CN106029590A - 显示器玻璃组合物的激光切割 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于切割和分离透明材料的薄基材的激光切割技术，例如切割主要用于生产薄膜晶体管(TFT)装置的显示器玻璃组合物。所述激光方法可用于例如以>1米/秒的速度来制备直线切割，用于切割尖锐半径的外部角(<1毫米)，和用于形成任意弯曲的形状，其包括形成内部孔和狭缝。激光加工碱土硼铝硅酸盐玻璃复合材料工件的方法包括将脉冲激光束聚焦成聚焦线。将聚焦线引导进入玻璃复合材料工件，这在材料之内产生诱导吸收。使得工件和激光束沿着轮廓相对于彼此平移来形成多个缺陷线，且相邻缺陷线的间隔是0.1微米‑20微米。

Description

显示器玻璃组合物的激光切割

相关申请

本申请根据35 U.S.C.§120要求2014年10月31日提交的美国专利申请号14/529520的优先权，其要求2014年7月11日提交的美国临时专利申请号62/023471、2014年7月10日提交的美国临时专利申请号62/022885、2013年12月17日提交的美国临时专利申请号61/917208以及2013年12月17日提交的美国临时专利申请号61/917213的优先权。以上各文的全部内容通过引用纳入本文。

背景

材料的激光加工领域包括各种应用和不同种类的材料，该应用涉及切割、钻孔、研磨、焊接、熔融等。在这些应用中，特别感兴趣的一种应用是切割或分离不同类型的基材，例如分离薄膜晶体管(TFT)玻璃组合物的工艺。

从工艺开发和成本角度看，有许多机会来改善玻璃基材的切割和分离。提供比当今市场中所实施的更快、更干净、更便宜、更可重复和更可靠的玻璃分离方法是非常有意义的。在几种替代技术中，已使用不同方法尝试和验证了激光分离。所述技术包括：1)实际地除去在所需的零件(或多个零件)的边界之间的材料和其基质；2)在材料的本体之内形成缺陷，以沿着所需轮廓的周界弱化材料或为材料接种裂纹引发点，然后进行辅助的破碎步骤；和3)通过热应力分离使得初始裂纹扩展。与竞争性技术(机械划割和破裂，高压水喷射和超声研磨等)相比，这些激光切割过程证明了潜在的经济和技术优势，例如精确性、良好的边缘精磨和低残留应力。

概述

本申请描述了用于切割和分离透明材料的薄基材的激光切割技术，且具体来说，切割主要用于生产薄膜晶体管(TFT)装置的显示器玻璃组合物。所述激光方法可用于以最高达>1米/秒的速度来制备直线切割，用于切割尖锐的半径外部角(<1毫米)，和用于形成任意弯曲的形状，其包括形成内部孔和狭缝。

本发明还描述切割玻璃且随后后续地使用各种方法加工零件的方法，从而将切割的玻璃零件的边缘强度和边缘冲击强度升高到比仅用切割过程所可能实现的水平更高得多的水平。本文所述的方法还可在单一通过(pass)中，切割这些玻璃的堆叠件，这改善了加工时间和机械利用率。

在一种实施方式中，激光加工碱土硼铝硅酸盐玻璃复合材料工件的方法包括将脉冲激光束聚焦成沿着束传播方向取向的激光束聚焦线。还将激光束聚焦线引导进入玻璃复合材料工件，所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收，且所述诱导吸收在工件之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线或损坏痕迹。所述方法还包括使得工件和激光束沿着轮廓相对于彼此平移，由此在工件之内沿着轮廓激光形成多个缺陷线，其中相邻缺陷线之间的周期性是0.1微米-20微米。其它实施方式包括用这种方法制备的玻璃制品。

在工件之内沿着轮廓激光形成多个缺陷线可促进沿着由轮廓限定的表面分离工件，从而形成分离的表面。诱导吸收可产生小于或等于约0.5微米的切割和分离边缘的Ra表面粗糙度。诱导吸收还可在分离的表面上产生具有小于3微米平均直径的颗粒。

开发的激光方法可定制用于从面板手动或机械分离零件，或者通过对所需的轮廓施加热应力来进行完全激光分离。所述方法涉及利用超短脉冲激光，且可随后使用CO₂激光来形成热应力，有时与高压空气流结合，用于完全自动化分离。

附图简要说明

根据下文对如在附图中所示的示例实施方式的更具体的描述，上述内容将变得显而易见，在附图中在全部不同的视图中相同的附图标记表示相同的部分。附图不必按比例绘制，相反重点是显示示例性实施方式。

图1A-1C显示改性的玻璃的开裂线(或穿孔线)，其具有等间距间隔的缺陷线或损坏痕迹。

图2A和2B显示设置激光束聚焦线,即因沿着聚焦线的诱导吸收而导致的对于激光波长而言是透明的材料的加工。

图3A显示根据一种实施方式的用于激光加工的光学组装件。

图3B-1到3B-4显示通过相对于基材不同地设置激光束聚焦线来加工基材的各种方式。

图4显示用于激光加工的光学组装件的第二实施方式。

图5A和5B显示用于激光加工的光学组装件的第三实施方式。

图6示意性地显示用于激光加工的光学组装件的第四实施方式。

图7显示用于材料的激光加工的不同激光强度状况。图7A显示未聚焦的激光束，图7B显示使用球形透镜浓缩的激光束，且图7C显示用轴棱锥或衍射菲涅耳(Fresnel)透镜浓缩的激光束。

图8A显示示例性脉冲群之内的激光脉冲的相对强度随时间变化的示意图，其中各示例性脉冲群含3个脉冲。

图8B显示示例性脉冲群之内的激光脉冲的相对强度随时间变化的示意图，其中各示例性脉冲群含5个脉冲。

图8C显示直线切割的0.024mm和0.134mm厚的薄膜晶体管(TFT)玻璃带材的切割边缘图象。

图9是直线切割的0.600mm厚Eagle玻璃带材的边缘图象。

图10显示原子离子化能。

图11显示用于连续熔合玻璃制造法的现有玻璃切割方法，其使用机械或CO₂激光划割。

图12A显示在玻璃拉制时(on the glass draw)的基于激光的玻璃切割方法，其中使用水平激光切割从拉制分离玻璃板或玻璃片。

图12B显示在玻璃拉制时的基于激光的玻璃切割方法，其中使用激光来切穿玻璃片的区域，并从拉制移除玻璃的高质量部分。

图13显示通过在拉制高处切割球边(bead)，并在拉制下部水平地切割片，来基于激光的在拉制时切割玻璃。

图14显示通过水平地切割以从拉制除去玻璃，然后使用独立的垂直切割来除去玻璃边缘球边，来基于激光在拉制时切割玻璃。

图15显示对离开拉制的玻璃进行基于激光的切割，以从片除去裁剪的或废弃的玻璃。

图16显示在拉制时的基于激光的切割工艺，其使用多阶段炉子将玻璃片保持在接近玻璃退火点的温度下。

图17显示多阶段炉子，其构造成赋予在拉制上进行切割的玻璃片以规定的温度冷却分布。

具体描述

下面将描述示例实施方式。

本发明提供用于将玻璃组合物例如碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物玻璃如TFT(薄膜晶体管)玻璃组合物(例如，Eagle康宁Lotus^TM等)精确切割和分离成将构成由玻璃基材制成的成品零件的东西的方法。碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物可制造成适于用作电子装置如薄膜晶体管的应用的基材。这意味着碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物玻璃组合物的热膨胀系数(CTE)常常与硅的热膨胀系数相似(不大于5ppm/℃,优选地小于4ppm/℃,例如约3ppm/℃,或2.5-3.5ppm/℃),且在玻璃之内具有较低水平的碱金属。较低水平的碱金属或痕量(即,0-2％,优选地<1重量％,例如<0.5重量％,)对于用于TFT应用的玻璃是优选的，因为在有些情况下，碱金属掺杂剂可从玻璃渗出，并污染硅工艺，这是不理想的。所述激光切割方法以可控方式分离零件，且具有可忽略的碎片、极少的缺陷和对边缘的较低的表面下损坏，从而保持零件强度。开发的激光方法非常适用于对选定的激光波长透明的材料。这个波长可为例如,1064,532,355或266纳米。工件或TFT玻璃组合物应优选地对选定的激光波长是基本上透明的(即，吸收小于约10％和优选地小于约1％/毫米的材料深度)。适于厚度为0.025mm-0.7mm的Eagle组合物来演示所述方法。应指出通过本文所述的方法从更大的片分离或切割出玻璃以后，可将倒角方法(如2013年12月17日提交的美国专利申请号61/917,213所述，该文的全部内容通过引用纳入本文)应用于康宁Eagle 玻璃。

如下所述的加工基础步骤是形成垂直开裂线，其描绘所需形状，且形成用于裂纹扩展的具有最低阻力的路径，并因此对从基材基质分离和拆分所述形状具有最低阻力。可调节和构造激光分离方法来实现从原始的基材手动或机械分离、部分分离或完全分离玻璃形状。

在所述第一步中，用超短脉冲(脉冲宽度小于100皮秒)激光束(波长小于或等于1064nm)辐照待加工的物体，该激光束浓缩成高长径比的线性聚焦，其穿透基材的厚度。在这个高能量密度体积之内，通过非线性效应来改性材料。需特别指出的是，没有这种高光学强度，就不能引发非线性吸收。在低于这个强度阈值的情况下，材料对激光辐射是透明的，且仍然处于其原始状态。通过在所需的线或路径上扫描激光，我们形成狭窄的缺陷线或轮廓或路径(几微米宽)，并限定待在下一步中分离的周界或形状。

激光源可在基本上透明的材料例如玻璃复合材料工件中形成多光子吸收(MPA)。MPA是同时吸收两个或多个相同或不同频率的光子，从而将分子从一个态(通常是基态)激发到更高能量态(离子化)。涉及的分子的较低和较高态之间的能量差等于所述两个光子的能量之和。MPA也称作诱导吸收，其可为二级或三级(或更高级数)的过程，例如其比线性吸收弱几个量级。其与线性吸收的不同之处在于例如二级诱导吸收的强度可与光强度的平方成正比，因此其是非线性光学过程。

一旦形成具有垂直缺陷或穿孔的线或轮廓，可通过下述来进行分离：1)在穿孔开裂线上或周围手动或机械施加应力；该应力或压力应形成张力，其将穿孔开裂线的两侧牵拉开，并断开仍然连接在一起的区域；2)使用热源来绕着开裂线形成应力区域，从而使垂直缺陷或穿孔开裂线处于张力中，并诱导部分地或全部的分离。在两种情况下，分离都取决于多种加工参数，例如激光扫描速度、激光功率、透镜参数、脉冲宽度、重复率等。

这种激光切割方法利用超短脉冲激光以及光学器件，所述光学器件产生聚焦线以完全穿孔玻璃组合物的主体范围。在一些实施方式中,单个脉冲的脉冲持续时间是大于约1皮秒-小于约100皮秒,例如大于约5皮秒且小于约20皮秒,且单个脉冲的重复率(repetition rate)可为约1kHz-4MHz,例如约10kHz-650kHz。

除了在上述单个脉冲重复率下的单一脉冲操作以外,脉冲可2个脉冲或更多(例如,3脉冲,4脉冲,5脉冲,10脉冲,15脉冲,20脉冲,或更多)的脉冲群的形式来产生，且脉冲群之内的单个脉冲之间相隔约1纳秒-约50纳秒，例如10-30纳秒例如约20纳秒的持续时间,且脉冲群重复频率可为约1kHz-约200kHz。(发射脉冲群或产生脉冲群是一种激光操作，其中脉冲发射不是均匀和稳定的流，而是脉冲的紧密簇的形式。)脉冲群激光束可具有选定的波长，从而材料在该波长下是基本上透明的。在材料处测量的平均激光功率/脉冲群可为大于40微焦耳/毫米材料厚度,例如是40微焦耳/毫米-2500微焦耳/毫米,或是500-2250微焦耳/毫米。例如,对于0.1mm-0.2mm厚的康宁Eagle玻璃，可使用200微焦耳脉冲群来切割和分离玻璃,其示例性范围是1000-2000微焦耳/毫米。例如,对于0.5-0.7mm厚的康宁Eagle玻璃,可使用400-700微焦耳脉冲群来切割和分离玻璃,其对应的示例性范围是570微焦耳/毫米(400微焦耳/0.7mm)-1400微焦耳/毫米(700微焦耳/0.5mm)。

相对于激光束移动玻璃(或相对于玻璃平移激光束)以形成穿孔线，其描绘出任何所需零件的形状。激光形成孔状缺陷区域(或损坏痕迹，或缺陷线)，其穿透玻璃的全部深度，且内部开口的直径是约1微米。这些穿孔、缺陷区域、损坏痕迹或缺陷线通常相隔1-15微米(例如,3-12微米,或更优选地,5-10微米)。

如本文所定义，缺陷线的直径或内部直径是玻璃或工件中开口通道或空气孔的内部直径。例如,在本文所述的一些实施方式中，缺陷的内部直径是<500nm,例如≤400nm,或≤300nm。此外，例如缺陷线的内部直径可与激光束聚焦线的光斑直径一样大。激光束聚焦线的平均光斑直径可为约0.1微米-约5微米，例如1.5-3.5微米。在沿着开裂线或轮廓分离工件或玻璃零件以后,仍可能看见在切割的和分离的表面上的缺陷线，且例如其宽度可与缺陷线的内部直径相当。因此,用本文所述的实施方式方法制备的玻璃制品的切割表面上的缺陷线宽度的宽度可为例如约0.1微米-约5微米。

越过单一玻璃片，还可将所述方法用于切割玻璃的堆叠件，且可使用单一激光通过对总高度最高达几毫米的玻璃堆叠件完全穿孔。玻璃堆叠件额外地可在各种位置处具有空气间隙；在单一通过中，激光过程仍然对这种堆叠件的上部和下部玻璃层完全穿孔。

一旦对玻璃进行穿孔，如果玻璃具有充分的内部应力，裂纹将沿着穿孔线扩展，且玻璃片将分离成所需的零件。因为TFT玻璃组合物是具有较低热膨胀系数(CTE<4ppm/℃)和较低内部应力(例如,<10MPa,例如<5MPa以防止当用作显示器时的畸变或双折射)的玻璃,通常施加额外的机械分离力来分离玻璃零件,例如使用沿着穿孔线或穿孔线附近的后续的CO₂激光通过来形成热应力，其沿着相同的预编程的穿孔线分离玻璃。

最后，因为在加工和运输过程中所需的高水平的可靠性，圆化或倒角的边缘是TFT显示器玻璃片的典型要求。用这种技术形成的刚切割(as-cut)的边缘可提供所需的高水平的可靠性。此外，如果需要额外的边缘成形，本文所述的激光切割方法实现边缘倒角，其可额外地增加边缘可靠性的水平(能从应力事件和边缘冲击事件存活的能力)。最后，不管是矩形的、刚切割的边缘或倒角边缘可额外地进行精细抛光或接触抛光，从而甚至进一步改善边缘强度，边缘冲击强度或总体边缘可靠性。可通过下述来实现切割玻璃：(a)在熔合玻璃生产线拉制(即，在线)上，例如在这种生产线拉制的底部处，或(b)离线-即，不是在拉制上，且随后可进行边缘倒角或抛光。

本发明描述用于以可控方式从透明基材精确切割和分离出任意形状的激光方法和设备，具体来说，切割TFT玻璃组合物例如Eagle康宁Lotus^TM等的激光方法和设备，其具有可忽略的碎片和对零件边缘的极少损坏，其保留边缘强度、边缘冲击强度和实现高水平的玻璃边缘可靠性。开发的激光方法依赖于对在线性状况中或较低激光强度下的激光波长的材料透明度，其实现保持干净和原好的表面质量，且依赖于减少的表面下损坏，该表面下损坏由围绕着激光聚焦的高强度区域形成。实现这个过程的关键因素之一是用超短脉冲激光形成的缺陷或缺陷线的高长径比。它使得形成从待切割材料的顶部表面延伸到底部表面的开裂线。原则上，这个缺陷可由单一脉冲来形成，且如有需要，可使用额外的脉冲来增加受影响区域(深度和宽度)的范围。

激光束聚焦线可具有约0.1mm-约10mm,或约0.5mm-约5mm,例如约1mm,约2mm,约3mm,约4mm,约5mm,约6mm,约7mm,约8mm,或约9mm的长度,或约0.1mm-约1mm的长度,并具有约0.1微米-约5微米的平均光斑直径。孔或缺陷线各自可具有0.1微米-10微米,例如0.25-5微米(例如,0.2-0.75微米)的直径。

产生线状聚焦可通过使Gaussian激光束输送进入轴棱锥透镜来进行，在这种情况下，形成具有称作Gauss-Bessel束的束轮廓。与Gaussian束相比，这种束衍射得慢得多(例如，与Gaussian束的几十微米或更小的范围不同，其可在几百微米或毫米的范围中保持单一微米光斑尺寸)。因此，与仅使用Gaussian束相比，与材料的强烈相互作用的焦深或长度将大得多。还可使用其它形式的或缓慢衍射的或非衍射的束，例如Airy束。

如图1A-1C所示,用于切割和分离透明材料，具体来说TFT玻璃组合物的方法主要基于使用超短脉冲激光140，在待加工的材料或工件130中形成开裂线110，其由多个垂直缺陷线120形成。例如，缺陷线120延伸穿过玻璃片的厚度，且垂直于玻璃板的主要(平坦)表面。本文中，“开裂线”也称作“轮廓(contours)”。虽然开裂线或轮廓可为线性的，例如图1A所示的开裂线110，但开裂线或轮廓还可为非线性的，其具有曲率。例如，可通过两维地而不是一维地相对于彼此平移工件130或激光束140，来产生弯曲的开裂线或轮廓。取决于材料性质(吸收，CTE，应力，组成等)和选定用于加工材料130的激光参数，只形成开裂线110可足以诱导自发分离。在这种情况下，无需辅助的分离过程，例如张力/弯曲力，或通过例如CO₂激光形成的热应力。如图1A所示，多个缺陷线可限定轮廓。具有缺陷线的分离边缘或表面通过轮廓来限定。形成缺陷线的诱导吸收可在分离边缘或表面上形成颗粒，且平均直径小于3微米，这得到非常干净的切割过程。

在一些实施方式中，形成的开裂线不足以自发地分离材料，且可能需要辅助的步骤。虽然可将穿孔的玻璃零件设置在例如烘箱的腔室中，以形成玻璃零件的本体加热或冷却，从而形成热应力来沿着缺陷线分离零件，但这种过程可较缓慢，且可需要较大的烘箱或腔室来容纳许多物品(arts)或较大的件或穿孔的玻璃。如需要这样，例如可使用第二激光来形成热应力以分离零件。在TFT玻璃组合物的情况下，可通过下述来实现分离：在形成开裂线之后，施加机械力或使用热源(例如红外激光，例如CO₂激光)来形成热应力，并迫使材料分离。另一种选择是只用CO₂激光来启动分离，然后手动地完成分离。例如，使用在10.6微米下发射的散焦连续波(cw)激光和使用通过控制其占空度调节的功率，来实现任选的CO₂激光分离。使用聚焦变化(即，散焦的程度最高达且包括聚焦的光斑尺寸)，来改变通过改变光斑尺寸诱导的热应力。散焦激光束包括产生下述光斑尺寸的激光束：该光斑尺寸大于在激光波长尺寸量级上的最小、衍射限制的光斑尺寸。例如,可将1-20mm,例如1-12mm,3-8mm,或约7mm,2mm,和20mm的CO₂激光光斑尺寸用于CO₂激光,例如其具有CO₂ 10.6微米波长激光。还可使用发射波长也被玻璃吸收的其它激光，例如波长发射为9-11微米范围的激光。在这种情况下，可使用功率水平是100-400瓦的CO₂激光，且可以50-500毫米/秒的速度沿着或邻近缺陷线扫描束，其形成充足的热应力来诱导分离。在具体范围之内选择的确切的功率水平、光斑尺寸和扫描速度可取决于所用的材料、材料厚度、材料热膨胀系数(CTE)、材料的弹性模量，因为所有这些因素影响用具体的能量沉积速率在给定的空间位置处赋予的热应力的量。如果光斑尺寸过小(即，<1mm)或CO₂激光功率过高(>400W)，或者扫描速度过慢(小于10毫米/秒)，可能过度加热玻璃，这在玻璃中形成烧蚀、熔融或热产生的裂纹，这是不利的，因为它们将降低分离的零件的边缘强度。优选地，CO₂激光束扫描速度>50毫米/秒，从而诱导有效的和可靠的零件分离。但是，如果用CO₂激光形成的光斑尺寸过大(>20mm),或者激光功率过低(<10W,或者在一些情况下，<30W),或者扫描速度过高(>500毫米/秒)，则发生不充足的加热，这导致过低的热应力以至于不能诱导可靠的零件分离。

例如,在一些实施方式中,可使用200瓦的CO₂激光功率，约6mm的在玻璃表面处的光斑直径和250毫米/秒的扫描速度来诱导已经用如上所述的皮秒(psec)激光穿孔的0.7mm厚康宁Eagle玻璃的零件分离。例如，与较薄的Eagle基材相比，较厚的康宁Eagle玻璃基材可能需要更多的CO₂激光热能/单位时间来进行分离，或者与具有更低CTE的玻璃相比，具有更低CTE的玻璃需要更多的CO₂激光热能来分离。在CO₂光斑通过给定位置之后,沿着穿孔线的分离将非常快(小于1秒)地进行，例如在100毫秒之内，在50毫秒之内，或在25毫秒之内。

例如在一些实施方式中，沿着开裂线110方向的相邻缺陷线120之间的距离或周期性可为大于0.1微米且小于或等于约20微米。例如,在一些实施方式中,相邻缺陷线120之间的周期性可为0.5-15微米,或3-10微米,或0.5微米-3.0微米。例如,在一些实施方式中，相邻缺陷线120之间的周期性可为0.5微米-1.0微米。

存在几种方法来形成缺陷线。形成线状聚焦的光学方法可具有多种形式，使用圆环状激光束和球形透镜,轴棱锥透镜,衍射元件,或其它方法来形成高强度的线性区域。激光的类型(皮秒,飞秒等)和波长(IR,绿色,UV等)也可改变，只要在聚焦的区域中达到足够的光学强度来形成基材材料的分解，从而通过非线性光学效应来形成基材材料或玻璃工件的分解。优选地，激光是脉冲群激光，其通过调节在给定脉冲群之内的脉冲数目，来实现控制随时间的能量沉积。

在本发明中，使用超短脉冲激光以一致的、可控的和可重复的方式来形成高长径比的垂直缺陷线。实现形成这种垂直缺陷线的光学装置的细节如下所述，且还参见2013年1月15日提交的美国专利申请号61/752,489，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。这个概念的本质是使用光学器件来在透明零件之内形成高强度激光束的线状聚焦。这个概念的一种解释是在光学透镜组装件中使用轴棱锥透镜元件，从而使用超短(皮秒或飞秒持续时间)Bessel束来形成高长径比的、不逐渐减小的微通道区域。换句话说，轴棱锥将激光束浓缩成圆筒形状和高长径比(较长的长度和较小的直径)的高强度区域。因为使用浓缩的激光束形成高强度，出现激光的电磁场和基材材料的非线性相互作用，并将激光能量转移到基材，从而形成缺陷，所述缺陷变成开裂线的成分。但是，应特别指出的是，在激光能量强度不高的材料区域中(例如环绕中央汇聚线的基材玻璃体积)，材料对激光是透明的，且不存在将能量从激光转移到材料的机理。结果，当激光强度低于非线性阈值时，玻璃或工件没有发生任何事情。

转向图2A和2B,激光加工材料的方法包含将脉冲激光束2聚焦成沿着束传播方向取向的激光束聚焦线2b。如图3A所示,激光器3(未显示)发射激光束2,其具有入射到光学组装件6的部分2a。在输出侧上，沿着束方向在限定的膨胀范围上(聚焦线的长度l)，光学组装件6将入射激光束转变成延伸的(extensive)激光束聚焦线2b。平坦基材1设置在束路径中，从而至少部分地与激光束2的激光束聚焦线2b重叠。因此，将激光束聚焦线引导进入基材。分别地，附图标记1a表示朝向光学组装件6或激光的平坦基材的表面,附图标记1b表示基材1的逆向表面。基材或工件厚度(在该实施方式中，垂直于平面1a和1b，即垂直于基材平面测量)具有用d标记的维度。例如，基材或工件还可表示一种材料，且可为对激光束2的波长是基本上透明的玻璃制品。

如图2A所示,基材1(或玻璃复合材料工件)垂直于纵向束轴对齐，因此在由光学组装件6产生的相同的聚焦线2b后面(基材垂直于附图平面)。聚焦线沿着束方向取向或对齐,相对于聚焦线2b设置基材使得聚焦线2b从基材的表面1a之前开始并在基材的表面1b之前结束,即聚焦线2b在基材之内终止且不延伸超出表面1b。在激光束聚焦线2b与基材1的重叠区域中,即在被聚焦线2b覆盖的基材材料中,延伸的激光束聚焦线2b产生(假设沿着激光束聚焦线2b形成合适的激光强度,该强度通过激光束2在长度l部分上的聚焦即长度l的线状聚焦来确保)延伸部分2c(沿着纵向束方向对齐)，且沿着延续部分2c在基材材料中产生诱导吸收。诱导吸收沿着部分2c在基材材料中形成缺陷线。缺陷线是在基本上透明材料、基材或工件中的微观的(例如直径>100nm且<0.5微米)细长“孔”(也称作穿孔或缺陷线)，其通过使用多个激光脉冲的单一高能脉冲群来产生。例如，单个穿孔可以几百千赫(几十万个孔眼/秒)的速率来形成。借助源与材料之间的相对移动，可将这些穿孔邻近彼此设置(空间间距根据需要从亚微米变化到许多微米)。可选定这种空间间距(节距)，以促进材料或工件的分离。在一些实施方式中,缺陷线是“通孔”,其是基本上从透明材料的顶部延伸到底部的孔或开口通道。缺陷线形成不是局部的，而是在诱导吸收的延伸部分2c的全部长度上。部分2c的长度(其对应于激光束聚焦线2b与基材1重叠的长度)用附图标记L标记。诱导吸收2c的部分(或基材1材料中经历形成缺陷线的部分)的平均直径或范围或附图标记D标记。这种平均范围D基本上对应于激光束聚焦线2b的平均直径δ,即约0.1微米-约5微米的平均光斑直径。

如图2A所示,因为沿着聚焦线2b的诱导吸收，加热基材材料(对激光束2的波长λ是透明的)，其源自与聚焦线2b之内的激光束的高强度相关的非线性效应。图2B显示加热的基材材料最终发生膨胀，从而相应的诱导张力导致形成微观裂纹，且在表面1a处张力最大。

基于在透明材料中形成多光子吸收(MPA)的能力来预测激光源的选择。MPA是同时吸收两个或更多个相同或不同频率的光子，从而将分子从一个态(通常是基态)激发到更高能量电子态(离子化)。涉及的分子的较低和较高态之间的能量差可等于所述两个光子的能量之和。MPA也称作诱导吸收，其可为二级或三级过程或更高级数的过程，例如其比线性吸收弱几个量级。MPA与线性吸收不同之处在于例如诱导吸收的强度可与光强度的平方或立方成正比(或更高的幂次关系(power law))，而不是与光强度本身成正比。因此，MPA是一种非线性光学过程。

下面描述了可用来产生聚焦线2b的代表性光学组装件6,以及其中可应用这些光学组装件的代表性光学装置。所有组装件或装置基于上述，从而相同的附图标记用于相同的组件或特征或功能上等同的那些。因此，下面只描述不同之处。

为了确保沿着分离零件进行分离的分离零件表面的高质量(涉及破碎强度、几何精确性、粗糙度和避免再次加工的要求),在基材表面上沿着分离线设置的单个聚焦线应使用如下所述的光学组装件来产生(下文中,光学组装件也可称作激光光学器件)。分离表面(或切割表面)的粗糙度特别地来自聚焦线的光斑尺寸或光斑直径。分离(切割)表面的粗糙度可为例如0.25-1微米，且可通过例如Ra表面粗糙度统计(取样表面高度绝对值的算术平均值，其包括由聚焦线的光斑直径导致的凸起的高度)来表征。在激光3(与基材1材料相互作用)的给定波长λ的情况下，为了获得例如0.5微米-2微米的较小的光斑尺寸，通常必须对激光光学器件6的数值孔径施加某些要求。这些要求通过如下所述的激光光学器件6来满足。

另一方面，为了获得所需的数值孔径，光学器件必需设置成需要用于给定焦距的开口，根据已知的Abbé公式(N.A.＝nsin(θ),n：待加工的玻璃或复合材料工件的折射率,θ：孔径角的一半；且θ＝arctan(D/2f)；D：孔径,f：焦距)。另一方面,激光束必须照射最高达所需的孔径的光学器件，这通常通过在激光和聚焦光学器件之间使用宽化望远镜的束扩展来实现。

为了沿着聚焦线的均匀的相互作用，光斑尺寸变化不应太大。例如,这可通过下述来确保(参见下文的实施方式)：只在较小的圆形区域照射聚焦光学器件，从而束开口和因此数值孔径的百分比只稍微发生变化。

根据图3A(垂直于基材平面且在激光辐射2的激光束簇中的中央束处的截面；这里，激光束2也垂直地入射到基材平面,即聚焦线的入射角是约0°，从而聚焦线2b或诱导吸收2c的延伸部分平行于基材法向),由激光器3发射的激光辐射2a首先引导至圆形光圈(aperture)8上，其对所用的激光辐射是完全不透明的。使光圈8取向成垂直于纵向束轴并在所示束簇2a的中央束上居中。选定光圈8的直径，使得靠近束簇2a的中心的束簇或中央束(这里用2aZ标记)撞击光圈，并被其完全吸收。因为与束直径相比光圈尺寸下降，所以只有在束簇2a外周范围的束(边际射线，这里用2aR标记)没有被吸收，而是从侧边通过光圈8并撞击光学组装件6的聚焦光学元件的边际区域，在该实施方式中，所述光学组装件6的聚焦光学元件设计成球形切割的、双凸透镜7。

如图3A所示,激光束聚焦线2b不是激光束的单一焦点,而是用于激光束中不同射线的一系列焦点。所述系列焦点形成具有限定长度(在图3A中显示为激光束聚焦线2b的长度l)的细长聚焦线。透镜7在中央束上居中，且设计成常用球形切割透镜形式的非校准的双凸聚焦透镜。这种透镜的球形偏差可为优选的。作为替代，还可使用偏离理想的校准系统的非球形或多透镜系统，其不形成理想的焦点而是形成具有限定长度的不同的细长聚焦线(即，没有单一焦点的透镜或系统)。透镜的区域因此沿着聚焦线2b聚焦，受制于与透镜中心的距离。越过束方向的光圈8的直径约为束簇直径的90％(由束强度降低到最大强度的1/e所需的距离来限定)且约为光学组装件6的透镜直径的75％。因此，使用通过在中央阻断束簇而产生的非像差(aberration)校准球形透镜7的聚焦线2b。图3A显示通过中央束的平面中的截面，且当所示的束绕着聚焦线2b旋转时，可看见完整的三维簇。

这类聚焦线的一个潜在不足在于条件(光斑尺寸、激光强度)可沿聚焦线变化(并沿着材料中所需的深度变化)，因此所需类型的相互作用(无熔融、诱导吸收、直至裂纹形成的热塑性变形)可能只在聚焦线的选定部分中发生。这进而意味着可能只有一部分的入射激光由基材材料以所需的方式吸收。这样，可能会降低该工艺的效率(用于所需分离速度的所需的平均激光功率)，且激光还可能会传输进入不需要的区域(粘合到基材的零件或层或者固定基材的固定件)，并以不利的方式(例如，加热、扩散、吸收、不想要的改性)与它们相互作用。

图3B-1到图3B-4表明(不仅用于图3A中的光学组装件,而且基本上用于任何其它可应用的光学组装件6)可通过下述来控制激光束聚焦线2b的位置：合适地相对于基材1设置和/或对齐光学组装件6以及合适地选定光学组装件6的参数。如图3B-1所示,可调节聚焦线2b的长度l，使得它超出基材厚度d(这里是2倍)。如果将基材1设置成(沿纵向束方向观察)居中于聚焦线2b,那么在全部基材厚度上产生诱导吸收2c的延续部分。例如，激光束聚焦线2b的长度l可为约0.01mm-约100mm或约0.1mm-约10mm。例如，各种实施方式可构造成具有约0.1mm,0.2mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm至5mm,例如,0.5mm,0.7mm,1mm,2mm,3mm,4mm,或5mm的长度l。

在图3B-2所示的情况中,产生长度l的聚焦线2b，其或多或少对应于基材厚度d。因为以线2b在基材以外的点处开始的方式来相对于线2b设置基材1，诱导吸收2c的延伸部分(其从基片表面延伸到限定的基材深度但没有到达逆向表面1b)的长度L小于聚焦线2b的长度l。图3B-3显示其中基材1(沿着垂直于束方向的方向观察)设置在聚焦线2b的起始点上方的情况，从而类似于图3B-2，线2b的长度l大于基材1中诱导吸收2c的部分的长度L。因此，聚焦线在基材之内开始，并延伸超出逆向表面1b。图3B-4显示其中聚焦线长度l小于基材厚度d的情况，从而-在相对于聚焦线居中地设置基材且沿入射方向观察的情况下-聚焦线在表面1a附近从基材之内开始并在表面1b附近在基材之内结束(例如l＝0.75·d)。

以下述方式来设置聚焦线2b是特别优选的：表面1a，1b中的至少一个被聚焦线覆盖，从而诱导吸收2c的部分从基材的至少一个表面上开始。这样，能获得实质上理想的切割，同时避免在表面处烧蚀、羽化和颗粒化。

图4显示另一可用的光学组装件6。基础构造与图3A所示相同，所以下面只描述不同之处。所示的光学组装件基于使用非球形自由表面的光学器件，从而产生聚焦线2b，其成形为形成具有限定长度l的聚焦线。为此，可将非球面用作光学组装件6的光学元件。例如，在图4中使用了所谓的锥形棱柱，其也称作轴棱锥。轴棱锥是特殊的、锥形切割的透镜，其在沿着光学轴的线上形成光斑源(或者将激光束转换成环)。这种轴棱锥的布置是本技术领域所公知的；在实施例中的锥角是10°。还可利用其它范围的轴棱锥锥角。这里用附图标记9标记的轴棱锥的顶点朝向入射方向，并在束中央上居中。因为由轴棱锥9产生的聚焦线2b在其内部之内开始，可将基材1(这里与主束轴垂直对齐)设置在束路径中且直接在轴棱锥9后面。如图4所示，因为轴棱锥的光学特征，还可沿着束方向移动基材1，同时仍然在聚焦线2b的范围之内。因此，在基材1的材料中的诱导吸收2c的部分在全部基材深度d上延伸。

但是，所示的布局受到下述限制：因为由轴棱锥9形成的聚焦线2b的区域在轴棱锥9之内开始，当在轴棱锥9和基材或玻璃复合材料工件材料之间存在间隔时，显著部分的激光能量没有聚焦进入位于材料之内的聚焦线2b的诱导吸收2c的部分。此外，通过轴棱锥9的折射率和锥角，使聚焦线2b的长度l与束直径相关。这是在较薄材料(在这种情况下几个毫米)的情况下，总聚焦线比基材或玻璃复合材料工件厚度长得多的原因,其具有使大多数的激光能量不聚焦进入材料的影响。

为此，可能需要使用同时包含轴棱锥和聚焦透镜的光学组装件6。图5A显示这种光学组装件6，其中将含设计成形成延伸激光束聚焦线2b的非球形自由表面的第一光学元件设置在激光3的束路径中。在图5A所示的情况中,这个第一光学元件是锥角为5°的轴棱锥10,其垂直于束方向设置并在激光束3上居中。轴棱锥的顶点朝着束方向取向。第二聚焦光学元件(这里是平面-凸透镜11(其弯曲部分朝向轴棱锥取向))沿束方向设置，并与轴棱锥10相距距离z1。在这种情况下，距离z1是约300mm,其以下述方式来选定：使由轴棱锥10形成的激光辐射在透镜11的外部径向部分上以圆形的方式入射。在限定长度(在这种情况下是1.5mm)的聚焦线2b上，透镜11在距离z2(在这种情况下，与透镜11相距约20mm)处在输出侧上聚焦该圆形辐射。在该实施方式中，透镜11的有效焦距是25毫米。通过轴棱锥10对激光束进行的圆形变换用附图标记SR标记。

图5B详细显示根据图5A在基材1材料中形成聚焦线2b或诱导吸收2c。以下述方式选定两元件10，11的光学特征以及它们的设置：在束方向上的聚焦线2b的长度l与基材1的厚度d精确地相同。结果，需要沿着束方向精确地设置基材1，从而聚焦线2b的位置精确地在基材1的两个表面1a和1b之间，如图5B所示。

因此，如果在离开激光光学器件一定距离形成聚焦线，以及如果将更大部分的激光辐射聚焦到所需的聚焦线端部，将是优选的。如本文所述，这可通过下述来实现：仅仅在特定的外部径向区域上以圆形(环形)的方式照射主要聚焦元件11(透镜)，这一方面用于获得所要求的数值孔径和因此获得所要求的光斑尺寸,然而另一方面,在所需的聚焦线2b之后，在光斑中心中非常短的距离上，扩散的圆的强度下降，因为形成基本上圆形的光斑。通过这样的方式,在所要求的基材深度的较短距离之内停止缺陷线形成。轴棱锥10和聚焦透镜11的组合满足这个要求。轴棱锥以两种不同方式起作用：因为轴棱锥10，以环的形式将通常为圆形的激光光斑发射到聚焦透镜11，且轴棱锥10的非球形具有下述效果：超过透镜的焦平面形成聚焦线，而不是在焦平面内的焦点上形成聚焦线。可通过轴棱锥上的束直径来调节聚焦线2b的长度l。另一方面,可通过轴棱锥-透镜距离z1和通过轴棱锥的锥角，来调节沿着聚焦线的数值孔径。这样,可在聚焦线中浓缩全部激光能量。

如果希望缺陷线的形成继续到基材背面，圆形(环形)照射仍然具有下述优势：(1)最佳地使用激光功率，因为大多数的激光仍然在聚焦线的所要求的长度中浓缩和(2)能获得沿着聚焦线的均匀的光斑尺寸-和因此获得沿着聚焦线的零件与基材的均匀分离–这是由环形照明的区域以及通过其它光学作用设定的所需色差带来的。

与图5A所示的平面-凸透镜不同，还可使用聚焦半月形透镜或另外的较高程度校准的聚焦透镜(非球形的、多透镜系统)。

为了使用图5A所示的轴棱锥和透镜的组合来产生非常短的聚焦线2b，必需选定非常小的在轴棱锥上入射的激光束的束直径。这具有实际的不足：将束居中到轴棱锥的顶点上必须非常精确，结果对激光的方向变化(束漂移稳定性)非常敏感。此外，严格准直的激光束是非常分散的，即因为光挠曲，束簇在短距离上变得模糊。

如图6所示，通过在光学组装件6中包括另一透镜(准直透镜12)，可避免这两种效应。额外的正像(positive)透镜12用于非常紧密地调节聚焦透镜11的圆形照射。以下述方式选定准直透镜12的焦距f’：所需的圆形直径dr来自轴棱锥与准直透镜12的距离z1a，其等于f’。可通过距离z1b(准直透镜12到聚焦透镜11)来调节环的所需宽度br。作为纯几何学的问题，较小的圆形照射的宽度导致较短的聚焦线。在距离f’处可获得极小值。

因此，在图6中描述的光学组装件6基于图5A所示的光学组装件，因此下文只描述不同之处。准直透镜12在本文中也设计成平面-凸透镜(其弯曲部分朝向束方向)，将其额外地居中设置在一侧上的轴棱锥10(其顶点朝向束方向)和在另一侧上的平面-凸透镜11之间的束路径上。将准直透镜12与轴棱锥10的距离称作z1a,聚焦透镜11与准直透镜12的距离称作z1b,和将聚焦线2b与聚焦透镜11的距离称作z2(总是沿束方向观察)。如图6所示，由轴棱锥10形成的圆形辐射SR在准直透镜12上发散地入射并具有圆直径dr,可沿着距离z1b将其调节到所要求的圆形宽度br，使得至少在聚焦透镜11处形成近似恒定的圆直径dr。在所示的情况中，预期产生非常短的聚焦线2b，从而因为透镜12的聚焦性质(在该实施例中，圆直径dr是22mm)，将透镜12处约4mm的圆宽度br降低到透镜11处的约0.5mm。

在所示实施例中，使用2mm的典型激光束直径、焦距f＝25mm的聚焦透镜11、焦距f‘＝150mm的准直透镜,和选定距离Z1a＝Z1b＝140mm和Z2＝15mm，能获得小于0.5mm的聚焦线长度l。

图7A-7C显示在不同激光强度状况下的激光-物质相互作用。在第一种情况下，如图7A所示，未聚焦的激光束710穿过透明基材720且没有对所述透明基材720带来任何改性。在这种特别的情况下，不存在非线性效应，因为激光能量密度(或激光能量/用激光束照射的单位面积)低于诱导非线性效应所需的阈值。能量密度越高，电磁场的强度越高。因此，如图7B所示，当用球形透镜730将激光束聚焦到更小的光斑尺寸(如图7B所示)时，照射的区域减小，且能量密度增加，这引发非线性效应，所述非线性效应改性材料以允许只在满足条件的体积中形成开裂线。这样，如果聚焦的激光的束腰部设置在基材表面，那么将发生表面的改性。相反，如果聚焦的激光的束腰部设置在基材表面以下，当能量密度低于非线性光学效应阈值时，在表面处不发生任何事情。但是在设置于基材720本体中的焦点740处，激光强度高到足以引发多光子非线性效应，由此诱导对材料的破坏。最终，如图7C所示，在轴棱锥的情况下(如图7C所示)，轴棱锥750或替代的菲涅耳轴棱锥的衍射图案形成干涉，所述干涉产生Bessel状的强度分布(高强度圆筒760)，且只有在这个体积中强度高到足以形成非线性吸收和对材料720的改性。其中Bessel状的强度分布高到足以形成非线性吸收和对材料的改性的圆筒760的直径，也是激光束聚焦线的光斑直径，如本文所述。Bessel束的光斑直径D可表达成D＝(2.4048λ)/(2πB),其中λ是激光束波长，B是轴棱锥角的函数。

激光和光学系统

为了切割一些碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物，可使用产生多个脉冲的脉冲群的皮秒脉冲激光器(例如,1064nm,或532nm皮秒脉冲激光)以及形成线状聚焦束的光学器件，来在玻璃组合物中形成损坏线(缺陷线)。设置最高达0.7毫米厚的玻璃组合物，从而它在由光学器件产生的聚焦线的区域之内。使用长度为约1mm的聚焦线,和产生在玻璃组合物处测量的200kHz脉冲群重复率下大于或等于约24W(约120微焦耳/脉冲群)输出功率的1064nm皮秒激光,聚焦线区域中的光学强度高到足以在玻璃组合物中形成非线性吸收。在材料处测量的脉冲激光束的平均激光脉冲群能量可大于40微焦耳/毫米材料厚度。所用的平均激光脉冲群能量可高至2500微焦耳/毫米材料厚度,例如40-2500微焦耳/毫米,且优选地是500-2250微焦耳/毫米，甚至更优选地是550-2100微焦耳/毫米，因为能量密度强到足以透过玻璃制备穿透的损坏痕迹，同时使得垂直于穿孔线或切割边缘的微裂纹化的程度最小化。在一些示例性实施方式中，激光脉冲群能量是40-1000微焦耳/毫米。这种每毫米的“平均脉冲群激光能量”还可称作平均、每脉冲群、线性能量密度或每激光脉冲群的平均能量/毫米材料厚度。在玻璃组合物之内形成损坏的、烧蚀的、蒸发的或以其它方式改变的材料的区域，其近似遵循用激光束聚焦线形成的高光学强度的线性区域。

应指出，本文所述的这种皮秒激光的典型操作形成脉冲500A的“脉冲群”500。(例如参见图8A和8B)。每一个“脉冲群”(本文中也称作“脉冲群”500)包含具有非常短的持续时间的多个单独脉冲500A(例如至少2脉冲,至少3脉冲,至少4脉冲,至少5脉冲,至少10脉冲,至少15脉冲,至少20脉冲,或更多脉冲)。即,脉冲群是脉冲“包(pocket)”,且脉冲群相互之间通过比每一脉冲群之内的单独的相邻脉冲之间更长的持续时间来分离。脉冲500A具有最高达100皮秒的脉冲持续时间T_d(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,或在它们之间)。脉冲群之内每一单个脉冲500A的能量或强度可与该脉冲群之内的其它脉冲的能量或强度不相同,且脉冲群500之内多个脉冲的强度分布常常遵循随时间的指数衰减，其由激光设计控制。优选地,在本文所述的示例性实施方式中的脉冲群500之内的每一脉冲500A在时间上与所述脉冲群中的后续脉冲相隔1纳秒-50纳秒的持续时间T_p(例如10-50纳秒,或10-30纳秒，且时间常常由激光腔设计来控制)。对于给定激光,脉冲群500之内相邻脉冲之间的时间间隔T_p(脉冲到脉冲间隔)是较均匀的(±10％)。例如，在一些实施方式中，脉冲群之内的每一脉冲在时间上与后续的脉冲相隔约20纳秒(50MHz)。例如,对于产生约20纳秒脉冲间隔T_p的激光,将脉冲群之内的脉冲到脉冲间隔T_p保持在约±10％之内,或是约±2纳秒。脉冲的每一“脉冲群”之间的时间(即,脉冲群之间的时间间隔T_b)将大得多(例如,0.25≤T_b≤1000微秒,例如1-10微秒,或3-8微秒)。在本文所述的激光的一些示例性实施方式中,对于具有约200kHz的脉冲群重复率或重复频率的激光，时间间隔T_b是约5微秒。激光脉冲群重复率与脉冲群中第一脉冲到后续脉冲群中第一脉冲之间的时间T_b相关(激光脉冲群重复率＝1/T_b)。在一些实施方式中,激光脉冲群重复频率可为约1kHz-约4MHz。更优选地,激光脉冲群重复率可为例如约10kHz-650kHz。在每一脉冲群中的第一脉冲到后续脉冲群中第一脉冲之间的时间T_b可为0.25微秒(4MHz脉冲群重复率)-1000微秒(1kHz脉冲群重复率),例如0.5微秒(2MHz脉冲群重复率)-40微秒(25kHz脉冲群重复率),或2微秒(500kHz脉冲群重复率)-20微秒(50kHz脉冲群重复率)。确切的时机、脉冲持续时间和脉冲群重复率可根据激光设计而改变，但已显示具有高强度的较短脉冲(T_d<20皮秒，优选地T_d≤15皮秒)特别良好地凑效。

改变材料所要求的能量可通过脉冲群能量–在脉冲群之内包含的能量(每一脉冲群500包含一系列脉冲500A)来描述,或通过在单一激光脉冲之内包含的能量(其中的许多可包含脉冲群)来描述。对于这些应用，能量/脉冲群可为25-750微焦耳,更优选地50-500微焦耳,或50-250微焦耳。在一些实施方式中，能量/脉冲群是100-250微焦耳。脉冲群之内的单个脉冲的能量更小，且确切的单个激光脉冲能量取决于脉冲群500之内的脉冲500A的数目，以及激光脉冲随时间的衰减速率(例如，指数衰减速率)，如图8A和8B所示。例如,对于恒定能量/脉冲群,如果脉冲群包含10个单个激光脉冲500A,那么每个单独激光脉冲500A的能量将低于相同的脉冲群500只具有2个单独激光脉冲时的能量。

对于切割和改性透明材料例如玻璃而言，使用能产生这种脉冲群的激光是优选的。与使用在时间上通过单一脉冲激光重复率隔开的单一脉冲相反,与使用单一脉冲激光所能形成的相比，使用在脉冲群500之内的脉冲的快速序列上铺展激光能量的脉冲群脉冲序列使得实现在更长的时间尺度上与材料的高强度相互作用。虽然单一脉冲可在时间上扩展，但这样做时脉冲之内的强度必须下降，且下降倍数大约与脉冲宽度增加倍数相同。因此，如果将10皮秒单一脉冲扩展到10纳秒脉冲,强度将下降大约3个数量级。这种下降可能会将光学强度下降到其中非线性吸收不再显著的程度，且光材料相互作用不再强烈到足以实现切割。相反，使用脉冲群激光时，在脉冲群500之内的每一脉冲500A中的强度可仍然非常高-例如3个10皮秒脉冲500A在时间上通过约10纳秒隔开时仍然使得每一脉冲之内的强度比单一10皮秒脉冲高约3倍，同时现在使得激光与材料相互作用的时间尺度比之前大三个数量级。因此，在脉冲群之内的多个脉冲500A的这种调节实现以下述方式操控激光-材料相互作用的时间尺度：所述方式可促进更多或更少的与预先存在的等离子体羽流(plume)的光相互作用，更多或更少的光-材料相互作用且材料的原子和分子已通过初始的或之前的激光脉冲进行预激发，以及材料之内可促进微裂纹的受控生长的更多或更少的加热效应。改性材料所需的脉冲群能量的量取决于基材材料组成和用来与基材相互作用的线状聚焦的长度。相互作用区域越长，能量铺开的程度越大，则需要更高的脉冲群能量。确切的时机、脉冲持续时间和脉冲群重复率可根据激光设计而改变，但已显示具有高强度的较短脉冲(<15皮秒,或≤10皮秒)特别良好地与本技术凑效。当脉冲的单一脉冲群撞击玻璃上基本上相同位置时，在材料中形成缺陷线或孔。即，单一脉冲群之内的多个激光脉冲对应于玻璃中的单一缺陷线或孔位置。当然，因为使玻璃进行平移(例如通过恒定的移动台)或束相对于玻璃移动,所以脉冲群之内的单独脉冲不能精确地在玻璃上相同的空间位置处。但是，它们彼此肯定在1微米之内-即它们在基本上相同的位置撞击玻璃。例如，它们可在彼此相距间隔sp处撞击玻璃，其中0<sp≤500纳米。例如，当玻璃位置用20个脉冲的脉冲群撞击时，脉冲群之内的单独脉冲在彼此的250纳米之内撞击玻璃。因此，在一些实施方式中，1nm<sp<250nm。在一些实施方式中，1nm<sp<100nm。

孔或损坏痕迹形成:

如果基材具有足够的应力(例如，离子交换玻璃)，那么零件将自发地沿着由激光过程描绘出的穿孔损坏的路径形成裂纹和分离。但是，如果基材中本身并没有存在大量应力(如在康宁Eagle组合物的情况下)，那么皮秒激光仅在工件中形成损坏痕迹。这些损坏痕迹通常具有孔的形式，其所述孔的内部尺寸是约0.1-1.5微米,或0.2微米-2微米(例如,在一些实施方式中,0.2-0.7微米,或0.3-0.6微米)。优选地，孔的尺寸非常小(一微米或更小)。

孔或缺陷线可穿孔透过材料的全部厚度,且可为连续或不连续的在材料的全部深度上的开口。图9显示穿孔600微米厚Eagle基材工件全部厚度的这种痕迹或缺陷线的示例。通过解离边缘的侧面观察孔眼或损坏痕迹。通过材料的痕迹不必然是通孔。常常存在堵塞孔的玻璃的区域，但玻璃尺寸通常较小，例如在微米量级。

还可对堆叠的玻璃片进行穿孔。在这种情况下，聚焦线长度需要长于堆叠件高度。

孔或缺陷线之间的横向间隔(节距)由当在聚焦的激光束下方平移基材时激光的脉冲率决定。通常，只需要单一皮秒激光脉冲群来形成一个完整的孔,但如有需要，可使用多个脉冲群。为了在不同节距形成孔,可激发激光来在更长或更短的间隔灼烧。对于切割操作，激光激发通常与束下方的工件的平台驱动移动同步，所以激光脉冲群以固定间隔激发，例如每1微米或每5微米。例如在一些实施方式中，沿着开裂线方向的相邻穿孔或缺陷线之间的距离或周期性可为大于0.1微米且小于或等于约20微米。例如,相邻穿孔或缺陷线之间的间隔或周期性是0.5-15微米,或3-10微米,或0.5微米-3.0微米。例如，在一些实施方式中，周期性可为0.5微米-1.0微米。

在给定基材中的应力水平下，相邻穿孔或缺陷线之间的确切间隔由促进从穿孔到穿孔的裂纹扩展的材料性质决定。但是，与切割基材不同，还可使用相同的方法来只对材料进行穿孔。在本文所述的的方法中，孔或缺陷线(或损坏痕迹，或穿孔)可相隔较大的间隔(例如，大于或等于7微米的节距)。

激光功率和透镜焦距(其决定聚焦线长度和因此决定功率密度)是确保完全穿透玻璃和较低微观裂纹化的特别重要的参数。

一般来说，可用的激光功率越高，可在使用上述方法更快地切割材料。本文所述的方法可以0.25米/秒或更快的切割速度来切割玻璃。切割速度是激光束相对于透明材料(例如玻璃)的表面移动的速率，同时形成多个孔或改性的区域。较高切割速度例如400毫米/秒,500毫米/秒,750毫米/秒,1米/秒,1.2米/秒,1.5米/秒,或2米/秒,或甚至3.4米/秒-4米/秒常常是所需的，从而使得用于制造的资金投资最小化，且优化设备利用率。激光功率等于激光的脉冲群能量乘以脉冲群重复频率(重复率)。一般来说,为了以较高切割速度切割这种玻璃材料,损坏痕迹(track)通常相隔1-25微米,在一些实施方式中，间隔优选地大于或等于3微米，例如3-12微米,或例如5-10微米。

例如,为了获得300毫米/秒的线性切割速度,3微米孔节距对应于具有至少100kHz脉冲群重复率的脉冲群激光。对于600毫米/秒切割速度,3微米节距对应于具有至少200kHz脉冲群重复率的脉冲群-脉冲激光。在200kHz下产生至少40微焦耳/脉冲群并以600毫米/秒切割速度切割的脉冲群激光需要具有至少8瓦的激光功率。因此，更高的切割速度需要甚至更高的激光功率。

例如,在3微米节距和40微焦耳/脉冲群下的0.4米/秒的切割速度需要至少5W激光,在3微米节距和40微焦耳/脉冲群下的0.5米/秒的切割速度将需要至少6W激光。因此,优选地脉冲群ps激光的激光功率是6W或更高,更优选地至少8W或更高,和甚至更优选地至少10W或更高。例如,为了获得在4微米节距(缺陷线间隔，或损坏痕迹间隔之间)和100微焦耳/脉冲群下的0.4米/秒的切割速度需要至少10W激光,为了获得在4微米节距和100微焦耳/脉冲群下的0.5米/秒的切割速度将需要至少12W激光。例如，为了获得在3微米节距和40微焦耳/脉冲群下的1米/秒的切割速度将需要至少13W激光。还例如，在4微米节距和400微焦耳/脉冲群下的1米/秒的切割速度将需要至少100W激光。

损坏痕迹之间的最佳节距和确切的脉冲群能量是取决于材料的，且可根据经验决定。但是，应指出升高激光脉冲能量或以更密的节距制备损坏痕迹不总是使基材材料更好地分离或具有改善的边缘质量的条件。损坏痕迹之间过于致密的节距(例如＜0.1微米,或在一些示例性实施方式中＜1微米,或在一些实施方式中＜2微米)有时会抑制附近的后续损坏痕迹的形成，且常常会抑制绕着穿孔轮廓的材料的分离，且会导致在玻璃之内的不想要的微观裂纹化增加。过长的节距(＞50微米，以及在一些玻璃中＞25微米或甚至＞20微米)可导致“不受控的微裂纹化”-即，其中微裂纹不是从孔到孔扩展，而是微裂纹沿着不同路径扩展，且导致玻璃沿着不同的(不希望的)方向形成裂纹。这会最终降低分离的玻璃零件的强度，因为残留的微裂纹用作弱化玻璃的瑕疵。用于形成每一损坏痕迹的脉冲群能量过高(例如,＞2500微焦耳/脉冲群,和在一些实施方式中＞500微焦耳/脉冲群)可使已形成的相邻损坏痕迹的微观裂纹“愈合”或再次熔融，这会抑制玻璃的分离。因此，优选地脉冲群能量是＜2500微焦耳/脉冲群,例如,≤500微焦耳/脉冲群。此外，使用过高的脉冲群能量可导致形成极大的微裂纹，并形成降低分离之后的零件的边缘强度的裂缝。过低的脉冲群能量(例如＜40微焦耳/脉冲群)可导致在玻璃之内没有可观的损坏痕迹形成，并因此需要非常高的分离强度或导致完全不能沿着穿孔的轮廓分离。

使用这种方法能获得的典型的示例性切割速率(速度)是例如0.25米/秒和更高。在一些实施方式中,切割速率是至少300毫米/秒。在本文所述的一些实施方式中,切割速率是至少400毫米/秒,例如,500毫米/秒-2000毫米/秒,或更高。在一些实施方式中，皮秒(ps)激光利用脉冲群来产生缺陷线，其周期性是0.5微米-13微米，例如0.5和3微米。在一些实施方式中,脉冲激光的激光功率是10W-100W，材料和/或激光束以至少0.25米/秒的速率相对于彼此平移；例如以0.25米/秒-0.35米/秒,或0.4米/秒-5米/秒的速率。优选地，脉冲激光束的每一脉冲群在工件处测量的平均激光能量大于40微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度。优选地，脉冲激光束的每一脉冲群在工件处测量的平均激光能量大于小于2500微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度，优选地小于约2000微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度，且在一些实施方式中，小于1500微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度；例如，不大于500微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度。

已发现与用于例如康宁的玻璃的体积脉冲能量密度相比，对具有较低碱金属或没有含碱金属(alkali)玻璃的碱土硼铝硅酸盐玻璃进行穿孔所需的体积脉冲能量密度(微焦耳/立方微米)高得多(更高5-10倍)。例如，这可通过下述来实现：利用脉冲群激光(优选地具有至少2个脉冲/脉冲群)，和在碱土硼铝硅酸盐玻璃(具有很少碱金属或不含碱金属)之内提供大于或等于约0.05微焦耳/立方微米，例如至少0.1微焦耳/立方微米，例如0.1-0.5微焦耳/立方微米的体积能量密度。

因此，优选地激光产生具有至少2个脉冲/脉冲群的脉冲群。例如,在一些实施方式中，脉冲激光的激光功率是10W-150W(例如,10W–100W)，并产生具有至少2脉冲/脉冲群(例如,2-25脉冲/脉冲群)的脉冲群。在一些实施方式中，脉冲激光的功率是25W-60W,并产生具有至少2-25脉冲/脉冲群的脉冲群,且用激光脉冲群产生的相邻缺陷线之间的周期或距离是2-10微米。在一些实施方式中,脉冲激光的激光功率是10W-100W,其产生具有至少2脉冲/脉冲群的脉冲群,且工件和激光束以至少0.25米/秒的速率相对于彼此平移。在一些实施方式中，工件和/或激光束以至少0.4米/秒的速率相对于彼此平移。

例如,为了切割0.7毫米厚的非离子交换康宁代号2319或代号2320Gorilla玻璃,观察到3-7微米的节距可良好地凑效,且脉冲群能量是约150-250微焦耳/脉冲群,和脉冲群脉冲数目是2-15,和优选地节距是3-5微米和脉冲群脉冲数目(脉冲数目/脉冲群)是2-5。

在1米/秒切割速度下，切割Eagle玻璃通常需要利用15–84W的激光功率,且30-45W常常已足够。一般来说,对于各种玻璃和其它透明材料而言，申请人发现为了获得0.2-1米/秒的切割速度,10W-100W的激光功率是优选的，且25-60W的激光功率对于许多玻璃就足够(且是最佳的)。对于0.4米/秒-5米/秒的切割速度,激光功率应优选地是10W-150W,脉冲群能量是40-750微焦耳/脉冲群,2-25脉冲群/脉冲(取决于被切割的材料),孔间隔(节距)是3-15微米,或3-10微米。对于这些切割速度，使用皮秒脉冲群激光将是优选的，因为它们产生高功率和所需的脉冲数目/脉冲群。因此,根据一些示例性实施方式,脉冲激光产生10W–100W功率,例如25W-60W,并产生至少2-25脉冲/脉冲群的脉冲群，且缺陷线之间的距离是2-15微米；以及激光束和/或工件相对于彼此以至少0.25米/秒,在一些实施方式中至少0.4米/秒,例如0.5米/秒-5米/秒,或更快的速率平移。

切割和分离低碱金属或非碱金属玻璃

如图8C和9所示,发现对于宽范围的基材厚度，不同条件实现玻璃例如Eagle的分离，且具有线性切割或更复杂的形状。图8C中的图象显示Eagle玻璃的0.024mm厚小块的切割边缘(顶部图象)，以及Eagle玻璃的0.134mm厚小块的切割边缘(底部图象)。Eagle是设计用作薄膜晶体管(TFT)基材的玻璃组合物，并因此具有约3ppm/℃的适当的热膨胀系数，这使得它近似与硅的热膨胀系数相匹配。这个激光方法还可用于切割和分离类似的玻璃组合物，即CTE与Eagle相似(例如，CTE为2ppm/℃-5ppm/℃)的那些玻璃组合物，以及具有其它组成和CTE的其它玻璃。第一种方法是使用皮秒(脉冲群)激光来形成缺陷线或孔，并形成遵循所需形状的开裂线或缺陷线，然后进行机械分离。在形成缺陷线或孔之后，可通过使用粉碎钳、用手或用专用工具弯曲零件，或者形成充足张力的任意方法来手动实现机械分离，所述张力沿着穿孔的缺陷线引发和传播分离。另一种方法利用皮秒(脉冲群)激光来形成缺陷线或孔，并形成遵循所需形状的开裂线或缺陷线，然后进行优选地使用CO₂激光的热分离步骤。

分离之前的缺陷线的直径或内部直径是玻璃材料或工件中开口通道或空气孔的内部直径。在分离工件之后，缺陷线可仍然是可见的，例如如图8C所示。例如，可用显微镜测量在分离的工件上的可见的单独缺陷线的宽度，且宽度可与分离之前的缺陷线的内部直径相当。例如，如果缺陷线直径是0.1微米-5微米，那么切割之后分离表面上的单独缺陷线的相应宽度可为约0.1微米-5微米。

下面提供用于制造周界切割和用于在最高达700微米厚材料中形成通孔所需的示例性皮秒激光和CO₂激光参数。表1列出了用于各种厚度的激光参数。

表1.用于几种玻璃厚度的激光参数。

Eagle玻璃和来自较低碱金属或非碱金属玻璃种类的相似的组合物向现有的激光分离方法提出了挑战，因为它们的较强的分子和原子键需要较高的脉冲能来“打断”。图10显示原子离子化能。与典型的碱金属玻璃组合物(例如康宁玻璃)中常用的相比，Na、Ca、K和相似元素的下降移除了低离子化元素，这成比例地留下需要多光子吸收以进行离子化的(当在透明状况中暴露于激光波长时)更多的元素。本实施方式提供使用足够的激光能均匀地辐照材料的较小圆筒体积来解离原子键和分子键的方式，这导致较少碎片和较低表面下损坏。

显示器玻璃组合物和Gorilla玻璃组合物之间的差异：

-Eagle和显示器玻璃:

i.CTE更低，约为3ppm/℃

ii.不含碱金属(或只含痕量)

iii.低热扩散系数

-康宁和其它可离子交换玻璃：

i.CTE通常是～7-9ppm/℃

ii.组成中具有大量的碱金属例如钠(其可以进行离子交换)

iii.更高的热扩散系数。

因为需要产生和管理用于热裂纹扩展的应力，当仅仅使用在非透明状况(如，10.6微米下的CO₂)激光操作来切割这种玻璃时，TFT玻璃组合物的低热膨胀和低热扩散系数造成困难的热管理问题。例如，TFT玻璃对于10.6微米波长不透明，且这种激光的能量通过玻璃的上部层吸收(不会深入到玻璃内部太远)。然而，我们发现通过减少开始、扩展和引导裂纹所需的激光能量的量，形成穿孔线简化了热管理问题，且在用皮秒脉冲激光对玻璃进行穿孔之后，使用例如在10.6微米下的CO₂激光的IR激光来加热玻璃优选地得到在缺陷线之间的快速、有效和受控的裂纹扩展，并由此实现快速和有效地切割碱土硼铝硅酸盐玻璃。

因此，本文所述的方法提供在板或片中以任意形状和以连续的方式(如连续的熔合玻璃制造法所要求-称作“拉制中(On-the-Draw)”)切割非碱金属玻璃的有效方式。已演示了例如使用1微米-20微米的脉冲间隔，在200-300毫米/秒的速度下(且可用更大的速度)，对较小(例如，康宁玻璃)厚度(约100-200微米，或100-150微米)进行皮秒激光穿孔。

拉制中切割玻璃

机械划割和破碎是用于连续熔合玻璃制造法的传统玻璃切割方法。虽然较快(实现1米/秒的直线切割)，但就切割轮廓玻璃形状而言，此种方法受到很大限制，因为对于这种应用其变得极具挑战性，这是由缓慢的速度、玻璃边缘缺口化、高的切割边缘粗糙度等造成的。这些应用需要多个研磨和抛光步骤来降低表面下损坏(SSD)，以及洗涤步骤，这不仅因更高的资金要求和因较低产率造成的更高成本而增加工艺成本，而且简直不能满足技术要求。

人们已经尝试将二氧化碳(CO₂)激光划割和破裂方法用于切割显示器玻璃组合物。这种技术依赖于机械裂纹引发，然后进行CO₂热诱导的激光裂纹扩展。最常见地，将在10.6微米波长下的CO₂激光辐射用作精确热源，然后进行冷却剂喷射来形成热冲击，并沿着直线扩展裂纹。这种方法的困难在于控制这种裂纹的方向和扩展速度，特别是绕着轮廓的裂纹的方向和扩展速度。虽然对于有些应用，通过机械或CO₂激光划割和破碎技术的直线切割可良好地凑效，但需要高度精确的、清洁的和柔性的(即，不仅仅沿着直线切割)的玻璃切割解决方案。

机械和CO₂基划割的困难的示例之一是液晶显示器(LCD)玻璃熔合拉制法。在LCD熔合拉制法中，形成薄的平坦玻璃的连续带，其从高的拉制塔涌出。这种薄玻璃最常见地形成为0.050mm-2mm厚，24英寸-150英寸宽(60.96cm-381cm宽)。通过机械划割砂轮来划割玻璃带，这与划割或切割玻璃窗户相似。然后，将这种划割的玻璃机械弯曲并从带破裂，从而在拉制塔的底部形成片，所述片是例如24英寸-150英寸宽(约61cm-381cm宽)乘以24英寸-150英寸高(即,约61cm-381cm高)。因为机械地夹持玻璃片，并在玻璃片的最外端部上用辊进行牵拉，这种片将在片的右侧和左侧上具有非常粗糙和厚的部分，且将这些部分称作“球边”或“边缘球边”。机械划割只能在玻璃片的高质量区域中进行，而不能在玻璃片的较厚的球边部分中进行。机器人将夹持玻璃片，弯曲玻璃片，并将划割的片从玻璃带破裂下来。这个破裂作用导致高幅度振动，其在带上并进入拉制塔，其导致在平坦的片中形成平坦度变化。这还可导致“蜿蜒形式(rubicons)”或显著地打扰连续的片形成工艺，因为振动可在拉制中形成微裂纹。玻璃的机械划割和破裂还可产生非常小和轻的玻璃碎屑，且可通过空气携带这些碎屑沉积在附近的表面上，且这些玻璃碎屑有时尺寸是10-200微米，厚度是3-20微米。通过机械划割形成的这些玻璃碎片在拉制塔上浮起，并附连到片的表面。这些颗粒中的一些称作“蛤-壳”玻璃碎屑，其具有非常平坦的面，这允许它们紧密地粘附到其它玻璃表面，且会可永久地连接到带玻璃表面。由机械划割形成的这种粘附的玻璃碎屑导致玻璃片的不合格的部分，因为这种污染非常难以洗掉，且将打扰用于LCD和TFT应用所需的玻璃上的涂覆和图案化。

在拉制之后，然后将这个玻璃片从带区域移动到第二切割区域，其中常常将玻璃片设置在称作垂直球边划割机器的另一机器上，且随后以机械方式划割玻璃的球边化部分或低质量区域，然后从母片机械破裂下球边部分。同样地，细小的蛤-壳玻璃碎片可从片上飞落到缺陷的区域上，这导致形成玻璃的不合格的部分。

在一些情况下，随后将所有的片包装进入装货箱，并运输到精磨位置。同样地，蛤壳玻璃碎片可从玻璃的边缘迁移到表面，并导致形成玻璃的不合格部分。卸载这种玻璃的装货箱，并设置在精磨生产线中，其中通过机械方式或CO₂划割片，并机械地破裂成稍微更小的玻璃片。这种离线(off-line)划割过程比拉制中划割过程精确得多。同样地，更多的蛤壳玻璃碎片飞到玻璃表面上，并导致形成这些玻璃的不合格部分。

然后，将这种片移动到边缘研磨机，其将薄玻璃片粗研磨和精细研磨成最终长度和宽度，且还可用于产生所需的边缘轮廓或斜角(bevel)。然后，将片移动到另一研磨机，其研磨4个角。接下来，将片移动到在线洗涤机，其清洁表面上大多数的松散颗粒，但无法清洁蛤壳颗粒。

与传统的机械划割和破碎方法相比，本文所述的激光玻璃切割技术优选地能极精确、极快、沿着预定轮廓和在不形成较大或显著数目玻璃碎片的情况下，切割例如薄玻璃的玻璃。此外，可以极高的速度(例如，1-2米/秒)，对玻璃进行穿孔。在测试的情况中，在玻璃边缘上没有观察到碎片。激光过程可从较大的玻璃片穿孔和分离出较小玻璃制品，例如手机尺寸(70mmx150mm)形状。薄玻璃的这种穿孔和分离过程得到表面粗糙度(Ra)小于400nm且表面下微观裂纹小于60微米的边缘。这种边缘质量接近研磨的玻璃片的质量。考虑到这种能力，可在制备薄玻璃片的熔合拉制过程中对热的玻璃进行激光切割。因此，通过在拉制生产线上(或如有需要，不久之后在精磨生产线上)将玻璃切割成最终形状，本文所述的技术的实施方式优选地提供产率增加、减少的或不存在的颗粒形成和成本改进。

图11显示用于连续的熔合玻璃制造法的现有玻璃切割方法。在现有方法中，玻璃片1164从拉制塔1162向下流动。玻璃片1164的更深的阴影表明更高的温度。当例如在熔合拉制机上形成玻璃片时，通过夹持机械装置例如辊来牵拉热而软的玻璃片，其在玻璃片的两个外部边缘上形成印记。将有印记的边缘称为“球边”，且这些边缘延伸过玻璃片的全部长度。因为与玻璃片的中央部分相比，这些球边化区域常常是扭曲而不平坦的，在将玻璃用于制备最终装置之前，除去球边(或球边化区域)。如通过拉制移动1165所述，使用辊轮向下牵拉玻璃片，其沿着玻璃片1164的边缘形成玻璃球边1166。沿着划割线1168施加机械刻划或CO₂激光源刻划，这促进将划割的片1170从玻璃片1164破裂下来。

本文所述的方法提供用于显示器玻璃组合物的玻璃切割方案，用于在线和离线玻璃切割需求。可在玻璃片从拉制出来时，特别是在其中玻璃开始从其形成温度冷却的称作拉制底部(BOD)的区域处，在线地施加这些方法，用于玻璃片的切割和球边除去。当例如在熔合拉制机上形成玻璃片时，通过夹持机械装置例如辊来牵拉热而软的玻璃片，其在玻璃片的两个外部边缘上形成印记。将带有印记的边缘称为“球边”，且这些边缘延伸过玻璃片的全部长度。因为与玻璃片的中央部分相比，这些球边化区域常常是扭曲而不平坦的，在将玻璃用于制备最终装置之前，除去球边(或球边化区域)。本文所述的方法提供玻璃切割方案，其可导致透过玻璃片的整体厚度的全-主体(全厚度)穿孔。一系列全厚度穿孔可形成开裂线，在沿开裂线进行片分离时，开裂线可在玻璃片中形成非常精确的和可控的切割。

图12A-12B显示根据本文所述的方法在拉制中进行激光玻璃切割的两种方法，其使用例如结合图2-6的本文所述的那些的激光光学系统。根据激光切割工艺1200A,将由一系列缺陷线组成的激光切割线1168’施加到由拉制塔1162形成的玻璃片1164。在工艺1200A中，将激光(未显示)构造成切穿玻璃片1164的整体厚度。激光切割线1168’延伸越过在拉制时新形成的玻璃片1164的整个宽度，这包括在不振动玻璃带或形成任何玻璃碎屑或颗粒的情况下切割球边1166。

图12B显示在拉制时的激光玻璃切割的替代方法1200B，其中使用激光来切穿玻璃片的高质量区域，并移下玻璃的较大的矩形片1170’。在拉制区域的底部1172处，从玻璃片除去废弃玻璃1172。应认识到在其它实施方式中，移下的玻璃片1170’无需是矩形的。玻璃片1170’可为正方形或圆形，或具有任意其它所需形状。

图13显示在拉制中激光玻璃切割的又一替代方法。在图13中，邻近玻璃球边1166在拉制路径中的相对上方的更高处，施加垂直激光切割线1168’。然后，在拉制路径的相对较低处，施加水平激光切割线1168’来从拉制切割和除下玻璃片1170’。

图14显示在拉制中激光玻璃切割的其它替代方法。在图14中，在拉制时跨越玻璃片1164的全部宽度来施加激光切割线1168’，从而从拉制移下激光切割的片1170’。在这之后，将垂直的激光切割线1168施加到切割片1170’，从而在拉制底部处从切割片除去球边。

图15显示使用本文所述的激光方法来在离开拉制的位置从片1170’除去裁剪或废弃玻璃1172。在精磨区域中，同时施加水平的和垂直的激光切割线1168’，以从激光切割的玻璃片1170’除去废弃玻璃1172的水平和垂直的片。

本文所述的激光玻璃加工技术可极精确地、极快地和在不形成玻璃碎片的情况下，切割薄玻璃。激光基技术可用极小的孔(例如，直径小于1微米)和较短的节距间隔(例如，1微米)对玻璃进行穿孔。此外，本文所述的方法还可用于以极高的速度(例如，1-2米/秒)对玻璃进行穿孔。在玻璃边缘上没有观察到碎片。可从较大的玻璃片穿孔和移下较小的玻璃制品，例如用于手机(例如，70mmx150mm)的那些玻璃制品。薄玻璃的这种穿孔和分离过程得到粗糙度小于400nm Ra且表面下微裂缝或微裂纹小于60微米的边缘。这种边缘质量接近研磨的玻璃片的质量。考虑到这些能力，可在制备薄玻璃片的熔合拉制过程中，将激光基方法用于切割热玻璃。

对于有些应用，玻璃应力也可受到特别关注，特别是对于使用具有应力的玻璃片或层压的玻璃片的应用而言。使用传统方法在这种情况下切割片具有显著的困难。例如，在熔合拉制法中，在拉制LCD玻璃片的过程中，诱导显著量的应力。因为片和球边之间的不同厚度以及不同的相关冷却速率，在玻璃冷却过程中，在片和球边界面处的应力甚至更大。对于熔合拉制层压片的情况，应力水平可能大得多(大于300MPa)，其中相邻的片层之间的粘度和CTE差异导致非常高的外层压缩应力。这种高压缩应力层性质可显著改善层压玻璃片的玻璃强度。然而，在具有高应力水平的片中，会难以用传统方法来切割玻璃片。

如本领域普通技术人员所理解，使用熔合拉制法制备的LCD玻璃片具有高应力，其中在将玻璃从高于玻璃的软化点的温度冷却到比玻璃应变点低得多的过程中产生该应力。因为厚度和热质量的差异，在玻璃球边界面处的应力还明显高得多。对于层压玻璃片的情况，应力更高得多(大于300MPa)，其中玻璃层CTE和粘度的不匹配可诱导强化玻璃应用所需的高压缩应力。这些高水平的应力使得非常难以在比玻璃(<300℃)应变点低得多的温度下切割玻璃片。

批露方法和不同实施方式来使用激光技术切割片和从片分离球边，其使得需要穿过玻璃片厚度的单一激发(single shot)。本文所述的方法实现在拉制处基于激光切割片，并分离球边，从而改善熔合拉制法的制造效率。此外，在一些实施方式中，可在高温(接近玻璃的退火点)下切割单一层片和层压的片，这使得诱导的应力小得多。在高温下切割片和随后通过预定的温度分布后处理片的能力还可供应具有较低玻璃密实化、较低残留应力的片，消除独立的精磨步骤成本的可能性，加工有更高应变点玻璃的能力，和因为在退火温度下停留更久而带来的增加的生产通量。

图16显示使用多阶段炉子1671的一种示例方法，该多阶段炉子1671设计成将玻璃片部分1170’(待切割的)保持在接近其退火点的温度下。在拉制的下部部分，将玻璃片1170’(待切割的)引入炉子1671a，其保持在约为玻璃的退火温度下。在接近退火点的升高的温度下的较低的应力水平有助于切割片。首先通过经历水平激光束平移1676的激光束1674在拉制处水平地切割片1164，从而在玻璃中形成多个缺陷线。

然后，将玻璃片1170’平移到炉子1671b，其也保持在玻璃的退火温度下。使用激光束1674分离玻璃球边1166，该激光束1674构造成经历垂直平移1674来对邻近球边1166的玻璃片1170’进行激光划割。水平和垂直切割步骤可包括沿着激光损坏的轮廓施加拉伸或弯曲应力，从而从拉制分离玻璃，且如有需要，从切割玻璃片1170’分离玻璃球边。例如，可使用机器人来施加应力。

在除去玻璃球边之后，将切割玻璃片1170’平移到第三炉子1671c，其中热源1680经历垂直平移1682，以将热量递送到玻璃板1170’的切割边缘。施加热量来使得切割的垂直边缘平滑化和圆化，且虽然没有在图16中示出，但还可将热量施加到板1170’的水平切割边缘，用于平滑和圆化。热源可包括气体火焰、CO₂激光等。

玻璃片1164可为层压片，其中片包括多个层，每一层具有不同的材料性质，例如CTE等。这种层压的片可通过使用双等压槽(isopipe)拉制塔来形成，其中每一等压槽用于提供用于层压件的不同层的玻璃。层压件的玻璃层之间的CTE差异导致在将玻璃片从高于软化点的温度冷却到显著低于变点时引入显著量的应力。例如，当内部和表面层之间的CTE差异大于60x10^-7/C,且内部层厚度与总层压件厚度的比例是0.8-1时，可在层压件片表面的表面上诱导大于400MPa的压缩应力(参见，例如谭东(Tandon)等，美国专利申请号20110318555，该文的全部内容通过引用纳入本文)。

在其中玻璃片1164是层压件的情况下，炉子1671a和1671b可构造成将层压件保持在层压件的两层的退火温度之间的温度下。对于其中需要高表面压缩应力的应用中(用于高强度应用的层压玻璃中)，提供在退火温度下的时间将降低应力大小，这促进使用激光束1674进行的切割。在这些情况中，还可通过在切割后冷却过程中对玻璃进行淬火，在成品的玻璃片中获得高应力。

图17显示一种过程，其中通过使片物理地横贯通过具有温度逐渐降低的阶段1771a,1771b和1771c的多阶段炉子1771，将片1170’冷却到远低于玻璃退火点的温度。所述系列炉子施加预定的温度分布以最小化残留应力，形成后密实化，改善玻璃片性能特征并调整玻璃性质。应理解，在其它实施方式中，通过使用具有时间变化的温度分布的单一阶段炉子，获得相似的受控的冷却分布。

在其它实施方式中，在高于玻璃退火点的温度下，使用在拉制时的玻璃制备激光穿孔，在缺陷线之间存在一些间隔。在这个拉制位置，这对玻璃强度没有显著影响。但是，这会导致当在拉制时下游位置形成CTE应力(例如，用于层压玻璃)时，玻璃片自发分离或仅使用非常微弱的外部扰动来分离。自发的分离，或者使用微弱的外部扰动来分离，可用于除去玻璃球边和用于玻璃采集。

在高温下切割片且随后通过预定的温度分布后处理片的能力可使得片具有更低的玻璃密实化和更低的残留应力。这种能力还可消除独立的精磨步骤的成本，允许加工具有更高应变点的玻璃，且因为玻璃在退火温度下停留更久而带来的生产通量增加。

通过两个缺陷线之间的节距来控制沿着全厚度切割的玻璃分离。用于切割许多显示器玻璃组合物的典型示例性节距是约1-5微米(例如，2-5微米)。但是，还显示最高达8微米(5-8微米)的节距也提供良好的质量切割。控制节距的能力也是重要的，因为其决定切割速度，其还受到激光脉冲频率或脉冲群重复率、脉冲群模式之内的脉冲数目和可用的平均能量/脉冲和/或平均能量/脉冲群的影响。

当绕着穿孔缺陷线的孔的微裂纹朝着下一个最近的孔取向时，这有助于玻璃切割，因为通过沿着切割线的微裂纹额外地增强在切割方向上的从一个孔到下一个最近的孔的裂纹扩展。在这种情况下，为了完全的玻璃分离，孔或缺陷线之间的较大节距(例如3-50微米，例如3-20微米)是优选的。或者，在一些玻璃类型中，当没有形成微观纹或微裂纹没有朝着缺陷线取向并与缺陷线相邻时，为了完全的玻璃分离，孔(或缺陷线)之间较小的节距(0.1-3微米，例如1-3微米)是优选的。

连续的熔合玻璃制造过程和显示器应用，例如薄膜晶体管(TFT)，需要将玻璃切割成某些形状、尺寸并具有一定的边缘精磨。例如，在将玻璃片送到消费者之前，精磨显示器玻璃片以使其具有外圆角(bullnose)边缘是工业标准。因为可靠性原因，这是优选的，因为没有这种精磨的玻璃边缘常常在运输时破碎。本文所述的方法实现切割和精磨(finishing)具有边缘轮廓、倒角的显示器玻璃片，其还提供在运输过程中的高度可靠性，但不需要昂贵的机械研磨和抛光过程。这种边缘最多仅需要精细接触抛光来获得高可靠性工业标准。

最后，本文所述的方法能完全分离/切割从0.025毫米或更薄到几毫米厚玻璃片的各种厚度的TFT玻璃组合物，或由熔合法生产的玻璃片的堆叠件。例如，比如TFT玻璃组合物的工件可具有约0.01毫米-5毫米的厚度。例如，如有需要，用如图2-6中所述的设备产生的激光束聚焦线可具有覆盖工件厚度范围的长度，从而形成延伸穿过整个工件厚度的缺陷线。

本申请提供下述益处，其可转变成增强的激光加工能力和成本节省，并因此更低成本制造。在现在的实施方式中，切割过程提供：

使用降低的激光功率完全分离被切割的零件：本文所述的实施方式能完全分离/切割从0.025毫米或更薄到几毫米厚玻璃片的各种厚度的TFT玻璃组合物，或例如由熔合法生产的玻璃片的堆叠件。

减少的表面下损坏：因为激光和材料之间的超短脉冲相互作用，存在很少的热相互作用，并因此存在极少的受热影响的区域，该受热影响的区域可导致不利的应力和微裂纹化。此外，将激光束浓缩或聚焦进入玻璃的光学器件在零件表面上形成缺陷线，所述缺陷线直径通常是2-5微米。分离之后，表面下缺陷小于100微米,例如<75微米,<50微米,<30微米,或甚至20微米或更低。这对零件的边缘强度具有很大影响，因为强度通过缺陷数目、用尺寸和深度表示的缺陷统计学分布来控制。这些数目越高，零件边缘越弱。通过本文所述的实施方式实现的工艺由此提供小于或等于20微米的刚切割边缘的表面下损坏。

由任何切割过程导致的且大致垂直于切割表面的表面下损坏或小微裂纹和材料改性是玻璃或其它脆性材料的边缘强度的关注点。可通过使用共焦显微镜在切割表面上观察来测量表面下损坏的深度，显微镜的光学分辨率是几纳米。当探寻进入材料中的裂纹时，忽略表面反射，裂纹呈现为明亮的线。然后，将显微镜聚焦进入材料直到不再存在“闪耀”-即，不再观察到散射特征，且以规则的间隔收集图象。然后，通过寻找裂纹并透过玻璃深度来追踪它们以获得表面下损坏的最大深度(通常以微米为单位进行测量)，来手动处理图象。通常存在数以千计的微裂纹，因此通常只测量最大的微裂纹。通常在切割边缘的约5个位置上重复这个过程。虽然微裂纹大致垂直于切割表面，但用这种方法可能无法检测直接垂直于切割表面的任何裂纹。

工艺干净度：本文所述的方法允许以干净和受控的方式来分离和/或切割TFT玻璃组合物，例如Eagle康宁Lotus^TM和其它材料。使用常规的烧蚀或热激光过程是非常具有挑战性的，因为它们趋向于激发受热影响的区域，其诱导微裂纹，并将基材断裂成几个更小的块。本文所述的方法的激光脉冲和诱导的与材料的相互作用的特征避免了所有这些问题，因为它们在非常短的时间尺度上进行，且基材材料对激光辐射的透明性使得诱导的热效应最小化。因为在基材之内形成缺陷线，大大消除了在切割步骤中碎片和颗粒物质的存在。如果存在来自形成的缺陷线的任何颗粒，它们将良好地容纳直到分离零件。用本文所述的激光基方法切割和分离的表面上的颗粒可具有小于约3微米的平均直径。

切割不同尺寸的复杂轮廓和形状

本发明的激光加工方法允许切割/分离具有许多形式和形状的玻璃、蓝宝石和其它基材和玻璃工件，这在其它竞争性技术中是个限制。使用本发明的方法可在TFT玻璃组合物中切割紧密的半径(例如，小于2毫米)，这实现弯曲的边缘、实现弯曲的边缘和实现形成较小的孔和狭缝(例如如手机应用中扬声器/麦克风所要求的)，例如小于约5毫米。此外，因为缺陷线强力地控制任何裂纹扩展的位置，这种方法对切割的空间位置具有很强的控制，并允许切割和分离小至几百微米的结构和特征。

省略工艺步骤

从来料玻璃面板将玻璃板制造成最终尺寸和形状的方法涉及多个步骤，其包括切割面板、切割到所需尺寸、精磨和边缘成形、将零件薄化到它们的目标厚度和抛光TFT玻璃组合物。就加工时间和资金花费而言，省略这些步骤中的任一种将改善制造成本。例如，本发明的方法可通过下述来减少步骤的数目：

·减少的碎片和边缘缺陷形成-潜在地消除洗涤和干燥工位。

·直接将样品切割到其最终尺寸、形状和厚度-无需精磨线。

·直接在拉制时切割玻璃-无需精磨线。

本文引用的所有专利、专利申请公开和参考文献的相关教导都通过引用全文纳入本文。

虽然本文描述了示例性实施方式，但本领域普通技术人员应理解在不偏离所附权利要求所包含的范围的情况下，可改变其中的各种形式和细节。

Claims (25)

1.一种激光加工碱土硼铝硅酸盐玻璃复合材料工件的方法，所述方法包括：

将脉冲激光束聚焦成沿着束传播方向取向并引导进入所述碱土硼铝硅酸盐玻璃复合材料工件的激光束聚焦线,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,且所述诱导吸收在工件之内沿着激光束聚焦线产生缺陷线；和

使得所述碱土硼铝硅酸盐工件和激光束沿着轮廓相对于彼此平移，由此在工件之内沿着所述轮廓激光形成多个缺陷线，其中相邻缺陷线之间的周期性是0.1微米-20微米。

2.一种通过如权利要求1所述的方法制备的玻璃制品。

3.如权利要求1或2所述的方法或制品，其特征在于，还包括沿着所述轮廓分离所述工件。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，沿着所述轮廓分离所述工件包括沿着所述轮廓或在所述轮廓附近将二氧化碳(CO₂)激光束引导进入所述工件，以促进沿着所述轮廓的热应力诱导的工件分离。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述工件包括多个显示器玻璃复合材料基材的堆叠件。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光具有10W-150W的激光功率，并产生具有至少2脉冲/脉冲群的脉冲群。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光束的脉冲群重复率是约1kHz-约4MHz。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光束的每一脉冲具有大于40微焦耳/毫米工件厚度的在工件处测量的平均激光脉冲群能量。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光束具有选定的波长，从而在这个波长下所述工件是基本上透明的。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束聚焦线具有约0.1mm-约10mm的长度。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束聚焦线具有约0.1微米-约5微米的平均光斑直径。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述诱导吸收在所述工件之内产生最高达小于或等于约100微米深度的表面下损坏。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，在工件之内沿着轮廓激光形成多个缺陷线促进沿着由所述轮廓限定的表面分离工件以形成分离的表面，以及其中所述诱导吸收产生小于或等于约0.5微米的切割和分离边缘的Ra表面粗糙度。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述工件具有约0.01毫米-约5毫米的厚度。

15.如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述碱土硼铝硅酸盐玻璃复合材料工件是玻璃片的形式，以及其中聚焦所述脉冲激光束和沿着轮廓使得所述工件和激光束相对于彼此平移是在玻璃片处于在线拉制时进行。

16.如权利要求15所述的方法或制品，其特征在于，在玻璃片近似处于所述玻璃片的退火温度的温度的情况下，进行聚焦和平移。

17.如权利要求15或16所述的方法或制品，其特征在于，所述玻璃片包括具有至少两种不同的各自退火温度的至少两层，以及当所述玻璃片处于所述至少两种不同的各自退火温度之间的温度的情况下，进行聚焦和平移。

18.如权利要求15-17中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述玻璃片包括至少两层，且当玻璃片在高于所述玻璃片退火温度的温度的情况下，进行聚焦和平移。

19.如权利要求15-18中任一项所述的方法或制品，其特征在于，还包括在轮廓的区域中，将热源、拉伸应力或弯曲应力中的至少一种施加到所述玻璃片，以促进沿着所述轮廓从拉制分离所述玻璃片。

20.一种包含碱土硼铝硅酸盐玻璃复合材料的玻璃制品，其包括至少一个边缘，所述至少一个边缘具有多个延伸至少250微米的缺陷线，所述缺陷线各自具有小于或等于约5微米的直径。

21.如权利要求20所述的玻璃制品，其特征在于，相邻缺陷线的间隔是0.1微米-20微米。

22.如权利要求20-21所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一个边缘是分离边缘，所述分离边缘具有小于或等于约0.5微米的Ra表面粗糙度。

23.如权利要求20-22所述的玻璃制品，其特征在于，所述边缘具有最高达小于或等于约100微米深度的表面下损坏。

24.如权利要求20-23所述的玻璃制品，其特征在于，其具有约10微米-约5毫米的厚度。

25.如权利要求1-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光的激光功率是25W-60W，并产生具有至少2-25脉冲/脉冲群的脉冲群，且所述缺陷线之间的周期性是2-10微米，以及以至少0.25米/秒的速率使得所述工件或激光束相对于彼此平移。