CN107073641A - 接口块；用于使用这种接口块切割在波长范围内透明的衬底的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种用于切割衬底(102)的系统，所述衬底在电磁光谱的预定波长范围内是透明的并且当从衬底板(102)中被提取时将包括边缘。所述系统通常包括：激光器(104)，所述激光器能够发射光，所述光沿着光路并且具有在所述衬底(102)为透明的所述波长范围内的预定波长；光学设备(106)，所述光学设备被定位在所述激光器的所述光路中；以及接口块(108)，所述接口块由在电磁光谱中所述衬底(102)同样透明的所述预定波长范围的至少一部分上是透明的材料组成，其中，所述接口块(108)被定位在所述光路中并且位于所述衬底(102)与所述光学元件(108)之间。

Description

接口块；用于使用这种接口块切割在波长范围内透明的衬底 的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2014年7月14日提交的美国临时申请序列号62/024084的优先权权益，所述临时申请的内容被用作依据并且通过引用以其全部内容结合在此。

背景技术

本发明总体上涉及用于切割透明材料衬底的激光切割设备，并且更具体地涉及用于对透明材料衬底的边缘进行切割和处理的这种设备和系统。

材料的激光加工的范围包含涉及切割、钻孔、铣削、焊接、熔融等的各种应用以及不同类型的材料。在这些应用之中有切割和/或分离不同类型的衬底并且特别是从透明材料中分离出任意形状。

从工艺开发和成本的视角来看，有机会改善对玻璃衬底的切割和分离。在若干替代的技术中，使用不同的方法已经尝试并展示了激光分离。这些技术涵盖期望的(多个)部分与其矩阵的边界之间的材料的实际去除、二次切断工序之前的大部分材料内的缺陷的产生以便沿期望轮廓的外周利用裂纹萌生点来减少或除去材料、以及由热应力分离引起的初始裂纹的扩展。

虽然这种激光切割工艺已经展示了潜在的经济和技术优势(比如，精密度、好的边缘处理以及低剩余应力)，但是边缘处理仍导致了在单独的工艺中需要对边缘进行去毛边和抛光，并且当希望在衬底的外围边缘周围有斜面时，需要另一项工艺。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于切割衬底的系统，所述衬底在电磁光谱的预定波长范围内是透明的并且当从衬底板中被提取时将包括边缘。所述系统通常包括：激光器，所述激光器能够发射光，所述光沿着光路并且具有在所述衬底为透明的所述波长范围内的预定波长；光学设备，所述光学设备被定位在所述激光器的所述光路中；以及接口块，所述接口块由在电磁光谱中所述衬底同样透明的所述预定波长范围的至少一部分上是透明的材料组成，其中，所述接口块被定位在所述光路中并且位于所述衬底与所述光学元件之间。

优选地，根据一些实施例，光学元件被定位在所述激光器的所述光路中，从而使得所述激光器结合所述光学元件能够在所述衬底的至少一部分内生成诱导非线性吸收。根据一些实施例，所述激光束被引导进入所述衬底并在所述衬底材料内生成诱导非线性吸收，并且所述诱导非线性吸收在衬底内沿所述激光束对所述衬底材料进行改造。根据一些实施例，所述激光器是脉冲激光器并且产生了脉冲激光束，所述光学设备被构造成用于将所述脉冲激光束聚焦到沿所述光束传播方向定向并被引导进入所述衬底的激光束焦线中，所述激光束焦线能够在所述衬底材料内生成诱导非线性吸收，所述衬底材料在所述衬底内沿所述激光束焦线产生缺陷线。

在本发明的一个方面中，接口块被形成为直角平行六面体。在本发明的另一个方面中，接口块被形成为三角平行六面体。在本发明的进一步方面中，接口块包括沿其一个边缘形成的凹肩，并且，其中，衬底的边缘可以被接纳。

在本发明的另一个方面中，接口块被形成为可以被定位在大的衬底板上的框架，以便处理和进行边缘切割以及从较大板中提取较小衬底板。

本发明的另一实施例提供了一种在用于切割衬底的边缘的系统中使用的接口块，所述衬底在电磁光谱的预定波长范围内是透明的。所述接口块包括在电磁光谱中衬底同样透明的预定波长范围的至少一部分上透明的平行六面体形状的材料块。

本发明的另一个实施例提供了一种用于靠近衬底的边缘进行切割的方法，所述衬底在电磁光谱的预定波长范围内是透明的，所述方法包括以下步骤：安排激光器、光学元件以及接口块，从而使得从所述激光器发射的光束将首先穿过所述光学元件并随后穿过所述接口块。所述接口块由平行六面体形状的材料组成，所述材料在电磁光谱中所述衬底同样透明的所述预定波长范围的至少一部分上是透明的。所述方法进一步包括：将所述接口块定位成与所述衬底的所述边缘成并置关系以及在所述衬底为透明的所述波长范围内的波长下从所述激光器中发射光束的步骤，其中，所述发射光束沿路径穿过所述光学元件和所述接口块，并且所述接口块使所述光束在所述衬底的边缘处有角度地与所述衬底相交并穿过所述衬底。

附图说明

如在附图中所展示的，前述内容将从以下示例实施例的更具体描述中变得清楚，其中，贯穿不同视图的相似的参考符号指代相同的部分。这些附图并非必须是按比例的，而是将重点放在展示代表性实施例上。

图1是根据实施例的三个层的堆叠的图示：面向激光能量的薄材料A、改造界面、以及厚材料B，改造界面中断激光能量使其免于与改造界面远离激光束的一侧上的堆叠的部分相互作用；

图2A和2B是根据实施例的示出了激光束焦线的定位的图示；

图3A是根据实施例的用于激光加工的光学组件的图示；

图3B-1、3B-2、3B-3以及3B-4展示了根据实施例的通过相对于衬底在透明材料内的不同位置形成激光束焦线来处理衬底的各种可能性；

图4是根据实施例的用于激光加工的第二光学组件的图示；

图5A和5B是根据实施例的用于激光钻孔的第三光学组件的图示；

图6是根据实施例的用于激光加工的第四光学组件的示意图；

图7是根据实施例的作为皮秒激光器的时间函数的激光发射的图表，其中，每次发射由可以包含一个或多个次脉冲的脉冲“突发串”来表征，突发串的频率是激光器的重复率(通常为约100kHz(10微秒))，并且次脉冲之间的时间更短(例如，约20纳秒(nsec))；

图8是入射到玻璃-空气-玻璃复合结构上的聚焦高斯(Gaussian)光束与贝塞尔(Bessel)光束之间的比较；

图9是根据实施例的堆叠有透明保护层以便在减小磨损或污染的同时切割多个板的图示；

图10是根据实施例的空气间隙以及对封装设备的切割的图示；

图11是根据实施例的利用激光穿孔然后蚀刻或者激光穿孔以及CO₂激光释放来切割中介层或窗口的图示；

图12是根据实施例的切割如涂覆有透明导电层(例如氧化铟锡(ITO))的电致变色玻璃的物品的图示；

图13是根据实施例的在不损伤其他层的同时对堆叠中的一些层进行精密切割的图示；

图14A-14C是产生穿过衬底的断裂线的激光器、分离后有缺陷的衬底边缘、以及衬底的分离边缘的图片的示意图；

图15A-15C是用于材料的激光加工的不同状态的示意图；

图16是根据本发明的实施例的直角平行六面体形状的接口块的透视图；

图17是根据本发明的实施例的三角平行六面体形状的接口块的透视图；

图18是根据本发明的实施例的具有切口台阶的直角平行六面体形状的接口块的透视图；

图19是根据本发明的实施例的由GRIN材料组成的三角平行六面体形状的接口块的透视图；

图20A和20B分别是用于靠近衬底的边缘进行切割的矩形接口块、以及使用接口块已被切割的衬底的侧视示意图；

图21A和21B分别是用于在衬底的边缘切割斜面的三角形接口块、以及使用接口块已被切割的衬底的侧视示意图；

图22是被形成为框架并被定位在待切割衬底上的接口块的透视示意图；

图23是沿图22的线23-23截取的横截面视图；

图24A和24B是使用图22的框架切割衬底的激光系统以及使用图22的框架已被切割的衬底的说明性侧视图；

图25是具有凹肩的接口块的替代实施例的侧视示意图；

图26是旋转小齿轮上的多个接口块的系统的俯视平面示意图；以及

图27是图8的系统的前视示意图。

具体实施方式

示例实施例的说明如下。

现在参照附图，其中，自始至终相似的参考号指代相同的部分，在图20A和21A的系统中可知用于切割衬底102的系统(通常用参考号100表示)。通常，系统100包括：激光器104；光学设备106，所述光学设备被定位在激光器的光路中用于以期望方式聚焦激光器的光；以及接口块108，所述接口块被定位成与衬底102成并置关系且位于如光学设备106所聚焦的激光器的光束的通路中。激光束安排、光学设备以及接口块与使用接口块的方法以及使用接口块的系统一起均在以下进行了更加详细的描述。然而，在描述此系统100之前且为了充分认识本发明，描述了本系统100中所采用的激光切割系统的示例实施例。

衬底的激光切割

在此描述的实施例涉及用于在透明材料中或穿过透明材料光学地产生高精密切割的方法和装置。表面下损伤可以被限制在60微米深度的量级或更小，并且切割仅可以产生少量碎屑。利用根据本公开的激光器切割透明材料还可以在此被称为钻孔或激光钻孔或激光加工。当在激光波长下的吸收是每毫米的材料深度小于约10％(优选小于约1％)时，材料对于此波长基本上是透明的。

根据以下描述的方法，在单次通过中，激光器可以被用于穿过材料产生高度受控的全线穿孔，而具有极小的(<75μm，常常<50μm)表面下损伤和碎屑产生。这与用于烧蚀材料的光斑聚焦激光器的典型使用形成对比，其中，多个通路经常需要完全地穿透玻璃厚度，从烧蚀过程中形成大量碎屑，并且发生更广泛的表面下损伤(>100μm)和边缘碎裂。

因此，使用单个高能量突发脉冲有可能在透明材料中产生微小的(即直径<0.5μm且>100nm)狭长的“孔”(也被称为穿孔或缺陷线)。这些单独的穿孔能够以数百千赫兹(例如，每秒数十万个穿孔)的速度产生。因此，在源与材料之间的相对运动下，这些穿孔可以彼此相邻放置(如所期望的，空间间隔从亚微米至数微米变化)。选择这种空间间隔以便有利于切割。在一些实施例中，缺陷线是“通孔”，所述“通孔”是从衬底材料的顶部至底部延伸的孔或开放通道。在一些实施例中，缺陷线不可以是连续的通道，并且可能被固体材料(例如，玻璃)的部分或者区段阻塞或部分地阻塞。如在此定义的，缺陷线的内直径是开放通道或气孔的内直径。例如，在此处描述的实施例中，缺陷线的内直径是<500nm(例如，<400nm)或者<300nm。在此处公开的实施例中围绕孔的材料的中断区域或改造区域(例如，压实的、熔融的、或以其他方式改变的)优选地具有<50μm的直径(例如，<0.10μm)。

此外，对透明材料的堆叠进行微加工和选择性切割是利用通过选择适当的激光源和波长连同光束传递光学器件对切割深进行精确控制以及对光束中断元件在希望的层的边界处进行布置而完成的。光束中断元件可以是材料层或界面。光束中断元件在此可以被称为激光束中断元件、中断元件等。光束中断元件的实施例在此可以被称为光束中断层、激光束中断层、中断层、光束中断界面、激光束中断界面、中断界面等。

光束中断元件反射、吸收、散射、散焦或以其他方式干涉入射激光束，以便抑制或防止激光束损伤或以其他方式修改堆叠中下面的层。在一个实施例中，光束中断元件位于其中将发生激光钻孔的透明材料层的下面。如在此使用的，当对光束中断元件的布置是使得激光束在遇到光束中断元件之前必须穿过透明材料时，光束中断元件位于透明材料的下面。光束中断元件可以位于其中将发生激光钻孔的透明层的下面并与所述透明层直接相邻。堆叠材料可以通过插入层或修改界面以高选择性进行微加工或切割，从而使得在堆叠的不同层之间存在光学特性的对比。通过使堆叠中的材料之间的界面在感兴趣的激光波长下更加反射、吸收、以及/或者散射，切割可以被限制在堆叠的一部分或一层。

选择激光的波长，从而使得待激光加工(钻孔、切割、烧蚀、损伤或通过激光器以其他方式明显改造)的堆叠内的材料对于所述激光波长而言是透明的。在一个实施例中，待通过激光加工的材料对于所述激光波长是透明的，如果它吸收小于10％的每毫米材料厚度的所述激光波长的强度。在另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于所述激光波长是透明的，如果它吸收小于5％的每毫米材料厚度的所述激光波长的强度。在又另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于所述激光波长是透明的，如果它吸收小于2％的每毫米材料厚度的所述激光波长的强度。在又另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于所述激光波长是透明的，如果它吸收小于1％的每毫米材料厚度的所述激光波长的强度。

激光源的选择进一步根据在透明材料中诱导多光子吸收(MPA)的能力。MPA是相同或不同频率的多个光子的同时吸收，以便将材料从较低能态(通常是基态)激发至较高能态(激发态)。激发态可以是激发电子态或电离态。材料的较高与较低能态之间的能量差等于两个或更多个光子的能量的总和。MPA是通常比线性吸收弱若干个数量级的三阶非线性过程。MPA与线性吸收的不同之处在于吸收的强度取决于光强度的平方，由此使其成为非线性光学过程。在普通的光强度下，MPA可忽略不计。如果光强度(能量密度)非常高(比如在激光源(特别是脉冲激光源)的焦点的区域中)，则MPA变得明显并在区域内导致材料中的可测量的效应。而且，在焦点区域内，能量密度可以高到足以导致电离。

在原子能级上，单个原子的电离具有离散能量需求。在玻璃中常用的几种元素(例如，Si、Na、K)具有相对低的电离能(约5eV)。在没有MPA现象的情况下，将需要约248nm的波长来产生约5eV下的线性电离。在具有MPA的情况下，由约5eV的能量分开的态之间的电离或激发可以用长于248nm的波长来完成。例如，具有532nm的波长的光子具有约2.33eV的能量，所以两个具有波长532nm的光子在双光子吸收(TPA)中可以诱发由约4.66eV的能量分开的态之间的跃迁。

因此，在其中的激光束的能量密度高到足以诱导具有例如一半所需激发能量的激光波长的非线性TPA的材料区域中，原子和键可以被选择性地激发或电离。MPA可以导致激发的原子或键与相邻的原子或键的局部重构和分离。产生的键或构型的改造可以导致非热改造以及从其中发生MPA的材料区域中分离物质。这种改造或分离产生机械地削弱材料的结构缺陷(例如，缺陷线、或“穿孔”)并使其在施加机械或热应力时更容易破裂或断裂。通过控制穿孔的位置，可以精确地限定破裂发生所沿着的轮廓或路径，从而使得可以完成对材料的精细微加工。由一系列穿孔限定的轮廓可以被视为断裂线并对应于材料中的结构薄弱区域。在一个实施例中，微加工包括从激光器所加工的材料中分离出一部分，其中，所述部分具有由通过激光器所诱导的MPA作用形成的穿孔的闭合轮廓决定的精确限定的形状或外周。如在此使用的，术语闭合轮廓是指激光线形成的穿孔路径，其中，所述路径在某个位置与自身相交。内部轮廓是其中得到的形状完全由材料的外部部分围绕形成的路径。

穿孔可以利用具有在时间上间隔很近的高能量短持续时间脉冲的单个“突发串”来完成。激光脉冲持续时间可以是10^-10s或更短、或者10^-11s或更短、或者10^-12s或更短、或者10^-13s或更短。这些“突发串”可以以高重复率(例如，kHz或MHz)进行重复。可以通过对激光器和/或衬底或堆叠的运动的控制来控制衬底或堆叠相对于激光器的速度从而间隔开并精确定位这些穿孔。

作为示例，在暴露于一系列100kHz脉冲的以200毫米/秒移动的薄透明衬底中，单独脉冲将被间隔开2微米，以便产生被分隔开2微米的一系列穿孔。此缺陷(穿孔)间隔足够接近以便允许沿着所述一系列穿孔所限定的轮廓进行机械或热分离。

热分离：

在一些情况下，沿着一系列穿孔或缺陷线所限定的轮廓产生的断裂线并不足以自发地分离所述部分，并且第二步骤可能是必要的。如果希望的话，则例如可以使用第二激光器来产生热应力从而分离它。在蓝宝石的情况下，通过施加机械力或通过使用热源(例如，红外激光器，例如，CO₂激光器)产生热应力并迫使一部分与衬底分离，在产生断裂线后，可以实现分离。另一种选择是使CO₂激光器启动分离，并且，然后，使用手动技术完成分离过程。任选的CO₂激光分离可以例如用散焦连续波(cw)激光器来实现，所述散焦连续波激光器在10.6μm处发射并且具有通过控制其占空比而进行调节的功率。焦点变化(即，散焦达到的程度并包括聚焦光斑尺寸)被用于通过改变光斑尺寸来改变诱导热应力。散焦激光束包括产生光斑尺寸的那些激光束，所述光斑尺寸大于激光波长尺寸数量级下的最小衍射极限的光斑尺寸。例如，约7mm、2mm以及20mm的光斑尺寸可以被用于CO₂激光器，所述CO₂激光器的发射波长在10.6μm处小的多。例如，在一些实施例中，沿着断裂线110的方向的相邻缺陷线120之间的距离可以大于0.5μm且小于或等于约15μm。

蚀刻：

例如，可以使用酸蚀刻例如来分离具有玻璃层的工件。为了将孔扩大至可用于金属填充和电连接的尺寸，部分可以被酸蚀刻。在一个实施例中，例如，所使用的酸可以是按体积计的10％HF/15％HNO₃。例如，所述部分可以在24℃-25℃的温度下被蚀刻53分钟以便去除约100μm的材料。所述部分可以浸没在此酸浴中，并且在40kHz和80kHz频率的组合下的超声搅拌可以被用于促进在这些孔中的流体的渗透和流体交换。此外，可以在超声场内进行所述部分的人工搅拌以防止来自超声场的驻波图案在所述部分上产生“热点”或空穴相关的损伤。所述酸组合物和蚀刻速率可以有意地设计成用于缓慢地蚀刻所述部分——例如，仅1.9μm/分钟的材料去除速度。例如，小于约2μm/分钟的蚀刻速率允许酸充分渗透窄孔并且允许搅拌交换新鲜流体以及从最初非常窄的孔中去除溶解的材料。

在图1中所示出的实施例中，对多层堆叠中的切割深度的精确控制通过包含光束中断界面(被标记为“改造界面”)来实现。光束中断界面防止激光辐射与超出中断界面的位置的部分多层堆叠相互作用。

在一个实施例中，光束中断元件被定位在堆叠层的直接下方，在所述层中将发生经由双光子吸收的改造。这种构型在图1中示出，其中，光束中断元件是被定位在材料A的直接下方的改造界面并且材料A是在其中将通过在此描述的双光子吸收机制形成穿孔的材料。如在此使用的，参照在另一位置下方或低于另一位置的位置假定顶部或最上面的位置是激光束首先入射到其上的多层堆叠的表面。在图1中，例如，材料A最接近激光源的表面是顶表面并且光束中断元件在材料A下方的放置意味着激光束在与光束中断元件相互作用之前穿过材料A。

光束中断元件具有不同于待切割材料的光学特性。例如，光束中断元件可以是散焦元件、散射元件、半透明元件或者反射元件。散焦元件是包括防止激光在散焦元件上或散焦元件下方形成激光束焦线的材料的界面或层。散焦元件可以由具有散射或扰乱光束的波前的折射率不均匀性的材料或界面组成。半透明元件是材料的界面或层，所述材料允许光通过，但仅在散射或衰减激光束以便充分降低能量密度从而防止在半透明元件远离激光束的一侧的堆叠的部分中形成激光束焦线之后。在一个实施例中，半透明元件产生至少10％的激光束光线的散射或偏移。

更具体地，可以采用中断元件的反射性、吸收性、散焦、衰减以及/或者散射来产生对激光辐射的屏障或障碍。激光束中断元件可以通过几种手段产生。如果整个堆叠系统的光学特性不重要，那么可以在期望的两层堆叠之间沉积一个或多个薄膜作为(多个)光束中断层，其中，所述一个或多个薄膜与在其直接上方的层相比吸收、散射、散焦、衰减、反射以及/或者消散更多的激光辐射，以便保护所述(多个)薄膜下方的层免于从激光源接收过多的能量密度。如果整个堆叠系统的光学特性的确重要，光束中断元件可以被实现为陷波滤波器。这可以通过几种方法来完成：

·在中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，从而使得发生在特定波长或波长范围下的入射激光辐射上的衍射；

·在中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，从而使得入射激光辐射发生散射(例如，纹理化的表面)；

·在中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，从而使得激光辐射发生衰减相移；以及

·在中断层或界面处经由薄膜堆叠产生分布式布拉格反射器以便反射激光辐射。

由中断元件进行的激光束的吸收、反射、散射、衰减、散焦等没有必要是完整的。仅有必要的是，中断元件对激光束的影响足以将聚焦激光束的能量密度或强度降低至低于对中断元件所保护(在中断元件下面)的堆叠中的层进行切割、烧蚀、穿孔等所需要的阈值的水平。在一个实施例中，中断元件将聚焦激光束的能量密度或强度降低至低于诱导双光子吸收所需要的阈值的水平。中断层或中断界面可以被配置成用于吸收、反射或散射激光束，其中，所述吸收、反射或散射足以将传递至载体(或其他下面的层)的激光束的能量密度或强度降低至低于诱导载体层或下面的层中的非线性吸收所需水平的水平。

转向图2A和2B，激光钻孔材料的方法包括沿着光束传播方向观察到的将脉冲激光束2聚焦成激光束焦线2b。激光束焦线2b为高能量密度区域。如图3A中所示出的，激光器3(未示出)发射激光束2，所述激光束具有入射到光学组件6的一部分2a。光学组件6沿着光束方向(焦线的长度l)在限定的外延范围内的输出侧上将入射激光束转变为外延激光束焦线2b。

层1是多层堆叠层，其中，通过激光加工和双光子吸收会发生内部改造。层1是更大工件的组件，所述组件典型地包括在其上形成多层堆叠的衬底或载体。层1是多层堆叠内的层，其中，孔、切口或其他特征将通过如在此描述的双光子吸收辅助的烧蚀或改造来形成。层1被定位在光束路径中以便至少部分地与激光束2的激光束焦线2b重叠。分别地，参考号1a表示层1面向(最靠近或邻近)光学组件6或激光器的表面，参考号1b表示层1的相反表面(与光学组件6或激光器离得远、或更远的表面)。层1的厚度(垂直于平面1a和1b(即，垂直于衬底平面)测量的)被标记为d。

如图2A描绘，层1垂直于纵向光束轴对齐并因此位于光学组件6所产生的相同焦线2b的后面(衬底垂直于附图的平面)。沿着光束方向观察，层1相对于焦线2b定位，其方式为使得焦线2b(在光束的方向上观察)在层1的表面1a之前开始并在层1的表面1b之前停止，即，焦线2b在层1内终止并且不延伸超出表面1b。在激光束焦线2b与层1的重叠区域中(即，在层1的被焦线2b重叠的部分中)，外延激光束焦线2b在层1中产生非线性吸收。(假设沿着激光束焦线2b的适当激光强度，所述强度由激光束2在长度l的区段(即长度l的线状焦点)上的充分聚焦来保证，其限定了外延区段2c(沿着纵向光束方向对齐)，沿着所述外延区段在层1中产生了诱导非线性吸收。)诱导非线性吸收导致沿着区段2c在层1中形成缺陷线或裂纹。缺陷线或裂纹的形成不仅是局部的，而且还可以在诱导吸收外延区段2c的整个长度上延伸。区段2c的长度(其对应于激光束焦线2b与层1重叠的长度)用参考号L标记。诱导吸收区段2c(或经历缺陷线或裂纹形成的层1的材料中的区段)的平均直径或平均延伸用参考号D标记。此平均延伸D基本上对应于激光束焦线2b的平均直径δ，即，在约0.1μm与约5μm之间的范围内的平均光斑直径。

如图2A所示，由于沿着焦线2b的诱导吸收，层1(其对于激光束2的波长λ而言是透明的)被局部加热。诱导吸收起因于与焦线2b内的激光束的高强度(能量密度)相关联的非线性效应。图2B展示了经加热的层1最终将膨胀，从而使得对应的诱导张力导致微裂纹形成，张力在表面1a处是最高的。

以下描述了可以被应用于产生焦线2b的代表性光学组件6以及这些光学组件可以被应用到其中的代表性光学装置。所有组件或装置均基于以上描述，从而使得相同的参考号被用于相同的块或特征或在其功能上相等的那些块或特征。因此，以下仅描述不同之处。

为了确保沿着一系列穿孔所限定的轮廓在破裂后分离表面的高质量(关于断裂强度、几何精度、粗糙度以及避免再加工需求)，用于形成限定破裂轮廓的穿孔的单独焦线应当使用以下描述的光学组件产生(在下文中，光学组件还可替代地被称为激光光学器件)。经分离的表面的粗糙度主要由焦线的光斑尺寸或光斑直径决定。表面的粗糙度可以由例如Ra表面粗糙度统计数值(经采样的表面的高度绝对值的粗糙度算术平均值)来表征。为了在激光器3的给定波长λ的情况下(与层1的材料的相互作用)实现例如0.5μm至2μm的小光斑尺寸，某些要求通常必须强加在激光光学器件6的数值孔径上。这些要求由以下描述的激光光学器件6满足。

为了实现所需要的数值孔径，光学器件一方面必须根据已知阿贝(Abbé)公式(N.A.＝n sin(θ)，n：待加工材料的折射率、θ：孔径角的一半、以及θ＝arctan(D/2f)；D：孔径、f：焦距)解决给定焦距所需要的开口。另一方面，激光束必须照射光学器件至所需要的孔径，这通常利用激光与聚焦光学器件之间的加宽望远镜借助于光束加宽来实现。

为了沿焦线均匀相互作用的目的，光斑尺寸不应当改变太大。这可以例如通过仅在小的圆形区域中照射聚焦光学器件来确保(见以下实施例)，从而使得光束开口以及因此数值孔径的百分比仅稍微改变。

根据图3A(在激光辐射2的激光束丛中的中央光束的水平处垂直于衬底平面的区段；激光束2在此同样垂直入射到层1，即，入射角β为0°，从而使得焦线2b或诱导吸收延伸区段2c平行于衬底法线)，激光器3发射的激光辐射2a首先被引导至对于所使用的激光辐射完全不透明的圆形光阑8上。光阑8垂直于纵向光束轴定向并且以描绘的光束丛2a的中央光束为中心。选择光阑8的直径，其方式为使得靠近光束丛2a的中心的光束丛或中心光束(在此用2aZ标记)撞击光阑并被其完全阻断。只有光束丛2a的外周范围内的光束(边缘光线，在此用2aR标记)由于与光束直径相比减小的光阑尺寸而未被阻断，而是侧向地穿过光阑8并撞击光学组件6(在此实施例中，其被设计为球形切割的双凸透镜7)的聚焦光学元件的边缘区域。

透镜7以中心光束为中心并被设计为呈常见的球形切割透镜形式的未经校正的双凸聚焦透镜。这种透镜的球面像差可以是有利的。作为替代方案，也可以使用偏离理想校正系统的非球面透镜或多透镜系统，这些非球面透镜或多透镜系统未形成理想焦点而是形成了具有限定长度的不同狭长焦线(即，不具有单个焦点的透镜或系统)。透镜的区域因此沿焦线2b聚焦，受限于距透镜中心的距离。横越光束方向的光阑8的直径是光束丛的直径的约90％(由将光束的强度降低至峰值强度的1/e所需要的距离进行限定)并且是光学组件6的透镜的直径的约75％。因此使用通过阻挡掉中心的光束丛所产生的非像差校正球面透镜7的焦线2b。图3A示出了穿过中心光束的一个平面中的区段，当描绘的光束绕着焦线2b旋转时，可看到完整的三维丛。

这种类型的焦线的一个潜在的缺点是这些条件(光斑尺寸、激光强度)可能沿着焦线(以及因此沿着材料中的希望的深度)改变并且因此可能仅在焦线的选定部分中有可能发生期望类型的相互作用(无熔融、诱导吸收、热塑性形变直至裂纹形成)。这反过来意味着可能仅入射激光的一部分被待加工材料以期望的方式吸收。以这种方式，可能损害加工的效率(期望的分离速率所需要的平均激光功率)，并且激光还可能被传输到非期望的区域(粘附到衬底或衬底保持夹具上的部分或层)并与它们以非期望的方式(例如，加热、扩散、吸收、不需要的改造)相互作用。

图3B-1-4示出了(不仅针对图3A中的光学组件，还针对任何其他适用的光学组件6)可以通过相对于层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的参数来控制激光束焦线2b的位置。如图3B-1展示，焦线2b的长度l可以被调整，其方式为使得长度1超过层厚度d(在此为2倍)。如果层1被放置(沿着纵向光束方向观察)在焦线2b的中心，在整个衬底厚度上生成诱导吸收外延区段2c。

在图3B-2中所示出的情况下，生成具有或多或少对应于层厚度d的长度1的焦线2b。由于层1相对于线2b定位，其方式为使得线2b在待加工材料外部的点处开始，因此，外延诱导吸收区段2c(在此，其从衬底表面延伸至限定的衬底深度，但不延伸至相反表面1b)的长度L比焦线2b的长度l小。图3B-3示出了衬底1(沿着光束方向观察)定位于焦线2b的起点上方的情况，从而使得如在图3B-2中线2b的长度l大于在层1中的诱导吸收区段2c的长度L。因此焦线在层1内开始并延伸超过相反表面1b。图3B-4示出了其中的焦线长度l小于层厚度d的情况，从而使得——在入射方向上观察到的衬底相对于焦线中央定位的情况下——焦线在层1内的表面1a附近开始并在层1内的表面1b附近结束(例如，l＝0.75d)。例如，激光束焦线2b可以具有在约0.1mm与约100mm之间的范围内或在约0.1mm与约10mm之间的范围内的长度l。例如，不同实施例可以被配置为具有约0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm的长度l。

特别有利的是定位焦线2b，其方式为使得表面1a、1b中的至少一个表面被焦线覆盖，以便诱导非线性吸收区段2c至少在待加工的层或材料的一个表面上开始。以这种方式有可能实现几乎理想的切割，同时避免在表面上的烧蚀、羽化以及微粒化。

图4描绘了另一种可应用的光学组件6。基本构造遵循图3A中所描述的基本构造，因此，以下仅描述不同之处。所描绘的光学组件基于使用具有非球面自由表面的光学器件以便生成焦线2b，所述焦线被成形，其方式为使得形成具有限定长度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4中，例如，使用也经常被称为轴锥镜的所谓的圆锥形棱镜。轴锥镜是沿光轴在线上形成光斑源(或将激光束转变为环)的特殊的圆锥形切割透镜。这种轴锥镜的布局对于本领域的技术人员来说原则上是已知的；在本实例中，锥角为10°。在此，用参考号9标记的轴锥镜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在其内部开始，因此，层1(在此，垂直于主光束轴对齐)可以被定位在光束路径中且位于轴锥镜9的正后方。如图4所示，还有可能由于轴锥镜的光学特性，沿光束方向移动层1，同时仍在焦线2b的范围内。层1的材料中的外延诱导吸收区段2c因此在整个深度d上延伸。

然而，所描绘的布局受制于以下限制：由于轴锥镜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与待加工材料之间存在间隔的情况下，激光能量的显著部分未被聚焦到焦线2b的诱导吸收区段2c(其位于所述材料内)中。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(数毫米)的情况下，总焦线比待加工材料的厚度长得多，从而具有许多激光能量没有聚焦到材料内的效应。

为此，可能希望使用包括轴锥镜和聚焦透镜两者的光学组件6。图5A描绘了此类光学组件6，在所述光学组件中，具有被设计成用于形成外延激光束焦线2b的非球面自由表面的第一光学元件(沿光束方向观察)被定位在激光器3的光束路径中。在图5A中所示出的情况下，此第一光学元件是具有5°锥角的轴锥镜10，所述轴锥镜垂直于光束方向定位并以激光束3为中心。轴锥镜的顶点被定向成朝向光束方向。在此为平凸透镜11(其弯曲朝向轴锥镜定向)的第二聚焦光学元件被定位在光束方向上与轴锥镜10相距距离Z1。选择距离Z1(在这种情况下约300mm)，其方式为使得轴锥镜10形成的激光辐射圆形地入射到透镜11的外部径向部分上。透镜11将圆形辐射聚焦在具有限定长度(在此情况下为1.5mm)的焦线2b的距离Z2(在此情况下距透镜11约20mm)处的输出侧上。在此实施例中，透镜11的有效焦距为25mm。激光束通过轴锥镜10的圆形变换被标记为参考号SR。

图5B详细描绘了根据图5A的层1的材料中的焦线2b或诱导吸收2c的形成。选择元件10、11两者的光学特性及其定位，其方式为使得在光束方向上的焦线2b的长度l与层1的厚度d完全相同。因此，需要沿光束方向精确定位层1，以便如图5B中所示出的将焦线2b精确定位在层1的两个表面1a与1b之间。

因此，如果在距激光光学器件一定距离处形成焦线，并且如果激光辐射的更大部分聚焦到焦线期望的末端，则是有利的。如所描述的，这可以通过仅将主要聚焦元件11(透镜)圆形地(环形地)照射在特定外部径向区域上来实现，这一方面用于实现所需要的数值孔径以及因此所需要的光斑尺寸，并且，然而，在另一方面，由于形成了基本上圆形的光斑，所以漫射的圆在光斑的中心的非常短的距离上所需要的焦线2b之后强度减小。以此方式，裂纹的形成在所需要的衬底深度的短距离内停止。轴锥镜10与聚焦透镜11的组合满足此要求。轴锥镜以两种不同方式起作用：由于轴锥镜10的原因，通常圆形的激光光斑以环的形状发送到聚焦透镜11，并且轴锥镜10的非球面性具有在透镜的焦面(而非焦面中的焦点)之外形成焦线的效应。焦线2b的长度l可以借助于轴锥镜上的光束直径进行调节。沿焦线的数值孔径在另一方面可以借助于轴锥镜-透镜距离Z1并借助于轴锥镜的锥角进行调节。以此方式，全部的激光能量可以集中在焦线中。

如果裂纹形成旨在持续到待加工的层或材料的背面，圆形(环形)照射仍然具有以下优点：(1)在大部分激光仍然集中在焦线所需要的长度中的意义下，激光功率使用得最佳，以及(2)沿焦线有可能实现均匀的光斑尺寸——以及因此沿焦线产生的穿孔的均匀分离过程——由于圆形照射区域结合借助于其他光学功能设定的期望像差的原因。

代替图5A中所描绘的平凸透镜，还有可能使用聚焦弯月形透镜或另一种更高校正聚焦透镜(非球面透镜、多透镜系统)。

为了使用图5A中所描绘的轴锥镜与透镜的组合生成非常短的焦线2b，将有必要选择入射到轴锥镜上的激光束的非常小的光束直径。这具有实际的缺点：必须非常精确地将光束的中心确定在轴锥镜顶点上，并且所述结果对激光器的方向变化(光束漂移稳定性)非常敏感。此外，紧密准直激光束非常发散，即，由于光偏转的原因，光束丛在短距离内变得模糊。

如图6中所示出的，通过在光学组件6中包括另一个透镜(准直透镜12)，两种效应均可以避免。附加的正透镜12用于非常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'，其方式为使得期望的等于f'的圆直径dr由从轴锥镜到准直透镜12的距离Z1a产生。期望的环的宽度br可以经由距离Z1b(准直透镜12到聚焦透镜11)进行调节。由于纯粹几何学的原因，小的圆形照射宽度导致了较短的焦线。最小值可以在距离f'处实现。

图6中所描绘的光学组件6因此基于图5A中所描绘的光学组件，因此以下仅描述了不同之处。在此还被设计为平凸透镜(其曲率朝向光束方向)的准直透镜12另外地居中放置在一侧的轴锥镜10(其顶点朝向射束方向)与另一侧的平凸透镜11之间的光束路径中。准直透镜12距轴锥镜10的距离被称为Z1a，聚焦透镜11距准直透镜12的距离被称为Z1b，并且焦线2b距聚焦透镜11的距离被称为Z2(始终在光束方向上观察)。如图6中所示出的，轴锥镜10形成的圆形辐射SR(其发散地并且在圆直径dr下入射到准直透镜12上)针对在聚焦透镜11处至少近似恒定的圆直径dr被调整成沿距离Z1b所需要的圆宽度br。在所示出的情况下，旨在生成非常短的焦线2b，从而使得透镜12处的大约4mm的圆宽度br由于透镜12的聚焦特性而在透镜11处减少到约0.5mm(在此示例中，圆直径dr为22mm)。

在所描绘的示例中，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有可能实现焦线l的长度小于0.5mm。

注意，如图7中所示出的，这种皮秒激光器的典型操作产生脉冲720的“突发串”710。每个“突发串”710可以包含具有非常短的持续时间(约10皮秒)的多个脉冲720(比如，至少2个脉冲，或者如在图7中所示出的至少3个脉冲(例如，4个脉冲、5个脉冲或更多))。(爆发或产生脉冲突发串是激光操作的一类，其中，脉冲的发射并非呈均匀且稳定的流，而是呈紧凑的脉冲簇。)脉冲720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皮秒或介于它们之间)的脉冲持续时间T_d。优选地，突发串内的每个脉冲720以在约1纳秒与约50纳秒之间(例如。10-50纳秒或者10-30纳秒)的范围内的持续时间T_p在时间上分离，所述时间经常由激光腔设计调控)。对于给定激光器，突发串710内的相邻脉冲之间的时间间隔T_p(脉冲到脉冲的间隔)可以相当均匀(±10％)。例如，在一些实施例中，突发串内的每个脉冲与随后的脉冲在时间上间隔约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，突发串内的脉冲到脉冲间隔T_p维持在约±10％内或约±2纳秒内。对于约100kHz的激光重复率，每个“突发串”710之间的时间将会更长(例如，0.25<T_b<1000微秒，例如，1-10微秒或者3-8微秒)(经常为约10微秒)。确切的定时、脉冲持续时间以及重复率可以根据激光设计而改变，但高强度的短脉冲(<约15皮秒)已经被示出用于与此技术很好地一起工作。

在此所描述的激光器的一些示例性实施例中，对于具有约200kHz的突发串重复率或频率的激光器，时间间隔T_b为约5微秒。激光突发串重复率和突发串的第一脉冲与随后的突发串的第一脉冲之间的时间T_b有关(激光突发串重复率＝1/T_b)。在一些实施例中，激光突发串重复频率可以在约1kHz与约4MHz之间的范围内。在另一个实施例中，激光突发串重复率可以例如在约10kHz与650kHz之间的范围内。每个突发串的第一脉冲与随后的突发串的第一脉冲之间的时间T_b可以为0.25微秒(4MHz突发串重复率)至1000微秒(1kHz突发串重复率)(例如，0.5微秒(2MHz突发串重复率)至40微秒(25kHz突发串重复率)或者2微秒(500kHz突发串重复率)至20微秒(50kHz突发串重复率))。确切的定时、脉冲持续时间以及串重复率可以根据激光设计来改变，但高强度的短脉冲(T_d<20皮秒，并且优选地，T_d≤15皮秒)已经被示出用于特别良好地进行工作。

使用能够产生此类脉冲突发串的激光器有利于切割或改造透明材料(例如，玻璃)。与使用由单脉冲激光器的重复率在时间上间隔开的单个脉冲相比，使用脉冲突发串序列(其将激光能量散布在突发串710内的快速脉冲序列)允许获得与材料的高强度相互作用的更大的时间尺度(与和单脉冲激光器的高强度相互作用可能获得的时间尺度相比)。虽然单脉冲可以在时间上扩展，但若这样做，脉冲内的强度必须下降约脉冲宽度分之一。因此，如果10皮秒单个脉冲的脉冲长度扩展至10纳秒，强度将下降约三个数量级。这种下降可以将光学强度减少到非线性吸收不再显著的点，并且光/材料相互作用不再强到足以允许切割所述材料。相比之下，在脉冲突发串激光器下，突发串710内的每个脉冲720期间的强度可以维持得非常高——例如，在时间上间隔开约10纳秒的三个10皮秒脉冲720仍允许每个脉冲内的强度比单个10皮秒脉冲的强度高约3倍，同时允许所述激光器在比现在大三个数量级的时间尺度内与所述材料相互作用。在突发串710内的多个脉冲720的这一调节因此允许按以下方式操纵激光器-材料相互作用的时间尺度，这些方式可以促进更多或更少的与预先存在的等离子体羽之间的相互作用、更多或更少的与已由初始或先前的激光脉冲预激励的原子和分子之间的光-材料相互作用、以及可以促进微裂纹的受控制的增长的所述材料内的更多或更少的热效应。用于对材料进行改造所需要的突发串能量的量将取决于衬底材料成分以及用于与所述衬底相互作用的线状焦点的长度。相互作用区越长，能量散布出去的越多，并且将需要越高的突发串能量。确切的定时、脉冲持续时间以及突发串重复率可以根据激光设计进行改变，但高强度的短脉冲(<15皮秒，或≤10皮秒)已经被示出用于与此技术很好地一起工作。当单个脉冲突发串撞击玻璃上的基本上同一位置时，在材料中形成缺陷线或孔。即，单个脉冲突发串内的多个激光脉冲对应于玻璃中的单个缺陷线或孔位置。当然，由于玻璃平移(例如，通过不断移动的平台)(或光束相对于玻璃移动)，脉冲突发串内的单独脉冲不可能位于玻璃上的完全相同的空间位置处。然而，它们彼此很好地处于1μm内——即，它们在基本上相同的位置撞击玻璃。例如，它们可以按彼此之间的间隔sp来撞击玻璃，其中，0<sp<500nm。例如，当用20个脉冲的脉冲突发串710击中玻璃位置时，脉冲突发串710内的单独脉冲720在彼此的250nm内撞击玻璃。因此，在一些实施例中，1nm<sp<250nm。在一些实施例中，1nm<sp<100nm。

图8示出了入射到玻璃-空气-玻璃复合结构上的聚焦高斯光束与贝塞尔光束之间的对比(在图8中，高斯光束示出在左侧并且贝塞尔光束示出在右侧)。聚焦高斯光束被示出用于一进入第一玻璃层就进行偏离并且不钻孔穿过第一玻璃层。在第二示例中，示出在高斯光束的右侧，由于自聚焦的发生，第一玻璃层被分叉。当发生自聚焦时(在玻璃被钻孔时)，光束从第一玻璃层中露出并发生衍射。因此，光束将不会钻入到第二玻璃层中。进一步移动到图8中的右侧，贝塞尔光束能够在线状焦点的整个长度上对两层玻璃层充分钻孔。在这一示例中，衬底是玻璃-空气-玻璃复合结构。顶部和底部玻璃片为0.4mm厚的2320，CT101。两层玻璃之间的示例性空气间隙为约400μm。以200mm/秒用激光的单次通过进行切割，从而使得这两片玻璃被同时切割，即使它们被分隔开>400μm。

在此处描述的部分实施例中，空气间隙可以是任何合适的距离，如例如在50μm与5mm之间、在50μm与2mm之间或者在200μm与2mm之间。

示例性中断层包括聚乙烯塑料板(例如，Visqueen)。如在图9中所示出的透明层包括透明乙烯树脂(例如，Penstick)。注意，不像使用其他聚焦激光方法，为了获得阻断或停止层的效果，不需要精确地控制准确焦点，中断层的材料也不需要是特别耐用的或昂贵的。在许多应用中，层只需要稍微干涉激光以便中断激光并防止产生线状焦点。Visqueen防止用皮秒激光器和线状焦点进行切割的事实是很好的例子——其他聚焦皮秒激光束将十分肯定地进行钻孔直接穿过Visqueen，并且若希望用其他激光方法避免进行钻孔直接穿过这种材料，人们将不得不非常精确地将激光焦点设定为不靠近Visqueen。

图10示出了堆叠有透明保护层以便切割多个板，同时减小磨损或污染。同时切割显示玻璃板堆叠是非常有利的。透明聚合物如乙烯树脂可以被放置在玻璃板之间。透明聚合物层是用于降低对彼此紧密接触的玻璃表面的损伤的保护层。这些层将会允许运行切割过程，但将会保护玻璃板免于划伤彼此，并且将会进一步防止任何切割碎屑(尽管使用此过程的情况下切割碎屑很小)污染玻璃表面。保护层也可以由沉积在衬底或玻璃板上的蒸发介电层组成。

参照图11，展示了一种切割堆叠组件中的切孔图案的方法。此线状焦点过程可以同时切穿堆叠的玻璃板，即使存在显著的肉眼可见的空气间隙。这使用其他激光方法(如在图8中所展示的高斯光束)是不可能的。许多设备需要玻璃封装，比如，OLED(有机发光二极管)。能够同时切穿两层玻璃是非常有利的，因为它提供了可靠且有效的设备分割过程。分割是指将一个组件从可以包含多个其他组件的较大的材料板中分离的过程。可以通过在此描述的方法分割、切去或者生产的其他组件是例如OLED(有机发光二极管)组件、DLP(数字光处理器)组件、LCD(液晶显示器)单元、半导体设备衬底。

参照图12，展示了切割如涂覆有透明导电层(例如，ITO)的电致变色玻璃的物品的过程。切割已经具有透明导电层(比如氧化铟锡(ITO))的玻璃对于电致变色玻璃应用以及对于触摸面板设备应用具有很高价值。在此所描述的激光过程可以切穿这种层，而对透明导电层的损伤最小并产生很少的碎屑。穿孔的极小尺寸(<5um)意味着非常少的ITO将受到切割过程的影响，而其他切割方法将要产生多得多的表面损伤和碎屑。

参照图13，公开了一种用于对堆叠中的一些层进行精密切割而不损伤其他层的方法。虽然此方法也示出在图1中，但是图13的实施例将所述概念延伸至多个层(即，两层以上)。在图13的实施例中，中断元件是散焦层。

总之且通常，然后，切割机制基本上如在图14A中所示出的，并且用于切割和分离透明衬底的方法基本上基于用超短脉冲激光器在待加工衬底上生成断裂线。根据材料特性(吸收、CTE、应力、组成等)以及被选择用于处理所确定的衬底的激光参数，单独产生断裂线足以诱发自分离，并且在这一情况下无需二次处理(比如弯曲力/张力或CO₂激光器)。

然而，在一些情况下，所产生的断裂线并不足以自动分离衬底并且二次步骤可能是必要的。如果是这样，例如可以使用第二激光器以产生热应力从而分离衬底。在2320NIOX的具体且规范的情况下，已经发现，通过机械力的应用或通过使用第二CO₂激光器来产生热应力并迫使这些部分进行自分离可以在产生缺陷线后实现分离。另一种选择是使CO₂激光器只启动分离并手动完成分离。任选的CO₂激光分离用聚焦cw激光器来实现，所述聚焦cw激光器在10.6μm处发射且具有通过控制其占空比进行调节的功率。焦点变化被用于通过改变光斑尺寸来改变诱导热应力。

有几种方法用于产生缺陷线。形成线状焦点的光学方法可以采取多种形式，使用环状激光束和球面透镜、轴锥透镜、衍射元件或其他方法来形成高强度的线性区域。激光器的类型(皮秒、飞秒等)和波长(IR、绿色、UV等)也可以改变，只要达到充分的光学强度分解衬底材料。

在使用本发明的实验中，超短脉冲激光器被用于以一致、可控且可重复的方式来产生高纵横比的竖直缺陷线。如以上所描述的，此概念的本质是利用超短(皮秒或飞秒持续时间)贝塞尔光束使用光学透镜组件中的轴锥透镜元件来产生高纵横比的无锥度的微通道。换言之，轴锥镜将激光束聚光到具有圆柱形状和高纵横比(较长的长度和较短的直径)的区域中。由于用聚光激光束产生的高强度的原因，发生激光电磁场与材料之间的非线性相互作用并且激光能量被转移到衬底上。然而，重要的是认识到，在激光能量强度不高的区域(即，玻璃表面、围绕中心会聚线的玻璃体积)中，因为激光强度低于非线性阈值，玻璃不会发生任何事情。

图2A-2C展示了处于不同激光强度状态的激光-物质相互作用。在第一种情况下，未聚焦的激光束穿过透明衬底而未对其引入任何改造。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要的阀值。能量密度越高，电磁场的强度越强。因此，当激光光束聚焦成较小的光斑尺寸时，照射面积减小并且能量密度增加，触发非线性效应，所述非线性效应将只对满足所述条件的体积的材料进行改造。以此方式，如果聚焦激光器的束腰被定位在衬底表面，则将在此处出现损伤。反之，如果聚焦激光的束腰被定位在衬底表面的下方，因为能量密度低于非线性光学效应的阀值，所以表面不会发生任何事情。但在定位于大块衬底中的焦点处，激光强度足以触发多光子效应并诱发对材料的损伤。最后，在轴锥镜的情况下，轴锥透镜或可替代地菲涅耳(Fresnel)轴锥镜的衍射图案产生干扰，所述干扰产生贝塞尔状强度分布(高强度圆柱)，并且只有以这种体积才具有足够的强度以产生非线性吸收并对材料进行改造。

激光器和光学系统：

出于切割玻璃的目的，开发了使用1064nm皮秒激光器结合线状焦点聚束光学系统来产生衬底中的损伤线的过程。定位0.7mm厚的玻璃衬底，从而使得所述玻璃衬底处于线状焦点内。利用约1mm长的线状焦点以及以200kHz(约100μ/脉冲)的重复率产生至少24W的输出功率的皮秒激光器，然后，线性区域中的光学强度可以轻易地高到足以在材料中产生非线性吸收。产生大致仿效高强度线性区域的损伤的、烧蚀的、汽化的或以其他方式进行改造的材料区域。

值得注意的是，这种皮秒激光器的典型操作产生了脉冲“突发串”。每个“突发串”可以包含具有非常短的持续时间(例如，约10皮秒)的多个次脉冲。每个次脉冲在时间上隔开例如约20纳秒(50MHz)，所述时间经常由激光腔设计调控。对于约200kHz的激光重复率而言，每个“突发串”之间的时间将更长(经常为约5微秒)。精确的定时、脉冲持续时间以及重复率可以根据激光器设计而改变。但是高强度的短脉冲(<15皮秒)已经被示出用于与这种技术一起很好地工作。

孔或损伤痕迹形成：

如果衬底有充分的应力(例如，利用离子交换玻璃)，那么，所述部分将沿着激光过程所追溯的穿孔损伤路径自发地破裂并分离。然而，如果衬底不固有许多应力，那么，皮秒激光器将在所述件中仅形成损伤痕迹。这些损伤痕迹通常采用内直径为约0.5-1.5um的孔的形式。

这些孔可以穿透材料的整个厚度，并且可以或不可以是贯穿材料的深度的连续开口。穿孔或损伤痕迹穿过被劈开的边缘侧而被观察。穿过材料的痕迹不必穿过孔——经常有堵塞孔的玻璃区域，但是它们的尺寸通常较小，横截面为纳米或微米。

也有可能穿透堆叠的玻璃板。在这一情况下，缺陷线的长度需要比堆叠高度大。

这些孔之间的横向间隔(间距)由激光器的脉冲速度确定，因为衬底在聚焦激光束下面平移。仅需要单个皮秒激光脉冲突发串来形成整个孔，尽管若希望的话可以使用多个脉冲。为了以不同的间距形成孔，激光器可以被触发以便以更长或更短的间隔发动。对于切割操作，激光器触发通常与光束下面的部分的平台驱动运动同步，因此，激光脉冲以固定间隔(比如每1μm或每5μm)被触发。鉴于衬底中的应力水平，精确间隔由促进穿孔到穿孔的裂纹扩展的材料特性来确定。然而，与切割衬底形成对比，还有可能使用相同的方法以便仅穿透材料。在这种情况下，这些孔以7μm的间距被隔开。

激光功率和透镜焦距(其确定缺陷线长度以及因此功率密度)对于确保玻璃的完全穿透和低微裂纹而言是尤其重要的参数。

一般而言，遍及多种玻璃和其他透明材料，申请人发现，10W与100W之间的激光功率对于实现0.2-10m/秒的切割速度是优选的，25-60瓦特的激光功率对于许多玻璃而言已足够(并且是最佳的)。对于0.4m/秒至5m/秒的切割速度，应当优选10W-150W的激光功率，具有40-750μJ/突发串、2-25突发串每脉冲的突发能量(取决于被切割的材料)以及2至25μm或者3-15μm的孔间隔(或间距)。皮秒脉冲突发串激光器的使用对于这些切割速度而言将是优选的，因为它们产生高功率以及所需要的每突发串脉冲的数量。因此，根据一些示例性实施例，脉冲激光器产生10-100W的功率(例如，25W至60瓦特)，以至少2-25个脉冲每突发串产生脉冲突发串，缺陷线之间的距离是2-15微米(例如，2-10微米)，并且激光束和/或工件(例如，衬底，例如，玻璃衬底)相对于彼此以至少0.25米/秒(在一些实施例中，至少0.4m/秒(例如，0.5m/秒至5m/秒、6m/秒、7m/秒或更快))的速度平移。

因此，优选的是，激光器产生具有至少2个脉冲每突发串的脉冲突发串。例如，在一些实施例中，脉冲激光器具有10W-150W(例如，10W-100W)的激光功率并且产生具有至少2个脉冲每突发串(例如，2-25个脉冲每突发串)的脉冲突发串。在一些实施例中，脉冲激光器具有25W-60W的功率并产生具有至少2-25个脉冲每突发串的脉冲突发串，并且激光突发串所产生的相邻缺陷线之间的周期性或距离为2-10微米。在一些实施例中，脉冲激光器具有10W-100W的激光功率，产生具有至少2个脉冲每突发串的脉冲突发串，并且工件(衬底)和激光束相对于彼此以至少0.25m/秒的速度平移。在一些实施例中，工件(衬底)和/或激光束相对于彼此以至少0.4m/秒的速度平移。

根据在此描述的部分实施例，穿透一些玻璃材料所需要的体积脉冲能量密度(μJ/μm³)为0.005-0.5μJ/μm³。穿透一些玻璃材料所需要的体积脉冲能量密度(μJ/μm³)为0.005μJ/μm³-0.1μJ/μm³(例如，Corning )为0.01μJ/μm³-0.1μJ/μm³。对于其他材料(例如，具有较少或不具有碱含量玻璃的碱土金属硼铝硅酸盐玻璃)，所述体积脉冲能量密度可以更高，约0.05μJ/μm³或更高，对于一些实施例，至少0.1μJ/μm³(例如，0.1μJ/μm³-0.5μJ/μm³)。

切割和分离板形状：

通过申请人进行的实验，已经发现了允许分离蓝宝石(线性切割或成形)的不同条件。第一方法是仅使用皮秒激光器来产生通孔并形成遵循期望的形状的断裂线。在这个步骤之后，可以通过使用断裂钳、手动粘结所述部分或产生沿着断裂线开始并扩展分离的张力的任何方法来完成机械分离。确定的是，皮秒和CO₂激光参数需要在外周切割时进行制造以便在700μm厚的材料中产生通孔，并且需要CO₂激光器以便将孔/狭缝从板中分离。

重要的是要注意到，仔细计划引入CO₂激光器追踪的释放线和散焦路径以便避免问题(比如，同步启动/停止位置)。通常，移动平台的缓慢加速/减速可能足够产生稍后将会打破或者甚至粉碎所述部分的准时应力源。仔细计划引入散焦CO₂激光器追踪的释放线和路径，以便避免停止散焦CO₂激光器或避免将其“停放”在所追踪的轮廓的任何光斑上——最常见的是，这将会熔融蓝宝石表面并且/或者产生微裂纹。CO₂激光器的路径应当被计划用于在待释放轮廓的外面启动和完成。

释放线应当被计划用于允许分离而周围矩阵以及支撑矩阵没有过早崩溃。

边缘切割和处理

现在接下来是对系统100的示例实施例的描述。可以通过本发明的实施例来进行的若干更有难度的切割包括靠近透明母板(例如，大的G6玻璃板)的外围边缘进行切割。所得衬底被转换成在应用(比如但并不限于手机、平板电脑、LCD显示设备等)中使用的更小的板。此外，在更小的板的90°尖角边缘上产生经裁剪的斜面是有用的。虽然现有技术采用机械加工的且抛光的90°边缘来实现特定的可以从0°变化到90°的斜面或倒角，但是，本发明采用系统100中的接口块108来实现经裁剪的倒角或斜面。

在系统100内，接口块108被放置在现有的光束光路内。接口块108可以具有任何期望的形状/横截面和长度，以便产生期望的光束引导效应。此外，接口块108可以由一块或多块任何透明的固体材料组成，并且那些透明材料可以显示折射的不同折射率。在制作接口块108时使用的特定材料可以包括例如均显示感兴趣的激光切割波长下的透明度的塑料、玻璃、陶瓷、晶体材料(例如，铝硅酸盐玻璃(康宁(Corning)Eagle以及Eagle XG玻璃)、钠铝硅酸盐玻璃(均由康宁公司制造的Gorilla玻璃2318、4318等)、锂铝硅酸盐玻璃(比如由Schott生产的那些)、熔融石英(比如)、聚合物(比如聚碳酸酯)、透明环氧树脂、粘合剂(比如OCA)、以及由Hoya、Schott以及Ohara生产的熔融光学玻璃)。然而，在选择材料时特别重要的是选择在部分波长频谱中具有透明度的材料，其中，待切割衬底材料也是透明的。例如，对于铝硅酸盐玻璃，根据用于切割的激光器波长是否为1064nm或者532nm，接口块108在IR以及/或者可视范围内必须是透明的。对于像在可视频谱内不透明的硅和锗一样的晶体材料而言，接口块108在红外光谱内必须是透明的。因此，针对接口块108和待切割衬底102的组合，需要选择合适的切割波长。此外，使用具有不同折射率的材料来克服特定技术问题或实现有难度的切割角是有益的。本领域的现状在申请人的共同待审的美国专利申请序列号14/154,525中进行了描述，所述美国专利申请描述了切割机制和系统的现象学，并且通常被用在对衬底102的垂直光束表示中。期望以切割光束的形式将光直接引入衬底受限于反射的角度并且其中开始发生总的内部反射。通过将激光头移动角度α而限制有角度的切割大约20度。大多数应用需要约45度的切割角。利用对接口块108的使用克服了与直接将激光束引入衬底相关联的限制。

在图16和20A中所示出的一个实施例中，接口块108被形成为直角平行六面体的形状并且由在532nm和1064nm波长下均透明的玻璃组成。所述材料可以是例如传输期望的波长的经过抛光的熔融石英块，但是，当然，许多其他类型的玻璃可以被用于成本或者特定折射率的需要，如将由本领域的普通技术人员理解的那样。接口块108也可以由模制塑料组成或被形成为如图22中所展示的经由模制工艺来保持其表面处理的玻璃框架。接口块108有可能很小并相对于光束移动或者结合光束线性移动以及横向地结合在衬底102中生成特定边缘轮廓的期望而被铰接。

在这一实施例中，如图20A中所展示的，接口块108被放置与待切割衬底102的顶部处于并置关系。被形成为直角平行六面体的接口块108提供了激光束传输体积(即，均匀的光路)，以便提高靠近边缘切割，如图20B中所看到的。此外，由于以较大角分裂和重组的贝塞尔光束的原因，接口块108可以被定位在衬底102的外周之外，以便进行靠近边缘切割。

当期望产生用于切割的更陡峭的角时，接口块108可以被形成为如在图17、18、19、21A以及22-27中所示出的三角平行六面体。成角度的表面可以补偿期望的倒角并且允许激光器以更优选的角度呈现来自激光器104的光束。接口块108可以由与衬底102相比相同或不同的成分组成，并且可以具有与衬底102相同的或不同的折射率。先被激光束撞击的接口块108的表面的角也可以改变，以便对光路进行经裁剪的改造。折射率和角的任意组合可以被组合用于产生期望的切割角和效果。

接口块18可以以0度与90度之间的任意角(例如，10、15、20、30、40或45度)制造并且由具有期望折射率的材料制成(例如，接口块108具有相对于彼此成角度的至少两个表面，从而使得在其间所形成的角>0度且小于90度，在一些示例中，所述角为5至45度)。块108可以由一块或一条材料制造而成，所述材料可以是玻璃、陶瓷或者塑料。在一个实施例中，块108被机械加工成形，并且，然后，在切割光束的波长下被抛光成光学上透明的。块108可以由在可见的IR频谱中均透明的熔融石英制成。当块108包括玻璃材料时，透明度可以包含对至少两个传输表面的精密抛光。如图22中所示出的，块108可以被模制到经由模制工艺保持其传输表面处理的框架23中。

使用三角平行六面体的过程包含将其放置在待切割衬底102上。如果希望的话，块108可以涂覆有防反射涂层，以便减少在块108和衬底102的接口处的反向散射。例如，基于为特定切割应用所选取的光的特定波长，这种涂层可以是厚度为λ/4的氟化镁(MgF₂)单层。在一个实施例中，例如，块108可以结合1064nm波长的激光器使用。在这一实施例中，MgF₂防反射层为266nm厚。除了使用防反射涂层之外或者作为防反射涂层的替代方案，折射率匹配流体可以被布置在块108与衬底102的接口处，以便减少反射损耗。然后，激光器104被适当地对齐，以便引导其光束穿过透镜设备106和块108。如果块108被形成为直角平行六面体，则光束的角将会为90度；如果块18被形成为具有或不具有防反射涂层和/或折射率匹配流体的三角平行六面体，则所述角可以在0度与90度之间变化。

块108保存和表示了切割光束，并且也限制了畸变和光学损耗。当采用具有均匀折射率的矩形形状的块时，所述过程可以产生与衬底102的边缘极度靠近的切割。在矩形形状的块108中，所述过程提供了经裁剪的倒角。

关于图18和25，块108可以被改造成包括沿其整个长度延伸的台阶或凹肩120。可以在形成在块108中的凹肩120内接纳衬底12的边缘(如图25中所示出的)，从而允许利用成形的块108进行甚至更靠近的切割边缘，其可以是例如被成形和阻断的矩形。

参照图19，块108的又一实施例包含例如利用梯度折射率(GRIN)材料进行制造，每个区段(108a、108b、108c、108d等)具有不同的折射率。因为GRIN材料具有非均一的折射率，它们可以被用于以某种方式聚焦或重定向撞击它们的光束。当GRIN材料与矩形形状的块108一起使用时，有可能操纵或改造光束轮廓，从而使得被注入的输入光束可以被制作用于按角度或沿某个限定曲线形状来扩展和聚焦。这一曲线光束呈现在期望的切割区域中，以便生成斜面或倒角或替代形状的边缘。

关于图26和27，一系列接口块108(每一个接口块用唯一角来表征)可以被安排在旋转小齿轮122上。这一安排允许用户选择被安装在待与光束切割路径对齐的小齿轮122上的多个块108中的任何一个。在这一安排中，计算机可编程控制器124可以被整合到允许用户选择性地从各种预先计划的倒角中进行选取的系统100中。在这一安排中，块108可以由单独的棱柱件组成，可以沿所述边缘利用可变折射率从半连续件中进行切割，或者可以由被制作成盘的具有各种成角度的台阶的一件组成。

小齿轮设备122可以遵循在光束路径中保持固定角的所述系统的激光切割头的线性运动，因为所述小齿轮设备和所述激光头沿路径进行平移。所述设备也可以被制作用于关于光束的线性运动而从一边移动到另一边。在一些实例中，尤其是使用GRIN材料，这可以提供允许通过相同的切割操作产生可变斜面角的优点。

根据一些实施例，处理或切割玻璃衬底的方法包括：

引导激光束进入所述衬底，所述激光束在所述衬底材料内生成诱导非线性吸收，并且所述诱导非线性吸收在所述衬底内沿所述激光束对所述衬底材料进行改造；以及

将所述衬底和所述激光束相对于彼此沿着轮廓平移，由此激光在所述衬底内沿所述轮廓形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的周期性在0.1微米与20微米之间(并且优选地，0.1至20微米，例如，2至15微米)。

根据一些实施例，处理或切割玻璃衬底的方法包括：

将脉冲激光束聚焦到沿所述光束传播方向定向并被引导进入所述衬底的激光束焦线中，所述激光束焦线在所述衬底材料内生成诱导非线性吸收，并且所述诱导非线性吸收在所述衬底内沿所述激光束焦线产生缺陷线；以及

将所述衬底和所述激光束相对于彼此沿着轮廓平移，由此激光在所述衬底内沿所述轮廓形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的周期性在0.1微米与20微米之间。

虽然本发明已经结合优选实施例进行了描述，但是应当理解，可以对本发明作出修改、改变以及适配而不偏离权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (32)

1.一种用于切割衬底的系统，所述衬底在电磁光谱的预定波长范围内是透明的，所述衬底当从板中被提取时将包括边缘，所述系统包括：

a.激光器，所述激光器能够发射光，所述光沿着光路并且具有在其中所述衬底为透明的所述波长范围内的预定波长；

b.光学元件，所述光学元件被定位在所述激光器的所述光路中，从而使得所述激光器结合所述光学元件能够在所述衬底的至少一部分内生成诱导非线性吸收；以及

c.接口块，所述接口块由其中所述衬底同样透明的所述电磁光谱中的预定波长范围的至少一部分上是透明的，其中，所述接口块被定位在所述光路中并且位于所述衬底与所述光学元件之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口块以直角平行六面体的形式成形。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口块以三角平行六面体的形式成形。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口块由梯度折射率材料组成。

5.根据权利要求1-4所述的系统，其中，所述接口块是多个接口块中的一个，所述多个接口块中的每一个包括平面表面，所述平面表面定位在所述光路中并且关于所述衬底且相对于其它平面表面唯一地成角度。

6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括计算机可编程控制器，所述计算机可编程控制器被适配成用于允许用户选择性地将所述多个接口块中的任何一个移动到与所述衬底并置。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述多个接口块中的每一个被安装在旋转小齿轮上。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口块具有相对于彼此成角度的两个表面，从而使得在其间所形成的角大于0度且小于90度。

9.根据以上权利要求中任一项所述的系统，其中，所述接口块包括形成在其中的凹肩，其中，所述凹肩被适配成用于在其中接纳所述衬底的所述至少一个边缘中的一个边缘。

10.根据以上权利要求中任一项所述的系统，进一步包括被布置在所述接口块的位于所述光路中的表面上的防反射涂层。

11.根据以上权利要求中任一项所述的系统，进一步包括被布置在所述接口块与所述衬底之间的边界处的折射率匹配流体。

12.如权利要求1所述的系统，其中，所述光学元件是以下各项中的至少一项：轴锥镜、球面透镜、衍射透镜。

13.如权利要求1所述的系统，其中，所述光学元件是聚焦透镜。

14.如权利要求1-11所述的系统，其中，所述激光器结合所述光学元件形成贝塞尔光束。

15.如权利要求1-11或14所述的系统，其中，所述激光器结合所述光学元件形成线状焦点。

16.如权利要求1-11、14或15所述的系统，其中，所述激光器是突发脉冲激光器。

17.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光器是皮秒激光器。

18.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光器是飞秒激光器。

19.一种在用于切割衬底的至少一个边缘的系统中使用的接口块，所述衬底在电磁光谱的预定波长范围内是透明的，所述接口块包括在其中所述衬底同样透明的所述电磁光谱的预定波长范围的至少一部分上透明的平行六面体形状的材料块。

20.根据权利要求19所述的接口块，其中，所述接口块以直角平行六面体或三角平行六面体的形式成形。

21.根据权利要求19所述的接口块，其中，所述接口块由梯度折射率材料组成。

22.根据权利要求19所述的接口块，进一步包括形成于其中的凹肩，所述凹肩被适配成用于在其中接纳所述衬底的所述至少一个边缘中的一个边缘。

23.根据权利要求19-22所述的接口块，进一步包括被布置在所述接口块的位于所述光路中的表面上的防反射涂层。

24.一种用于切割衬底的至少一个边缘的方法，所述衬底在电磁光谱的预定波长范围内是透明的，所述方法包括以下步骤：

a.安排激光器、光学元件和接口块，从而使得从所述激光器中发射的光束将首先穿过所述光学元件并随后穿过所述接口块，其中，所述接口块由在其中所述衬底同样透明的所述电磁光谱的预定波长范围的至少一部分上透明的平行六面体形状的材料组成；

b.将所述接口块定位成与所述衬底的所述至少一个边缘成并置关系；

c.以在其中所述衬底为透明的所述波长范围内的波长从所述激光器中发射光束，所发射的光束沿路径穿过所述光学元件和所述接口块，由此，所述接口块使所述光束在与所述至少一个边缘相邻的位置处有角度地与所述衬底相交并穿过所述衬底。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述接口块是多个接口块中的一个，并且所述方法包括以下进一步步骤：选取所述多个接口块中的一个定位在所述光束内。

26.根据权利要求24或25所述的方法，包括以下进一步步骤：在所述接口块与所述衬底之间的边界处提供折射率匹配流体。

27.根据权利要求24-26所述的方法，包括以下进一步步骤：在所述接口块的表面上提供防反射涂层。

28.如权利要求24-25所述的方法、或者如权利要求1-15所述的系统，其中，所述激光器是脉冲突发激光器，所述脉冲激光器以每脉冲突发串至少2个脉冲产生脉冲突发串。

29.如权利要求24-27所述的方法、或者如权利要求1-15所述的系统，其中，所述激光器是脉冲突发，并且所述脉冲激光器具有10W-150W的激光功率并以每脉冲突发串至少2个脉冲产生脉冲突发串。

30.如权利要求24-27所述的方法、或者如权利要求1-15所述的系统，其中，所述激光器是脉冲突发，所述脉冲激光器具有10W-100W的激光功率并以每脉冲突发串至少2至25个脉冲产生脉冲突发串。

31.如权利要求24-30所述的方法，所述方法包括：

引导激光束进入所述衬底，所述激光束在所述衬底材料内生成诱导非线性吸收，并且所述诱导非线性吸收在所述衬底内沿所述激光束对所述衬底材料进行改造；以及

将所述衬底和所述激光束相对于彼此沿轮廓平移，由此激光在所述衬底内沿所述轮廓形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的周期性在0.1微米与20微米之间。

32.如权利要求24-30所述的方法，所述方法包括：

将脉冲激光束聚焦到沿光束传播方向定向并被引导进入所述衬底的激光束焦线中，所述激光束焦线在所述衬底材料内生成诱导非线性吸收，并且所述诱导非线性吸收在所述衬底内沿所述激光束焦线产生缺陷线；以及

将所述衬底和所述激光束相对于彼此沿轮廓平移，由此激光在所述衬底内沿所述轮廓形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的周期性在0.1微米与20微米之间。