上焦点的峰值注量的示例性曲线图；

图4是在图3中的峰值注量的注量的示例性径向分布图；

图5是单脉冲交互作用区的线性切割路径的示例性图示；

图6是钢化玻璃板的示意性剖视图；

图7是用于贝塞尔光束的激光诱导损伤长度的示意图；

图8是中心聚焦相对于玻璃板的示例性图示；

图9是向前侧偏移的聚焦相对于玻璃板的示例性图示；

图10是向后侧偏移的聚焦相对于玻璃板的示例性图示；

图11是施加在一对玻璃板上的聚焦的示例性图示；

图12是钢化玻璃在侧视(未切开)方向的光学显微图；

图13是图12所示的钢化玻璃的前面(a)和后面(b)的光学显微图；

图14是用于切开预切割材料的示例性制备步骤的图示；

图15是示例性切开步骤的图示；

图16是在不形成裂纹的情况下切开之后的钢化玻璃的侧视图的光学显微图；

图17是在不形成裂纹的情况下切开之后的钢化玻璃的侧视图的光学显微图；

图18是在形成大裂纹的情况下切开之后的钢化玻璃的横截面的光学显微图；

图19是贝塞尔光束的损伤阈值锥形半角取决于激光脉冲持续时间的示例性图示；

图20是损伤阈值激光脉冲能量取决于贝塞尔光束的锥形半角的示例性图示；

图21是裂纹深度取决于激光诱导损伤长度的示例性图示；

图22是钢化玻璃部分的预切割并切开的面的拐角的SEM图；

图23是钢化玻璃部分的预切割并切开的面的中部的SEM图；

图24是具有影响其形状的紧密度的单脉冲交互作用区的弯曲切割路径的示例性图示；

图25图示了激光传播移动扫描截面的示例。

具体实施方式

以下是本发明的示例性实施例的详细描述。本文描述并且用附图示出的示例性实施例旨在教导本发明的原则，从而允许本领域的普通技术人员在许多不同的环境下实施并使用本发明并且将本发明用于许多不同的应用中。因此，示例性实施例并不旨在，并且不应当被认为是专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护范围应当由所附权利要求书来限定。

本发明部分地基于以下过程的实现：激光与材料的交互作用可以沿着激光传播方向重构材料，并且例如导致材料内的改性区，本文中也称为细长(内部)损伤区。在材料的特定厚度范围内沿着分离线和/或在材料内的特定位置和/ 或彼此相距的特定距离提供这些内部改性区和/或提供具有特定直径的内部改性区，以允许影响材料在分离线上的切开行为。

例如，在钢化玻璃的应力层之间的界面区上提供这些内部改性区甚至可以允许切开钢化玻璃，即，在钢化过程之后。此外或可替代地，在例如玻璃、石英或钢化玻璃的透明材料的特定厚度范围内提供这些内部改性区可以允许以高质量截面从材料切开部分材料。

因此，已发现以单脉冲/单程模式操作可以提高切割质量，并且与此同时，可以提高切割速度。内部改性区可以基本沿着激光束传播方向呈圆柱状延伸。在切开期间，内部改性区在材料内引起择优的分离面。当发生分离时，改性材料沿着分离面可以与切割面之一关联，使得一个切割面包括改性材料，而另一个切割面包括相反的匹配结构。例如，一个切割面可以具有平行管状孔洞形状的截面，而另一个切割面表现为平行轴向圆柱形截面，例如，改性区的“负形式”及“正形式”。由此，可以形成具有类似形貌的区域，该区域包括管状孔洞的表面结构和/或长宽比等于或大于10或100(例如在10至1000或20至500或50 至100的范围内)的圆柱形截面。

对于导致烧蚀材料区域为具有修正折射指数的材料包围的管状区域的激光交互作用，如果切开面在整个烧蚀材料区域上延伸，则两个切割面可以表现为半边管。在切割面内，各个截面可以包括不同类型的这种表面结构。然而，只要切开动作受到激光预切割的影响，切开面就以非常低的粗糙度延伸(例如，在低于30μm，例如，低于1μm的范围内，达到约0.5μm的粗糙度)，并且因此未钢化的及已钢化的透明材料两者都可以获得精确的切割表面。

此外，本文公开的方法及系统旨在确保高速、高精确度和高可重复性，并且特别地可以旨在加工层状材料，例如，加工具有几个应力层的钢化玻璃。

具体地讲，公开了使用具有类贝塞尔光束配置的激光束的单程切割，因为类贝塞尔光束沿着狭窄的芯部束表现出从芯部束的径向外截面供应能量的高注量区。

诸如零阶贝塞尔光束的类贝塞尔光束的特点例如可以是强烈的中心点，该中心点在基本不发生明显衍射的情况下在传播方向上持续，这与在紧聚焦之后通常强烈发散的标准高斯束的聚焦形成对照。因此，由于单个激光的类贝塞尔激光束脉冲，可以获得高达几厘米及更大的交互作用区，这将导致非常窄的针状激光损伤区。

本发明进一步部分地基于以下过程的实现：通过将包括折射率改变区和纳米通道的激光改性区(例如，用空气中锥形半角高于17度的零阶贝塞尔光束的类贝塞尔光束形成在玻璃中)放置成彼此靠近，就可以建造预切割材料，这种预切割材料可以切开以形成平面裂纹并且在各个改性区的任一侧上施加压力时允许较为容易地使散装材料分成块。

此外，本发明部分地基于以下过程的实现：假如造成的损伤在界面区上延伸并且/或者例如覆盖一个压应力层与整个拉应力层的结合，造成钢化玻璃损伤的单脉冲类贝塞尔光束可以允许精确地切割材料。

类贝塞尔光束的特征在于径向强度剖面中的同心条纹。例如，类贝塞尔光束可以具有例如零阶贝塞尔光束的横向强度剖面。此外，当穿过隔膜或任何径向限制的光学元件从而形成例如所谓的变迹贝塞尔光束时，可以产生(径向) 截头的类贝塞尔光束。在一些实施例中，类贝塞尔光束可以从高斯束产生，并且因此被称为变迹贝塞尔-高斯束。

对于预切割的厚样品，可以使用具有非常长的非衍射区的类贝塞尔光束。当维持光学系统内的光学元件的孔隙时，通过减小类贝塞尔光束的锥角，原则上可以获得更长(扩大)的浓缩束区(即，更长的“非衍射区”)。此外，已发现，对于给定的激光脉冲持续时间，类贝塞尔光束的最小锥角存在确定的极限，在该极限以上能造成细长的损伤，这能导致精确的单脉冲及单程材料激光切割。

如果使用所述阈值以下的类贝塞尔光束，则由于激光改性区减小且不充分的长度，再也不能进行单脉冲激光预切割，使得例如用高斯束进行多次操作(例如，每个位置10个脉冲)成为必要。

此外，已发现，对于光学元件的给定孔隙，通过增加激光脉冲的持续时间可以克服最小锥角的上述极限(即，限定能进行预切割材料的最大厚度的浓缩束区的最大长度的极限)。据推测，在激光脉冲与材料更长的交互作用时间段内，多光子离子化所产生的电子通过电子雪崩离子化而在数量上翻倍。

换句话讲，已发现允许产生所需的细长的损伤区的(i)类贝塞尔光束的最小锥角取决于(ii)激光脉冲的持续时间。具体地讲，当增加脉冲持续时间时，所需的最小锥角减小。

以此方式，为光束路径参数和激光束的激光特征参数选择制度可以允许预切割厚度为例如0.75mm的钢化玻璃，此厚度是通常用于手机窗口屏幕的厚度。通过使用例如皮秒或飞秒激光器的低成本、商业化、高重复率的短脉冲激光器可以以单脉冲、单程制度精确地进行预切割。要注意的是，对于一些参数制度，可以仅需要使用皮秒脉冲类贝塞尔光束来代替飞秒脉冲的持续时间。

在下文中，结合图1至图5公开了示例性激光系统以及它们在激光预切割机中的应用。结合图6至图11，公开了相对于类贝塞尔光束在传播方向上的峰值注量分布定位材料的方面。结合图16至图18、图22和图23，公开了按照本文提出的方式预切割材料所得的切开面的方面。结合图19至图21，公开了激光材料交互作用取决于光束路径参数和激光特征参数的方面。结合图24，针对弯曲扫描示例性地讨论了在损伤区的侧面形状上的形成效果。结合图25(a) 和图25(b)，通过使用在传播方向上移动的扫描部分公开了多次扫描序列。

参见图1，用于通过采用类贝塞尔激光束加工透明样品3的示例性激光加工系统1包括激光系统5、光学系统7和X-Y-Z平移机构9。

激光系统5被配置成输送可专门调节的瞬时持续时间的短激光脉冲。激光系统5的实例是Pharos激光器，激光脉冲的最小脉冲持续时间为230fs，中心波长为1030nm，脉冲重复率高达600kHz。

光学系统7包括类贝塞尔光束形光学系统11和物镜13，该物镜用于形成由激光系统1提供的基于类贝塞尔光束的高斯束并且用于将高斯束聚焦在样品3上。

参见图2，光学元件的示例性配置限定沿着光学系统7的激光束传播轴线Z的光束路径8。具体地讲，光学系统7包括伸缩的结构以经由空间滤光产生高质量类贝塞尔光束。例如，光学系统7包括：轴棱镜透镜15，例如具有178°的顶角；物镜13的第一透镜L1，具有不透光块B；物镜的第二透镜L2，具有焦距f2；物镜的第三透镜L3，具有焦距f3；物镜的第四透镜L4，具有焦距f4。不透光块B位于透镜L1的焦平面，并且形成阻挡不希望的光束部分的空间滤光系统；例如，通过轴棱镜透镜15的弯曲尖端渗出的高斯束。透镜L2和L3形成用于使轴棱镜透镜15后产生的类贝塞尔光束解放大的伸缩束成像系统。物镜13 的第四透镜L4设置类贝塞尔光束的锥形半角θ，并且使其聚焦在样品3上。由于具有这种配置的光学元件，所以可以形成具有锥形半角在7°至12°的范围内或者甚至在5°至18°的范围内的类贝塞尔光束。

参见图2所示的实施例，光学系统7可以用于产生例如零阶类贝塞尔光束，透镜L1可以是根据所需的贝塞尔光束焦距f1在100mm至250mm的范围内变化的平凸透镜，透镜L2和L3可以分别是焦距f2和f3固定在例如300mm 的平凸透镜上。L4是放大倍率为20x且数值孔径为0.4的显微物镜镜头。

平移机构9可以被配置成用于沿着激光传播方向的轴线Z以及例如与激光传播的轴线Z垂直的方向X和Y相对于类贝塞尔激光束定位样品3。虽然在图1中平移机构9被配置成支撑样品3，可替代地或另外，平移机构可以设置成用于使激光系统5和/或光学系统7相对于样品3运动。

参见图3，示出了沿着传播轴线Z测量的峰值注量的示例性纵向注量曲线图17。具体地讲，在中心束峰值处的归一化光束注量F(归一化峰值注量) 根据Z方向的位置表示。由此，注量被定义为能量密度(J/cm²)。对于通过实验方法产生的在空气中的锥形半角θ为9°的类贝塞尔光束，纵向注量曲线图17沿着光束传播方向测量的半高宽为540μm。纵向注量曲线图17大约在纵向位置Z ＝800μm处表现出最大值。光学材料内的半高宽通常比折射率大于1的材料更长，例如，约1.5的折射率将导致约800μm的半高宽值。

图4示出了示例性的横向注量曲线图19，根据X方向(即，与Z方向垂直)上的位置示出了归一化峰值注量。具体地讲，对于通过实验方法产生的锥形半角为9°的类贝塞尔光束，横向注量曲线图19取自图3的纵向位置Z＝800 μm。横向注量曲线图19示出了由类贝塞尔光束的各个光束切趾函数设置的在光束直径上的几个特征同心条纹。类贝塞尔光束的中央核心21的半高宽W核在Z ＝800μm处，约2.5μm。

通过在轴棱镜透镜15的入口测量的真实切趾半高宽直径可以设置光束切趾函数。根据方程Dapod＝k*2*L/n*tg(θ)*M，依据锥形半角θ、单个激光脉冲损伤区L的长度、没有轴棱镜透镜15的光学系统7的缩小倍率1/M(其中 M大于1)、材料的折射率n以及例如可选参数k(0.5<k<2)设置光束切趾函数。

参见图5，示出了用激光加工系统1进行激光加工。图5是通过在前面上照射类贝塞尔光束的激光脉冲进行加工的样品3的前面23的俯视图。沿着预定的预切割路径25扫描样品3，该预定的预切割路径例如沿着X方向延伸。

进行激光扫描使得连续的激光脉冲沿着预切割路径25照射前面23 的不同区域。在图5中，圆圈27示意性地代表类贝塞尔激光束的核心照射样品 3的区域。圆圈27具有中心X_N-1，X_N，X_N+1...，这些中心以距离dx间隔开并且与预切割位置对应。因此，在每个圆圈27内，损伤区沿着传播轴线Z并且围绕中心X_N-1，X_N，X_N+1的各个中心延伸。示例性的间距条件可以使用至少1μm、至少2μm或至少4μm的距离，例如2μm，或脉冲类贝塞尔激光束的半高宽处核的心束腰的至少80％或至少100％的距离dx，使得它们没有太靠近前一个激光损伤区，因为这样会影响当前的光束传播并且因此影响该激光损伤区的质量。4 μm的距离dx可以允许高速度和高质量的预切割。

在一些实施例中，扫描以单程扫描的方式进行。单程涉及以下事实：激光束仅经过(通过)沿着切割路径的每个部分一次。因此，源自选定的激光脉冲的单个激光脉冲损伤区(在中心X_N周围)仅具有源自在时间上紧挨着选定激光脉冲之前照射的单个激光脉冲的单个直接相邻的单个激光脉冲损伤区(在中心 X_N-1周围)，以及源自在时间上紧挨着选定激光脉冲之后照射的单个激光脉冲的单个直接相邻的单个激光脉冲损伤区(在中心X_N+1周围)。

换句话讲，进行扫描使得在单程扫描期间，脉冲类贝塞尔激光束不会返回到此前照射的位置，使得源自选定的激光脉冲的单个激光脉冲损伤区(在中心X_N周围)仅具有源自在时间上紧挨着选定激光脉冲之前照射的单个激光脉冲的单个直接相邻的单个激光脉冲损伤区(在中心X_N-1周围)，以及源自在时间上紧挨着选定激光脉冲之后照射的单个激光脉冲的单个直接相邻的单个激光脉冲损伤区(在中心X_N+1周围)。

结合图1至图5公开的材料加工的第一步在本文中也称为预切割，因为(由于损伤区在沿着切割路径25预切割之后有限地延伸)通常在切割路径 25两侧的材料部分之间留有结构连接。在损伤区从前面(激光束经过前面进入材料)延伸到背面(激光束经过背面从材料出来)的情况中一般也可以存在留下的结构连接。

本文公开的几个方面参照层状材料。层状材料的实例包括至少一个拉伸应力层、至少一个压应力层以及至少一个拉伸应力层与至少一个压应力层之间的至少一个界面区。

在图6中，示意性地示出了厚度为DS的钢化玻璃31作为层状材料的具体实例。钢化玻璃31包括两个压应力层，前面33的前压应力层CSL1和背面35的后压应力层CSL2，以及两者之间的一个拉应力层TSL。因此，钢化玻璃31包括两个界面区，前压应力层CSL1与拉应力层TSL之间的界面区IR1以及拉应力层TSL与后压应力层CSL2之间的界面区IR2。

钢化玻璃因其前表面比非钢化玻璃具有更高的强度而用作显示面板、安全窗口等的基板。一般而言，玻璃材料通过以下方式进行钢化：使用化学或热钢化处理，从而在样品表面形成压应力层。压应力层的厚度可以例如在50 μm至70μm的范围内。拉应力层可以因此在材料内延伸。由于这些应力层，常规的切割钢化玻璃会容易造成不规则的碎片。然而，本文中公开的方法可以允许钢化玻璃切割具有高质量切割表面。

以下结合图7至图13公开了示出单个激光脉冲损伤的阈值注量以上的注量延伸的实例。

参见图7，例如，注量曲线图示意性地示出了沿着传播方向Z的类贝塞尔光束的核心注量F的变化。此外，示出了在传播方向Z上的最大损伤长度DLmax，其中峰值注量F在用于光学损伤的阈值Fth以上，基本假定该阈值与光学击穿的阈值对应。具体地讲，阈值Fth以上的注量会造成光学击穿，并且从而改变材料的内部结构，例如，形成损伤区或者甚至损毁材料的烧蚀。假定尽管烧蚀是一种类型的激光诱导损伤，但是例如折射率变化、密度或甚至硬度变化之类的其他类型的激光诱导损伤也存在，并且可以具有相同的效果来使切开过程对称，使得高质量的切割面引起例如主要在一个平面(比如，激光诱导损伤区的平面或紧挨着的平面)内延伸。

在本文中，激光诱导损伤区可以被认为是由于激光交互作用而在切开之后观察到的结构上的样品区。与结合图22和图23所示的SEM图公开的相同，在切割面的不同截面上可以存在不同类型的结构。因此，与以下结合图16 至图18讨论的相同，例如，在切割面的光学显微图中可以看到激光诱导损伤区。一般而言，激光诱导损伤区的长度可以定义为样品截面的长度，该样品截面示出了在一个平面上(如果沿着X方向扫描样品，则在XZ平面上)的损伤，并且不包括样品的任何开裂截面，开裂截面通常涉及激光束没有进行预切割的部分。激光诱导损伤区在本文中被认为是由于与照射的激光束的高注量交互作用而造成一些材料变化的未切开的材料的区域。

一般而言，激光诱导损伤区和激光诱导损伤区域的延伸(长度)彼此对应，并且在本文中被称为激光诱导损伤长度DL，例如图7所示的最大激光诱导损伤长度DLmax。此外，对于线性平移运动而言，连续激光脉冲的单个激光脉冲损伤区相对彼此平行并且基本延伸(用于单纯的侧向平移运动)相同的激光诱导损伤长度。

一般而言，例如这种类贝塞尔光束的单脉冲与在激光束穿过材料传播时相对于激光束的单光子吸收基本透明的材料的交互作用可以建立在多光子离子化的基础上。多光子离子化可以伴随着电子雪崩光致电离并且导致产生单个激光脉冲损伤区。单个激光脉冲损伤区的长度可以在几百μm至高达1mm的范围内，并且在激光束传播的方向上可以更大，其长度在径向方向上可以在低于约 2μm的范围内。单个激光脉冲损伤区的延伸取决于例如核心束的焦点内的场强，并且因此取决于光学系统7内的光束路径以及例如激光脉冲系统的脉冲类贝塞尔激光束的激光器特征和激光系统5的激光脉冲持续时间。

对于高强度的激光，材料的烧蚀(在表面或材料内进行)可以起主导作用。对于低强度的激光而言，会发生材料本身(其内部结构)的变化，例如，由于原子结构变化而发生硬度或折射率的变化。

相对于单光子吸收的透射率与以下事实对应：例如因为带隙大于光子能，单光子吸收不是下面的离子化过程。根据多光子离子化的离子化一般以离子化阈值表征，使得也在空间上明确界定损伤区的形成。例如，材料可以在近红外和/或可见光光谱范围内透明。

当进行材料的预切割时，可以以这样一种方式维持样品相对于激光束的位置：浓缩的光束区(激光束的注量(J/cm²)在最大注量的1/2以上的空间中的体积)位于任一个样品面上。然后，例如在样品前面或样品背面上的注量可以最高。可替代地，浓缩的光束区可以完全位于样品内，使得样品面上更大注量在阈值注量以下或者甚至为零。

针对厚度为DS1的材料，样品的稍后位置如图8所示。图8示出了激光诱导损伤区域至少具有在传播方向Z上延伸穿过整个样品的长度DL1(即，至少DL1＝DS1)的聚焦几何形状。在这种情况下，激光诱导损伤与样品的前面 43和背面45两者连接。

对于图6所示的层状玻璃而言，图8的聚焦位置确保所有的应力层以及所有的界面区域进行预切割。

图9示出了厚度为DS1的材料的聚焦位置，由此仅前面43受到上述阈值的注量。相应地，材料内形成长度为DL2的激光诱导损伤区域，该激光诱导损伤区域具有比厚度DS1小的长度。与图8所示的聚焦几何形状形成对照，激光诱导损伤区域仅与前面43连接，但是没有与背面45连接。

对于图6所示的层状(例如，钢化)玻璃而言，当厚度DS1与长度 DL2之间的差值大于后压应力层CSL2的厚度时，图9的聚焦位置只会形成该前压应力层CSL1，并且包括界面区IR1的仅仅一部分拉应力层TSL经过预切割。

类似地，图10示出了厚度为DS1的材料的聚焦位置，由此仅背面 45受到上述阈值的注量，即，与图8和图9所示的聚焦几何形状形成对照。

具体地讲，对于图6中的钢化玻璃，当厚度DS1与长度DL3之间的差值大于压应力层CSL1的厚度时，图10的聚焦位置只会形成一部分拉应力层 TSL，并且包括界面区IR2的(整个)后压应力层CSL2经过预切割。

参见图11，两个板状样品47和49的堆层的预切割被图示为同时加工多个材料的实例。在图11的实例中，例如钢化玻璃的样品具有DS2和DS3 的厚度，并且激光诱导损伤的最大长度DLmax大于两个样品的总厚度，DLmax> DS2+DS3。图11的实施例示出了对于足够长的诱导损伤长度DLmax，有可能同时预切割多个材料板。

图12和图13进一步示出了图8的聚焦位置。具体地讲，图12示出了厚度为700μm的预切割钢化玻璃的侧视光学显微图。用锥形半角为9°、单位脉冲的激光能量为72μJ并且激光脉冲持续时间为11ps的类贝塞尔光束进行激光预切割。连续交互作用的激光脉冲之间的距离dx是4.5μm。钢化玻璃尚未分离使得单个激光脉冲损伤区维持完整并且从侧面可以观察到。激光诱导损伤区在整个钢化玻璃上延伸。光学显微图示出了前面53和后面55，前面和后面均示出了激光束进入钢化玻璃并从钢化玻璃出来的位置处的暗斑。前面53的图13(a)的俯视图和后面55的图13(b)的俯视图清楚地表明了沿着切割路径的单个脉冲交互作用区(前面53上的损伤区54和后面55上的损伤区56)。

再次参见图12，侧视图示出了直线延伸的暗线，为了说明的目的加粗了其中的一条暗线，该暗线穿过钢化玻璃从前面53延伸到后面55，并且清楚示出了激光诱导损伤区57在钢化玻璃内的长度测距。

在下文中，结合图14和图15公开了材料加工的第二(分离)步骤。例如通过使用定制设计的设备施加压力来实现材料部分的机械分离。然而，要注意的是，在一些实施例中，材料内的内应力会引发材料同时分成多个部分。

在预切割步骤之后，通过在切割路径上施力可以使材料分离。图14 和图15以简单的方式示出了基于机械装置的示例性分离步骤。具体地讲，根据图14，预切割样品的前面和后面分别用一对覆盖板61和63覆盖。这对覆盖板 61和63被配置成使得切割路径是优选的断开线。例如，覆盖板61和63沿着如图14所示的切割路径位置通过以例如15°的低角度锥形尖端为特征而弱化。覆盖板61、63可以是由例如铝的硬材料制成的。图14示出了全部四个锥形尖端的示例性布置。点划线65示出了切割路径的法线，该法线与激光束的传播方向对应。

在一些实施例中，软的海绵类材料(例如，可压缩到几百微米的厚度，未示出)可以放置在样品3与覆盖板61和63之间作为减震器。分离可以通过以下方式进行：握住样品3被夹住的一侧(例如，图14左边的一侧)，并且在例如与样品另一侧中心处的点划线65平行的箭头方向上施力66。

图15示出了样品3断成两部分67和69的断开运动。

当激光诱导损伤区没有覆盖整个样品时，断开(即，施加压力)的方向会很重要。可以选择断开的方向使得与激光诱导损伤区连接的表面首先打开。在激光诱导损伤区覆盖样品的整个表面的实施例中，断开的方向并不重要，并且可以在任一侧上施加压力。

通过光学显微镜法可以观察到激光诱导损伤区。图16至图18示例性地示出了激光诱导损伤区的不同延伸及定位的侧视光学显微图。图示了在厚度为700μm的钢化玻璃上用于实验测试的切割质量。切割质量特别是由紧挨着前面/后面的裂纹深度限定并且取决于结合图8至图10示出的激光诱导损伤区的长度和聚焦几何形状。用锥形半角为9°、脉冲持续时间为11ps并且脉冲间隔为2μm 的类贝塞尔光束进行预切割。

具体地讲，图16示出了横截面光学显微图，该显微图示出了没有任何裂纹的加工表面。在这种情况下的聚焦几何形状与图8所示的聚焦几何形状类似，使得激光诱导损伤区(长度DL1为700μm)在钢化玻璃的整个厚度上延伸，即，从前面73延伸到后面75。

在图17中，预切割对应于与图10所示类似的聚焦几何形状，但是由于满足条件DL>CSL+TSL，所以仍然属于图21中归为区域II(以下讨论) 的操作制度。压应力层内不存在裂纹。要注意的是，当激光诱导损伤区从后面覆盖几乎70％的样品时，也可以观察到前面上的烧蚀/损伤，因为表面的损伤阈值低于任何透明材料的大部分的损伤阈值。

在图18中，示出了通过预切割并切开的钢化玻璃的横截面光学显微图，类贝塞尔光束相对于样品的前面73的位置设置成与图10所示的位置类似。然而，激光诱导损伤区域设置成仅为370μm，并且因此稍微大于钢化玻璃厚度的50％。

在图18中，可以看到厚度约为100μm的开裂区71与前面73相邻。在后面75中，由于激光预切割，有一个看起来像经过抛光并且具有表示高质量切割的图案的区域77。紧接着的是具有仍然在区域77的平面内通过切开过程形成的并且因此具有高质量的图案的区域79。具体地讲，约370μm的长度DL3 与区域77和79对应，并且小于压应力层CSL2和拉应力层TSL的厚度总和。在区域79与裂纹区71之间，有另一个带独特图案的区域81，该独特图案可能是由于未受控制的切开，从而该区域不受预切割的影响并且不在预切割的平面中使得区域81与低质量切割对应。

裂纹区71和区域81的粗糙度可以显著大于预切割影响区77和79 的表面粗糙度，后者的表面粗糙度可以在仅几微米的范围内或者甚至在亚微米的范围内。

当激光诱导损伤区没有沿着厚度覆盖足够的长度时，通常可以观察到图18中存在不同的区域。具体地讲，图18中的不同区域可能是由于以下事实造成：激光诱导损伤区的长度DL3不够长而不足以提供切开过程在整个厚度上的对称性。

然而，图18的条件仍然可以允许充分切开预切割钢化玻璃，因为压应力层CSL2与拉应力层TSL之间的界面区从属于激光损伤区。

参照图16至图18，激光诱导损伤区域被限定为从光学显微图明显在上面观察到规则的损伤图案的样品的区域。这里要注意的是，激光诱导损伤区域的长度可以定义为样品的整个长度，整个长度包括在一个平面上(如果沿着X 方向扫描样品，则在XZ平面上)的损伤，并且因此不包括样品的开裂部分以及未使用激光加工样品的部分。

图19至图21示出了各种实验数据。参见图19，对于图10的聚焦几何形状而言，示出了可以在钢化玻璃上引起损伤的类贝塞尔光束的最小锥形半角θ取决于激光脉冲持续时间τ。相邻的损伤区域之间的距离dx约为2μm。对于更小的锥形半角而言，需要更长的脉冲。

参见图20，对于图10的聚焦几何形状，示出了可以在钢化玻璃上引起损伤的最小激光能量E(以μJ为单位)取决于类贝塞尔光束的选定锥形半角θ。通过用脉冲持续时间为11ps的激光脉冲预切割厚度为700μm的钢化玻璃来确定阈值激光能量。相邻的损伤区域之间的距离dx约为2μm。阈值能量定义为造成足够长而足以预切割钢化玻璃的激光诱导损伤区的最小能量(针对特定的锥形半角)。

参见图21，对于图10中的聚焦几何形状、厚度为700μm的钢化玻璃、持续时间为11ps的激光脉冲以及锥形半角为9°的贝塞尔光束，示出了从前面的裂纹深度Dcrack取决于激光诱导损伤区的长度DL。相邻的损伤区域之间的距离dx约为2μm。在图21中，示出了I区，其中裂纹出现在钢化玻璃前面的压应力层CSL1上。

I区基本与激光诱导损伤长度DL小于一个压应力层和一个拉应力层的组合厚度的聚焦几何形状对应。

II区与激光诱导损伤长度DL大于一个压应力层和一个拉应力层的组合厚度的聚焦几何形状对应。在II区中，没有出现裂纹；即使激光诱导损伤长度DL小于两个压应力层和一个拉应力层的组合厚度，即，即使样品比激光诱导损伤区更厚。

基于上述内容，已确认的是，(最小)所需的单位脉冲能量主要取决于样品厚度，并且可以在例如每100μm厚度1μJ至40μJ，例如每100μm厚度 2μJ至20μJ的范围内(例如每100μm厚度5μJ)，特别是取决于材料和激光光谱，但是微弱地取决于选定的锥角或置位脉冲持续时间。这可以从图19(教导了对于更长的样品，即，更小的角度，需要更长的脉冲)和图20(讲到了脉冲能量随着脉冲持续时间的增大而增大)的结合的粗略近似值中看出。

然而，具有正确的单位脉冲能量不足以实现单脉冲预切割。事实上，如果碰巧脉冲短且锥角小，则阻止了单脉冲预切割。然而，则可以通过延长脉冲持续时间和/或增加锥角来达到单脉冲预切割制度。要注意的是，为了增加锥角并且同时能保持同一样品长度，还进一步需要增加光束大小(例如，通过增加类贝塞尔光束的光束切趾函数)使得保证相同的贝塞尔区。要注意的是，由于以固定的能量进行该操作，所以平均能量密度增加。然而，由于在实施过程中观察到这并不影响切割性能，因为类贝塞尔光束的核心具有更小的尺寸，并且在合理的角度范围内，注量仍然在用于改变材料并进行由此可接受的预切割的阈值以上。

增大锥角要求增大光束直径，并且因此要求增大光学元件的大小，而这将会是昂贵的。相比之下，延长脉冲持续时间可以只是要求对脉冲进行线性调频，这对飞秒或皮秒激光脉冲持续时间是容易可行的。此外，由于皮秒激光器通常比飞秒激光器更便宜，因此提出使用皮秒(而非飞秒)激光系统用于单脉冲预切割厚样品(例如，在0.5mm至1.5mm范围内的厚度)。

换句话讲，已发现在延长脉冲持续时间时(因此降低成本)，单脉冲切割所需的最小锥角度减小。对于固定的样品长度，这允许更小的光束和更小的光学器件，并且由此允许更便宜且更容易操作的装置。出人意外的是，主张更长的脉冲并不要求具备更大的激光脉冲能量(或平均功率)。实际上，如果仔细观察数据，则甚至可以稍微降低最小能量。因此，例如，提出皮秒脉冲持续时间(例如，在5ps至15ps的范围内，比如10ps)用于“便宜”但高质量的单脉冲预切割。

参见图22和图23，复制了厚度为540μm的钢化玻璃的预切割且切开部分的SEM图像。在图22中，预切割且切开部分的拐角示出了在切割面上的规则表面结构。特别地，形成了一系列平行的半管，并且这些平行的半管沿着切割面从前面延伸。在图23中，示出了预切割并切开的部分的中间部分。表面结构涉及具有不同结构类型的切割面的不同截面。特别地，表面结构保持水平延伸。然而，除半管结构之外，还可以辨别出半圆柱体形的突出形状。

参见图22和图23，可以获得在低于30μm，例如，低于1μm(比如约0.5μm)的范围内的表面粗糙度。

在一些实施例中，设置用于预切割的参数以便减少如上所述用于激光预切割所需的时间，并且因此提高切割速度。为此，可以增大相邻的细长损伤区之间的距离。例如在单程扫描的实施例中，可以预切割相邻的细长损伤区，使得相邻的细长损伤区相对彼此移动至少1μm或至少2μm或至少3μm或至少4μm 的距离。自然地，相邻的损伤区之间的距离越大，在完成预切割激光过程之后可能需要切开/分开材料部分的力(外力或内力)就会更大。通常，有一个距离的上限，在此上限以上，相邻的损伤区不足以给切开/分开过程提供足够高质量的切割表面。这些限制的距离取决于材料的厚度并且在2μm至50μm的范围内，例如，在4μm至10μm的范围内。

在一些实施例中，可以设置用于预切割的参数以便在完成预切割之后使材料的切割部分分开所需的努力最小。正如之前所指出的，这可以甚至引发自发分离，即，完全不需要外(机械)力。

例如，根据损伤区的密度和延伸以及材料性能，切割部分可以发生自发分离。优选地，在完成预切割过程之后，应当自发分离的部分例如在10s或5s之后或者甚至在1s之后或更短时间内发生自发分离。为此，可以结合激光损伤区在激光传播方向上各自的延伸(例如，50％或更大，甚至高达完全穿过材料延伸)来选择相邻的细长损伤区之间的更小距离，例如，小于10μm或5μm或2μm或 1.5μm或者甚至小于1μm的距离。

此外，本发明人注意到，对于任何一组激光脉冲参数(包括脉冲持续时间、锥角、脉冲能量和光束切趾)，都存在相邻的损伤区不再独立的交叉距离dcross。例如，如果相邻的细长损伤区之间的距离比交叉距离dcross更小，则两个损伤区在第二损伤区的体积形状取决于存在第一损伤区的意义上不再独立。

示例性地，就例如类贝塞尔光束的径向对称束的情况而言，各光束通常形成(不存在任何相邻光束的情况下)径向对称的损伤区域。然而，如果第二光束位于充分靠近相邻的损伤区，则存在该损伤区并且材料中潜在地存在相关应力会引起第二光束进行损伤，这种损伤不仅就独立损伤区而言沿着Z方向伸长，而且相对于相邻的损伤区也伸长。例如，沿着连接两个损伤区的方向会发生变形(示例性地称为图5中的X方向)。

在其他方面，第二脉冲损伤区的体积形状不是圆柱形的，而是三维椭圆体，其短轴沿着Y方向，是与X方向和激光传播方向Z垂直的方向。

本发明人进一步注意到，损伤区在X方向上的这种细长的外观可能不仅仅是由于两个相邻的损伤区的两部分重叠的事实所造成的假象。在一些情况下，沿着X方向相对于相邻损伤区的损伤伸长不仅在朝着第一相邻损伤区的方向上突出，而且在背离该相邻损伤区的方向上突出。

甚至进一步假设，通过与以下脉冲交互作用可以以类似方式影响此前形成的损伤区。

观察到的现象可以解释成因为第二脉冲在因第一脉冲的影响已产生应力的材料中引起应力。两个激光诱导机械应力的叠加在材料内产生压力，该压力的较大值自然沿着两个脉冲所属的方向，例如，沿着Y方向。因此，材料损伤区(例如，材料内的体积区域，比如折射率发生变化或者形成显微裂纹等的体积区域等)的特征可以是在与该力垂直的XZ平面内的最大延伸。这种情况特别相关，因为当考虑到沿着切割线的一系列众多脉冲时，这可能不允许形成一系列独立的损伤圆柱形体积，但是此外可能允许形成在XZ平面上广泛延伸的准连续或事实上连续的损伤表面(是平面的，或者根据预切割线，即，根据一系列损伤区的定位弯曲)。

图24示出了细长的损伤区由于紧密地存在现有的细长的损伤区而具有的变形效果。特别地，图24示出了一系列位置X_N-1、XN、X_N+1。举例来说，这一系列位置以弯曲形状位于例如玻璃板的材料板的表面上，示例性地，圆的截面以虚线分隔线700示出。分隔线700使例如拐角区域中的手机屏710与外截面 720分开。在此实例中，手机屏710在其内部区域中没有任何细长的损伤区。另外，材料的外截面720没有任何损伤区，使得仅沿着分离线700发生分离(至少对于作为细长的损伤区的这些区域，通常伴随着在损伤区延伸的范围内的表面在侧向方向上发生变化；根据图24的实施例，延续沿着分离线，并且对于弯曲边界，通常基本穿过整个材料厚度)。

此外，图24用与图5类似的圆27及椭圆形形状以灰阶形式示出了各位置X_N-1、X_N、X_N+1。为了更清楚地图示细长的损伤区的椭圆形变形，在周围用虚线示出了两个椭圆形形状730。对于图24的具体实例，变形在相邻的已存在细长的损伤区的方向上。大小和形状仅示意性地示出以说明XY平面的变形，例如，在样品的表面平面上。

如图24所示，细长的损伤区在扫描的方向(即，分离线700)上比在其侧向上延伸约1.5倍。应当理解的是，通过引导分离过程(裂纹形成绕着拐角“弯曲”)，特别是在弯曲的分离线的情况下，对称断裂可以影响断裂分离过程。

此外，对于小位移而言，前一个细长的损伤区的形状也会受到影响，使得该损伤区的形状会在扫描的方向上变宽(图24未示出)。

此外，细长的损伤区所引发的接近(甚至接近到达形成连续的损伤区)可以进一步支持手机屏710和外截面720的自主分离。

就连接所述两部的材料被去除的烧蚀线的情况而言，用于产生自分离的损伤区的激光加工在本文中不被认为是切割，因为两部分材料并不立即分离。与此形成对照，本文公开的材料部分分离可以仅在完成激光加工之后进行，例如，在激光脉冲加工整个分离线之后进行。示例的完成的切割线的特征可以是材料周界上的起始点和端点两者，并且/或者可以是具有重叠的起始点和端点的结构，并且/或者可以是已去除的材料部分。

例如通过施加外力来切开，可以向后进行分离过程(并且因此在以上讨论的意义上完成切割)。例如，在相邻的损伤区很好地分离的情况中可以实施分离过程。然而，如上所述，如果XZ平面中的损伤面足够大，并且/或者如果由于预切割动作而累积的内应力足够大，也可以在完成预切割之后自发地进行分离。发生这种自发分离可以被理解为因为激光交互作用而在材料内产生很大的应力量，并且当两部分材料最终分离时所述应力会释放。要注意的是，为了防止材料沿着与分离线不同的线断裂，重要的是，调节激光参数使得优选地不累积过大的应力。优选地，设置参数，使得自发分离在完成预切割之前不会启动。如果自发分离在完成分离之前开始，则特别是在尚未进行预切割的这些区域中会发生随机断裂。

根据上述内容，在某些实施例中，相邻的损伤区之间的距离被选择成足够小，以确保损伤体积相对于任何脉冲的形状是具有与分离线(例如，在图 5中的Y方向上)垂直的短轴的三维椭球体的形状。在一些实施例中，损伤区在 X轴上的延伸是在Y轴上的延伸的例如1.2倍，优选为1.5倍或更多，例如2倍。出于上述考量，它被称为限制损伤区的最小椭球体。

在一些实施例中，激光参数可以被调节成使得，如果激光预切割在第一个激光脉冲之后并且在到达样品周界或起始位置之前的任何位置中断，则损伤区相对于相邻脉冲的形状背离相邻脉冲的损伤区沿着扫描方向，例如，沿着图 5中的X方向，比沿着与分离平面垂直的方向(例如，图5中的Y方向与XZ平面垂直)多延伸例如1.2倍或1.5倍或2倍。

在一些实施例中，通过凭借顶部和底部材料表面之间引起的温度梯度而形成的热应力可以启动材料的预切割部分的分离。例如，可以在材料的厚度方向上引起1°或更大，例如3°或更大，例如10°的梯度。在一些实施例中，通过在材料的一侧上吹送暖空气或冷空气，或者通过从材料表面侧之一蒸发水分可以产生温度梯度。

在一些实施例中，例如通过两侧快速的外部冷却或加热过程可以在外表面与内部块体材料之间引起温度梯度。

在另外的实施例中，材料的预切割部分的分离可以通过声波来启动，例如通过使用超声波(例如，频率在17KHz以上的范围内，优选地在19KHz 以上，更优选地在20KHz以上，并且功率在10W至1000W的范围内，优选地在50W至500W的范围内，更优选地在100W至300W的范围内)。此外，关于自发分离，类贝塞尔光束切割技术在不需要机械切开的情况下可以被配置为单步骤钢化玻璃切割技术。可以实现仅单个加工步骤，例如预切割以提供自断裂条件，有时候加上简单的第二张力增加步骤(例如，加热、吹气、冷凝冷却等)。钢化层之间的张力可以用作使预切割材料分离的自断裂力。自分离允许任意形状的切割，例如图24所示的圆形切割。

例如，如果钢化层之间的材料(包括钢化层)因激光交互作用而通过以下方式受损则可以在没有机械切开步骤的情况下切割钢化玻璃：由钢化层引起的应力足够大以沿着预切割过程形成的分离线使材料断开。在一些实施例中，通过激光或材料表面之间的温度差可以开始断裂。

在某些条件下，可以不需要执行机械切开的第二步骤。在一些配置中，激光脉冲沿着分离线靠近彼此输送，并且例如在样品顶部与底部之间引起的温度差充分或者分离甚至自己开始的程度造成损伤。计时甚至可以设置成具体的时间差以允许将材料输送到预切割系统外。

示例性地，这会导致在1或2分钟之后或者在样品上吹空气后的几秒内自发地进行切开。通过在待切开的两个部分之间施加轻微的初始分离力也可以启动切开。

如上所述，自分离方法可以用于钢化玻璃，但是也可以用于非钢化玻璃，例如蓝宝石。虽然对于经过高温回火的材料而言，可以更容易设置用于自分离的构造。

此外，如果激光参数不允许在分离线内提供所需的损伤区延伸，则多次扫描方法(如本文所述)变得非常有必要。

自分离方法的特定优点是用于弯曲分离线的上述应用。机械启动的断裂过程会更倾向于低质量的分离平面或者延伸到材料中的裂纹。

在一些实施例中，对于自分离而言，细长的损伤区可能需要从一侧延伸到另一侧(或者至少延伸厚度的90％)。具体地讲，这可能是自分离沿着弯曲的分离线的情形。

在以下内容中，示例性地公开了几个过程，旨在为各种情形提供具体方案：

过程A

在过程A中，激光及扫描参数被设置成以便确保自发断裂不会在预切割阶段期间发生，并且在完成预切割阶段之后几秒发生，例如在完成之后约 10s、5s、1s发生。激光参数包括，例如至少一个锥角、脉冲持续时间、光束切趾和脉冲能量。可以按照本文所述根据材料的厚度进行参数设置，使得确保预切割所需的高质量和高速度。扫描参数包括例如分离平面内相邻的细长的损伤区之间的距离；例如，距离在高达4μm、或高达2μm、或高达1.5μm或者甚至高达 1μm的范围内。在一些实施例中，距离设置成足够小以确保对于任何脉冲的损伤体积的形状为具有与扫描方向垂直的短轴的三维椭球体的形状，例如，三维椭球体的Y延伸比三维椭球体的X延伸短至少1.2倍、至少1.5倍或至少2倍。

过程B

在一些实施例中，激光及扫描参数被设置成这样以实现过程A的条件，进一步的要求是细长的损伤区覆盖样品厚度的至少70％、至少90％或甚至 100％，或者在层状材料的情况下至少覆盖压应力层与拉应力层之间的所有界面。

过程C(示例性多次扫描方法)

在一些实施例中，激光及扫描参数被设置成这样以实现过程A或B 的条件，进一步的要求是预切割包括两次或更多次扫描，其中第一次扫描产生第一多个细长的损伤区，这些损伤区的中心在材料内的第一Z坐标，并且第二次扫描产生第二多个细长的损伤区，这些损伤区的中心在材料内的第二Z坐标，并且其中各细长的损伤区可以内接于三维椭球体，该三维椭球体的Z延伸比三维椭球体的Y延伸大至少10倍、至少20倍或至少30倍，例如100倍。

过程D

在一些实施例中，激光及扫描参数被设置成这样以实现过程C的条件，并且其中第一次和第二次扫描之间的距离是这样以保证第一次扫描的第一脉冲以及以相同或相似的XY坐标启动的第二次扫描对应的第二脉冲(它们在侧向上的距离小于属于同一扫描的两个相邻脉冲之间的距离)的并发动作导致形成所得的损伤区，该损伤区在Z方向上的延伸大于所述第一和第二脉冲将单独形成的损伤区的延伸的总和(例如，如果它们在XY平面上以大距离发射脉冲)。

过程E

在一些实施例中，激光及扫描参数被设置成这样以实现过程D的条件，其中该材料不是层状材料，并且其中每单个脉冲产生的细长的损伤区的长度小于或等于样品厚度的50％，例如，在样品厚度的30％至50％之间。

过程F

在一些实施例中，激光及扫描参数被设置成这样以实现过程A或B 的条件，并且其中所述激光及扫描参数被设置成以便通过三次扫描进行预切割，其中第一次扫描产生第一多个细长的损伤区，这些损伤区的中心在材料内的第一 Z坐标，并且第二次扫描产生第二多个细长的损伤区，这些损伤区的中心在材料内的第二Z坐标，并且第三次扫描产生第三多个细长的损伤区，这些损伤区的中心在材料内的第三Z坐标，并且其中各细长的损伤区可以内接于三维椭球体，该三维椭球体的Z延伸比Y延伸大至少10倍、至少20倍或至少30倍。

过程G

在一些实施例中，激光及扫描参数被设置成这样以实现任一前述过程的条件，并且其中一定数量(N)的相邻脉冲所产生的总损伤体积Vtot是N*V0 的至少70％、至少90％或至少100％，其中V0是由远离任何相邻脉冲的单个脉冲产生的典型损伤体积。

过程H

在一些实施例中，激光及扫描参数被设置成这样以实现任一前述过程的条件，并且其中预切割过程在不存在以下各项的情况下进行：任何烧蚀和/ 或化学蚀刻方法；和/或导致局部去除材料并且/或者在完成预切割过程之前在通过预切割线分离的材料部分之间形成间隙的任何其他手段。

相对于上述公开的多次扫描方法，图25示出了在不同高度位置扫描的两个示例性相对取向。图25(a)示出了Z方向(即，沿着激光束的传播方向) 上的位移，而图25(b)另外示出了分离平面内的位移。

参见图25(a)，在位置XNZ1处示意性地示出了沿着扫描方向(X 方向)的四个细长的损伤区857(Z1)，这些损伤区沿着Z方向延伸的中心在Z1。细长的损伤区857(Z1)从后面845朝着前面843延伸材料的整个厚度的约2/3。细长的损伤区857(Z1)是长宽比大于10(长比宽)的单个激光脉冲损伤区，分离在损伤区的宽度范围内。

例如，一旦已经追踪整个扫描图案，激光系统朝着前面843调节其焦距△Z。图25(a)示例性地示出了△Z是细长的损伤区在Z方向上的长度的一半。然后，追踪同一分离线，并且激光损伤区857Z2位于沿着分离线的同一位置XNZ1处，这些损伤区沿着Z方向延伸的中心在Z2。由此，形成了从后面 845延伸到前面843的多次扫描的细长的损伤区。

与图25(a)形成对照，图25(b)另外示出了Z1处的扫描和Z2处的扫描的损伤区移动扫描的后续激光损伤区之间的位移dx一半的距离。由此，产生了从位置XNZ1的后面845延伸到位置XNZ2的前面843的分离线内连续延伸的损伤区。

因此，在多个不同的Z位置进行扫描使得沿着分离线的单个扫描内的脉冲之间的Z位置没有变化。因此，用于预切割的整个扫描包括沿着分离线在一个Z位置进行的扫描(第一扫描部分)以及在不同的Z位置进行的第二次扫描(第二扫描部分)等等。

参见图25，在不同的Z位置进行的扫描以连续脉冲之间相同的位移进行(例如，相同的扫描速度和重复率)。然而，不同的Z位置处扫描的差别也可以设置成使得例如第二扫描仅仅使图25(a)中的每第二个损伤区延伸。由此，例如可以调节自发分离行为。类似地，在Z方向的重叠或延伸可以适合用于正确分开或者甚至自分离的行为。

对于太硬或太厚的材料(相对于可以用给定的激光系统设置的细长的损伤区)，在不同的Z位置处扫描的数量可以更多。此外，如图25所示，可以形成连续的损伤区作为多次脉冲的损伤区(即，源自彼此过渡的不同脉冲的损伤区)的实例。

本文公开的激光系统可以包括用于设置各种参数的控制单元。例如，光束路径参数设置可以包括设置锥形半角在7°至12°或15°的范围内，例如9°，并且激光特征参数设置可以包括设置入射到轴棱镜上单位脉冲的激光能量为32 μJ；大约1064nm的激光波长，从而提供样品内的类贝塞尔光束诱导损伤长度为样品厚度的至少50％、至少70％或至少90％。此外，控制单元可以允许根据激光重复率以及相邻的激光诱导损伤区之间的距离设置扫描速度为例如300mm/s。一般而言，当切开预切割材料时，涉及在切开过程(即，不是由于激光加工)期间已从块状玻璃剥离亦或在平面(即，不是激光传播的平面)外受损的这部分材料的前面/后面上会形成裂纹。在切割(激光预切割和/或切开)的任何阶段期间应当将这些裂纹的尺寸维持为尽可能地小，以在平面内形成损伤，从而允许通过切开较为容易将块状材料分成两部分并且得到基本平面的损伤区。

虽然主要结合单个类贝塞尔激光束脉冲公开了上述实施例，但是本领域技术人员会认识到，通过基于高斯激光束实施激光交互作用并且涉及用于形成所需长度的激光诱导损伤区的自聚焦(也称为形成细丝的高斯束)也可以实现一些方面(例如，涉及预切割带应力层的材料的方面)。

要进一步注意的是，由于以单脉冲和单程制度进行例如钢化玻璃的切割，细长的单脉冲损伤区之间的间隔固定，所以切割速度仅仅与激光重复率成正比。例如，在300mm/s的扫描速度下实现了精确的预切割，这种扫描是使用的平移台的极限。对于厚度为约1mm的样品而言，具体地讲，不是用于高斯束切割，这种预切割扫描速度并不为本发明人所知。

本文公开的切割方法可以应用于固态透明的光学材料，如结合附图所述的钢化玻璃以及非钢化玻璃和蓝宝石。然而，可替代地或另外，柔性材料或软材料也可以属于公开的方法。具体地讲，软的人体或动物组织，例如，人的眼角膜，可以通过使用本文公开的方法并且基于例如脉冲类贝塞尔光束进行预切割。

激光系统的变型可以包括例如去除图2所示的第一望远镜，即，去除组件透镜L1、不透光块B和透镜L2。此外，在轴棱镜透镜15的尖端的质量和所得的类贝塞尔光束足以用所需的高亮切割钢化玻璃的这些实施例中，可以不需要空间滤光。

在一些实施例中，可以应用在2ps至25ps，例如17ps或20ps的范围内的皮秒脉冲持续时间以使用可商购的激光系统。光学改型可以允许细长的损伤区，该损伤区具有所需的性能，例如长度和径向尺寸。

在一些实施例中，在各个预切割位置施加类贝塞尔光束，类贝塞尔光束的锥形半角(θ)在5°至25°的范围内，例如设置成13.8°或17°，一系列激光脉冲的单程或多程应用中的脉冲持续时间在1ps与100ps之间的范围内。

在一些实施例中，样品的厚度在几十微米至几毫米的范围内，例如在至少100μm至5mm的范围内，例如在500μm至2mm的范围内，例如700μm、 800μm、900μm或1mm。

一般而言，激光损伤区的分离线与感兴趣的材料部分相邻或者甚至将其包围以分隔成单独的部分。在一些实施例中，用激光束扫描分隔线(一次或几次)。在一些实施例中，在分隔线的每侧都有感兴趣的部分。为了提供清楚的切割面，激光损伤区可以位于根据感兴趣的部分的形状呈直线或弯曲的单条线的位置。

虽然公开了相邻的损伤区之间距离的下限在1微米或几微米的范围内，但是上限可以取决于切割面的所需质量、损伤区的侧向延伸。因此，上限可以在2μm至50μm的范围内，例如4μm、9μm或10μm。

损伤区的特征可以是它们沿着激光传播方向和侧向尺寸延伸的长宽比。在一些实施例中，长宽比可以在10至1000的范围内，或者在50至500的范围内，例如100、200、300或400。对于例如椭圆形的非对称侧面形状而言，可以根据最小直径(例如，椭圆的短轴)的方向来考虑长宽比。完全延伸越过平板的损伤区可以因此基于平板的厚度与损伤区的侧向尺寸之间的比值，例如700 μm/1μm＝700或700μm/10μm＝70或1000μm/10μm＝100或100μm/10μm＝10。

如图5所示，预切割路径25限定圆27的位置，例如，激光束的预切割位置。在图5中，虽然圆27的中心X_N-1、X_N、X_N+1示意性地在直线上，但是中心X_N-1、X_N、X_N+1..也可以设置在曲线上，从而得到曲线部分，例如具有通过直线连接的弯曲拐角的部分。例如，曲率半径可以在几微米至几米的范围内，例如，在100μm至10mm的范围内。因此，X_N-1、X_N、X_N+1并不理解为仅仅是沿着平移机构9(参见图1)的x坐标的位置，但是一般理解为样品3上的位置 X(即，包括x坐标和y坐标)。

1μm的位移距离dx例如可以用100mm/s的行进速度以及100kHz 的重复率来实现。因此，根据重复率和平移台的运动，位移距离dx可以被选定为使得相邻的单个脉冲损伤区之间基本没有重叠或有重叠。

虽然本文已描述本发明的优选实施例，但是在不脱离以下权利要求书的范围的情况下可以并入改进和变型。

Claims

1.一种用脉冲类贝塞尔激光束(14)对层状材料(31)进行激光预切割的方法，其中所述层状材料(31)包括至少一个拉应力层(TSL)、至少一个压应力层(CSL1，CSL2)以及所述至少一个拉应力层(TSL)与所述至少一个压应力层(CSL1，CSL2)之间的至少一个界面区(IR1，IR2)，并且所述层状材料(31)是透明的，以允许所述激光束(14)传播穿过所述层状材料(31)，所述方法包括：

设置所述激光束(14)的光束路径(8)和激光特征，使得所述激光束(14)与所述层状材料(31)的交互作用在所述层状材料(31)中产生细长的单个激光脉冲损伤区(57)；并且

对于所述层状材料(31)的一系列预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)的每个位置而言，通过使所述层状材料(31)和所述激光束(14)相对彼此定位并且照射所述激光束(14)，使得所述各个细长的单个激光脉冲损伤区(57)延伸穿过所述至少一个界面区(IR1，IR2)来预切割所述层状材料(31)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束(14)的光束路径(8)和激光特征被设置成使得：

所述细长的损伤区的特征在于长宽比在10至1000的范围内；并且

相邻的细长的损伤区之间的距离(dx)大于0.5μm并且为至多4μm；并且

所述激光脉冲持续时间在1ps至100ps的范围内；并且

所述类贝塞尔光束的特征为锥形半角(θ)≥4°，所述锥形半角(θ)的上限为≤30°。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述层状材料(31)包括前面(33)，并且所述至少一个拉应力层(TSL)或所述至少一个压应力层(CSL1，CSL2)位于所述前面(33)与所述至少一个界面区(IR1，IR2)之间，并且其中进行预切割使得所述各个细长的损伤区(57)从所述前面(33)延伸穿过所述至少一个拉应力层(TSL)或所述至少一个压应力层(CSL1，CSL2)，并且贯穿所述至少一个界面区(IR1，IR2)而进入到各自的相邻层中；并且/或者

其中所述层状材料(31)包括后面(35)，并且所述至少一个拉应力层(TSL)或所述至少一个压应力层(CSL1，CSL2)位于所述后面(35)与所述至少一个界面区(IR1，IR2)之间，并且其中进行预切割，以使得所述各个细长的损伤区(57)从所述后面(35)延伸穿过所述至少一个拉应力层(TSL)或所述至少一个压应力层(CSL1，CSL2)，并且贯穿所述至少一个界面区(IR1，IR2)而进入到各自的相邻层中。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述层状材料(31)包括中心在一对界面区(IR1，IR2)之间的中心拉应力层(TSL)或中心压应力层，并且其中进行预切割使得所述各个细长的损伤区(57)延伸穿过所述中心拉应力层(TSL)或所述中心压应力层的至少30％。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中进行预切割使得所述各个细长的损伤区(57)延伸穿过所述层状材料(31)的厚度(DS)的至少50％。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中预切割相邻的细长的损伤区(57)使得相邻的细长损伤区(57)相对彼此移动的距离(dx)在1μm至3μm的范围内。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中对各预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)用单个激光脉冲进行预切割，使得所述细长的损伤区(57)是单个激光脉冲损伤区，并且/或者所述层状材料(31)对传播穿过所述材料的所述激光束(14)的单光子吸收基本透明。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中彼此紧挨着的连续的激光脉冲的单个激光脉冲损伤区对第一扫描序列在所述材料内以第一水平并且对第二扫描序列在所述材料内以第二水平相对彼此移动。

9.一种使材料(31)分成材料部分(67，69)的方法，所述材料包括至少一个拉应力层(TSL)、至少一个压应力层(CSL1，CSL2)以及所述至少一个拉应力层(TSL)与所述至少一个压应力层(CSL1，CSL2)之间的至少一个界面区(IR1，IR2)，所述方法包括：

根据权利要求1或2所述的方法预切割所述层状材料(31)，从而沿着分离线形成延伸穿过所述至少一个界面区(IR1，IR2)的细长的损伤区(57)；并且

在所述层状材料(31)上施加作用在所述一系列预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)上的分离力(66)，从而沿着所述一系列预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)切开所述层状材料(31)，并且/或者

在所述层状材料上施加温差，并且/或者其中所述细长的损伤区(57)的程度足以使在1秒或更多秒的时间间隔之后，所述应力层的内应力启动所述材料部分的自分离。

10.一种使用脉冲类贝塞尔激光束(14)对材料(3，31)进行激光预切割的方法，所述材料(3，31)相对于传播穿过所述材料(3，31)的所述脉冲类贝塞尔激光束的单光子吸收基本透明，所述方法包括：

设置所述脉冲类贝塞尔激光束(14)的光束路径(8)和激光特征，使得单个激光脉冲的特征在于脉冲持续时间在1ps至100ps的范围内，并且锥形半角在7°至12°的范围内，并且使得单个激光脉冲与所述材料(3，31)的交互作用在所述材料(3，31)中产生延伸穿过所述材料(3，31)的厚度的至少50％的细长的单个激光脉冲损伤区(57)；并且

通过沿着所述材料(3，31)扫描所述脉冲类贝塞尔激光束而预切割所述材料(3，31)，使得彼此紧挨着的连续的激光脉冲的单个激光脉冲损伤区相对彼此在1μm至4μm的范围内移动。

11.根据权利要求1,2和10中的任一项所述的方法，其中所述材料(3，31)具有板状形状，并且在所述板的延伸方向上进行所述扫描，使得相邻的细长的单个激光脉冲损伤区相对彼此移动所述单个激光脉冲损伤区(57)内存在的脉冲类贝塞尔激光束(14)的核心(21)的半高宽处的束腰的至少80％的最小距离，使得相邻的细长的单个激光脉冲损伤区(57)的位移(dx)被选定为使得第一脉冲的第一单个激光脉冲损伤区基本不影响产生挨着所述第一单个激光脉冲损伤区的第二单个激光脉冲损伤区的第二脉冲的传播。

12.根据权利要求1,2和10中的任一项所述的方法，其中所述光束路径(8)和所述激光特征被选定为使得光学击穿离子化制度中的多光子过程是所述单个激光脉冲损伤的潜在过程，从而为所述激光束(14)的光束路径(8)和激光特征的参数限定损伤阈值，并且/或者其中所述脉冲持续时间(τ)被选定为使得所述多光子过程伴随着电子雪崩离子化。

13.根据权利要求1,2和10中的任一项所述的方法，还包括：

接收有关所述材料(3，31)的厚度(DS)的信息；

确定以预设的断裂质量使所述材料(3，31)断裂所需的所述细长的单个激光脉冲损伤区(57)的最小长度；

对于预切割，确定与所述最小长度对应的最小激光脉冲能量以上的脉冲能量(E)；并且进行以下选择中的至少一个：

对于所述最小激光脉冲能量和一组锥形半角，选择单个激光脉冲损伤的阈值激光脉冲持续时间以上的脉冲持续时间，并且/或者选择最终聚焦透镜之前的所述脉冲贝塞尔激光束的光束直径，并且/或者，

对于至少所述最小激光脉冲能量和一组持续时间，选择阈值锥形半角以上的锥形半角，并且/或者

选择所述激光脉冲能量、所述锥形半角和/或所述脉冲持续时间，

使得所述单个激光脉冲损伤区(57)至少在所述最小长度上延伸，并且/或者使得所述脉冲类贝塞尔激光束(14)的峰值注量保持在光学击穿至少所述确定的最小长度的阈值以上。

14.一种用于从材料(3，31)分离材料部分(67，69)的方法，所述材料(3，31)相对于传播穿过所述材料(3，31)的脉冲类贝塞尔激光束(14)的单光子吸收基本透明，所述方法包括：

根据权利要求1至6和10至11中的任一项所述的方法预切割所述材料(3，31)，从而沿着切割路径(25)在一系列预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)形成细长的单个激光脉冲损伤区(57)；并且

在所述材料(3，31)上施加作用在所述一系列预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)上的分离力(66)，从而沿着所述一系列预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)切开所述材料(3，31)，并且/或者

15.根据权利要求1,10和14中任一项所述的方法，其中所述激光束(14)的光束路径(8)和激光特征被设置成使得：

所述细长的损伤区的特征在于长宽比在10至1000的范围内；并且/或者相邻的细长的损伤区之间的距离(dx)在1μm至4μm的范围内；并且

所述激光脉冲持续时间在1ps至100ps的范围内；并且

所述类贝塞尔光束的特征是锥形半角所述锥形半角的上限为≤30°，并且

所述预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)位于包括直线和/或弯曲部分的分离线上。

16.一种使用脉冲类贝塞尔光束(14)预切割材料(3，31)的激光加工系统(1)，其中所述材料(3，31)相对于传播穿过所述材料(3，31)的所述脉冲类贝塞尔激光束的单光子吸收基本透明，所述激光加工系统(1)包括：

用于提供脉冲激光束的激光光源(5)，使得激光脉冲持续时间(τ)在1ps至100ps之间；

用于从所述激光光源(5)引导所述脉冲激光束到所述材料(3，31)并将所述脉冲激光束转换成脉冲类贝塞尔激光束(14)的光学系统(7)；

用于相对于所述脉冲类贝塞尔激光束定位所述材料(3，31)的平移机构(9)；

控制单元，被配置成设置所述脉冲类贝塞尔激光束(14)的光束路径(8)和激光特征，使得所述脉冲类贝塞尔激光束(14)的单个激光脉冲与所述材料(3，31)交互作用，在所述材料(3，31)中产生延伸穿过所述材料(3，31)的厚度(DS)的至少50％的细长的单个脉冲损伤区(57)，并且对于所述材料(3，31)的一系列预切割位置(X_N-1，X_N，X_N+1)的每个位置而言，所述控制单元被配置成使所述材料(3，31)和所述脉冲类贝塞尔激光束(14)相对彼此定位并且照射所述脉冲类贝塞尔激光束(14)，使得连续激光脉冲的单个激光脉冲损伤区(57)相对彼此移动，所移动的距离(dx)位于2μm至50μm之间，从而预切割所述材料(3，31)。