CN107241904B - 玻璃的3d成形 - Google Patents

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Abstract

制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步骤：(i)用激光沿着轮廓对玻璃坯件进行打孔并在玻璃坯件中形成多个打孔；(ii)沿着至少一个含打孔区域弯曲玻璃坯件，从而使得玻璃是曲面的，形成具有非平坦部分的玻璃制品。

Description

玻璃的3D成形
相关申请
本申请要求如下申请的优先权：2014年1月14日提交的美国申请第14/154,525号，2015年7月15日提交的美国临时申请第62/024724号，2014年7月15日提交的美国临时申请第62/024,581号，以及2013年12月17日提交的题为“PROCESSING 3D SHAPED TRANSPARENTBRITTLE SUBSTRATE(加工3D形状的透明脆性基材)”的美国申请第61/917127号。这些申请的全部说明通过参考纳入本文。
背景技术
本文一般地涉及玻璃片的3D成形(三维成形)，更具体地，涉及通过使用激光诱发的打孔来对玻璃片进行成形或弯曲。3D形状是非平坦形状，其中，玻璃形状表面上的至少一个区域不是平面，例如，弯曲形状或者波形。
在常规基础上发表和发布的新产品在其中结合有一些形式的三维(3D)玻璃部件。一些例子包括曲面LCD TV屏幕，曲面智能手机和可穿戴配件(例如，手腕手机、手表)，它们是柔性或者具有弯曲形状。这类装置设计中的其他元素是后盖，其涉及从常规平坦玻璃盖板到不同类型的三维弯曲表面。这些创新对于由玻璃制造的这些3D部件的加工工艺带来新的挑战，其总是需要耐划痕性和抗冲击性。
能够生产曲率半径大于10mm的3D(即，非平面)玻璃片或制品，但是所使用的工艺较为缓慢。甚至更具挑战的是形成3D碟状玻璃片或玻璃制品，其具有小曲率半径的部件，例如约为2mm。如今，为了实现这种情况，将玻璃加热至非常高的温度然后进行弯曲，但是为了实现非常小的弯曲半径，例如2mm角半径，温度过高并且引入表面缺陷。表面缺陷可能造成玻璃中的裂纹扩展，裂纹扩展是在表面缺陷位引发的。采用例如常规热成形模制的玻璃部件可能在玻璃材料中具有变形。此类部件对于许多手持式装置的使用是不合适的。这还降低了模制工艺的产率，因为许多模制的玻璃部件是不可用的。
本文的任何引用并不承认构成现有技术。申请人明确保留质疑任何引用文件的准确性和针对性的权利。
发明内容
本文的至少一个实施方式涉及制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)用激光沿着轮廓对玻璃坯件进行打孔，以及在玻璃坯件中形成多个打孔；
(ii)沿着含有打孔的区域对玻璃坯件进行弯曲以形成三维形状，从而使得玻璃是曲面的。
本文的一个实施方式涉及制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)用激光沿着轮廓对玻璃坯件进行打孔，以及在玻璃坯件中形成多个打孔，所述打孔的直径小于5um并且长度是所述直径的至少20倍；
(ii)沿着含有打孔的区域对玻璃坯件进行弯曲以形成三维形状，从而使得玻璃是曲面的。
根据一些示例性实施方式，弯曲步骤包括对具有打孔的玻璃坯件进行加热，和/或至少向坯件的打孔区域施加真空。
根据一些示例性实施方式，打孔小于2um，以及在一些实施方式中，直径小于1.5um，并且长度至少是所述直径的50倍。例如，打孔长度可以至少长200um(例如，200um至1.2mm)。
根据一些示例性实施方式，经打孔的区域含有至少10个打孔/mm2，例如，至少20、至少30、至少40、至少50或者至少100个打孔/mm2。
根据一些示例性实施方式，打孔步骤用激光线聚焦进行，并且玻璃厚度为0.1-5mm。
根据一些示例性实施方式，弯曲包括将玻璃坯件弯曲成小于或等于5mm(例如，小于或等于2mm)的曲率半径。
制造玻璃片的一个示例性方法包括以下步骤：
(i)用激光线聚焦对玻璃片进行打孔以产生至少一个经打孔的分离轮廓，用于产生至少一个玻璃坯件；
(ii)用激光线聚焦沿着另一轮廓对玻璃片进行打孔，以形成弯曲区域打孔；
(iv)沿着经打孔的分离轮廓从玻璃片分离至少一个玻璃坯件，从而产生至少一个单体坯件；
(v)沿着含弯曲区域打孔的区域对玻璃坯件进行弯曲。
本文的一个实施方式涉及制造至少一个具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)用激光线聚焦对玻璃片进行打孔以产生至少一个经打孔的分离轮廓，用于产生至少一个玻璃坯件；
(ii)用激光线聚焦沿着另一轮廓对玻璃片进行打孔，以形成弯曲区域打孔；
(iv)沿着经打孔的分离轮廓从玻璃片分离至少一个玻璃坯件，从而产生至少一个单体玻璃坯件；以及
(v)沿着含弯曲区域打孔的区域对玻璃坯件进行弯曲。
本文的一个实施方式涉及制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)用激光线聚焦对玻璃片进行打孔以产生多个经打孔的分离轮廓，用于产生多个玻璃坯件；
(ii)用激光线聚焦沿着其他轮廓对玻璃片进行打孔，以形成多个弯曲区域打孔；
(iii)沿着经打孔的分离轮廓从玻璃片分离所述玻璃坯件并使得所述玻璃坯件相互分离，从而产生多个单体坯件，每个单体坯件含有弯曲区域打孔；
(iv)放置单体坯件，并沿着含有弯曲区域打孔的区域来弯曲玻璃坯件，从而使得玻璃是曲面的。
根据一些实施方式，包括曲面表面或者至少一个非平坦表面的玻璃制品具有多个在所述曲面表面或所述至少一个非平坦表面内延伸至少200微米的缺陷线或打孔，缺陷线或打孔的直径分别小于或等于约5微米。根据一些实施方式，相邻缺陷线或打孔之间的距离为7-50微米。根据一些实施方式，玻璃制品具有深度最高至小于或等于约100微米的表面下损坏。根据一些实施方式，玻璃制品的厚度约为10微米至5mm(例如，200微米至2mm)。
在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。
应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
附图说明
通过示例性实施方式更为具体的描述使得前述内容是更为清楚的，在所示附图中，对于所有不同视图，相似附图标记表示相同部件。附图不一定是成比例的，相反地，进行了突出强调来显示实施方式。
图1显示根据一个实施方式的大的玻璃片10，其含有多个预切割或预加工区域20，每个会对应于单个玻璃制品；
图2显示包含弯曲区域打孔的单体玻璃坯件的实施方式；
图3A和3B显示位于模具体上的经打孔/单体玻璃坯件实施方式的两个视图；以及
图4A和4B显示由单体和经打孔/单体玻璃坯件形成的弯曲玻璃制品的两个视图。
图5A-5C显示具有改性玻璃的等间距缺陷线的断层线。图5A显示激光产生贯穿样品的断层线。图5B显示在分离后的具有缺陷线的边缘。图5C是分离边缘的照片。
图6A和6B显示激光束焦线的定位，即对激光波长透明的材料由于沿着焦线的感应吸收的加工。
图7A所示是根据一个实施方式的用于激光加工的光学组件。
图7B-1至7B-4所示是通过将激光束焦线相对于基材的不同定位来对基材进行加工的各种可能性。
图8所示是用于激光加工的光学组件的第二个实施方式。
图9A和9A所示是用于激光加工的光学组件的第三个实施方式。
图10是用于激光加工的光学组件的第四个实施方式的示意图。
图11A-11C显示对于材料激光加工的不同激光强度状态。图11A显示未聚焦激光束，图11B显示具有球形透镜的浓缩激光束，以及图11C显示具有锥棱镜或衍射菲涅尔透镜的浓缩激光束。
图12A-12B显示对于皮秒激光，激光发射与时间的关系。每次发射表征为“脉冲群”，其可以含有一个或多个子脉冲。显示对应于脉冲持续时间、脉冲之间的分隔以及群之间的分隔的时间。
具体实施方式
以下描述了示例性实施方式。
开发具有3D表面的覆盖玻璃用于手持式产品，例如手机。但是，当曲率半径较小时，从例如薄的LCD玻璃形成3D部件变得更为困难。例如，对于薄的LCD玻璃，较容易实现10mm的曲率半径。但是，对于现有方法，较难生产具有小于10mm(例如，5mm或者1或2mm)的较小曲率半径的3D碟形部件，因为玻璃在现有方法中通常太热，难以实现非常小的(例如，2mm)的角半径，存在表面缺陷。甚至可能需要真空和压力来迫使玻璃进入此类紧密特征的模具中。此外，为了规模化生产尺寸和体积，为了成本有效，通常使用大的薄玻璃成形片，在部件阵列上产生严格角半径甚至会是更具有挑战性的。本文所揭示的实施方式可有助于生产具有小曲率半径的3D表面的玻璃部件，结合图1至4B进一步所述。
本申请提供了用于对任意形状的模制3D透明脆性薄基材进行精确成形的方法，特别感兴趣的是强化或者非强化玻璃。在一个实施方式中，玻璃是玻璃(全部编号，购自康宁有限公司(Corning,Inc.))。方法实施方式还能够将一个或多个3D部件或者具有3D表面的部件切割和提取成它们的最终尺寸，而不需要加工后的精整步骤。方法可用于经强化(例如，化学离子交换)或者未经强化(裸玻璃)的3D部件。
工件、部件或制品可以包括例如，用于手机的具有曲面表面的玻璃覆盖或者汽车玻璃。开发的激光方法良好地适用于对于选定激光波长基本上透明(即，吸收率小于约50％以及小于10％，例如小于约1％每mm的材料深度)的材料。
主要原理是采用激光焦线在玻璃中打孔，以产生缺陷，例如通过2013年12月17日提交的题为“PROCESSING 3D SHAPED TRANSPARENT BRITTLE SUBSTRATE(对3D形状的透明脆性基材进行加工)”的共同待审的专利申请第61/917127号所述的工艺和系统，其通过引用结合入本文。激光产生焦线，用于在薄玻璃片中产生孔或者拉长的损坏区域(缺陷线)，从而形成打孔区域。玻璃在这些打孔区域中弱化，有利地实现了在热成形条件下形成复杂形状和/或曲面区域。由于标准成形工艺使用已有玻璃厚度作为给定运行参数，如本文所述的玻璃片的打孔产生的3D表面良好地适合进行较容易的成型或成形。结合使用打孔区域进行成形有利地导致热成形产品细节的改进，如严格弯曲半径和其他所需的特征细节。该方法还能够对大的薄玻璃片阵列进行成形，采用真空成形技术实现非常好的成形细节。还可通过其他方法来实现具有打孔区域的玻璃片或坯件的成形。例如，在约为500-650℃的温度，玻璃的粘度产生塑相，实现下垂弯曲至所需形状。具体温度取决于玻璃组成。将经打孔的玻璃加热至塑相，并实现在其自身重力下下垂至经加热的模具表面成所需形状，然后逐渐使其冷却(例如，冷却至约150℃或200℃)，在此时，可以将其移出经加热的区域，并使其冷却至室温。
根据一些实施方式，在步骤1000A中对大的、预成形切割玻璃片1000进行打孔，以形成产生打孔1200A或1400A。更具体来说，将玻璃放在激光束下，通过使得激光轨迹描绘(tracing)，如本文所述在玻璃上产生缺陷线(沿着所需线或轮廓移动激光焦线)。然后沿着打孔区域或者线(例如，具有打孔1400A的区域)对经打孔的玻璃片1000进行弯曲至所需形状，例如通过热模制或者真空成形，形成3D形状。弯曲半径可以较大或者可以是小的，例如，1-20mm，以及在一些实施方式中，1-10mm，或者不超过5mm，例如，1-5mm，或者小于或等于2mm。根据一些实施方式，玻璃厚度小于3mm，例如，2mm(例如，小于或等于1mm)。根据一些实施方式，弯曲玻璃包括曲率(本文也称作弓形或弯曲)，其大于玻璃片自身的厚度。根据一些实施方式，弯曲玻璃的厚度小于3mm，例如，小于2mm或者小于1mm。在一些实施方式中，位于将会弯曲(或者弯曲)的区域中的打孔之间的示例性节距(间隔)是5-50um或者7-50um(即，略宽于切割节距，以防止分离，并且仅作为弱化点以有助于可弯曲性而不形成明显表面缺陷)。根据本文所述的示例性实施方式，这些打孔的直径小于或等于2um，并且长度至少是所述直径的20倍，玻璃的至少部分区域具有至少10个打孔每mm2。
根据一些示例性实施方式，打孔直径小于2um(例如，直径小于1.5um)，并且长度至少是所述直径的50倍。例如，打孔1400A的长度是至少200um长。根据一些实施方式，至少部分经打孔的区域含有至少25个打孔每mm2。根据一些实施方式，至少部分经打孔的区域含有至少50个打孔每mm2。根据一些实施方式，用形成激光线聚焦的激光束来形成打孔。根据一些实施方式，通过贝塞尔束来形成打孔。根据一些实施方式，激光是脉冲激光，激光功率为10-10W(例如，25-60W)，激光产生至少2-25个脉冲每个群的群脉冲，以及打孔(缺陷线)之间的间距为7-100微米(例如，10-50微米或者15-50微米)。
根据一些实施方式，形成3D玻璃制品的方法包括如下步骤：
(i)形成玻璃片1000；
(ii)用激光焦线沿着线或打孔轮廓1200对玻璃片10进行打孔，以产生打孔1200A，用于产生玻璃坯件2000A(参见图1)；
(iii)用激光线聚焦沿着轮廓1400对玻璃片1000进行打孔(参见图2)，以形成打孔1400A；打孔1400A位于会是弯曲点处，并且可以置于玻璃内的不同深度。高密度的打孔区域可以位于角处或者附近，或者需要形状曲率半径或轮廓或高度变化的其他区域；
(iv)对玻璃部件进行单体化(或分离)，即使得玻璃坯件20A相互分离和/或从玻璃片1000的其他区域分离。这可以通过沿着打孔分离轮廓1200施加应力来完成。该应力可以是，例如热应力或机械应力(并且可以通过压力或者真空牵拉来产生)。可以通过用来自CO2激光的光，沿着打孔分离轮廓1200对玻璃片10进行加热，来产生热应力；
(v)将单体化的坯体2000A放在模具上，使得打孔14A位于玻璃坯体2000A会进行弯曲或曲面化的区域上(参见例如图3)；
(vi)在玻璃坯体2000A中形成3D(曲面)轮廓，或者将原始平坦玻璃坯体2000A成形为3D形式，通过例如加热玻璃和/或通过常规真空成形技术。玻璃打孔1400A实现了较为容易的精准3D成形，而不产生明显表面缺陷，有利地导致在弯曲区域中对于裂纹产生相比于常规制造的3D玻璃制品具有更好抗性的形状。
图1是根据实施方式方法进行激光打孔以促进对具有小曲率半径的玻璃部件进行模制的预成形片材的示意图。更具体来说，图1显示预成形片材(在该情况下，大的玻璃片1000)的俯视图，其含有多个对应于预切割或预加工区域(部件)的部件2000，每个会对应于单个玻璃制品2000A。根据实施方式方法对片材1000进行激光打孔(产生缺陷线)，以促进对具有小曲率半径的玻璃部件进行模制。具体来说，释放线12根据上文所述的方法进行激光打孔，以有助于将单独部件预成形件2000单体化成单独部件2000A。在图1的示例性实施方式中，玻璃片1000含有12个区域2000，其被打孔1200A围绕。部件周线1200B也经激光打孔，以帮助后续从单体预成形件移出部件，这是在玻璃部件20模制以具有3D曲面表面之前或之后。应注意的是，在一些实施方式中，进行模制，整个预成形片材1000是完好的。
图2是从图1所示片材分离的一个单体预成形件的示意图。更具体来说，图2显示单体化玻璃坯体2000A，其包括弯曲区域打孔14A。图2还显示部件的角1400B，其经过多次激光打孔以帮助对具有小曲率半径的角进行模制，如下文结合图3A至图4B的角截面图进一步所述。在图2中未示出的是有助于对玻璃部件2000A的表面上进一步模制3D曲率的其他激光打孔，如下文结合图4A和4B的侧截面图进一步所述。
图3A-3B分别是图2的单体预成形件在通过激光打孔形成具有半径的3D表面之前和之后的侧截面图。图3A显示模具1300，其具有3D曲面表面，其限定了待施加到单体预成形件(部件2000A)中的部件表面的3D曲率。预成形件2000A包括激光打孔1400A，其有助于预成形件2000A的弯曲同时诱发较少或者不诱发表面缺陷。图3B显示在模制之后的相同模具1300和预成形件20A，可以看出，打孔1400A减轻了玻璃中的弯曲应力。此类激光打孔可以减少或者消除对于向预成形件施加真空或压力以完成模制的需求。
图3A-B分别是图2的单体预成形件在通过激光打孔(缺陷线)实现形成具有半径的3D表面之前和之后的侧截面图。更具体来说，图3A和3B显示位于模具体1300上的经打孔/单体玻璃坯件2000A的两个视图。打孔14A位于玻璃坯体2000A将会弯曲的区域上。注意到含有高密度打孔1400A的玻璃区域位于靠近模具的高度和斜率发生变化的区域。这些较高密度打孔区域可对应于例如制品角，但是也可对应于最终玻璃制品中的其他特征。
图4A和4B是图2的单体预成形件在通过多个激光打孔(缺陷线)实现形成具有小角半径的表面之前和之后的角截面图。更具体来说，图4A和4B显示由位于模具体1300上的单体和经打孔/单体玻璃坯件2000A形成的弯曲玻璃制品的两个视图。在模具1300上弯曲经打孔/单体玻璃坯件20A，含打孔1400A的密集打孔区域直接位于模具具有对应的高度和/或斜率变化的区域上。更具体来说，图4A-4B分别是图2的单体预成形件在通过多个激光打孔1400A实现形成具有小角半径的表面之前和之后的角截面图。如图4A-4B所示，可以通过多个打孔实现小的表面曲率半径，例如5mm或者2mm或更小。多个打孔或者较高密度打孔导致在模制过程中的应力减轻，减少了在模制过程中对于真空或压力施加的需求，并且减少了表面缺陷。
根据至少一些实施方式，通过本文所述的方法形成的玻璃制品包括曲面表面或者至少一个非平坦表面，制品具有多个在所述曲面表面或所述至少一个非平坦表面内延伸至少200微米(例如，大于或等于250微米)的缺陷线或打孔，缺陷线的直径分别小于或等于约5微米。根据一些实施方式，相邻缺陷线的间距为7-50微米。根据一些实施方式，所述缺陷线附近的玻璃具有深度最高至小于或等于约100微米的表面下损坏。根据一些实施方式，玻璃制品的厚度约为10微米至5mm。
根据下文所述的一些实施方式，可以使用激光产生高度受控的(例如，在单次通过中)贯穿材料的完全或部分打孔，产生极小(<75μm，通常<50μm)的表面下损坏和碎屑。表面下损坏可限于深度约为100um或更小，或者深度约为75um或更小，或者深度约为60um或更小，或者深度小于50um或更小，以及切割可仅产生少量碎屑。该方法可用于材料打孔(例如，玻璃打孔)，这不同于对材料进行烧蚀所通常使用的斑聚焦激光，其中，通常需要多次通过来完全打穿玻璃厚度，由于烧蚀过程产生大量碎片，并且发生更为广泛的表面下损坏(>100μm)和边缘碎片。
因此，对于本文所述的方法，可以采用一个或多个高能脉冲或者一个或多个高能脉冲的群，在透明材料中产生微观(即，<2μm以及直径>100nm，以及在一些实施方式中<0.5μm以及直径>100nm)拉伸的缺陷线(本文也称作打孔、孔或损坏轨迹)。缺陷线或者打孔或者断层线表示基材材料被激光改性的区域。激光诱发的改性破坏了基材材料的结构并构成机械弱化位点。结构破坏包括压缩、熔化、材料的移走、重新排列和键裂开。打孔延伸进入基材材料的内部，并且具有与激光的横截面形状一致的横截面形状(大致圆形)。打孔的平均直径可以是0.1-50um，或者1-20um，或者2-10um，或者0.1-5um。在一些实施方式中，打孔是“通孔”，这是从基材材料的顶部延伸到底部的孔或开放通道。在一些实施方式中，打孔可能不是连续开放的通道并且可能包含通过激光从基材材料移除的固体材料部分。移除的材料阻挡或者部分阻挡了由打孔限定的空间。可能在移除的材料部分之间分散有一个或多个开放通道(未阻挡区域)。开放通道的直径可以<1000nm，或者<500nm，或者<400nm，或者<300nm，或者10-750nm或者100-500nm。在本文所揭示的实施方式中，围绕孔的材料的被破坏或被改性区域(例如，压缩、熔化或者其他方式发生改变)的直径优选<50μm(例如，<10μm)。
可以以数百千赫的速率(例如每秒几十万个穿孔)产生单个穿孔。因而，由于激光源和材料之间的相对运动，这些穿孔会相互相邻放置，空间间隔变化是按照需要从亚微米变化至数微米甚至数十微米。沿着断层线方向的相邻缺陷线之间的距离可以是例如，0.25-50um，或者0.50um至约20um，或者0.50至约15um，或者0.50-10um，或者0.50-3.0um，或者3.0-10um。对空间间距进行选择从而有助于玻璃沿着打孔轮廓的弱化或切割。
除了基材材料在线性强度区域中的透明度之外，激光源的选择可进一步预测在透明材料中诱发多光子吸收(MPA)能力。MPA是相同或不同频率的多光子的同时吸收，从而将材料从较低能态(通常是基态)激发到较高能态(激发态)。激发态可以是电子激发态或者电离态。材料的较高能态与较低能态之间的能量差等于两个或更多个光子的能量总和。MPA是非线性过程，通常比线性吸收弱数个数量级。其不同于线性吸收之处在于，MPA的强度取决于光强度功率的平方或者更高情况，从而使其是非线性光学过程。在普通光强度情况下，MPA是可忽略的。如果光强度(能量密度)极高，例如在激光源(特别是脉冲激光源)的聚焦区域中，MPA变得可感知并在材料中的光源能量密度足够高的区域中导致可测量的效应。在聚焦区域内，能量密度可能变得足够高，导致离子化。
在原子水平，单个原子的离子化具有离散能量要求。玻璃中常用的数种元素(例如，Si、Na、K)具有较低电离能(约5eV)。在无MPA现象的情况下，会需要约248nm的波长以产生约5eV的线性离子化。在MPA的情况下，能态的离子化或激发之间的约5eV的能量间隔可以用长于248nm的波长实现。例如，波长为532nm的光子具有约2.33eV的能量，所以两个波长为532nm的光子会在例如双光子吸收(TPA)中诱发约4.66eV的能态间隔之间的转变。因此，可以在材料的区域中(其中，激光束的能量密度足够高，诱发具有例如一半所需激发能的激光波长的非线性TPA)对原子和键进行选择性激发或离子化。
MPA会导致激发原子或键的局部再构造以及与相邻原子或键发生分离。所得到的键或构造的改性会导致非热烧蚀以及从发生MPA的材料区域去除物质。该物质去除产生结构缺陷(缺陷线、损坏线或上文所称的打孔)，其使得材料机械弱化并使其在施加了机械或热应力之后更易于发生开裂或破裂。通过控制打孔的布置，可以精确地限定沿其发生开裂的轮廓或路径，并可以实现对材料的精确微机械加工。由一系列打孔限定的轮廓可以视为断层线并对应于材料中结构弱化的区域。断层线限定了用于弯曲或者用于从材料分离部件的优选轮廓，并且控制了分离部件的形状。在一个实施方式中，微机械加工包括从被激光加工的材料分离部件，其中，部件具有精确限定的形状或周界，其是由断层线限定的闭合轮廓决定的，所述打孔的闭合轮廓是由通过激光诱发的MPA效应形成的。在一个实施方式中，通过激光加工的玻璃打孔部件弯曲成紧密半径(例如，1-5mm)，其中，部件具有精确限定的形状或周界，其是由断层线限定的闭合轮廓决定的，所述打孔的闭合轮廓是由通过激光诱发的MPA效应形成的。如本文所用术语闭合轮廓指的是由激光线形成的打孔路径，其中路径与其自身在相同位置相交。内轮廓是形成的路径，其中，所得到的形状完全被材料的外部分包围。
优选的激光是超短脉冲激光(脉冲持续时间约为100皮秒或更短)，并且可以以脉冲模式或者群模式操作。在脉冲模式中，从激光发射出一系列标称一致性单个脉冲，并被导向到工件。在脉冲模式中，激光的重复频率由脉冲之间的时间间隔所决定。在群模式中，从激光发射出脉冲群，其中，每个群包括两个或更多个(相同或不同振幅的)脉冲。在群模式中，群内的脉冲被第一时间间隔分隔开(其限定了群的脉冲重复频率)，以及群被第二时间间隔分隔开(其限定了群重复频率)，其中，第二时间间隔通常远长于第一时间间隔。如本文所用(无论是脉冲模式还是群模式的内容中)，时间间隔指的是脉冲或群的对应部分之间的时间差(例如，前缘-前缘、峰-峰或尾缘-尾缘)。脉冲和群的重复频率受到激光设计的控制，并且通常可以通过调节激光的运行条件在限制内进行调节。典型的脉冲和群重复频率是kHz至MHz范围。
(在脉冲模式或者群模式的群内脉冲的)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。在本文所述的示例性实施方式中，激光脉冲持续时间大于10-15。
实施方式工艺的一个特征是通过超短脉冲激光产生的缺陷线的高纵横比。高纵横比能够产生从基材材料的顶表面延伸到底表面的缺陷线。本文的方法还能够形成在基材材料内延伸至受控深度的缺陷线。可以通过单个脉冲或单个脉冲群来形成缺陷线，以及如果需要的话，可以使用额外的脉冲或群来增加受影响区域的程度(例如，深度和宽度)。
可以通过将高斯激光束输送到锥透镜来进行线聚焦的产生，在该情况下，产生已知称为高斯-贝塞尔束的束曲线。这种束的衍射比高斯束要慢得多(例如，单个微米斑尺寸可以维持数百微米或毫米的范围，而不是数十微米或更小)。因此，焦距的深度或者与材料强烈相互作用的长度可以远大于仅使用高斯束的情况。也可使用其他形式或者缓慢衍射或不衍射束，例如艾里束(Airy beam)。
如图5A-5C所示，用于对玻璃片进行打孔的方法的示例性实施方式是基于用超短脉冲激光束140在基材材料130(例如，玻璃片1000)中产生断层线或者由多条垂直缺陷线120(对应于，例如打孔1200A)形成的示例性轮廓110(例如，1200)。
图5B显示在沿着由多条垂直缺陷线120限定的轮廓或断层线110分离工件之后的工件边缘。感应吸收产生缺陷线，可以在分离边缘或表面上产生颗粒，平均颗粒直径小于1微米(例如，0.1微米或更小)，导致非常干净的过程。图5C的照片显示采用图5A所示的激光工艺从较大的玻璃片分离的示例性部件(例如，单体玻璃坯体2000A)的边缘，并且如下文进一步所述。
玻璃片中产生的断层线可以相互不同，例如，缺陷线120(或孔)可以沿着需要分离玻璃的轮廓间隔较为紧密，而在玻璃会发生弯曲但是希望避免自发性分离的区域中进一步分开。缺陷线或打孔之间的确切间距或分隔会由玻璃组成所决定，但是通常会是本文所述的范围内，例如，约为1-25um。
根据一些示例性实施方式，会弯曲或曲面化的区域具有大于或等于10个孔(打孔)或缺陷线每mm2，例如，10-100个孔、缺陷线或打孔1400A每mm2。根据一些示例性实施方式，会发生弯曲的区域在会发生曲面化或弯曲的区域中具有至少10个以及优选20个或更多个孔或缺陷线，例如，25或更多个孔、缺陷线或打孔1400A每个区域(例如，25-500个孔、断层线或打孔，或者50-100或50-200个孔、断层线或打孔)。大量的孔有助于弯曲。例如，需要进行弯曲的小角玻璃片可含有20-50或更多个孔或打孔。孔或打孔的数量会取决于会发生弯曲或曲面化的玻璃区域的尺寸。在一些示例性实施方式中，打孔或孔间隔7-100微米(即，节距可以是7-100微米，例如，15-100微米，25-100微米，或者25-50微米)，以及孔、断层线或打孔1400A的直径小于5微米，以及在一些实施方式中，直径小于或等于3微米，在一些示例性实施方式中，直径小于或等于2微米(例如，0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm，或者它们之间)。在一些示例性实施方式中，在这些区域中的打孔数量可以是例如，10-50或者10-30每mm2面积。优选通过激光束形成断层线或打孔，激光束是通过脉冲群激光产生的，其中，激光功率为10-100W(例如，25-60W)，以及群含有至少2个脉冲(例如，2-25个脉冲)。
在一些情况下，产生的断层线不足以从基材材料自发地分离部件，可能需要第二步骤来分离玻璃(即，来自较大片材的部件单体化)。例如，如果希望的话，可以使用第二激光来产生热应力从而使得玻璃部件相互分离。例如，在纽约州康宁市康宁有限公司(Corning Incorporated of Corning NY)生产的0.55mm厚2319玻璃的情况下，可以在产生缺陷线之后，通过如下方式实现玻璃分离：例如，施加机械作用力或者使用热源(例如，红外激光，如CO2激光)产生热应力，沿着断层线迫使部件从基材材料发生分离。另一个选项是使用红外激光来引发分离，然后手动完成玻璃部件分离。采用以10.6微米发射且功率通过控制其负载循环进行调节的聚焦连续波(cw)激光，实现了任选的红外激光分离。聚焦变化(即，失焦程度和包括聚焦斑尺寸)用于通过改变斑尺寸来改变诱发的热应力。失焦激光束包括如下那些激光束，其产生大于最小衍射限的斑尺寸(约为激光波长尺寸)的斑尺寸。例如，2-20mm(或2-12mm或者2-12mm或者约7mm或者约2mm和/或约20mm)的失焦斑尺寸(1/e2直径)可用于CO2激光，例如，在给定发射波长为10.6um的情况下，其衍射限斑尺寸要小得多。
产生缺陷线有数种方法。形成焦线或线聚焦的光学方法可以具有多种形式，采用圆环形激光束和球形透镜、锥棱镜透镜、衍射元件，或者其他方法来形成高强度的线性区域。激光的类型(皮秒、飞秒等)以及波长(IR、绿色、UV等)也可以发生变化，只要在聚焦区域中抵达了足够的光学强度以产生基材或工件材料的破裂，通过非线性光学效应(例如，非线性吸收，多光子吸收)产生基材材料的开裂即可。
在本申请中，使用超短脉冲激光，以一致、可控和可重复的方式产生高纵横比垂直缺陷线。能够产生该垂直缺陷线的光学设定的细节见下文以及2014年1月14日提交的美国申请第14/154,525号所述，其全文通过引用结合入本文。该概念的基础在于，在光学透镜组件中使用锥透镜元件，采用超短(皮秒或飞秒持续时间)贝塞尔束，产生高纵横比、无锥角微通道区域。换言之，锥棱镜将激光束在基材材料中浓缩成圆柱形状和高纵横比(长的长度和小的直径)的高强度区域。由于浓缩激光束所产生的高强度，发生激光的电磁场与基材材料的非线性相互作用，激光能被传输到基材，实现形成缺陷，所述缺陷变得构成断层线。但是，重要的是，认识到在激光能量强度不够高的基材区域中(例如，基材表面，围绕中心会聚线的基材体积)，基材对于激光是透明的，以及没有机制使得能量从激光转移到基材。作为结果，当激光强度低于非线性阈值时，对于基材没有发生情况。
转到图6A和6B，对材料进行激光加工的方法包括：将脉冲激光束2聚焦成激光束焦线2b，沿着束扩展方向观察。激光束焦线2b可以通过数种方式产生，例如，贝塞尔束、艾里束、韦伯束和马修束(即，非衍射束)，其场分布通常由特殊函数给出，其在横向方向(即，传播方向)比高斯函数衰减的更慢。如图7A所示，(未示出的)激光3发射激光束2，其具有入射到光学组件6的部分2a。光学组件6将入射的激光束在输出侧上转变成激光束焦线2b，其是在限定膨胀范围上沿着束方向(焦线的长度l)。将平面基材1(待加工材料)放在束路径中，至少部分重叠激光束2的激光束焦线2b。附图标记1a表示平坦基材分别朝向光学组件6或者激光的表面，以及附图标记1b表示基材1的相反(远)表面。基材厚度(垂直于平面1a和1b测量，即，垂直于基材平面测量)标记为d。
如图6A所示，基材1(例如，玻璃片1000)与束纵轴基本垂直对准，从而在由光学组件6产生的相同焦线2b的后面(基材垂直于附图平面)，以及沿着束方向观察，基材位置相对于焦线2b使得焦线2b在基材的表面1a之前开始，并且在基材的表面1b之前停止，即焦线2b在基材内终止并且没有超过表面1b。在激光束焦线2b与基材1的重叠区域中，即，被焦线2b覆盖的基材材料中，(假定沿着激光束焦线2b合适的激光强度，该强度通过将激光束2聚焦到长度l的区段上，即长度l的线聚焦，得以确保)，产生激光束焦线2b，(沿着束纵向方向对准的)限定了区段2c，沿着该区段2c，在基材材料中产生非线性感应吸收。感应吸收在基材材料中沿着区段2c诱发形成缺陷线。缺陷线的形成不仅是局部的，而是在感应吸收的区段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与基材1重叠的长度)标记为附图标记L。感应吸收2c的区段(或者基材1的材料中发生形成缺陷线的区段)的平均直径或平均尺度(程度(例如，长度或者其他相关线性尺度)标记为附图标记D。该平均程度D基本上对应于激光束焦线2b的平均直径δ，也就是说，约为0.1-5微米的平均斑直径。
如图6A所示，由于沿着焦线2b的感应吸收，局部加热了基材材料(其对于激光束2的波长λ是透明的)。该波长可以是例如，1064、532、355或266纳米。由于非线性效应引起的感应吸收(例如，双光子吸收，多光子吸收)与焦线2b内的高激光束强度相关。图6B显示被加热的基材材料会最终膨胀使得对应的感应拉伸导致形成缺陷线，拉伸在表面1a处最高，并且当需要的时候，导致分离所需要的所需量的微裂纹。
下面描述(可用于产生焦线2b)的代表性光学组件6以及(可以将这些光学组件用于其中的)代表性光学设备。所有这些组件或设备是基于上文的描述，从而对于相同的组件或特征或者功能相同的那些使用相同的附图标记。因此，下面仅描述不同的地方。
为了确保分离部件沿着进行打孔或分离的表面的高质量(关于破裂强度、几何形貌精确度、粗糙度以及避免再次进行机械加工的需求而言)，应该采用下文所述的光学组件产生沿着打孔线、分离线或脱离线(断层线)置于基材表面上的单条焦线(下文，也替代性地将光学组件称作激光光学件)。在分离的情况下，分离表面(或者切割边缘)的粗糙度主要由焦线的斑尺寸或斑直径产生。切割(分离)表面的粗糙度可以通过例如由ASME B46.1标准定义的Ra表面粗糙度参数进行表征。如ASMEB46.1所述，Ra是表面轮廓高度与中线的偏差的绝对值的算术平均，记录在估值长度内。换言之，Ra是表面的单个特征(峰和谷)相对于中值的一组绝对高度偏差的平均值。
为了实现小的斑尺寸(例如在与基材1的材料相互作用的激光3的给定波长λ的情况下，0.5-2微米)，通常必须对激光光学件6的数值孔径施加某些要求。下文所述的激光光学件6符合这些要求。为了实现所需的数值孔径，一方面，对于给定的焦距长度，光学件必须根据已知的阿贝公式(N.A.＝n sin(θ)，n：待加工的材料或工件的折射率；θ：孔径半角；以及θ＝arctan(DL/2f)；DL：孔径，f：焦距长度)布置所需的开口。另一方面，激光束必须将光学件照亮至所需的孔径，这通常是通过采用在激光和聚焦光学件之间的加宽望远镜的束加宽的方式实现的。
出于沿着焦线均匀相互作用的目的，斑尺寸不应该变化过于强烈。例如，这可以通过仅在小的圆形区域中照射聚焦光学件，从而使得束开口略微变化进而使得数值孔径的百分比仅略微变化，得以实现(参见下文实施方式)。
根据图7A(垂直于在激光辐射2的激光束群中的中心束的水平的基材平面的区段；此处，也是激光束2(在进入光学组件6之前)垂直入射到基材平面，即，入射角θ是0°，使得焦线2b或者感应吸收的区段2c平行于基材法线)，激光3发射的激光辐射2a首先被导向到圆形孔径8上，其对于所使用的激光辐射是完全不透明的。孔径8取向垂直于束纵轴，并且处于所示的束群2a的中心束上。对孔径8的直径进行选择，使得靠近束群2a的中心的束群或者中心束(此处标记为2aZ)撞击孔径，并被其完全吸收。由于相比于束直径降低的孔径尺寸，导致仅绕着束群2a的外周界中的束(边缘射线，此处标记为2aR)没有被吸收，而是横向地通过孔径8并撞击光学组件6的聚焦光学元件的边缘区域，这在该实施方式中，设计成球形切割双凸透镜7。
如图7A所示，激光束焦线2b不仅仅是激光束的单个焦点，而是激光束中不同射线的一系列焦点。该一系列的焦点形成限定长度的拉长焦线，如图7A所示为激光束焦线2b的长度l。透镜7处于中心束的中心，并且设计成常用球形切割透镜形式的非修正双凸聚焦透镜。该透镜的球形光行差(spherical aberration)可能是有利的。作为替代，也可以使用与理想修正系统发生偏差的非球形或者多透镜系统，其没有形成理想的焦点，而是形成限定长度的不同的拉伸的焦线(即，透镜或系统不具有单个焦点)。因而，透镜的区域沿着焦线2b聚焦，受制于来自透镜中心的距离。孔径8在束方向上的直径近似为束群直径的90％(定义为束的强度降低至峰值强度的1/e2所需的距离)以及是光学组件6的透镜7的直径的约75％。从而使用通过在中心将束群阻挡掉所产生的非光行差修正球形透镜7的焦线2b。图7A显示贯穿中心束的一个平面中的区段，当所示的束绕着焦线2b转动时，可以看到完整的三维束群。
通过如图7A所示的透镜7和系统所形成的这种类型焦线的一个潜在缺点在于，状态(斑尺寸、激光强度)可能沿着焦线变化(以及进而沿着所需的材料中的深度变化)，因而可能仅在选定的焦线部分中产生所需类型的相互作用(不发生熔化、感应吸收、裂纹形成的热塑性变形)。这进而意味着可能仅有部分入射激光光线被基材材料(例如，玻璃片1000)以所需的方式吸收。以这种方式，可能削弱(对于所需的分离速度需要平均激光功率的)加工效率，并且激光光线还可能传输到不合乎希望的区域(例如，与基材附着的部件或层或者基材保持固定器)且与它们以不合乎希望的方式发生相互作用(例如，加热、扩散、吸收、不合乎希望的改性)。
图7B-1-4显示(不仅是对于图7A中的光学组件，而是还对于任意其他可适用的光学组件6而言)，可以通过使得光学组件6相对于基材1合适地定位和/或对准以及通过合适地选择光学组件6的参数，来对激光束焦线2b的位置进行控制。如图7B-1所示，可以对焦线2b的长度l进行如下方式的调节，使其超过基材厚度d(此处超过的系数为2)。如果(以束纵向方向)将基材1(例如，玻璃片1000)放在焦线2b的中心，则在整个基材厚度上产生感应吸收的区段2c。激光束焦线2b的长度l可以是例如约为0.1-100mm，或者约为0.1-10mm，或者约为0.1-1mm。各种实施方式可以构造成长度l是例如约为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm。
在图7B-2所示的情况中，产生长度l的焦线2b，其差不多对应于基材厚度d。由于基材1相对于线2b放置的方式使得线2b的起始点在基材外部，所以感应吸收2c的区段(其在这里是从基材表面延伸到限定的基材深度，而没有到达相反(远)表面1b)的长度L小于焦线2b的长度l。图7B-3显示如下情况，其中，(沿着垂直于束方向观察的)基材1放置在焦线2b的起始点的上面，从而线2b的长度l大于基材1中感应吸收区段2c的长度L。因而，焦线在基材内开始并延伸超过相反表面1b。图7B-4显示如下情况，其中，焦线长度l小于基材厚度d，从而在以入射方向观察使得基材相对于焦线中心放置的情况下，焦线在基材内靠近表面1a开始，并在基材内靠近表面1b终止(例如，l＝0.75d)。
特别有利的是将焦线2b以如下方式放置，使得表面1a、1b中的至少一个被焦线覆盖，从而感应吸收2c的区段至少是在基材的一个表面上开始。以这种方式，可以实现实际上理想的切割，同时避免表面的烧蚀、起毛和颗粒化。
图8显示另一种可适用的光学组件6。基本构造符合图7A所述的那种情况，从而下面仅对差异进行描述。所示的光学组件基于使用具有非球形自由表面的光学件，从而产生焦线2b，其形状使得形成具有限定长度l的焦线。出于该目的，可以将非球面用作光学组件6的光学元件。例如，在图8中，使用了所谓的锥形棱镜，通常也称作锥棱镜。锥棱镜是特殊的锥形切割棱镜，其在沿着光轴的线上形成斑源(或者将激光束转变成环)。此类锥棱镜的设计是本领域技术人员周知的；例子中的锥角是10°。这里标记为附图标记9的锥棱镜的顶点导向入射方向并且在处于束中心处。由于锥棱镜9产生的焦线2b开始于其内部，基材1(此处与主束轴垂直对准)可以放置在束路径中，直接位于锥棱镜9的后面。如图8所示，由于锥棱镜的光学特性，还可以沿着束方向偏移基材1，同时仍然在焦线2b的范围内。因此，在基材1的材料中的感应吸收2c的区段延伸超过整个基材深度d。
但是，所示的设计具有如下限制：由于通过锥棱镜9形成的焦线2b的区域在锥棱镜9内开始，显著部分的激光能没有被聚焦到焦线2b的感应吸收区段2c中，该区段位于材料内，在该情况下，在锥棱镜9与基材或工件之间存在分隔。此外，焦线2b的长度l与束直径经由折射率和锥棱镜9的锥角相关联。这是在较薄材料(数毫米)的情况下，总焦线远长于基材厚度的原因：许多激光能没有被聚焦到材料中的影响。
出于该原因，可能希望使用同时包括锥棱镜和聚焦透镜的光学组件6。图9A显示该光学组件6，其中，设计成形成激光束焦线2b的具有非球形自由表面的第一光学元件被放置在激光3的束路径中。在图9A所示的情况中，该第一光学元件是具有5°锥角的锥棱镜10，其放置成垂直于束方向并且位于激光束3的中心。锥棱镜的顶点朝向束方向取向。第二聚焦光学元件(此处为平-凸透镜11，其曲率取向朝向锥棱镜)放置在束方向中，距离锥棱镜10的距离为Z1。对距离Z1进行选择(在该情况下约为300mm)，使得通过锥棱镜10形成的激光辐射圆环状入射到透镜11的外半径部分上。透镜11将圆环辐射聚焦到距离为Z2的输出侧上，在该情况下，距离透镜11约为20mm，具有限定长度的焦线2b，在该情况下为1.5mm。该实施方式中，透镜11的有效焦距为25mm。经由锥棱镜10的激光束的圆形转变标记为附图标记SR。
图9B具体显示根据图9A，在基材1的材料中形成焦线2b或者感应吸收2c。对两个元件10、11的光学特性以及它们的位置进行选择，使得束方向中焦线2b的长度l与基材1的厚度d完全一致。因此，要求基材1沿着束方向的精确定位，从而将焦线2b精确地放在基材1的两个表面1a和1b之间，如图9B所示。
因此，如果焦线形成在与激光光学件有一定距离，以及如果较大部分的激光辐射调焦至焦线的所需端的话，则是有利的。如所述，这可以通过如下方式实现：仅在特定外半径区域以圆环状(环状)照射主聚焦元件11(透镜)，这在一方面，起到了实现所需的数值孔径进而实现所需的斑尺寸的作用，但是，在另一方面，在非常短距离上的斑中心处的所需的焦线2b之后，漫射环减小了强度，因为形成了基本圆环形斑。以这种方式，在所要求的基材深度的短距离内，停止了缺陷线的形成。锥棱镜10和聚焦透镜11的组合符合该要求。锥棱镜以两种不同方式起作用：由于锥棱镜10，将通常圆形激光斑以环形式输送到聚焦透镜11，以及锥棱镜10的非球面性具有形成超过透镜焦平面的焦线而不是形成在焦平面内的焦点的作用。可以通过锥棱镜上的束直径来调节焦线2b的长度l。另一方面，可以通过锥棱镜-透镜分离的距离Z1以及锥棱镜的锥角，来调节沿着焦线的数值孔径。以这种方式，可以将全部的激光能集中到焦线中。
如果缺陷线的形成旨在持续到基材的背侧，则圆环形(环形)照射仍然具有如下优势：(1)使用的激光功率优化，在该意义上，大部分的激光仍然集中在所需的焦线长度中，以及(2)可以实现沿着焦线的均匀斑尺寸，因而实现沿着焦线的部件距离基材的均匀分开，这是由于圆环状照射区结合由于其他光学功能的方式设定的所需光行差所导致的。
作为图9A所示的平-凸透镜的替代，也可以使用聚焦弯月形透镜或者另一较高修正的聚焦透镜(非球形、多透镜系统)。
为了采用图9A所示的锥棱镜和透镜的组合产生非常短的焦线2b，会需要选择非常小的激光束的束直径入射到锥棱镜上。这具有如下实际上的缺点：将束中心化至锥棱镜的顶点上必须非常精确，并且结果对于激光的方向变化非常敏感(束漂移稳定性)。此外，严格准直的激光束是非常发散的(divergent)，即由于光偏转，束群在短距离内变得模糊。
如图10所示，通过在光学组件6中包括另一个透镜，准直透镜12，可以避免这两种影响。额外的正透镜12的作用是非常严格地调节聚焦透镜11的圆形照射。对准直透镜12的焦距f’进行选择，使得由于从锥棱镜到准直透镜12的距离Z1a导致的所需的圆形直径dr等于f’。可以通过(准直透镜12到聚焦透镜11的)距离Z1b来调节所需的环宽度br。作为纯几何学问题，小的圆环照射宽度导致短的焦线。可以在距离f’实现最小值。
因而，图10所示的光学组件6基于图9A所示的那种情况，从而下面仅对差异进行描述。将准直透镜12(此处也设计成平-凸透镜，其曲率朝向束方向)额外地放置在束路径的中心，在(位于一侧的)锥棱镜10(其顶点朝向束方向)和(位于另一侧的)平-凸透镜11之间。准直透镜12与锥棱镜10的距离称作Z1a，聚焦透镜11与准直透镜12的距离称作Z1b，以及焦线2b与聚焦透镜11的距离称作Z2(总是以束方向观察)。如图10所示，由锥棱镜10形成的圆形辐射SR(其发散入射并在准直透镜12上具有圆形直径dr)被调节至沿着距离Z1b所需的圆形宽度br，至少在聚焦透镜11处具有近似恒定的圆形直径dr。在所示的情况下，旨在产生非常短的焦线2b，从而透镜12处近似4mm的圆形宽度br减少至透镜11处近似0.5mm，这是由于透镜12的聚焦性质(在该例子中，圆形直径dr是22mm)。
在所示的例子中，可以通过如下方式实现小于0.5mm的焦线1的长度：采用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，以及选择距离Z1a＝Z1b＝140mm且Z2＝15mm。
图11A-11C显示不同激光强度区域的激光-物质相互作用。在如图11A所示的第一种情况下，未聚焦激光束710通过透明基材720，没有对其引发任何改性。在该特定情况下，不存在非线性效应，因为激光能量密度(或者被束照射的每单位面积的激光能量)低于引发非线性效应所需的阈值。能量密度越高，电磁场强度越高。因此，如图11B所示，当通过球形透镜730将激光束聚焦成较小斑尺寸时，照射面积下降并且能量密度增加，引发的非线性效应会改性材料以实现仅在满足条件的体积中形成断层线。以这种方式，如果聚焦激光的束腰位于基材表面处，则会发生表面改性。相反地，如果聚焦激光束的束腰位于低于基材表面处，则当能量密度低于非线性光学效应的阈值时，在表面处什么也没有发生。但是在焦距740，位于基材720的块体内，激光强度足够高至引发多光子非线性效应，从而导致对材料的损坏。
最后，在如图11C所示的锥棱镜的情况下，展象透镜750(或者菲涅耳锥棱镜)的衍射图案产生干涉，其产生贝塞尔形的强度分布(高强度的圆柱体760)，并且仅在该体积中，强度足够高至产生非线性吸收以及材料720的改性。(其中贝塞尔形强度分布足够高至产生非线性吸收和材料改性的)圆柱体760的直径也是激光束焦线的斑直径，如本文所称的那样。贝塞尔束的斑直径D可以写作D＝(2.4048λ)/(2πB)，其中，λ是激光束波长，以及B锥角的函数。计算或测得的斑直径可以取平均值，并且本文所述的实施方式中的平均斑直径可以是例如约为0.1-5微米。
激光和光学系统：
？在代表性示例中，出于切割3D模制的玻璃部件或者其他3D工件以及从其提取部件的目的，一种实施方式使用1064皮秒脉冲激光结合形成线聚焦束的光学件，从而在玻璃基材中产生损坏线(本文也称作缺陷线、损坏轨迹或断层线)。
？如图12A和12B所示，根据本文所述选定的实施方式，皮秒激光产生脉冲500A的“群”500，有时也称作“群脉冲”。群是这样一类激光操作，其中，脉冲的发射不是以均匀且稳定流的方式进行，而是以紧密脉冲束的方式进行。每个“群”500在高至100微微秒的非常短的持续时间Td内(例如，0.1微微秒、5微微秒、10微微秒、15微微秒、18微微秒、20微微秒、22微微秒、25微微秒、30微微秒、50微微秒、75微微秒或其间范围)含有多个脉冲500A(例如，2个脉冲、3个脉冲、4个脉冲、5个脉冲、10个脉冲、15个脉冲、20个脉冲或者更多)。脉冲持续时间通常约为1-1000微微秒，或者约为1-100微微秒，或者约为2-50微微秒，或者约为5-20微微秒。这些单个群500内的这些单独的脉冲500A也可被称作“子脉冲”，这不过是表示它们存在于单个脉冲群内这个事实。脉冲群内的每个激光脉冲500A的能量或强度可能不等于脉冲群内的其他脉冲的能量或强度，并且脉冲群500内的多个脉冲的强度分布可符合由激光设计所管理的随时间的指数衰减。优选地，本文所述的示例性实施方式的脉冲群500中的每个脉冲500A与群内的后续脉冲的时间间隔的持续时间Tp为1-50毫微秒(例如，10-50毫微秒，或者10-40或10-30毫微秒)，时间通常由激光腔设计所管理。对于给定激光，脉冲群500内的每个脉冲的时间间隔Tp(脉冲-脉冲间隔)较为均匀(±10％)。例如，在一些实施方式中，每个脉冲与后续脉冲的时间间隔近似为20毫微秒(50MHz脉冲重复频率)。例如，对于产生约20毫微秒的脉冲-脉冲间隔Tp的激光，群内的脉冲-脉冲间隔Tp维持在约为±10％，或者约为±2毫微秒。每个“群”之间的时间(即，群之间的时间间隔Tb)会长得多(例如，0.25≤Tb≤1000微秒，例如1-10微秒，或3-8微秒)。例如，在本文所述的激光的一些示例性实施方式中，对于约为200kHz的激光重复频率或者频率，其约为5微秒。本文中，激光重复频率也称作群重复频率或者脉冲群重复频率，定义为群中的第一个脉冲与后续群中的第一个脉冲之间的时间。在其他实施方式中，群重复频率约为1kHz至4MHz，或者约1kHz至2MHz，或者约1-650kHz，或者约为10-650kHz。每个群中的第一个脉冲与后续群中的第一个脉冲之间的时间Tb可以是0.25微秒(4MHz群重复频率)至1000微秒(1kHz群重复频率)，例如0.5微秒(2MHz群重复频率)至40微秒(25kHz群重复频率)，或者2微秒(500kHz群重复频率)至20微秒(50kHz群重复频率)。确切的时间间隔、脉冲持续时间和重复频率可取决于激光设计以及用户可控的操作参数发生变化。显示高强度的短脉冲(Td<20微微秒以及优选Td≤15微微秒)工作良好。
对材料进行改性所需的能量可以描述为群能量(群内所含的能量，每个群500含有一系列的脉冲500A)或者描述为单个激光脉冲中所含的能量(许多个它们可构成群)。对于这些应用，每个群(每毫米待切割的材料)的能量可以是10-2500uJ，或者20-1500uJ，或者25-750uJ，或者40-2500uJ，或者100-1500uJ，或者200-1250uJ，或者250-1500uJ，或者250-750uJ。群内单个脉冲的能量会较小，单个激光脉冲的确切能量会取决于群500内的脉冲500A数量以及激光脉冲随时间的衰减速率(例如，指数衰减速率)，如图12A和12B所示。例如，对于恒定的能量/群，如果脉冲群含有10个单个激光脉冲500A，则每个激光脉冲500A会含有较少的能量，相比于如果仅具有2个单个激光脉冲的相同脉冲群500而言。
对于切割、打孔或改性透明材料(例如玻璃，如玻璃片1000)，使用能够产生此类脉冲群的激光是有利的。不同于使用通过单脉冲激光的重复频率在时间上间隔开的单个脉冲，使用在群500内的脉冲的快速序列上使得激光能铺展开的脉冲群序列实现了与材料的较大时间跨度的高强度相互作用，相比于单脉冲激光可能的情况而言。虽然单脉冲可以在时间上膨胀，但是能量守恒意味着如果这样的话，脉冲内的强度必然在脉冲宽度上粗略地下降。因此，如果10微微秒的单脉冲膨胀到10毫微秒脉冲的话，强度粗略地下降3个数量级。该下降会使得光学强度降低至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实现切割。相反地，利用脉冲群激光，每个脉冲或者群500内的子脉冲500A期间的强度仍然可以是非常高的，例如时间间隔Tp约为10毫微秒的3个脉冲持续时间Td为10微微秒的脉冲500A仍然实现每个脉冲中的强度近似高于3倍的单个10微微秒脉冲，同时激光能够与材料在大3个数量级的时间规格上相互作用。因而，这种群内的多脉冲500A的调节实现了激光-材料相互作用的时间规格的操纵，其方式可以有助于更大或更小的光与预先存在的等离子体羽毛状物，更大或更小的光-材料相互作用(与通过初始或先前的激光脉冲预激发的原子和分子)，以及材料内更大或更小的加热效应(可促进缺陷线(打孔)的受控生长)。对材料进行改性所需的群能量大小会取决于基材材料组成和用于与基材相互作用的行焦距的长度。相互作用区域越长，展开的能量约多，则会需要的群能量也越高。
当单个脉冲群撞击玻璃上基本相同位置时，在材料中形成缺陷线、打孔或者孔。也就是说，单个群内的多个激光脉冲可在玻璃中产生单条缺陷线、打孔或者孔位置。当然，如果玻璃发生移动(例如，恒定移动阶段)或者束相对于玻璃移动，群内的单独脉冲无法处于玻璃上完全相同的空间位置。但是，它们很好地相互在1μm之内，即，它们基本上撞击玻璃的相同位置。例如，它们可以以相互之间的间距sp撞击玻璃，其中，0<sp≤500nm。例如，当玻璃位置被20个脉冲的群撞击时，群内的单个脉冲撞击玻璃相互之间处于250nm之内。因此，在一些实施方式中，1nm<sp<250nm。在一些实施方式中，1nm<sp<100nm。
在一个实施方式中，放置厚度0.55mm的康宁玻璃编号玻璃基材1000，使其处于通过光学系统产生的焦线区域内。对于长度约1mm的焦线，以及以200kHz的群重复频率或群频率产生大于或等于约40W的输出功率的皮秒激光(在材料处测得约为200微焦/群脉冲)，焦线区域中的光学强度(能量密度)可以容易地足够高至在基材材料中产生非线性吸收。近似随着高强度的线性区域，在玻璃中，在基材内产生损坏、烧蚀、蒸发或者其他方式改性的材料区域。
孔、打孔或损坏轨迹的形成：
这些损坏轨迹通常是内尺寸(例如直径)约为0.2-2微米(例如0.5-1.5微米)的孔或打孔的形式。优选地，孔或打孔的尺寸非常小(数个微米或更小)。缺陷线、孔或打孔可以刺穿或者不穿透材料的整个厚度，以及可以是穿过整个材料厚度的连续开口或者可以不是这种情况。图5C显示穿透700微米厚的玻璃基材的工件(或者玻璃片1000)的整个厚度的此类轨迹或缺陷线的例子。通过劈开边缘的侧面，观察穿孔或损坏轨迹。穿透材料的轨迹不一定是通孔。经常存在玻璃堵塞住孔的区域，但是它们通常是小尺寸的，例如约为微米级。
缺陷线之间的横向间距(节距)由基材在聚焦激光束下位移时的激光的脉冲频率所决定。通常，仅需要单次皮秒激光脉冲或群来形成完整孔，但是如果需要的话，可以使用多个脉冲或群。为了以不同节距或缺陷线分隔形成孔或打孔，激光可以触发成以较长或较短的时间间隔射击。
对于切割操作，激光触发通常与束下方的基材的阶段驱动运动同步，从而激光脉冲以固定时间间隔触发，例如每1微米，每3微米或者每5微米。对于进行切割或分离，相邻缺陷线之间的确切间距由材料性质所决定，其有助于裂纹从打孔的孔扩展到打孔的孔，产生基材中的应力水平。
但是，不同于切割基材，也可以使用相同的方法仅对材料进行打孔(例如，对于玻璃需要进行曲面化或弯曲的区域)。在此情况下，孔(或者损坏轨迹或打孔)可以分隔较大间距(例如，7微米节距、8微米节距、10微米节距、25微米节距、30微米节距、50微米节距或更大)。取决于所使用玻璃(例如，未强化的玻璃)打孔的节距可以小于7微米或者甚至小于5微米。
激光功率和透镜焦距(其决定了焦线长度进而决定了功率密度)对于确保玻璃的完全穿透和低微表面和表面下损坏是特别重要的参数。
通常来说，可用的激光功率越高，以上述工艺可以对材料进行打孔或切割越快。本文所揭示的工艺可以以0.25m/s或更快的打孔或切割速度来对玻璃进行打孔或切割。打孔速度或切割速度(或者切割的速度)是激光束相对于基材材料(例如玻璃)的表面移动同时产生多个缺陷线孔的速率。高的切割速度(例如，350mm/s，400mm/s，500mm/s，750mm/s，1m/s，1.2m/s，1.5m/s或者2m/s，或者甚至3.4-4m/s)通常是合乎希望的，从而使得制造的基建投资最小化并优化装备利用率。激光功率等于激光的群能量乘以群重复频率(速率)。通常来说，为了以高速度打孔或切割玻璃材料，缺陷线间隔通常为1-25um，在一些实施方式中，间距优选是3um或更大，例如3-12um，或者例如5-10um。
例如，为了实现300mm/s的线性打孔或切割速度，3um孔节距对应于具有至少100kHz重复频率的脉冲群激光。对于600mm/s的打孔或切割速度，3um节距对应于具有至少200kHz重复频率的群-脉冲激光。以200kHz产生至少40uJ/群以及以600mm/s的切割速度进行打孔和/或切割的脉冲群激光需要具有至少8瓦的激光功率。因此，更高的打孔切割速度或者更高的切割速度需要更高的激光功率。
例如，以3μm节距和40μJ/群的0.4m/s打孔或切割速度会要求至少5W激光。类似地，以3μm节距和40μJ/群的0.5m/s打孔或切割速度会要求至少6W激光。因此，优选脉冲群皮秒激光的激光功率大于或等于6W，更优选至少8W或更高，以及甚至更优选至少10W或更高。例如，为了实现4μm节距(缺陷线间隔或损坏轨迹间隔)和100μJ/群的0.4m/s打孔或切割速度会要求至少10W激光，以及为了实现4μm节距和100μJ/群的0.5m/s打孔/切割速度会要求至少12W激光。例如，为了实现3μm节距和40μJ/群的1m/s打孔/切割速度会要求至少13W激光。此外，例如，以4μm节距和400μJ/群的1m/s打孔/切割速度会要求至少100W激光。
缺陷线(损坏轨迹)之间的最佳节距和确切群能量是依赖于材料的并且可以通过经验确定。但是，在切割或玻璃分离的情况下，应注意的是，提升激光脉冲能量或者以更靠近的节距制造损坏轨迹并不总是使得基材材料更好地分离或者具有改进的边缘质量的情况。缺陷线(损坏轨迹)之间过小的节距(例如，<0.1微米或者在一些示例性实施方式中，<1μm或者在其他实施方式中<2μm)有时会抑制后续邻近缺陷线(损坏轨迹)的形成，并且通常会抑制打孔轮廓附近的材料的分离。如果节距太小的话，还可能发生玻璃中不合乎希望的微开裂的增加。过长的节距(例如，>50μm以及在一些玻璃中>25μm或者甚至>20μm)可能导致不受控的微开裂摂，即作为从缺陷线到缺陷线的扩展的替代，微裂纹沿着不同路径扩展，并导致玻璃以不同于预期轮廓的(不合乎希望)的方向开裂。这可能最终导致分离部件的强度降低，因为残留的微裂纹构成了使得玻璃弱化的瑕疵。过高的形成缺陷线的群能量(例如，>2500uJ/群以及在一些实施方式中>500uJ/群)会导致先前形成的缺陷线的“愈合”或再熔化，这可能抑制玻璃的分离。因此，优选群能量<2500uJ/群，例如，≤500uJ/群。此外，使用过高的群能量会导致形成极大的微裂纹，并产生会降低分离后部件的边缘强度的结构不完美性。过低的群能量(例如，<40μJ/群)可能导致在玻璃中没有形成可见的缺陷线，因而可能必须要特别高的分离作用力或者导致完全无法沿着打孔轮廓进行分离。
该工艺所能达到的典型示例性打孔速度或者切割速率(速度)是例如0.25m/s和更高。在一些实施方式中，打孔速度或切割速率至少为300mm/s。在一些实施方式中，切割速率至少400mm/s，例如，500-2000mm/s或更高。在一些实施方式中，皮秒(ps)激光采用脉冲群来产生缺陷线，其周期性为0.5-13um，例如0.5-3um。在一些实施方式中，脉冲激光的激光功率为10-100W，以及材料(例如，玻璃片1000)和/或激光束相对于彼此以至少0.25m/s的速率移动；例如，速率为0.25-0.35m/s或0.4-5m/s。优选地，脉冲激光束的每个脉冲群在工件(例如，玻璃片1000)处测得的平均激光能量大于40uJ每个群每mm工件厚度。优选地，脉冲激光束的每个脉冲群在工件处测得的平均激光功率小于2500uJ每个群每mm工件厚度，以及优选小于2000uJ每个群每mm工件厚度，以及在一些实施方式中，小于1500uJ每个群每mm工件厚度，例如不超过500uJ每个群每mm工件厚度。
我们发现为了打孔具有低碱性含量或者没有碱性含量的碱土硼铝硅酸盐玻璃，需要高得多的体积脉冲能量密度(uJ/um3)(5-10倍)。这可以通过例如采用脉冲群激光(优选具有至少2个脉冲/群)并且在碱土硼铝硅酸盐玻璃中提供约为0.05uJ/um3或更高(例如，至少0.1uJ/um3，例如，0.1-0.5μJ/μm3)的体积能量密度来实现。
因此，优选激光产生每个群具有至少2个脉冲的脉冲群。例如，在一些实施方式中，脉冲激光的功率为10-150W(例如，10-100W)，并且产生每个群至少2个脉冲的脉冲群(例如，2-25个脉冲/群)。在一些实施方式中，脉冲激光的功率为25-60W，并且每个群至少2-25个脉冲的脉冲群，以及由激光群产生的相邻缺陷线之间的周期性或者间距为2-10um。在一些实施方式中，脉冲激光的功率为10-100W，产生每个群至少2个脉冲的脉冲群，以及工件和激光束相对于彼此位移的速率至少为0.25m/s。在一些实施方式中，工件和/或激光束相对于彼此位移的速率至少为0.4m/s。
例如，为了切割0.7mm厚的非离子交换康宁公司编号2319或者编号2320玻璃，观察到3-7um的节距可以良好工作，脉冲群能量约为150-250uJ/群，以及群脉冲数量为2-15，以及优选地，节距为3-5um和群脉冲数量(每个群的脉冲数量)为2-5。
以1m/s的打孔速度(或切割速度)，Eagle玻璃或者2320的打孔和/或切割，玻璃通常需要使用15-84W的激光功率，30-45W通常是足够的。通常来说，对于各种玻璃和其他透明材料，申请人发现10-100W的激光功率来实现0.2-1m/s的打孔和/切割速度是优选的，对于许多玻璃而言，25-60W的激光功率是足够(或最佳)的。对于0.4-5m/s的打孔和/或切割速度，激光功率应该优选为10-150W，群能量为40-750μJ/群，2-25群每脉冲(取决于切割的材料)，以及缺陷线间距(或节距)为3-15μm或3-10μm。对于这些切割速度，使用皮秒脉冲群激光会是优选的，因为他们产生了高的功率和所需的每个群的脉冲数量。因此，根据一些示例性实施方式，脉冲激光产生10-100W的功率(例如25-60W)，以及产生至少2-25个脉冲/群的脉冲群，并且缺陷线之间的距离为2-15um；以及激光束和/或工件相对于彼此以至少0.25m/s的相对速度(在一些实施方式中，至少0.4m/s，例如，0.5-5m/s或更快)的速率移动。
根据本文所述的一些实施方式，激光打孔或者缺陷(孔)形成是在强化和未强化玻璃两者上进行的。
用于上文所述示例的激光条件和材料打孔速度总结如下供参考。例如，在一些实施方式中，为了从玻璃基质分离单体部件，在释放线手动施加作用力。作用力导致在打孔线(缺陷线)处发生破裂，裂纹沿着断层线扩展最终使得从玻璃基质分离出形状。
到达锥棱镜透镜的输入束直径，约2mm
锥角＝10度
初始校准透镜焦距＝125mm
最终物镜焦距＝40mm
入射束会聚角＝12.75度
聚焦设定在零和10mm之间，每个轨迹以200微米步阶变化。
75％完全功率的激光功率(约30瓦特)
激光的脉冲重复频率＝200kHz
3个脉冲/群
节距＝6微米
相同轨迹的多次通过
移动工作站速度：12m/分钟＝200mm/s
作为紧接上文所述工艺的替代形式，证实了采用失焦CO2激光来帮助释放部件(用于部件分离/单体化)的另一个实施方式。失焦CO2激光跟着皮秒激光，随其绘出所需轮廓(断层线)，以实现从周围基材基质分离部件。通过失焦CO2激光诱发的热应力足够引发裂纹并使得裂纹扩展，导致部件沿着经断层线限定的所需轮廓分离，从而从基材面板释放具有形状部件。对于该情况，发现如下光学和激光参数具有最佳结果：
皮秒激光
到达锥棱镜透镜的输入束直径，约2mm
锥角＝10度
初始校准透镜焦距＝125mm
最终物镜焦距＝40mm
入射束会聚角＝12.75度
聚焦设定在零和10mm之间，每个轨迹以200微米步阶变化。
75％完全功率的激光功率(约30瓦特)
激光的脉冲重复频率＝200kHz
3个脉冲/群
节距＝6微米
相同轨迹移动工作站速度的多次激光焦线通过＝12m/分钟＝200mm/s
CO2激光
激光位移速度：130mm/s
激光功率＝100％
脉冲持续时间13微秒(95％负载循环)
激光调制频率20kHz
激光束失焦为21mm
单次通过
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离本发明的范围或精神的情况下对本发明进行各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融合了本发明精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (16)

1.一种制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)用激光沿着轮廓对玻璃坯件进行打孔，以及在玻璃坯件的至少一个区域中形成多个打孔，所述打孔的直径小于5um并且长度是所述直径的至少20倍；
(ii)沿着所述至少一个含打孔的区域弯曲所述玻璃坯件，以形成所述非平坦部分。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打孔是如下情况：(i)直径小于2um并且长度至少是所述直径的50倍；和/或(ii)直径小于2um并且长度至少是200um长。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个含有打孔的区域含有至少10个打孔每mm2。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打孔步骤是使用激光线聚焦进行的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弯曲步骤包括：(i)对具有所述打孔的玻璃坯件进行加热；和/或(ii)至少向坯件的打孔区域施加真空。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃坯件厚度为0.1-5mm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弯曲包括将所述玻璃坯件弯曲成1-10mm的曲率半径。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光是脉冲激光，所述激光的激光功率为10-100W并且以至少2个脉冲每个群产生群脉冲。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述群脉冲含有2-25个脉冲每个群。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光的激光功率为25-60W并且以至少2-25个脉冲每个群产生群脉冲，以及所述打孔之间的距离为7-100微米。
11.如权利要求1所述的制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，其特征在于，所述打孔步骤包括激光形成激光线聚焦以形成打孔，其中，通过具有足够强度的激光束来形成每个打孔，从而对玻璃的结构进行改性，并且至少一个区域具有至少10个打孔每mm2，所述方法还包括如下步骤：
(A)用所述激光线聚焦以对应于所述玻璃坯件的多个区域对玻璃片进行打孔，以产生至少一个经打孔的分离轮廓，用于产生至少一个玻璃坯件；
(B)沿着经打孔的分离轮廓从所述玻璃片分离至少一个玻璃坯件，从而产生至少一个单体玻璃坯件。
12.如权利要求1所述的制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，其特征在于，弯曲所述玻璃制品包括以下步骤：
(A)将所述玻璃坯件放在模具上，使得所述至少一个含有所述打孔的区域位于所述模具具有高度、厚度或斜率变化的区域上；
(B)通过沿着在所述模具上的所述至少一个含有所述打孔的区域来弯曲所述玻璃坯件，将所述玻璃坯件形成为所述具有至少一个非平坦部分的玻璃制品。
13.一种玻璃制品，其通过如权利要求1所述的方法制备。
14.一种通过如权利要求1所述的方法制备的玻璃制品，其包括曲面表面或者至少一个非平坦表面，所述制品具有多个在所述曲面表面或所述至少一个非平坦表面内延伸至少200微米的缺陷线，所述缺陷线的直径分别小于或等于约5微米。
15.如权利要求14所述的玻璃制品，其特征在于，相邻缺陷线的间距为7-50微米。
16.如权利要求14所述的玻璃制品，其特征在于：
(i)所述玻璃的表面下损坏最深至小于或等于约100微米的深度；和/或(ii)所述玻璃的厚度约为10微米至5mm。
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