CN107921578A - 控制玻璃制品上的激光诱发的玻璃凸起生长的方法 - Google Patents

控制玻璃制品上的激光诱发的玻璃凸起生长的方法 Download PDF

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Abstract

在没有使用限制生长的结构的情况下，对用激光照射在玻璃制品中形成玻璃凸起进行控制的方法。通过控制玻璃制品上提供的激光辐射剂量，制品上的玻璃凸起之间的高度的标准偏差小于1微米。

Description

控制玻璃制品上的激光诱发的玻璃凸起生长的方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§120，要求2015年07月24日提交的美国申请序列第14/808579号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术背景
本公开涉及控制玻璃制品上形成玻璃凸起的方法，所述玻璃凸起的高度在一定标准偏差内。
发明内容
发明人认识到可以通过采用激光控制方案来强化常规玻璃凸起生长方法。通过采用本文揭示的凸起高度控制方法，显著地降低了玻璃制品上形成的多个玻璃凸起之间的高度的标准偏差。虽然本文主要参照VIG玻璃产品(例如，VIG窗)来描述本公开的概念，但是本文所揭示的概念会享有广泛的适用性，用于玻璃制品上需要具有均匀高度的玻璃凸起的任何应用。预期本文所揭示的概念会享有对于任意激光诱发的玻璃凸起生长过程的适用性，而不限于本文所揭示的特定激光生长系统。
根据本公开的一个实施方式，揭示了形成包括表面和多个玻璃凸起的玻璃制品的方法。通过激光辐射在玻璃制品中形成玻璃凸起。每个玻璃凸起在距离玻璃制品表面的一定距离具有终点。玻璃制品表面与所述多个玻璃凸起的终点之间的距离的标准偏差小于约1微米。根据该方法，在多个位置用激光辐射照射玻璃制品。通过产生电信号的光电探测器，检测来自玻璃制品上的激光照射位置的光的回闪。采用电信号来控制所述多个位置处的激光照射剂量，从而在玻璃制品上，在所述多个位置处诱发玻璃凸起的生长。
根据本公开的另一个实施方式，揭示了形成玻璃窗格的方法，所述玻璃窗格包括表面和多个半球状玻璃凸起。通过激光照射在玻璃窗格上生长玻璃凸起。每个玻璃凸起具有与玻璃窗格表面间隔开的高度。所述多个玻璃凸起之间的高度的标准偏差小于1微米。根据该方法，用激光辐射照射玻璃窗格，从而在玻璃窗格上的多个位置中的一个处，诱发所述玻璃凸起中的一个的生长。在用激光照射剂量对一个位置进行照射之后的一定时间增量，用光电探测器检测来自该激光照射位置的光的回闪。在光电探测器检测到光的回闪之后的时候，终止在该位置的激光辐射剂量。
根据本公开的另一个实施方式，揭示了一种玻璃窗格，其包括形成在玻璃窗格的表面上的多个玻璃凸起。每个玻璃凸起包括通过转变区域(inflection region)相连的下部区域和上部区域。下部区域包括由凹圆侧面(concavely rounded side)限定的直径D1。从玻璃窗格的表面投射出来下部区域。直径D1是玻璃凸起最大直径。凹圆侧面具有曲率半径R1并且与玻璃窗格表面接合。玻璃凸起的上部区域包括过渡部分和顶部部分。过渡部分包括由凸圆侧面(convexly rounded side)限定的直径D2，直径D2小于直径D1。凸圆侧面具有曲率半径R2。顶部部分包括由凸圆顶表面限定的直径D3，所述凸圆顶表面与从过渡部分汇聚的凸圆侧面接合。凸圆顶表面的曲率半径R3约为600-750微米，大于曲率半径R2。直径D3小于直径D2。凸圆顶表面与玻璃制品表面间隔开，限定了玻璃凸起的高度H。
附图说明
当考虑如下详细描述时，可以更好地理解本公开，并且除了上文所述之外的特征、方面和优势会变得显而易见。此类详细描述参考了如下附图，其中：
图1是根据一个示例性实施方式形成的玻璃凸起60的特写横截面图。
图2是根据示例性实施方式，用于在玻璃制品中形成玻璃凸起60的示例性的基于激光的形成玻璃凸起的设备的示意图。
图3显示在根据示例性实施方式的玻璃凸起生长期间，光电探测器电信号输出(信号输出(任意单位)与时间(秒))的关系图。
图4对比了根据本公开的示例性实施方式形成的多个基于激光的玻璃凸起之间的高度与根据没有高度控制的常规方法形成的多个基于激光的玻璃凸起之间的高度。
具体实施方式
除非另外定义，否则，本文中所使用的所有技术和科学术语都具有本公开所属领域普通技术人员通常所理解的同样含义。虽然在本公开的实施或测试中可以采用类似于或等同于本文所述那些的任意方法和材料，但是下面描述了示例性方法和材料。
本公开的玻璃制品包括表面并且可以具有任意形状。在一个例子中，玻璃制品可以是圆形、球形、弯曲或者平坦的。在另一个例子中，玻璃制品可以是较厚的(约10cm)或者较薄的(约0.1mm)。在另一个例子中，玻璃制品的厚度约为0.5-8mm。在一个实施方式中，玻璃制品包括多个单独的玻璃组件(例如，多个方形玻璃制品，它们可以接合或熔合到一起成为更大的玻璃制品)。在一个示例性实施方式中，玻璃制品是由玻璃材料制造的玻璃窗格20，并且具有顶表面和底表面以及外边缘。本公开的玻璃窗格20可以在其表面上是基本平坦的，并且可以具有矩形形状。
本公开的玻璃制品可以由钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或者碱性铝硅酸盐玻璃形成。例如美国专利公开第2012/0247063号揭示了其他合适和可用的玻璃以及可适用的组成，其全文通过引用结合入本文。
本公开的玻璃制品包括多个玻璃凸起60。在一个实施方式中，通过激光照射工艺从玻璃制品的表面生长玻璃凸起。本公开的玻璃凸起60可用作真空隔绝玻璃(VIG)窗中的平行、相对玻璃窗格之间的间隔物。在VIG窗中，玻璃凸起60维持了相对玻璃窗格之间的距离，所述相对玻璃窗格在其间的真空压力以及外部大气压和外部作用力(例如天气)的作用下具有弯垂到一起的趋势。因此，VIG窗中的平行、相对玻璃窗格之间的距离基本等于玻璃凸起的高度。
本公开提供了包括多个玻璃凸起的玻璃制品(例如，玻璃窗格20)，所述多个玻璃凸起相互的高度在一定标准偏差内。用于VIG窗窗格上的玻璃凸起60之间的最小化高度变化降低了VIG窗中的相对玻璃窗格施加到单个凸起上的应力集中。高度的标准偏差大于1微米的常规玻璃凸起导致在较高的玻璃凸起接触相对玻璃窗格的地方的相对玻璃窗格上的应力(和潜在缺陷)。用于VIG窗中的玻璃凸起60之间的最小化高度变化还消除了对相对玻璃窗格进行化学强化从而经受住玻璃凸起60施加的应力的需求。在另一个例子中，玻璃凸起60可以作为玻璃制品与其他材料(例如，金属、塑料等)之间的间隔物。在另一个例子中，具有最小化高度变化的玻璃凸起60可具有外观优势。
玻璃凸起60可以从玻璃制品的主体部分23生长出来并且可以由构成玻璃制品的玻璃材料形成，从而从玻璃制品表面以凸出的方式向外伸出。在一个实施方式中，玻璃制品包括多个单个的玻璃组件，每个玻璃组件包括至少一个位置L和/或至少一个玻璃凸起60。所述多个玻璃凸起60可以包括任意数量的玻璃凸起，包括少至20、15、10、5个玻璃凸起，或者在统计显著数量的玻璃凸起的情况下更少。当用于VIG窗时，较少数量的凸起改善了玻璃制品的光学质量。但是，在VIG窗中，需要足够数量的凸起以支撑相对窗格的重量和其他外部作用力。在一个示例性例子中，在玻璃制品上，玻璃凸起60相对于彼此规则间隔开。玻璃凸起的间距可以约为1mm(约1/25英寸)至约25厘米(约10英寸)，或者约1厘米(约0.4英寸)至约15厘米(约6英寸)。玻璃凸起靠得更近降低了VIG窗中的单个凸起上的应力集中。在另一个实施方式中，在玻璃制品上，玻璃凸起相对于彼此无规或随机间隔开。
参见图1，显示玻璃窗格20上的玻璃凸起60的所述多个玻璃凸起中的一个的例子的局部横截面图。玻璃凸起60是半球状形状，并且包括下部区域66和上部区域68，它们通过转变区域67相连。玻璃凸起60具有高度H60，这是从玻璃窗格20的表面24到终点13测量的。终点13是玻璃凸起60上最远离玻璃窗格20的表面24的位置。在一个实施方式中，终点13可以是在玻璃凸起60的凸圆顶表面52上的区域。玻璃凸起60的高度H60可以是50-200微米、或者75-150微米，或者在示例性实施方式中，甚至是100-120微米。要注意的是，如果凸起高度H60太小，则降低了VIG窗中的相对板材之间的间隙，由此降低了相对窗格之间的真空间距并降低了隔绝性质。此外，小的玻璃凸起60的高度H60会导致出现“光学环”，这是由于紧密排布的玻璃表面之间的光干涉导致的。
玻璃凸起60的下部区域66从玻璃窗格20的表面投射出来，并且整体形成在其上。下部区域66具有高度H66，其可以延伸玻璃凸起60的高度H60的约5-25％。下部区域66包括由凹圆侧面53限定的体积V1和直径D1。直径D1可以是玻璃凸起60的最大直径DM。也就是说，最大直径DM是(图1所示的)点A与B之间的距离，在所述点A和B，凹圆侧面53终止并与玻璃窗格20的表面24接合。最大直径DM可以约为400-800微米或者甚至500-700微米。
下部区域66的凹圆侧面53包括曲率半径R1。凹的曲率半径R1可以约为25-100微米。在绕着玻璃凸起60的不同位置处，曲率半径R1可能在所揭示的范围内略微变化。曲率半径R1构造成使得玻璃凸起60从玻璃窗格20的表面24投射出来，从而没有超过对于直径D1所揭示的范围。玻璃凸起60的转变区域67连接了下部区域66和上部区域68。上部区域68包括体积V2，其具有过渡部分69和顶部部分70。上部区域68具有高度H68，其可以延伸玻璃凸起60的高度H60的约75-95％。上部区域68的过渡部分69包括由凸圆侧面51限定的直径D2。直径D2可以延伸玻璃凸起60的最大直径DM的约33-85％。凸圆侧面51与从下部区域66延伸上来的凹圆侧面53在转变区域67接合。凸圆侧面具有凸的曲率半径R2。凸的曲率半径R2可以约为200-400微米，并且可能在绕着玻璃凸起60的不同位置处，在所揭示的范围内略微变化。
可以在玻璃凸起60的高度H60的至少5微米或者5％上测量曲率半径R2。或者，可以在最高至50％的玻璃凸起60的高度H60上测量R2。在凸圆侧面51之间测量的直径D2可以约为100-600微米。从转变区域67到顶部部分70的过渡部分69的直径D2下降约15％至约65％。直径D2小于直径D1，因为玻璃凸起60的总直径从下部区域66到过渡部分69是逐渐减小的。
顶部部分70包括由凸圆顶表面52限定的直径D3。凸圆顶表面52与玻璃窗格20的表面24间隔开，限定了玻璃凸起60的高度H60。凸圆顶表面52可以延伸玻璃凸起60的高度H60的约1％至约3％。在其他实施方式中，凸圆顶表面51可以延伸最大直径DM的约10％至约30％，或者最大直径DM的约20％至约25％。凸圆顶表面52与从过渡部分69汇聚出来的凸圆侧面51接合。凸圆顶表面52的凸的曲率半径R3约为600-750微米，或者约为650-680微米。
曲率半径R3构造成使得VIG窗中的相对玻璃窗格之间的接触最小化，以及使得相对窗格经由玻璃凸起60之间的热传输最小化。曲率半径R3使得其可以由本公开的激光照射工艺形成，而无需使用限制生长的结构。本公开的激光照射工艺不含限制生长的结构，对于玻璃凸起60的生长明显节约了时间，所述玻璃凸起60在其凸的顶表面上具有相比于常规方法明显不同的曲率半径。具体来说，消除了在经由激光照射使得玻璃凸起60生长之前相对于限制生长的结构对齐玻璃制品的需求。
在一个示例性实施方式中，凸的曲率半径R3大于凸的曲率半径R2。在另一个实施方式中，R3比R2大了约70％至约140％，或者大了约75％至约100％。在另一个实施方式中，凸的曲率半径R3大于凹的曲率半径R1。在凸圆顶表面51上作为弦测得的直径D3小于直径D2。在其最大的情况下，直径D3可以约为100-264微米。直径D3递减至一个点，该点位于终点13或者终点13的附近。
过渡部分69和顶部部分70整体形成在一起。此外，在过渡部分69，转变区域67连接了下部区域66和上部区域68。可以通过没有曲率半径的侧面(即，平坦和垂直于表面24的侧面)来定义转变区域67。在一个实施方式中，转变区域67是二维区域(例如，平面)。在另一个实施方式中，转变区域67是延伸了最多约5％的玻璃凸起60的高度H60的体积V4。
在所揭示的玻璃凸起60具有半球状形状的实施方式中，当覆盖于其上时，每个玻璃凸起可以具有部分或完全圆周，其基本对应于一般圆方程(例如，x2+y2＝r2)，决定系数约0.9至约0.99。在另一个玻璃凸起60具有半球状形状的示例性实施方式中，每个玻璃凸起具有横向横截面(如图1所示)，其基本匹配一部分的一般圆方程，决定系数约0.9至约0.99。在另一个实施方式中，具有半球状形状的玻璃凸起60在凸圆侧面51与凸圆顶表面52之间的连接处不具有临界曲率半径变化点(参见“平坦顶部”玻璃凸起或者顶表面曲率半径约为900-2600微米的玻璃凸起)。
在本公开的一个实施方式中，玻璃凸起60由光诱发的吸收形成。光诱发的吸收包括由于用辐射(即，激光照射)对玻璃制品进行局部曝光(照射)或者加热，导致玻璃制品的吸收谱的局部变化。光诱发的吸收可涉及在一个波长或者波长范围的吸收变化，包括但不限于，紫外波长、近紫外波长、可见光波长、近红外波长和/或红外波长。玻璃制品中的光诱发的吸收的例子包括例如，但不限于，形成色-中心，形成瞬间玻璃缺陷，以及形成永久玻璃缺陷。激光照射剂量与激光波长相关，是激光功率P和曝光时间的乘积。
图2是用于在玻璃制品(例如，玻璃窗格20)中形成玻璃凸起60的示例性的基于激光的设备(“设备100”)的示意图。设备100可以包括沿着光轴A1布置的激光器110。激光器110沿着光轴发射功率P的激光束112。在一个示例性实施方式中，激光器110运行在电磁谱的紫外(UV)区域中。激光照射剂量与激光束112波长相关，并且是激光束112的功率P和曝光时间的乘积。
设备100还包括聚焦光学系统120，其沿着光轴A1布置并且限定了包括焦点FP的焦平面PF。在一个示例性实施方式中，从激光器110开始，沿着光轴A1，聚焦光学系统120依次包括：散焦透镜124和第一聚焦透镜130的组合(该组合形成扩束器131)以及第二聚焦透镜132。在一个示例性实施方式中，散焦透镜124的焦距fD＝-5cm，第一聚焦透镜130的焦距fC1＝20cm，以及第二聚焦透镜132的焦距fC2＝2.5cm且数值孔径NAC2＝0.5。在另一个示例性实施方式中，散焦透镜123以及第一和第二聚焦透镜130和132是由熔融二氧化硅制造的，并且包括减反射(AR)涂层。聚焦光学系统120的替代示例性实施方式包括镜子或者镜子和透镜元件的组合，它们构造成由激光束112产生聚焦激光束112F。
设备100还包括控制器150(例如，激光控制器、微控制器、计算机或者微型计算机等)，其与激光器110电连接并且适用于控制激光器的运行。在一个示例性实施方式中，在激光束112的路径中提供快门160，其与控制器150电连接，从而可以采用快门控制信号SS，激光束可以选择性地被阻挡以将激光束调节至“打开”和“关闭”，而不是用激光控制信号SL将激光束调节至“打开”和“关闭”。
在设备100开始运行之前，将玻璃制品相对于设备布置。具体来说，沿着光轴A1布置玻璃制品，从而玻璃制品的表面基本垂直于光轴A1。在一个示例性实施方式中，玻璃窗格20(包括前表面22和后表面24)相对于光轴A1布置，使得玻璃窗格后表面24以朝向激光器110的方向(即，+Z方向)略微轴向偏离焦平面PF，偏离的距离为DF。在一个示例性实施方式中，玻璃窗格20的厚度TG是如下范围：0.5mm≤TG≤6mm。在另一个实施方式中，0.5mm≤DF≤2mm。
在设备100的一个示例性操作方法中，可以通过来自控制器150的控制信号SL来激活激光器110，以产生激光束112。如果使用快门160的话，则在激光器110激活之后，经由来自控制器150的快门控制信号SS激活快门并使其处于“打开”位置，从而快门使得激光束12通过。然后，聚焦光学系统120接收到激光束112，以及其中的散焦透镜124使得激光束分叉形成散焦激光束112D。然后，散焦激光束112D被第一聚焦透镜130接收到，所述第一聚焦透镜130布置成从散焦激光束形成扩大准直激光束112C。然后，准直激光束112C被第二聚焦透镜132接收到，其形成聚焦激光束112F。由汇聚激光束112F与玻璃窗格20的前表面22和后表面24之间的相交所限定的体积内的任意点在本文被称作位置L。激光束112F可以聚焦到玻璃窗格20的不同区域上，以形成另一个位置L。
设备100的常规操作方法包括用激光照射对玻璃制品照射固定的时间段。也就是说，玻璃制品在其表面上的多个位置L暴露于激光束112F，具有固定的激光照射剂量。因此，在每个位置，激光调节到“打开”和“关闭”具有相同的时间间隔，从而在每个位置L形成玻璃凸起。但是，这些常规方法没有考虑以下情况：例如，玻璃制品表面或结构中的变化或缺陷，来自激光器110的功率输出变化，和/或在激光照射的每个脉冲之间可能在玻璃制品表面上发生变化的其他变量。因此，常规激光照射方法导致具有大的高度H变化和标准偏差的多个玻璃凸起。具体来说，通过常规激光照射方法形成的所述多个玻璃凸起之间的高度H变化可能导致大于约2微米的偏差和/或大于或等于约1.1微米的标准偏差。设备100的常规操作方法还包括在形成玻璃凸起的过程中使用与玻璃制品相邻的限制生长的结构(例如，板材)，从而将制品上的玻璃凸起的生长限制到某一高度。作为结果，通过常规方法形成的玻璃凸起包括“平坦顶部”轮廓，在凸圆侧壁与凸圆顶表面之间具有拐点(inflection point)。这种“平坦顶部”轮廓包括曲率半径R5约为3000微米至约4500微米的凸圆顶表面(沿着1-3％的高度H)。
在本文的设备100的操作方法中，在激光器110激活后的时间增量Ti，使得激光束112F与玻璃窗格20接触。当汇聚激光束112F发生汇聚并且接触玻璃窗格20前表面22时或者大约此时，时间增量Ti终止。对于每个位置L，时间增量Ti可以在从皮秒到数秒发生变化，作为结果，例如，激光器110的输出不一致性、控制信号SL或SS的死时间、激光束112传播时间、快门160的打开和关闭时间和/或光学系统120发生变化。可以在时间增量Ti期间，使得激光束112功率P增加或减小。
当时间增量Ti终止时，随着聚焦激光束112F汇聚或者当激光束112F接触玻璃窗格20，时间增量Tc开始。在一个示例性实施方式中，激光束112F接触并穿过玻璃窗格20，并沿着光轴A1在焦点FP形成焦斑S。焦点FP可以距离玻璃窗格后表面24为距离DF，从而落在主体部分23外面。注意到的是，玻璃窗格20略微影响光学系统20的焦点FP的位置，因为当聚焦激光束112F通过玻璃窗格时，其发生汇聚。但是，玻璃窗格20的厚度TG可能是足够薄的，从而可以忽略这种聚焦偏移影响。
当其(在位置L)通过玻璃窗格20时，一部分的聚焦激光束112F被吸收，这是由于前述的玻璃窗格中光诱发的吸收所导致的。这起到了在位置L局部加热玻璃窗格20的作用。光诱发的吸收量可能较低，例如约3-50％。当聚焦激光束112F在玻璃窗格20中被局部吸收时，从位置L发射出闪光。
根据本公开，来自位置L的闪光是来自玻璃窗格20的前表面的光回闪。也就是说，发射闪光的方向与聚焦激光束112F的方向相反(即，背向)。光回闪不是对于聚焦激光束通过玻璃窗格20或者到玻璃窗格20的后表面24上的检测。相反地，闪光是对于来自光电检测器180的20％至100％的最大输出信号61或者甚至来自光电检测器180的35％至85％的最大输出信号61的检测。来自光电检测器180的输出信号61可对应于从玻璃窗格20的前表面22上的位置L发射的荧光强度。对玻璃窗格20的前表面22上的位置L(即，激光束112F接触玻璃窗格20的地方)所发射的光回闪进行检测相比于常规方法所提供的优势在于：更精确地控制了凸起高度(即，标准偏差小于1.1微米或更小)。作为输出信号61检测的从位置L发出的荧光强度的变化可以被用于测量来自光电检测器180的最大输出信号61，或者被用于测量光电检测器180所记录的接触输出15，这对应于在激光束112F初始接触玻璃窗格20之后从位置L发射的检测的光。不希望受限于任何特定理论，从玻璃窗格20的前表面22上的激光照射位置L发射的闪光可能是温度约为900-2000℃或者甚至约为900-1500℃的熔融玻璃。在一个示例性实施方式中，闪光包括宽的电磁发射谱，包括但不限于，紫外波长、近紫外波长、可见光波长、近红外波长和/或红外波长。
当从激光照射的位置L发射闪光之后，可以结束时间增量Tc。也就是说，时间增量Tc从当激光束112F接触玻璃窗格20开始持续到直至光电检测器180检测到闪光。在该例子中，光电检测器180将电信号181(例如，如图3所示)传输到控制器150。在一个示例性实施方式中，控制器150会从来自光电检测器180的电信号181内认出输出信号61。也就是说，时间增量Tc可以从当激光束112F接触玻璃窗格20开始持续到直至控制器150在来自光电检测器180的电信号181中接收到或检测到输出信号61。在其他实施方式中，可以通过能够检测光电子、光能或荧光并且向控制器150产生电信号181的任意装置(例如，光二极管)来检测闪光。在检测到闪光之后，控制器150可以构造成通过控制信号SL或SS来调节激光束112功率P，设定激光器110的持续运行时间，或者将激光器调节到“关闭”(即，终止激光照射)。
在玻璃窗格20中的各个位置L之间，时间增量Tc的持续时间可能发生波动。位置L之间的时间增量Tc的持续时间的这种波动或变化可能是皮秒至数毫秒。不希望受限于任何特定理论，这可能是由于激光器110输出功率P、玻璃制品厚度、和/或每个位置L处的组成和/或微结构差异所导致的。因此，每个位置可能需要略微不同的激光照射剂量以引发闪光。
在激光照射期间的时间增量Tc的终点开始了暴露时间Tf。在一个实施方式中，暴露时间Tf的开始对应于开始形成玻璃凸起。可以采用各种控制方案，使得暴露时间Tf的开始调节几分之一秒。例如，可以对控制器150进行编程，以认出来自光电检测器180的电信号181内的“突升(ramping-up)”(即，大Δ)输出信号61，从而启动时间增量Tf。也就是说，可以对控制器150进行编程，以认出来自光电检测器180的20％至100％的最大输出信号61或者甚至来自光电检测器180的35％至85％的最大输出信号61。在另一个例子中，对控制器150进行编程，从而当电信号181中的输出信号61到达选定输出单位时，启动时间增量Tf。在另一个例子中，对控制器150进行编程，从而认出来自光电检测器180的电信号181内的最大值或“峰值”(即，100％的光电检测器180输出信号61)。在图3中，输出信号的“峰值”对应于100％的光电检测器180最大输出。在另一个例子中，可以对控制器150进行编程，以认出来自光电检测器180的电信号181内的输出信号61中的“突降(ramping-down)”(即，大Δ)，从而启动时间增量Tf。在时间增量Tc之后(即，暴露时间Tf期间)，在位置L处的激光照射剂量影响所得到的玻璃凸起60的高度H60。
在暴露时间Tf开始之前或之后的一定时间，开始形成玻璃凸起，因为在玻璃窗格20主体部分23中产生有限的膨胀区，在其中，快速温度变化诱发了玻璃的膨胀。由于膨胀区受到玻璃围绕着膨胀区的未加热(因而也就未膨胀)区域的限制，膨胀区内的熔融玻璃被迫通过向上膨胀/流动来释放内应力，从而形成玻璃凸起60。如果聚焦激光束112F具有圆形对称的横截面强度分布(例如，高斯分布)，则在玻璃窗格主体23中的圆形区域上发生随之而来的玻璃膨胀，并且所得到的玻璃凸起60可以是基本圆形对称的。
通常来说，在位置L处的暴露时间Tf的较长持续时间导致玻璃凸起60高度H60的增加。在暴露时间Tf期间，位置L处的激光束112功率P的增加也可导致玻璃凸起60高度H60的增加。暴露时间Tf和激光束112功率P也可对凸起几何形貌造成影响。控制器150可以构造成调节暴露时间Tf期间的激光束112功率P。取决于玻璃制品组成和结构，以及所需的凸起高度和几何形貌，暴露时间Tf可以是毫秒至数秒。在示例性实施方式中，暴露时间Tf可以约为1毫秒至约5秒。在另一个示例性实施方式中，激光器功率可以是数瓦特至数十瓦特，或者约10瓦特至约20瓦特。
在设备100的示例性操作方法中，激光束112功率P保持恒定(例如，15瓦特)，以及暴露时间Tf是约1毫秒至约2秒或更长的固定时间。在设备100的另一个操作实施方式中，在固定暴露时间Tf期间，激光束112功率P增加或减小。玻璃凸起60的有效生长的预期UV波长可以约340-380纳米。玻璃凸起60的有效生长的预期IR波长可以约750-1600纳米。也考虑电磁谱的其他波长，例如，300-1600纳米。在暴露时间Tf之后，可以用激光控制信号SL或快门控制信号SS将激光器110调节至“关闭”，从而玻璃窗格20不与激光束112F接触。因此，当位置L不再与激光束112F接触时，暴露时间Tf结束。通过在位置L照射的终止激光束112F来固定从位置L生长的所得到的玻璃凸起60。这之后，可以通过快速辐射冷却来固定玻璃凸起60。
参见图3，来自光电检测器180的示例性电信号输出图(任意单位)与时间(例如，秒)的关系图显示了玻璃凸起60生长过程中的电信号181。在示例性实施方式中，电信号181对应于通过光电检测器180产生并输送到控制器150的信号。在图3中，时间增量Ti显示为在(1)激光器110激活与(2)汇聚激光束112接触玻璃窗格20之间。在激光束112F接触玻璃窗格20之后，光电检测器180记录接触输出15，其对应于从位置L发射出的检测到的光。在示例性实施方式中，在接触输出15检测到的光小于来自光电检测器180的最大输出信号61的20％。时间增量Tc显示为在(2)汇聚激光束112F接触玻璃窗格20与(3)闪光开始之间。在时间增量Tc期间，光电检测器180记录较为恒定的光检测输出。时间增量Tf显示为在(3)闪光开始与(4)终止玻璃窗格20与激光束112的暴露之间。闪光表示为时间增量Tf期间来自光电检测器180的明显不同的锋利输出信号61(即，最大输出信号61的20％至100％)。在一个示例性实施方式中，控制器150构造成不将接触输出15错误表征为输出信号61(即，闪光)。
可以在玻璃窗格中的不同位置(例如，多个位置L)重复前述过程，从而在玻璃窗格20中形成多个玻璃凸起60(例如，玻璃凸起60的阵列)。在一个示例性实施方式中，设备100包括X-Y-Z平台170，其与控制器150电连接并且被配置用于相对于聚焦激光束112F以X、Y和Z方向移动玻璃窗格20，如大箭头172所示。这实现了通过经由来自控制器150的平台控制信号ST选择性地移动平台170并照射玻璃窗格20中的不同位置，从而形成多个玻璃凸起60。在另一个示例性实施方式中，聚焦光学系统120适于扫描，从而使得聚焦激光束112F可以选择性地导向到玻璃窗格20中待形成玻璃凸起60的位置。
如上文所述，设备100的常规操作方法包括用激光照射对玻璃制品照射固定的时间段(例如，Ti+Tc+Tf＝1.8秒)。也就是说，玻璃制品在多个位置L暴露于激光束112F，具有固定的激光照射剂量。
通过根据本文方法仅控制暴露时间Tf期间的每个位置L处的激光照射剂量，每个玻璃凸起60具有相比于通过常规方法形成的玻璃凸起更为受控的高度H60。具体来说，本文的设备100的操作方法导致多个玻璃凸起60具有小于1.1微米、或者小于1微米、或者甚至小于0.5微米的标准偏差。在替代实施方式中，标准偏差可以是0微米或者大于0.1微米。因此，控制(在检测到闪光之后的)暴露时间Tf期间的每个位置L处的激光照射剂量实现了更为精确地控制激光照射形成过程中玻璃凸起60的高度H。
具有高度的标准偏差在1微米内的多个玻璃凸起的玻璃制品可用于窗户中。例如，本公开的玻璃凸起可用作真空隔绝玻璃(VIG)窗中的平行、相对玻璃窗格之间的间隔物。因此，VIG窗中的平行、相对玻璃窗格之间的距离基本等于玻璃凸起的高度。高度变化最小化(小于1微米或0.5微米，和大于0.1微米)的一个优势在于使得玻璃凸起60的终点13与相对玻璃窗格之间的接触点处的机械应力最小化。在另一个例子中，凸起可以作为玻璃制品与其他材料之间的间隔物。在另一个例子中，具有最小化高度变化的玻璃凸起可具有外观优势。
实施例
下面将参照如下实施例进一步阐述本公开的方法用于控制用激光照射在玻璃制品上生长多个玻璃凸起的高度。
实施例1
在该实施例中，将钠钙玻璃窗格(厚度4mm)相对于类似上文所述的设备100的激光设备布置。设备和激光的操作与常规方法一致(即，没有使用光二极管来检测来自激光照射位置的闪光)。也就是说，没有使用本公开的高度控制方法。通过激光照射，在玻璃窗格上相互间隔开的位置形成18个玻璃凸起。
在每个位置L的激光暴露过程中，激光设定为15瓦特，UV波长为355纳米。玻璃窗格的18个位置被激光照射的总暴露时间设定为固定的1.8秒(即，Ti+Tc+Tf＝1.8秒)。也就是说，18个位置中的每一个单独地接受相同剂量的激光辐射(忽略潜在的激光输出变化)，以形成18个玻璃凸起中的每一个。
在激光照射操作之后，采用光学扫描轮廓仪，测量从玻璃窗格表面到最高终点的玻璃凸起高度H。图4显示，对于该实施例，18个所得到的玻璃凸起中的每一个的高度测量是方形数据点200。下表1提供了图4结果的数值总结。该实施例的18个玻璃凸起的平均高度是185.4μm。相对于平均高度的最大偏差和最小偏差分别是2.1和-2.4。因此，该实施例的玻璃凸起高度的标准偏差是1.1微米。
实施例2
在该实施例中，将实施例1的钠钙玻璃窗格相对于实施例1所述的相同激光设备布置。但是，在该实施例中，光二极管相邻玻璃窗格布置，靠近首先暴露于激光的表面。也就是说，如图2所示，光二极管180布置在玻璃窗格20的前表面22上面，紧密靠近位置L。设备和激光的操作与本文所揭示的方法相一致，用于控制在玻璃窗格上形成相互间隔开的18个玻璃凸起的玻璃凸起的高度。
在每个位置L的激光器运行过程中，激光设定为15瓦特，UV波长为355纳米。在该实施例中，对于18个位置中的每一个，时间增量Ti和Tc都没有设定为固定的增量。相反地，在通过控制器150检测到闪光(即，输出信号61突升)之后，仅暴露时间Tf固定为1.6秒。发明人对于暴露时间Tf选择1.6秒是因为在实施例1中，估算得到时间增量Ti和Tc是0.2秒。因此，在每个位置单独地开始激光照射。在光二极管检测到来自位置的闪光之后，控制器在这之后1.6秒，终止在该位置的激光照射。没有以任何方式控制或测量时间增量Ti和Tc。同样，在图3中显示来自这些位置中的一个的光二极管电信号181。
在激光照射操作之后，测量从玻璃窗格表面到最高终点的玻璃凸起60高度H。此外，测得多个玻璃凸起的凸圆顶表面(沿着高度H60的顶部1-3％)的曲率半径R3约为600-750微米。图4显示，对于该实施例，18个所得到的玻璃凸起中的每一个的窄高度分布测量，菱形数据点201。下表1提供了图4结果的数值总结。该实施例的18个玻璃凸起的平均高度是188.9微米。出乎意料的是，相对于平均高度的最大偏差和最小偏差分别是1.3和-0.7。还出乎意料的是，该实施例的玻璃凸起高度的标准偏差是0.5微米。
表1：图4所示的实施例1和实施例2凸起高度测量的对比
出乎意料的是，实施例2的玻璃凸起相比于实施例1玻璃凸起具有超过50％的高度标准偏差减小。通过减少每个位置处的激光辐射剂量的控制，直到由光二极管检测到闪光，对于根据本文方法形成的玻璃凸起降低了高度分布。本领域技术人员会预期看到由于在特定位置处减少激光照射剂量的控制，增加了玻璃凸起高度的标准偏差的增加。也就是说，通过仅仅控制暴露时间Tf(而没有控制时间增量Ti和Tc)，本领域技术人员会预期玻璃凸起的高度的标准偏差增加到高于1.1微米。相反地，实施例2中的18个玻璃凸起的高度的标准偏差下降到低于1微米，事实上，下降到0.5微米。
实施例1与实施例2之间的平均凸起高度差异可归结于实施例2玻璃凸起相比于实施例1玻璃凸起的激光照射剂量的增加。具体来说，基于实施例1的时间增量Ti和Tc的0.2秒时间估算，实施例2凸起可能被照射了更长的时间段。可以通过简单地将暴露时间Tf从1.6秒减少到例如1.5秒或更小，来调节实施例2玻璃凸起的平均凸起高度。
除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。因此，例如，提到的一种“金属”包括具有两种或更多种这样的“金属”的例子，除非文中有另外的明确表示。
本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值的范围。当表述这种范围时，例子包括自某一具体值始和/或至另一具体值止。类似地，当使用先行词“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值构成另一个方面。还应理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是有意义的。
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。
还要注意的是，本文关于将本发明的组件“配置成”或“使其适于”以特定的方式起作用的描述。这方面而言，对这样一个组件进行“配置成”或使“其适于”是为了具体表现特定的性质，或者以特定的方式起作用，其这样的描述是结构性的描述，而不是对预期应用的描述。更具体地，本文所述的将组件“构造成”或“使其适于”的方式表示该组分现有的物理条件，因此可以将其看作该组件的结构特征的限定性描述。
本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的范围和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 (20)

1.一种形成包括多个玻璃凸起的玻璃制品的方法，所述玻璃制品具有表面，通过激光辐射在所述玻璃制品中形成所述玻璃凸起，每个玻璃凸起在距离所述玻璃制品表面的一定距离处具有终点，其中，玻璃制品表面与所述多个玻璃凸起的终点之间的距离的标准偏差小于1微米，所述方法包括：
用激光辐射在多个位置照射所述玻璃制品；
通过产生电信号的光电探测器，检测来自所述玻璃制品上的激光照射位置的光回闪；以及
采用所述电信号来控制所述多个位置处的激光照射剂量，从而在所述玻璃制品上，在所述多个位置处诱发所述玻璃凸起的生长。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个玻璃凸起包括至少10个玻璃凸起。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个玻璃凸起分别包括半球形横截面形状，其中，每个横截面基本对应于决定系数是0.9至0.99的一般圆曲线方程。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，玻璃制品表面与所述多个玻璃凸起的终点之间的距离的标准偏差小于0.5微米。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用UV波长为340-380纳米的激光辐射照射所述玻璃制品，从而诱发所述玻璃凸起的生长。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测来自所述激光照射位置的光回闪包括感应温度为900℃至2000℃的熔融玻璃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测来自所述激光照射位置的光回闪发生在激光辐射开始后的一个时间增量。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，控制激光照射剂量包括对检测到光回闪之后的激光辐射设定固定的暴露时间。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制激光照射剂量包括采用控制器，在所述控制器接收到电信号的固定暴露时间之后，所述控制器终止了所述位置的激光辐射。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制激光照射剂量包括控制器，其构造成在所述控制器接收到电信号之后，调节激光辐射功率。
11.一种形成包括多个半球状玻璃凸起的玻璃窗格的方法，所述玻璃窗格具有表面，通过激光辐射在所述玻璃窗格表面上形成所述玻璃凸起，每个玻璃凸起具有与所述玻璃窗格表面间隔开的高度，其中，所述多个玻璃凸起之间的高度的标准偏差小于1微米，所述方法包括：
用激光辐射照射所述玻璃窗格，从而在所述玻璃窗格上的多个位置中的一个处，诱发所述玻璃凸起中的一个的生长；
在用激光照射剂量对一个位置进行照射之后的一定时间增量，用光电探测器检测来自该激光照射位置的光回闪；以及
在光电探测器检测到光回闪之后的固定暴露时间，终止在该位置的激光辐射剂量。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述半球状玻璃凸起分别包括横截面，其中，所述多个半球状玻璃凸起的横截面分别基本匹配决定系数是0.9至0.99的一般圆曲线方程。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述玻璃窗格用于真空隔绝窗，所述玻璃窗格上的所述多个半球状玻璃凸起将所述玻璃窗格与另一块玻璃窗格间隔开，间隔的距离基本等于所述半球状玻璃凸起的高度。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，检测来自所述激光照射位置的光回闪包括确定在所述激光照射位置的熔融玻璃处的温度是900℃至2000℃。
15.如权利要求11所述的方法，其还包括在光电检测器检测到光回闪之后，通过调节激光辐射功率来调节所述位置处的激光辐射剂量。
16.如权利要求11所述的方法，其还包括在光电检测器检测到光回闪之后，通过调节激光辐射的固定暴露时间来控制所述位置处的激光辐射剂量。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述固定暴露时间是1毫秒至5秒。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述玻璃窗格包括多个玻璃组件，所述玻璃组件分别包括至少一个所述位置。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述玻璃窗格包括多个玻璃组件，所述玻璃组件分别包括至少一个形成在其中的半球状玻璃凸起。
20.一种玻璃窗格，其包括形成在所述玻璃窗格的表面上的多个半球状玻璃凸起，每个玻璃凸起具有与玻璃窗格表面间隔开的高度，其中，所述多个玻璃凸起之间的高度的标准偏差小于1微米，所述多个半球状玻璃凸起分别包括：
下部区域，其包括由凹圆侧面限定的直径D1，其中，所述下部区域从所述玻璃窗格的表面投射出来，其中，直径D1是玻璃凸起最大直径，其中，所述凹圆侧面具有曲率半径R1且与所述玻璃窗格表面接合；
转变区域，其连接了所述玻璃凸起的下部区域和所述玻璃凸起的上部区域；
所述玻璃凸起的上部区域包括过渡部分和顶部部分；
所述过渡部分包括由凸圆侧面限定的直径D2，其中，凸圆侧面具有曲率半径R2，其中，直径D2小于直径D1；以及
所述顶部部分包括由凸圆顶表面限定的直径D3，所述凸圆顶表面接合了从过渡部分汇聚出来的凸圆侧面，其中，所述凸圆顶表面具有约600微米至约750微米的曲率半径R3，曲率半径R3大于曲率半径R2，其中，直径D3小于直径D2，其中，所述凸圆顶表面与所述玻璃制品表面间隔开，限定了玻璃凸起的高度H。
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