CN109803786B - 使用非轴对称束斑对透明工件进行激光加工的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：形成包含缺陷的轮廓线，这通过下述进行：引导由光束源输出的脉冲激光束通过非球面光学元件，所述非球面光学元件在径向方向上偏离光束路径定位，以及将脉冲激光束引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，该诱导吸收在透明工件中产生缺陷。被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括波长λ、有效光斑尺寸W_o,有效，以及非轴对称光束截面，其具有在x方向上的最小瑞利范围Z_Rx,最小，以及在y方向上的最小瑞利范围Z_Ry,最小。此外，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于式(I)，其中F_D是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。

Description

使用非轴对称束斑对透明工件进行激光加工的设备和方法

本申请依据35U.S.C.§119要求于2016年9月30日提交的系列号为 62/402,337的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。

技术领域

本说明书一般涉及用于对透明工件进行激光加工的设备和方法，更具体地，涉及在透明工件中形成用于分离透明工件的轮廓线。

背景技术

材料的激光加工领域涵盖各种应用，这些应用涉及不同类型的材料的切割、钻取、研磨、焊接、熔化等。在这些工艺中，特别受到关注的是在可以用于生产薄膜晶体管(TFT)的材料(例如玻璃、蓝宝石或熔凝二氧化硅)或电子装置的显示器材料的工艺中切割或分离不同类型的透明基材。

从工艺开发和成本角度看，在切割和分离玻璃基材上有许多改进机会。与目前在市场上实施的方法相比，具有更快、更清洁、更便宜、可重复性更高且更可靠的分离玻璃基材的方法是受大极大关注的。因此，需要用于分离玻璃基材的替代性的改进方法。

发明内容

根据一个实施方式，一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷。形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过在径向方向上偏离光束路径定位的非球面光学元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收。诱导吸收在透明工件中产生了缺陷，被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括波长λ、有效光斑尺寸W _o,有效，以及非轴对称光束截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围Z_Rx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围Z_Ry,最小。此外，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。

在另一个实施方式中，一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷。形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过非球面光学元件以及超过挡光元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，其中所述非球面光学元件和挡光元件各自定位在光束源与透明工件之间。诱导吸收在透明工件中产生了缺陷，被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括波长λ、有效光斑尺寸W_o,有效，以及非轴对称截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围Z_Rx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围Z_Ry,最小。此外，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是包含 10或更大数值的无量纲的发散系数。

在另一个实施方式中，一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷。形成轮廓线包括：引导脉冲激光束，所述脉冲激光束沿着光束路径取向，并且由光束源输出且通过非球面光学元件；利用定位在光束源与透明工件之间的消相干(decohering)光学元件使脉冲激光束的第一光束部分与脉冲激光束的第二光束部分消相干；以及将脉冲激光束的第一光束部分和第二光束部分引导到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的第一光束部分和第二光束部分在透明工件中产生诱导吸收。诱导吸收在透明工件中产生了缺陷，被引导到透明工件中的第一光束部分与第二光束部分的组合包括波长λ、有效光斑尺寸W_o,有效，以及非轴对称截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围Z_Rx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围Z_Ry,最小，其中， Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。

在另一个实施方式中，一种加工方法包括将脉冲激光束定位在透明工件中，所述脉冲激光束在z方向上传输并且包含(i)波长λ；(ii)有效光斑尺寸W_o,有效；(iii) 足以超过透明工件的损伤阈值的脉冲能和脉冲持续时间；(iv)第一部分和第二部分，所述第一部分相对于第二部分不相干；和(v)非轴对称光束截面，其在x方向上具有最小瑞利范围Z_Rx,最小，并且在y方向上具有最小瑞利范围Z_Ry,最小。此外，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。

该公开还包括以下条款：

1、一种用于对透明工件(例如玻璃基材)进行激光加工的方法，所述方法包括：

提供透明工件，

将激光束引导到工件上，由此在透明工件中形成轮廓线，透明工件可沿着该轮廓线分离，

其中，所述激光束是由激光束源发射的脉冲激光束，其中，将脉冲激光束定位在透明工件中，所述脉冲激光束在z方向上沿着光束路径传输，

所述脉冲激光束具有：

波长λ；

非轴对称光束截面；

最大光束强度；

有效光斑尺寸W_o,有效，所述有效光斑尺寸定义为在从光束传输路径出发的任意方向z上，光束强度下降到最大光束强度的1/e²处的最短径向距离；

足以超过透明工件的损伤阈值的脉冲能和脉冲持续时间，由此在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷；

其中，非轴对称光束截面在x方向上具有最小瑞利范围Z_Rx,最小，并且在y 方向上具有最小瑞利范围Z_Ry,最小，

其中，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是具有10或更大数值的无量纲的发散系数，并且其中，在x和y方向上的最小瑞利范围中的较小者是光束的光学强度衰减到最大光束强度的一半处的沿着光束路径的距离。

2、根据条款1所述的方法，其中，所述激光束具有足以超过透明工件的损伤阈值的脉冲能和脉冲持续时间，以由此形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷，优选地，所述方法还包括：使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此激光在透明工件中形成沿着轮廓线的多个缺陷。

3、如条款1或2所述的加工方法，其中，所述非轴对称光束截面具有最大光斑尺寸参数W_o,最大、最小光斑尺寸参数W_o,最小，以及纵横比

并且所述纵横比大于1.1、1.3或2.0，或者在1.2至15.0的范围内，在1.5至3.0的范围内。

4、根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述激光束包含第一部分和第二部分，所述第一部分相对于所述第二部分不相干。

5、根据前述条款中任一项所述的方法，其中，激光束被引导通过非球面光学元件，以使激光束在透明工件中产生诱导吸收，优选地，其中，所述非球面光学元件在径向方向上偏离光束路径定位。

6、如条款5所述的方法，其中：

所述非球面光学元件在径向方向上偏离光束路径偏离距离；并且

所述偏离距离是在脉冲激光束与非球面光学元件之间的接触位置处脉冲激光束的截面直径约10％至约75％的的距离。

7、如前述条款2-20中任一项所述的方法，其中，无量纲的发散系数F_D包含约10至约2000的数值，优选地，其中，无量纲的发散系数F_D包含约50 至约1500的数值，更优选地，其中，无量纲的发散系数F_D包含约100至约1000 的数值。

8、如前述条款3-22中任一项所述的方法，其中，所述缺陷包含中心缺陷区域和至少一个径向臂，所述至少一个径向臂沿着被引导到透明工件中的脉冲激光束的非轴对称光束截面的长轴从中心缺陷区域向外延伸。

9、根据前述条款中任一项所述的方法，其还包括：使用定位在光束源与透明工件之间的消相干光学元件使激光束的第一光束部分与激光束的第二光束部分消相干，优选地，其中，所述消相干光学元件定位在非球面光学元件与透明工件之间，或者定位在光束源与非球面光学元件之间。

10、如条款9所述的方法，其中，所述消相干光学元件包括光学延迟板，并且使第一光束部分与第二光束部分消相干包括：引导脉冲激光束的第一光束部分通过光学延迟板，以诱导第一光束部分相对于第二光束部分发生光学迟滞。

11、如条款10所述的方法，其中，使第一光束部分与第二光束部分消相干包括：使脉冲激光束的第一光束部分偏振，使得脉冲激光束的第一光束部分在透明工件处包含第一偏振光；以及使脉冲激光束的第二光束部分偏振，使得脉冲激光束的第二光束部分在透明工件处包含第二偏振光，其中，第一偏振光与第二偏振光正交。

12、用于进行前述条款中任一项所述的方法的系统，所述系统包括：

用于提供脉冲激光束的激光束源，

用于将由所述源提供的激光束转换成具有非轴对称截面的激光束的装置，所述非轴对称激光束具有：

波长λ；

最大光束强度；

有效光斑尺寸W_o,有效，所述有效光斑尺寸定义为在从光束传输路径出发的任意方向z上，光束强度下降到最大光束强度的1/e²处的最短径向距离；

足以超过透明工件的损伤阈值的脉冲能和脉冲持续时间，由此在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷；

其中，非轴对称光束截面在x方向上具有最小瑞利范围Z_Rx,最小，并且在y 方向上具有最小瑞利范围Z_Ry,最小，

其中，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是具有10或更大数值的无量纲的发散系数，并且其中，在x和y方向上的最小瑞利范围中的较小者是光束的光学强度衰减到最大光束强度的一半处的沿着光束路径的距离。

13、根据条款12所述的系统，其还包括用于将激光束转换成准无衍射激光束的装置。

14、根据条款13所述的系统，其中，用于将由所述源提供的激光束转换成具有非轴对称截面的激光束的装置以及用于将激光束转换成准无衍射激光束的装置包括：

相对于光束传输路径偏离的非球面元件(优选为轴棱锥透镜)，以及光束消相干元件。

15、如条款14所述的系统，其依次包含：

激光束源，

用于使激光束圆偏振的第一四分之一波片

轴棱锥透镜

准直透镜，

第二、优选可旋转的分裂的四分之一波片，其用于使激光束的两个部分形成基于偏振的消相干，以及聚焦透镜，其用于将激光束聚焦在透明工件上。

在以下的具体实施方式中提出了本文所述的方法和系统的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文描述的实施方式而被认识。

应理解，前述的一般性描述和下文的具体实施方式都描述了各个实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式，并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。

附图说明

附图列出的实施方式本质上是说明性和示例性的，并不旨在限制通过权利要求所限定的主题。结合以下附图阅读可以理解如下示意性实施方式的详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：

图1A根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了缺陷的轮廓线的形成；

图1B根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了在透明工件的加工期间的一种示例性脉冲激光束焦线；

图2根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了经过所需的分离线以在透明工件中形成轮廓线的非轴对称束斑；

图3根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了用于脉冲激光加工的光学组件的常规实施方式；

图4根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了用于脉冲激光加工的包含偏离的非球面光学元件的光学组件的一个实施方式；

图5A根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了用于脉冲激光加工的包含挡光元件的光学组件的一个实施方式；

图5B根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了用于脉冲激光加工的包含两个挡光元件的光学组件的一个实施方式；

图6根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了用于脉冲激光加工的包含光学延迟板的光学组件的一个实施方式；

图7A根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了用于脉冲激光加工的包含分裂的四分之一波片的光学组件的一个实施方式；

图7B根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了图7A的分裂的四分之一波片；

图7C根据本文所述的一个或多个实施方式，以图表的形式描绘了示例性脉冲串中的激光脉冲的相对强度相对于时间的关系；

图7D根据本文所述的一个或多个实施方式，以图表的形式描绘了在另一个示例性脉冲串中的激光脉冲的相对强度相对于时间的关系；

图8A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图8B根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的傅立叶变换平面的对数强度图；

图8C根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的近场显微图；

图9根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图10根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图11A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的二维截面强度图；

图11B根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了图11A的二维截面强度图的一组一维水平和垂直线截面；

图11C根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了图11A的二维截面强度图的另一组一维水平和垂直线截面；

图11D根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的傅立叶变换平面的对数强度图；

图11E根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的近场显微图；

图12A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图12B根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图12C根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图12D根据本文所述的一个或多个实施方式，以图表的形式描绘了图12A-12C 的强度图的一维截面；

图12E根据本文所述的一个或多个实施方式，以图表的形式描绘了一个示例性的Sgn阶跃函数的傅立叶变换；

图12F根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图12G根据本文所述的一个或多个实施方式，以图表的形式描绘了图12F的二维截面强度图的一维X和Y截面；

图12H根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图12I根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了图12H的二维截面强度图的一维X和Y截面；

图13A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13B根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13C根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13D根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13E根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13F根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13G根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13H根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13I根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13J根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图13K根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图14根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的近场显微图；

图15根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的近场显微图；

图16根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了由定位在一种示例性光学组件中的挡光元件所形成的示例性的得到的非轴对称束斑；

图17A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图17B根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图17C根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图17D根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图17E根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图17F根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图18根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了由定位在一种示例性光学组件中的两个挡光元件所形成的示例性的得到的非轴对称束斑；

图19A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面图；

图19B根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图20A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图20B根据本文所述的一个或多个实施方式，以图表的形式描绘了图20A的二维截面强度图的一维X和Y截面；

图21A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图21B根据本文所述的一个或多个实施方式，以图表的形式描绘了图21A的二维截面强度图的一维X和Y截面；

图22A根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了一种示例性脉冲激光束的截面强度图；

图22B根据本文所述的一个或多个实施方式，以图表的形式描绘了图22A的二维截面强度图的一维X和Y截面；

图23根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了由定位在一种示例性光学组件中的分裂的四分之一波片所形成的示例性的得到的非轴对称束斑。

图24描绘了非轴对称光束的瑞利范围。

图25描绘了用于产生不对称性准无衍射光束的光学系统。

图26描绘了用于产生不对称性准无衍射光束的光学系统。

图27描绘了一种分裂的四分之一波片(SQWP)。

图28示意性示出了利用使光束消相干的偏振方法来产生不对称性QNDB。

图29示出了纳米穿孔和裂纹控制的示例性图像。

图30示出了在四个不同的SQWP旋转角下制造的具有纳米穿孔线的星形图案。

图31示出了用于测量准无衍射光束的光束剖面的光学系统。

图32是准无衍射光束的光束截面图像。

图33示出了从沿着光轴在不同的聚焦位置处测量的一系列x-y截面图像获得的峰值强度图。

图34示出了图32所示的光束截面的中心部分的放大图。

图35示出了图32所示的光束截面的中心部分的放大图。

图36示出了从图34所示的光束截面获得的x方向和y方向上的强度分布。

图37是准无衍射光束的光束截面图像。

图38示出了从沿着光轴在不同的聚焦位置处测量的一系列x-y截面图像获得的峰值强度图。

图39示出了图37所示的光束截面的中心部分的放大图。

图40示出了图37所示的光束截面的中心部分的放大图。

图41示出了从图37所示的光束截面获得的x方向和y方向上的强度分布。

图42示出了非轴对称光束的xy截面。

图43示出了非轴对称光束的强度分布和方差。

图44示出了非轴对称光束的xy截面。

图45示出了非轴对称光束的强度分布和方差。

具体实施方式

下面将详细参考用于对透明工件(例如玻璃工件)进行激光加工的方法的实施方式，这些实施方式的实例在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。根据本文所述的一个或多个实施方式，可以对透明工件进行激光加工以在该透明工件中形成包含一系列缺陷的轮廓线，所述一系列缺陷限定了将透明工件分离成两个或更多个部分的意欲的分离线。根据一个实施方式，将非轴对称延伸焦线投射到透明工件上的脉冲激光束可以用于在透明工件中产生一系列缺陷，由此来限定轮廓线，所述非轴对称延伸焦线具有光束截面，该光束截面具有长轴和短轴。在本文的各个实施方式中，这些缺陷可以被称为工件中的线缺陷、穿孔或纳米穿孔。另外，这些缺陷可以包括中心缺陷区域和径向臂，所述径向臂主要沿着非轴对称束斑的长轴形成。在一些实施方式中，所述方法还可以包括沿着轮廓线分离透明工件，例如使用红外激光或被构造用于加热轮廓线附近的透明工件区域或弯曲、划线或以其他方式使透明工件经受机械应力的其他激光来分离。在其他实施方式中，透明工件可以经受机械应力来造成分离，或者可以自发发生分离。虽然不旨在受理论限制，但是使透明工件在轮廓线处经受应力可以沿着轮廓线扩展裂纹。通过控制沿轮廓线的每个缺陷的径向臂方向，可以更好地控制裂纹扩展。本文将具体参考附图描述用于加工透明工件的方法和设备的各个实施方式。

如本文所用，短语“透明工件”意为由透明的玻璃或玻璃陶瓷形成的工件，其中本文使用的术语“透明”意为对于每毫米的材料深度，材料具有小于约20％的光学吸收，例如对于特定的脉冲激光波长，每毫米的材料深度具有小于约10％的光学吸收，或者例如对于特定的脉冲激光波长，每毫米的材料深度具有小于约 1％的光学吸收。根据一个或多个实施方式，透明工件的厚度可以为约50微米至约 10mm(例如约100微米至约5mm、或约0.5mm至约3mm)。

根据一个或多个实施方式，本公开提供了用于加工工件的方法。如本文所用，“激光加工”可以包括在工件中形成轮廓线，分离工件，或者它们的组合。透明工件可以包括由玻璃组合物形成的玻璃工件，所述玻璃组合物例如硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、硅铝酸盐玻璃、碱金属硅铝酸盐、碱土金属硅铝酸盐玻璃、碱土金属硼铝硅酸盐玻璃、熔凝二氧化硅或结晶材料，例如蓝宝石、硅、砷化镓或其组合。在一些实施方式中，所述玻璃是可以离子交换的，以在激光加工透明工件之前或之后，可使玻璃组合物经受离子交换而机械强化。例如，透明工件可以包含经过离子交换的玻璃或者可离子交换的玻璃，例如购自纽约州康宁镇的康宁股份有限公司 (Corning Incorporated)的康宁

玻璃(例如编号2318、编号2319和编号 2320的玻璃)。另外，这些经过离子交换的玻璃可以具有约6ppm/℃至约10ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。在一些实施方式中，透明工件的玻璃组合物可以包含大于约 1.0摩尔％的硼和/或含硼化合物(包括但不限于B₂O₃)。在另一个实施方式中，形成透明工件的玻璃组合物包含小于或等于约1.0摩尔％的硼的氧化物和/或含硼化合物。另外，透明工件可以包含对激光波长透明的其他组分，例如晶体，如蓝宝石或硒化锌。

一些透明工件可以用作显示器和/或TFT(薄膜晶体管)基材。适于显示器或 TFT用途的这些玻璃或玻璃组合物的一些实例是购自纽约州康宁镇的康宁股份有限公司的

CONTEGO和CORNING LOTUS^TM。可以将碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物配制成适于用作电子应用的基材，包括但不限于TFT的基材。与TFT结合使用的玻璃组合物通常具有类似于硅的CTE(例如小于5x 10^-6/K、或者甚至是小于4x 10^-6/K，例如约3x 10^-6/K、或约2.5x 10^-6/K至约3.5x 10^-6/K)，并且在玻璃中具有低的碱金属水平。在TFT应用中可以使用低的碱金属水平(例如约0重量％至2重量％的痕量水平，例如小于1重量％，例如小于0.5重量％)，这是因为在一些条件下，碱金属掺杂剂会从玻璃中浸出并污染TFT或使TFT“中毒”，这可能使TFT无法工作。根据一些实施方式，本文所述的激光切割工艺可以用于以受控的方式分离透明工件，并且具有可忽略的碎屑、最小缺陷以及对边缘具有低的亚表面损伤，从而保持工件的完整性和强度。

本文所用的短语“轮廓线”表示沿着透明工件表面上的所需分离线形成的线 (例如线、曲线等)，当暴露于适当的加工条件时，透明工件将沿着该线分离成多个部分。轮廓线一般由使用各种技术引入到透明工件中的一个或多个缺陷组成。如本文所用，“缺陷”可以包括透明工件中的材料有所改变(相对于本体材料)的区域、空隙空间、划痕、瑕疵、孔或其他变形，它们能够通过另外的加工(例如通过红外激光加工、机械应力或其他分离工艺)来实现分离。另外，每个缺陷可以包括中心缺陷区域以及沿着透明工件的成像表面从该中心缺陷区域向外延伸的一个或多个径向臂。如本文所用，透明工件的“成像表面”是脉冲激光束初始接触透明工件处的透明工件表面。如在下文更详细描述的，可以通过脉冲激光束投射到透明工件上的束斑形状来控制所述一个或多个径向壁的径向长度。作为一个实例，包含非轴对称束斑的脉冲激光束，并且该非轴对称束斑一般包含长轴和短轴，这样的脉冲激光束可以照射透明工件的成像平面，以产生包含中心缺陷区域和一个或多个径向臂的缺陷，所述中心缺陷区域形成于非轴对称束斑的长轴与短轴的相交处，所述一个或多个径向臂在非轴对称束斑的长轴方向上形成。

可以通过首先在工件的表面上形成轮廓线，随后使用例如红外激光加热轮廓线上的工件表面以在工件中形成应力(例如热应力)而将透明工件(例如玻璃基材等)分离成多个部分。应力最终导致工件沿着轮廓线自发分离。另外，当使用脉冲激光束来形成每个缺陷，并且该脉冲激光束的非轴对称束斑的取向使光束轴的长轴沿着所需的分离线延伸时，通过使透明工件中的沿轮廓线的缺陷经受应力而造成的裂纹扩展可以在所需的分离线中延伸。形成具有径向臂的缺陷，并且所述径向臂在所需分离线的方向上延伸，这可以允许各缺陷以比具有无规延伸的径向臂或无径向臂的各缺陷更大的间隔距离间隔开，同时不损坏分离之前存在有轮廓线的分离出的透明工件的边缘。另外，形成具有径向臂的缺陷，并且所述径向臂在所需分离线的方向上延伸，这允许通过向工件施加较小的应力(例如较少的能量，如热能)来产生裂纹扩展，从而限制了对分离之前存在有轮廓线的分离出的透明工件的边缘造成损坏。相反，当缺陷包含无规延伸的径向臂或不包含径向臂时，裂纹可以在大致垂直于分离出的透明工件的边缘的方向上(即，大致垂直于轮廓线所表示的意欲分离线)从分离边缘扩展，这使分离出的透明工件的边缘变得不牢固。

现在通过示例的方式参考图1A和1B，其示意性地描绘了根据本文所述方法进行加工的透明工件160，例如玻璃工件或玻璃陶瓷工件。图1A和1B描绘了透明工件160中轮廓线170的形成，其可以通过在平移方向101上，相对于透明工件平移脉冲激光束112来形成。图1A和1B描绘了沿着光束路径111的脉冲激光束 112，并且对其进行取向，使得可以通过透镜(例如下文所述的第二透镜132)将脉冲激光束112聚焦成透明工件160中的脉冲激光束焦线113。另外，如下文更详细定义的，脉冲激光束焦线113是准无衍射光束的一部分。图1A和1B描绘了脉冲激光束112形成了投射到透明工件160的成像表面162上的非轴对称束斑114。另外，脉冲激光束焦线113在垂直于脉冲激光束112的传输轴(例如，垂直于光束路径111)的脉冲激光束焦线113的截面处是非轴对称的。如本文所用，轴对称是指对于围绕中心轴的任何任意旋转角来说是对称或看上去相同的形状，“非轴对称”是指对于围绕中心轴的任何任意旋转角而言是不对称的形状。旋转轴(例如中心轴) 最常被视作激光束的传输轴。如本文所用，“束斑”是指激光束(例如脉冲激光束 112)首先接触工件(例如透明工件160)的点处的激光束的截面。

同样参考图2，轮廓线170沿着所需分离线165延伸并描绘出意欲的分离线，透明工件160可以围绕该意欲的分离线分离成两个或更多个部分。轮廓线170包括多个缺陷172，所述多个缺陷172延伸到透明工件160的表面中并且建立了用于裂纹扩展的路径，以用于沿着轮廓线170将透明工件160分离成各单独的部分。虽然在图1A和图2中将轮廓线170描绘成基本为线性的，但应理解，设想了其他构造并且它们是可行的，包括但不限于曲线、图案、规则的几何形状、不规则形状等。

如图2所示，每个缺陷172包含中心缺陷区域174和一个或多个径向臂176，所述径向臂176在基本上垂直于光束路径111的方向上(例如在图1A、1B和2所示的X和/或Y方向上)向外延伸。在操作时，在例如使用本文所述的方法和系统形成轮廓线170的缺陷172后，在随后的分离步骤中可以进一步作用于缺陷172，以诱导透明工件160沿着轮廓线170自发分离。随后的分离步骤可以包括：根据透明工件160的类型、厚度和结构来使用机械力，热应力诱导的力，或是由于透明工件中存在的应力而发生自发断裂。例如，在透明工件160中可以存在应力，其可以造成自发分离而无需进一步的加热或机械分离步骤。

参考图1A、1B和2，在本文所述的一些实施方式中，可以将脉冲激光束112 (具有投射到透明工件160上的非轴对称束斑114)引导到透明工件160上(例如，聚光成穿透透明工件160的至少一部分厚度的高纵横比的线焦点)。这形成了脉冲激光束焦线113，其具有与非轴对称束斑114相关的非轴对称截面。特别地，非轴对称束斑114是脉冲激光束焦线113的一个示例性截面，并且随着脉冲激光束焦线 113穿过至少一部分的透明工件160，脉冲激光束焦线113保持非轴对称。另外，可以相对于透明工件160平移脉冲激光束112(例如在平移方向101上)，以形成轮廓线170的多个缺陷172。将脉冲激光束112引导到透明工件160中造成了部分的透明工件160断裂，例如，沿着所需的分离线165，在各间隔开的位置处沉积足够的能量来破坏透明工件160中的化学键，从而形成缺陷172。根据一个或多个实施方式，可以通过移动透明工件160(例如移动与透明工件160连接的平移台190)，移动脉冲激光束(例如移动脉冲激光束焦线113)或同时移动透明工件160和脉冲激光束焦线113，而使脉冲激光束平移过透明工件160。通过相对于透明工件160 平移脉冲激光束焦线113，可以在透明工件160中形成多个缺陷172。

如图2所示，非轴对称束斑114包含长轴116、短轴115、轴相交处118和束斑周界119，所述轴相交处118可以位于非轴对称束斑114的中心处。根据一些实施方式，长轴116定义为非轴对称束斑114中的离中心距离最长的非轴对称束斑 114的轴，短轴115定义为非轴对称束斑114中的离中心距离最短的非轴对称束斑 114的轴。虽然图2中将非轴对称束斑114描绘成椭圆形，但应理解，设想了任何非轴对称形状，例如非椭圆的形状。此外，非轴对称束斑114可以包含多个束斑的集合。另外，应理解，虽然本文基本上论述了非轴对称束斑114，但是如上文关于非轴对称束斑114所述，在透明工件160中的脉冲激光束焦线113的其他截面也是非轴对称的并且也可以包含短轴和长轴。

例如，沿着长轴的离非轴对称束斑114的中心的距离可以包含约0.25μm至约 20μm，例如约1μm至约10μm、约2μm至约8μm或约3μm至约6μm。此外，沿着短轴的离非轴对称束斑114的中心的距离可以包含约0.01μm至约10μm、约 0.1μm至约10μm或约0.7μm至约3μm。例如，沿着短轴的离非轴对称束斑114 的中心的距离可以是沿着长轴的离非轴对称束斑114的中心的距离的约5％至约 95％，例如是沿着长轴的离非轴对称束斑114的中心的距离的约10％至约50％、约20％至约45％或约30％至约40％。下文公开确定束斑尺寸的方法。

当使用具有轴对称性的高斯光束激光操作时(例如当光束源110输出高斯光束时)，图1B和图3所示的光学组件将在透明工件160处形成光束，该光束在本领域中被称为高斯-贝塞尔(Gauss-Bessel)光束。这种光束是准无衍射光束(在下文有更详细的定义)的一种形式。当高斯光束的轴对称性被破坏时，甚至是稍微破坏时，则该光束可以被称为非轴对称高斯-贝塞尔光束。然而，本文所述的原理和效果扩展到具有高斯-贝塞尔强度分布的光束之外，并且一般扩展到非轴对称的准无衍射激光束。但是，应注意的是，测量准无衍射光束的不对称性无法像测量更为传统的高斯光束的不对称性那样简单地进行。例如，相比于单调衰减的高斯光束，准无衍射光束通常具有振荡的横向剖面。高斯光束的直径通常由强度下降1/e²来限定。相反，准无衍射光束的强度可随着径向距离的变化而在1/e²强度阈值上下波动多次。因此，限定甚至是径向对称的准无衍射光束的尺寸也是存在困难的。

另外，虽然不对称的高斯光束在本领域是已知的，但是它们最常作为单一光斑来讨论，其中，高斯光束例如在x方向上的直径可以大于y方向上的直径。然而，对于高阶高斯光束和准无衍射光束二者而言，光束的截面可能不具有单个单调衰减的核心或斑。在这种情况下，光束的“长”截面轴或“短”截面轴不是非常明显，这使得定义如何测量光束的不对称性变得更为困难。

虽然不意欲受理论限制，但带着上述动机进行以下论述，以限定准无衍射光束以及测量准无衍射光束的不对称性的方法。该论述可广泛应用于所有形式的激光束，无论它们是具有单调强度分布的简单的低阶高斯光束还是投射多个光斑或以振荡方式起作用的更为复杂的准无衍射光束。在高斯光束的情况中，结果将归纳为更为简单的形式，这些简单的形式常见于高斯光束文献中以用来限定光斑尺寸和瑞利范围。

再次参考图1A-2，用于形成缺陷172的脉冲激光束112还具有强度分布 I(X,Y,Z)，其中Z是脉冲激光束112的传输方向，X和Y是与传输方向正交的方向，如附图所示。X方向和Y方向也可以被称为截面方向，并且X-Y平面可以被称为截面平面。截面平面中的脉冲激光束112的强度分布可以被称为截面强度分布。

仍然参考图2，非轴对称束斑114包含非轴对称的截面强度分布。例如，相比于沿着非轴对称束斑114的短轴115的区域，在沿着非轴对称束斑114的长轴116 的区域中，非轴对称束斑114可以具有更大的强度，由此具有来自脉冲激光束112 的更大的累积能量分布。也就是说，当非轴对称束斑114的长轴116与所需的分离线165对齐时，相比于将能量传递到所需的分离线165附近的区域上，脉冲激光束 112可以沿着所需的分离线165传递更多的能量，从而形成包含沿着所需的分离线 165延伸的径向臂176的缺陷172，所述径向臂176比不沿着所需的分离线165的方向延伸的径向臂176更长。如本文所用，“累积能量”是指当脉冲激光束112照射透明工件160时，通过脉冲激光束112传递到透明工件160的特定区域上的全部能量。

此外，如下文关于图3-7A所示的光学组件100更详细描述的，通过使脉冲激光束112传输通过非球面光学元件120，非轴对称束斑114处的脉冲激光束112可以包含准无衍射光束，例如，如下文数学定义的具有低光束发散度的光束。光束发散度是指光束截面在光束传输方向(即Z方向)上的放大率。如本文所用，短语“光束截面”是指脉冲激光束112沿着垂直于脉冲激光束112的传输方向的平面，例如沿着X-Y平面的截面。本文论述的一个示例性光束截面是投射到透明工件160 上的脉冲激光束112的束斑(例如非轴对称束斑114)。

衍射是导致脉冲激光束112发散的一个因素。其他因素包括形成脉冲激光束 112的光学系统所造成的聚焦或失焦，或者界面处的折射和散射。用于形成轮廓线 170的缺陷172的脉冲激光束112可以具有小的非轴对称束斑114，并且具有低发散度和弱的衍射。脉冲激光束112的发散度通过瑞利范围Z_R表征，其与强度分布的方差σ²以及脉冲激光束112的光束传输因子M²有关。在下文的论述中，将使用笛卡尔坐标系给出各式。使用本领域技术人员已知的数学技术可获得其他坐标系的对应表达式。关于光束发散度的另外信息可在如下文章中找到：A.E.Siegman的题为“New Developments in Laser Resonators”(《激光谐振腔的新进展》)，SPIE研讨会丛书第1224卷第2页(1990)以及R.Borghi和M.Santarsiero的题为“M²factor of Bessel-Gauss beams”(《贝塞尔-高斯光束的M²因子》)，Optics Letters(《光学快报》)，第22(5)卷，262(1997)，所述文章的公开内容通过引用全文纳入本文。另外的信息还可在下述文献中找到：国际标准ISO 11146-1:2005(E)的题为“Lasers and laser-related equipment—Test methods for laser beam widths,divergence angles andbeam propagation ratios—Part 1:Stigmatic and simple astigmatic beams” (《激光和激光相关设备——用于激光束宽度、发散角和光束传输比的试验方法——第1部分：无像散和简单像散光束》)；ISO 11146-2:2005(E)的题为“Lasers and laser-relatedequipment—Test methods for laser beam widths,divergence angles and beampropagation ratios—Part 2:General astigmatic beams”(《激光和激光相关设备——激光束宽度、发散角和光束传输比的试验方法——第2部分：广义象散光束》)；以及ISO11146-3:2004(E)的题为“Lasers and laser-related equipment—Test methods forlaser beam widths,divergence angles and beam propagation ratios—Part 3:Intrinsic and geometrical laser beam classification,propagation and detailsof test methods”(《激光和激光相关设备——激光束宽度、发散角和光束传输比的试验方法——第3部分：内在和几何激光束分类、传输和试验方法细节》)，它们的公开内容通过引用全文纳入本文。

通过以下表达式给出具有时间平均强度分布I(x,y,z)的脉冲激光束112的强度分布的质心的空间坐标：

这些表达式也被称为维格纳分布的第一矩，并且描述于ISO 11146-2:2005(E) 的第3.5章节。它们的测量描述于ISO 11146-2:2005(E)的第7章节。

方差是在截面(X-Y)平面中的脉冲激光束112的强度分布的宽度作为光束传输方向上的z位置的函数的量度。对于任意的激光束，X方向上的方差可以与Y 方向上的方差不同。用

和

分别表示X方向和Y方向上的方差。尤其关注的是近场极限和远场极限中的方差。在近场极限中，用

和

分别表示X方向和Y方向上的方差，在远场极限中，用

和

分别表示X方向和Y方向上的方差。对于具有时间平均强度分布I(x,y,z)以及傅立叶变换

的激光束(其中v_x和v_y分别是X方向和Y方向上的空间频率)，x方向和y方向上的近场方差和远场方差通过以下表达式给出：

方差量

和

也被称为维格纳分布的对角线元素(参见ISO11146-2:2005(E))。可以使用ISO 11146-2:2005(E)的第7章节中所述的测量技术对实验激光束的这些方差定量。简单来说，该测量使用线性不饱和像素化检测器来测量有限空间区域内的I(x,y)，该有限空间区域近似于定义方差和质心坐标的积分方程的无限积分区域。测量区域、背景减除和检测器像素分辨率的适当范围由ISO 11146-2:2005(E)第7章节中描述的迭代测量过程的收敛性决定。根据像素化检测器测得的强度值阵列，数值计算方程1-6所给出的表达式的数值。

还应注意，用于方程3至方程6的x,y坐标系的原点是激光束的质心。

通过任意光束的横向振幅分布

(其中

)与任意光束的空间频率分布

(其中

)之间的傅立叶变换关系，可以显示出：

在方程(7)和(8)中，

和

分别是

和

的最小值，其分别出现在x方向和y方向上的腰部位置z_0x和z_0y处，并且λ是光束的波长。方程(7)和(8)表明，

和

在任何一个方向上，从与光束的腰部位置相关的最小值出发，随着z呈平方增加。

方程(7)和(8)可以根据光束传输因子M²来重写，其x方向和y方向的对应的光束传输因子

和

定义为：

重排方程(9)和(10)并且代入方程(7)和(8)得到：

其可以重写成：

其中，x方向和y方向上的瑞利范围Z_Rx和Z_Ry分别通过下式给出：

瑞利范围对应于其中激光束的方差加倍(相对于光束腰部的位置处的方差而言)的距离(相对于光束腰部的位置而言，如ISO 11146-1:2005(E)的章节3.12所定义)，并且其是激光束的截面面积的发散度的量度。瑞利范围也可以被视为沿着光束轴，光强度衰减到光束腰部位置处(最大强度位置)所观察到的强度值的一半处的距离。瑞利范围大的激光束具有低的发散度，并且比瑞利范围小的激光束在传输方向上随着距离扩展得更慢。

利用描述激光束的强度分布I(x,y,z)，上面各式可应用于任意激光束(而不仅仅是高斯光束)。在高斯光束的TEM₀₀模式的情况中，强度分布通过下式给出：

其中w_o是半径(定义为光束强度下降到光束腰部位置z_o处的光束的峰值光束强度的1/e²处的半径)。根据方程(17)和以上各式，获得TEM₀₀高斯光束的以下结果：

其中Z_R＝Z_Rx＝Z_Ry。对于高斯光束，还应注意

光束截面通过形状和尺寸来表征。如前文所述，可能期望的是将束斑作为非轴对称束斑114投射到透明工件160上。示例性的非轴对称截面包括椭圆形截面。光束截面的尺寸通过光束的光斑尺寸来表征。对于高斯光束，光斑尺寸常定义为光束强度下降到其最大值的1/e²处的径向伸长，在方程(17)中表示为w₀。高斯光束的最大强度出现在强度分布的中心处(x＝0且y＝0(笛卡尔坐标系)或r＝0(圆柱坐标系))，并且相对于中心来测量用于确定光斑尺寸的径向伸长。

具有轴对称(即，围绕光束传输轴Z旋转对称)截面的光束可以通过在光束腰部位置处测得的单一维度或光斑尺寸来表征，如ISO 11146-1：2005(E)的第3.12 章节所规定的。对于高斯光束，方程(10)显示出光斑尺寸等于w_o，根据方程(18)，其对应于2σ_0x或2σ_0y。对于非轴对称光束截面，可以类似地定义光斑尺寸，其中，与轴对称光束不同的是，σ_0x≠σ_0y。因此，需要用两个光斑尺寸参数——分别是x 方向上的w_0x和y方向上的w_oy来表征非轴对称光束的截面尺寸，其中

w_ox＝2σ_0x (25)

w_oy＝2σ_0y (26)

对于非轴对称光束，缺乏轴(即，任意的旋转角)对称性意味着σ_0x和σ_0y的计算值将取决于x轴和y轴的取向选择。例如，在一些实施方式中，x轴可以是非轴对称束斑114的长轴116，而y轴可以是短轴115。在其他实施方式中，x轴可以是短轴115，而y轴可以是长轴116。ISO 11146-1：2005(E)将这些参比轴称为功率密度分布的主轴(第3.3-3.5章节)，在下文的论述中，将假设x轴和y轴与这些主轴对齐。另外，x轴和y轴可以在截面平面中旋转的角φ(例如，x轴和y轴分别相对于x轴和y轴的参比位置的角)可以用于定义非轴对称光束的光斑尺寸参数的最小值(w_o，最小)和最大值(w_o，最大)：

w_o，最小＝2σ_0，最小 (27)

w_o，最大＝2σ_0，最大 (28)

其中，2σ_0，最小＝2σ_0x(φ_最小，x)＝2σ_0y(φ_最小，y)并且

2σ_0，最大＝2σ_0x(φ_最大，x)＝2σ_0y(φ_最大，y)光束截面的轴不对称性的大小可以通过纵横比来量化，其中，纵横比定义为w_o，最大与w_o，最小的比值。轴对称光束截面的纵横比为1.0，而椭圆形和其他非轴对称光束截面的纵横比大于1.0，例如大于 1.1、大于1.2、大于1.3、大于1.4、大于1.5、大于1.6、大于1.7、大于1.8、大于1.9、大于2.0等。

光束截面影响透明工件160中由脉冲激光束112形成的缺陷172的截面形状。缺陷172的截面形状是指缺陷在垂直于脉冲激光束112的传输方向的方向上的形状。例如，如果激光束法向入射到透明工件160的成像表面162，则缺陷172的截面形状对应于缺陷172在成像表面162的平面中或与工件的成像表面162的平面平行的任何平面中的形状。例如，具有圆形光束截面的激光束形成了具有圆形形状的缺陷172，而具有非圆形光束截面的激光束形成了具有非圆形形状的缺陷172。

控制光束截面使得在分离出的部件中实现了更有效的切割、更少的缺陷和更高的边缘强度。控制光束截面包括控制光斑尺寸、截面形状和光束截面的取向。不希望囿于理论，认为最大光斑尺寸参数w_o,最大沿着(或大致沿着)所需的分离线16 5取向的非轴对称光束截面通过引导裂纹沿着切割轨迹取向而改进了切割。在轴对称光束截面的情况中，认为与破坏区域的形成相关的应力集中在破坏区域附近，但是是无规取向的。无规应力取向被认为导致了在远离意欲的切割轨迹方向上的断裂，其在分离出的部件中表现为微裂纹和其他缺陷。认为这种微裂纹和缺陷降低了分离出的部件的本体和/或边缘的机械强度。通过采用非轴对称光束截面和束斑，以及使最大光斑尺寸w_o,最大(例如长轴116)的方向沿着所需的分离线165取向，认为可以沿着切割位置引导与形成破坏区域相关的缺陷或裂纹，并且在远离所需的分离线165的方向上形成较少的裂纹或缺陷。与所需的分离线165对齐的裂纹缺陷优先于远离所需的分离线165引导的缺陷或裂纹。

用于形成缺陷172的脉冲激光束112的光束截面的纵横比

(例如非轴对称束斑114的纵横比)可以大于1.1、大于1.3、大于1.5、大于2.0、大于2.5、大于3.0、大于3.5、大于4.0、大于5.0、大于7.5、大于10.0、在1.1至20.0的范围内、在1.2至15.0的范围内、在1.3至10.0的范围内、在1.3至7.5的范围内、在 1.3至5.0的范围内、在1.5至7.5的范围内、在1.5至5.0的范围内、在1.5至3.0 的范围内、在1.75至5.0的范围内、在2.0至4.0的范围内等。

为了促进在激光传输方向(例如透明工件160的深度维度)上的缺陷172的均匀性，可以使用具有低发散度的脉冲激光束112。在一个或多个实施方式中，具有低发散度的非轴对称激光束可以用于形成缺陷172。如上所述，发散度可以由瑞利范围表征。对于非轴对称光束，主轴X和Y的瑞利范围分别由针对x方向和y 方向的方程(15)和(16)定义，其中，可以表明，对于任何的真实光束，

且

并且其中

和

由激光束的强度分布决定。对于对称光束，X方向和Y方向上的瑞利范围相同，并且对于具有高斯强度分布的光束来说，其由方程 (22)或方程(23)表示。低发散度与大的瑞利范围值和弱的激光束衍射相关。

对于通过激光加工形成缺陷来说，具有高斯强度分布的光束可能不是那么优选，这是因为，当它们聚焦成足够小的光斑尺寸(例如在几微米范围内的光斑尺寸，例如约1-5微米或约1-10微米的光斑尺寸)以使得到的激光脉冲能能够改变材料 (例如玻璃)时，它们在短的传输距离内高度衍射并显著发散。为了获得低的发散度，期望控制或优化脉冲激光束的强度分布以减少衍射。脉冲激光束可以是无衍射或弱衍射的。弱衍射的激光束包括准无衍射激光束。代表性的弱衍射的激光束包括贝塞尔光束、高斯-贝塞尔光束、艾里(Airy)光束、韦伯(Weber)光束和马丢 (Mathieu)光束。

对于非轴对称光束，瑞利范围Z_Rx和Z_Ry不相等。方程(15)和(16)表明Z_Rx和Z_Ry分别取决于σ_0x和σ_0y，并且上文注意到σ_0x和σ_0y的值取决于X轴和Y轴的取向。Z_Rx和Z_Ry的值将相应地变化，并且各自将具有对应于主轴的最小值和最大值，其中Z_Rx的最小值表示为Z_Rx,最小，而Z_Ry的最小值表示为Z_Ry,最小。类似于表征轴对称高斯光束的瑞利范围的式(方程(22)或方程(23))的方式，对于任意光束剖面，显示出Z_Rx,最小和Z_Ry,最小可以通过下式给出：

以及

对于高斯光束，预计该曲线围绕z_0x对称。

在不对称的情况中(如图24所示)，存在Z_Rx,最小和Z_Rx,最大，其中它们均是从 z_0x处的最小值开始测量直到σ_0x,最小增加

倍处的z值。Z_Rx,最小明显地是两个数值中的较小者，而Z_Rx,最大是较大者。可对垂直的y轴进行相同的分析。

由于激光束的发散发生在具有最小瑞利范围的方向上的较短距离内，因此可以控制用于切割的脉冲激光束的强度分布，以使Z_Rx和Z_Ry的最小值尽可能地大。由于非轴对称光束的Z_Rx的最小值Z_Rx,最小和Z_Ry的最小值Z_Ry,最小不同，因此，当形成破坏区域时，可以使用强度分布使Z_Rx,最小和Z_Ry,最小中的较小者尽可能大的激光束。

在不同的实施方式中，Z_Rx,最小和Z_Ry,最小中的较小者大于或等于50μm、大于或等于100μm、大于或等于200μm、大于或等于300μm、大于或等于500μm、大于或等于1mm、大于或等于2mm、大于或等于3mm、大于或等于5mm、在50μm 至10mm的范围内、在100μm至5mm的范围内、在200μm至4mm的范围内、在300μm至2mm的范围内等。

通过调整方程(27)所定义的光斑尺寸参数w_o,最小，对于工件对其是透明的不同波长，可获得本文规定的Z_Rx,最小和Z_Ry,最小中的较小者的数值和范围。在不同的实施方式中，光斑尺寸参数w_o,最小大于或等于0.25μm、大于或等于0.50μm、大于或等于0.75μm、大于或等于1.0μm、大于或等于2.0μm、大于或等于3.0μm、大于或等于5.0μm、在0.25μm至10μm的范围内、在0.25μm至5.0μm的范围内、在0.25μm至2.5μm的范围内、在0.50μm至10μm的范围内、在0.50μm至5.0μm 的范围内、在0.50μm至2.5μm的范围内、在0.75μm至10μm的范围内、在0.75 μm至5.0μm的范围内、在0.75μm至2.5μm的范围内等。

用于形成破坏区域的激光束的瑞利范围可以大于具有相同波长的高斯光束的瑞利范围。因此，在常见波长λ下，Z_Rx,最小和Z_Ry,最小中的较小者与高斯光束的瑞利范围Z_R(如方程(22)或(23)中的任一者所规定)的比值可以大于或等于2、大于或等于5、大于或等于10、大于或等于25、大于或等于50、大于或等于100、大于或等于250、大于或等于500、大于或等于1000、在2至1500的范围内、在5 至1250的范围内、在10至1000的范围内、在25至1000的范围内、在100至1000 的范围内等。

无衍射或准无衍射光束一般具有复杂的强度分布，例如相比于半径非单调下降的强度分布。通过类似于高斯光束，非轴对称光束的有效光斑尺寸w_o,有效可以定义为在任何方向上，从最大强度的径向位置(r＝0)出发的到强度下降到最大强度的1/e²处的最短径向距离。对于用于形成破坏区域的无衍射或准无衍射光束，可以将基于有效光斑尺寸w_o,有效的瑞利范围的判据规定为如下：

其中F_D是无量纲的发散系数，其数值为至少10、至少50、至少100、至少250、至少500、至少1000、在10至2000的范围内、在50至1500的范围内、在100 至1000的范围内。通过比较方程(31)与方程(22)或(23)，可知，对于无衍射或准无衍射光束，使有效光束尺寸加倍的方程(31)中的Z_Rx,最小、Z_Ry,最小中的较小者的距离是F_D乘以若使用典型的高斯光束分布时预计的距离。

如上所述，瑞利范围还可通过测量其中光束的峰值强度下降2倍的距离来确定。在本文中，这被称为用于确定瑞利范围的强度方法。

本发明人发现，对于用于形成破坏区域的无衍射或准无衍射光束，还可以将基于有效光斑尺寸w_o,有效的瑞利范围的判据规定为如下：

当确定瑞利范围时，可以任意地使用方差方法(即利用方程(31)或(31’)) 或者可使用强度方法。当使用强度方法时，仅有一个解，即，最小瑞利范围为一个值，因为x与y之间没有差别。

无量纲的发散系数F_D提供了确定激光束是否是准无衍射的判据。如本文所使用的，如果激光束的特征满足方程(31)且F_D的值≥10，则认为激光束是准无衍射的。随着F_D的值增加，激光束达到更加接近完美的无衍射状态。

现在参考图3-7A，其为用于产生准无衍射的脉冲激光束112的光学组件100 (图3-7A)，在一些实施方式中，光学组件100在透明工件160处产生了非轴对称束斑114(图4-7A)。例如，图3描绘了用于脉冲激光加工——例如用于产生准无衍射的脉冲激光束112——的常规光学组件100。另外，图4-7A各自描绘了包含图3未给出的另外的部件和布置的光学组件100，其用于在透明工件160处形成非轴对称束斑114。例如，图4的光学组件100包括偏离光束路径111的非球面光学元件120，图5A和5B的光学组件100包括定位在光束路径111中的一个或多个挡光元件140。此外，图6和7A的光学组件100各自包含一个或多个消相干光学元件，其被构造成使脉冲激光束112的第一光束部分与脉冲激光束112的第二光束部分消相干。特别地，图6的光学组件100中的消相干光学元件包含定位在光束路径111中的光学延迟板142，而图7A的光学组件100中的消相干光学元件包含定位在光束路径111中的分裂的四分之一波片150(还示于图7B)。如本文所使用，“消相干”意为使脉冲激光束的第一部分与脉冲激光束的第二部分不相干。

图3-7A各自包括光束源110、非球面光学元件120(例如轴棱锥透镜)、第一透镜130和第二透镜132。另外，可以对透明工件160进行定位，使得由光束源 110输出的脉冲激光束112照射透明工件160，例如在穿过非球面光学元件120并随后穿过第一透镜130和第二透镜132之后照射。光学轴102沿着Z轴在光束源 110与透明工件160之间延伸。另外，图3-7A的光学组件100可以任选地包括定位在光束路径111中且位于非球面光学元件120与透明工件160之间的道威(dove) 棱镜180。虽然道威棱镜180是在图5A、5B和6示出，但应理解，本文所述的任何一种光学组件100可以包含道威棱镜180。另外，道威棱镜180围绕光学轴102 旋转可以使脉冲激光束112的光束截面(例如非轴对称束斑114)旋转。非轴对称束斑114的旋转有助于非轴对称束斑114的长轴沿着透明工件160的所需分离线 165取向。如在下文的实施方式中所述，构想了使非轴对称束斑114旋转的其他方法。

仍然参考图3-7A，光束源110可以包含被构造用于输出脉冲激光束112的任何已知或仍待开发的光束源110。在操作时，轮廓线170的缺陷172通过透明工件 160与光束源110所输出的脉冲激光束112相互作用来产生。在一些实施方式中，光束源110可以输出例如包含以下波长的脉冲激光束112，所述波长为1064nm、 1030nm、532nm、530nm、355nm、343nm、或者266nm或215nm。另外，用于在透明工件160中形成缺陷172的脉冲激光束112可以很好地适用于对选定的脉冲激光波长是透明的材料。

用于形成缺陷172的合适的激光波长是透明工件160的吸收和散射的组合损耗足够低的波长。在一些实施方式中，在所述波长下，由于透明工件160吸收和散射导致的组合损耗小于20％/mm、或小于15％/mm、或小于10％/mm、或小于 5％/mm、或小于1％/mm，其中，量纲“/mm”意为在透明工件160中，在脉冲激光束112的传输方向(例如Z方向)上的每毫米距离。对于许多玻璃工件，代表性的波长包括Nd³⁺的基波波长和谐波波长(例如Nd³⁺:YAG或Nd^{3 +}:YVO₄的基波波长在1064nm附近，高阶谐波波长在532nm、355nm和266nm附近)。也可以使用满足给定基材材料的吸收和散射组合损耗要求的光谱中的紫外、可见、红外部分中的其他波长。

在操作时，由光束源110输出的脉冲激光束112可以在透明工件160中产生多光子吸收(MPA)。MPA是频率相同或不同的两个或更多个光子的同时吸收，其将分子从一种状态(通常是基态)激发到更高能量的电子态(即电离)。所涉及的分子的低能态与高能态之间的能量差等于所涉及的光子的能量总和。MPA也被称为诱导吸收，其可以是例如比线性吸收弱几个数量级的二阶或三阶过程(或高阶过程)。其与线性吸收不同，因为二阶诱导吸收的强度可以例如与光强度的平方成比例，因此其是非线性光学过程。

形成轮廓线170的穿孔步骤可以使用光束源110(例如超短脉冲激光)并结合下文关于图3-7A所示和所述的光学器件，以将非轴对称束斑114投射在透明工件160上并产生图1B的脉冲激光束焦线113。脉冲激光束焦线113包含准无衍射光束，例如上文定义的非轴对称高斯-贝塞尔光束，以完全穿透透明工件160而在透明工件160中形成一系列缺陷172。在一些实施方式中，各个脉冲的脉冲持续时间在约1皮秒至约100皮秒的范围内，例如约5皮秒至约20皮秒，并且各个脉冲的重复率可以在约1kHz至4MHz的范围内，例如在约10kHz至约3MHz的范围内、或约10kHz至约650kHz的范围内。

还参考图7C和7D，除了以上文提及的各脉冲重复率进行单一脉冲操作，也可以具有两个脉冲500A(例如子脉冲)或更多个脉冲的脉冲串500来产生脉冲(例如，每个脉冲串具有3个脉冲、4个脉冲、5个脉冲、10个脉冲、15个脉冲、20 个脉冲或更多，如每个脉冲串500具有1至30个脉冲、或每个脉冲串500具有5 至20个脉冲)。脉冲串500中的各脉冲500A可以间隔某个持续时间，该持续时间在约1纳秒至约50纳秒的范围内，例如约10纳秒至约30纳秒，例如约20纳秒。在其他实施方式中，脉冲串500中的各脉冲500A间隔的持续时间为最高至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皮秒或它们之间的任意范围)。对于给定的激光，脉冲串500中的相邻脉冲500A之间的时间间隔T_p(图7D)可以是相对较均匀的(例如彼此相差在约10％内)。例如，在一些实施方式中，脉冲串500中的每个脉冲 500A与后续的脉冲在时间上间隔约20纳秒(50MHz)。例如，每个脉冲串500 之间的时间可以为约0.25微秒至约1000微秒，例如约1微秒至约10微秒、或约3 微秒至约8微秒。

在本文所述的光束源110的一些示例性实施方式中，对于所输出的脉冲激光束112包含约200kHz的脉冲串重复率的光束源110来说，时间间隔T_b(图7D) 为约5微秒。激光脉冲串重复率与一脉冲串中的第一脉冲到后续脉冲串中的第一脉冲之间的时间T_b有关(激光脉冲串重复率＝1/T_b)。在一些实施方式中，激光脉冲串重复率可以在约1kHz至约4MHz的范围内。在一些实施方式中，激光脉冲串重复率可以在例如约10kHz至650kHz的范围内。每个脉冲串中的第一脉冲至后续的脉冲串中的第一脉冲之间的时间T_b可以为约0.25微秒(4MHz脉冲串重复率)至约1000微秒(1kHz脉冲串重复率)，例如约0.5微秒(2MHz脉冲串重复率)至约40微秒(25kHz脉冲串重复率)或约2微秒(500kHz脉冲串重复率) 至约20微秒(50k Hz脉冲串重复率)。精确的计时、脉冲持续时间和脉冲串重复率可以根据激光设计而变化，但是具有高强度的短脉冲(T_d<20皮秒，在一些实施方式中T_d≤15皮秒)显示出特别有效。

脉冲串重复率可以在约1kHz至约2MHz的范围内，例如约1kHz至约200 kHz。爆发或产生脉冲串500是激光操作的一种类型，其中脉冲500A不以均匀且稳定的流的形式发射而是以脉冲串500的密集簇的形式发射。脉冲串激光束的波长可以基于待在其上操作的透明工件160的材料来选择，使得透明工件160的材料在该波长下是基本透明的。在材料处测得的每个脉冲串的平均激光功率可以是每毫米材料厚度为至少约40μJ。例如，在一些实施方式中，平均激光功率/脉冲串可以为约40μJ/mm至约2500μJ/mm、或约500μJ/mm至约2250μJ/mm。在特定的实例中，对于0.5mm至0.7mm厚的康宁EAGLE

透明工件，约300μJ至约600μJ的脉冲串可以切割和/或分离工件，这对应于约428μJ/mm至约1200μJ/mm的示例性范围(即，0.7mm EAGLE

玻璃的300μJ/0.7mm和0.5mm EAGLE

玻璃的600μJ/0.5mm)。

改变透明工件160所需的能量可以根据脉冲串能量(即脉冲串500中所含的能量，其中每个脉冲串500含有一系列脉冲500A)来描述，或者根据单个激光脉冲(其中的许多可以包含脉冲串)中所含的能量来描述。每个脉冲串的能量可以为约25μJ至约750μJ，例如约50μJ至约500μJ、或约50μJ至约250μJ。对于一些玻璃组合物，每个脉冲串的能量可以为约100μJ至约250μJ。然而，对于显示器或TFT玻璃组合物，每个脉冲串的能量可以更高(例如取决于透明工件160的特定玻璃组成，为约300μJ至约500μJ、或约400μJ至约600μJ)。使用能够产生这种脉冲串的脉冲激光束112对于切割或改变透明材料(例如玻璃)是有利的。与使用时间上间隔单脉冲激光的重复率的各单脉冲相比，使用脉冲串序列并且所述脉冲串序列将激光能扩散到脉冲串中的快速脉冲序列内，可以获得比单脉冲激光可实现的更大的与材料高强度相互作用的时间尺度。

再次参考图3-7A，非球面光学元件120定位在光束源110与透明工件160之间的光学路径111中。在操作时，使脉冲激光束112(例如入射的高斯光束)传输通过非球面光学元件120可以改变脉冲激光束112，使得传输超过非球面光学元件 120的脉冲激光束112的部分是如上所述的准无衍射的。非球面光学元件120可以包括含有非球面形状的任何光学元件。在一些实施方式中，非球面光学元件120 可以包含产生锥形波阵面的光学元件，例如轴棱锥透镜，例如负折射轴棱锥透镜、正折射轴棱锥透镜、反射轴棱锥透镜、衍射轴棱锥透镜、可编程的空间光调制器轴棱锥透镜(例如相位轴棱锥)等。

在一些实施方式中，非球面光学元件120包含至少一个非球面表面，其形状在数学上可以描述为：

z′＝(cr²/1)+(1-(1+k)(c²r²))^1/2+(a₁r+a₂r²+a₃r³+a₄r⁴+a₅r⁵+ a₆r⁶+a₇r⁷+a₈r⁸+a₉r⁹+a₁₀r¹⁰+a₁₁r¹¹+a₁₂r¹²

其中z’是非球面表面的表面垂度，r是非球面表面与光学轴102在径向方向上(例如在x方向或y方向上)的距离，c是非球面表面的表面曲率(即，c_i＝1/R_i，其中R是非球面表面的表面半径)，k是圆锥常数，并且系数a_i是第一阶至第十二阶非球面系数或高阶非球面系数(多项式非球面)，其用于描述非球面表面。在一个示例性实施方式中，非球面光学元件120的至少一个非球面表面包括以下系数a₁- a₇，它们分别是：-0.085274788；0.065748845；0.077574995；-0.054148636；0.022 077021；-0.0054987472；0.0006682955；并且非球面系数a₈-a₁₂为0。在该实施方式中，所述至少一个非球面表面具有圆锥常数k＝0。然而，因为系数a₁具有非零值，这等于具有非零数值的圆锥常数k。因此，可以通过指定非零的圆锥常数k，非零的系数a₁、或非零的k与非零的系数a₁的组合来描述等效表面。另外，在一些实施方式中，所述至少一个非球面表面通过具有非零数值的至少一个高阶非球面系数a₂-a₁₂(即，a₂、a₃、……、a₁₂中的至少一者≠0)来描述或定义。在一个示例性实施方式中，非球面光学元件120包含三阶非球面光学元件，例如立方体形状的光学元件，其包含非零的系数a₃。

在一些实施方式中，当非球面光学元件包含轴棱锥时，所述轴棱锥可以具有激光输出表面126(例如锥形表面)，其具有约1.2°的角度，例如约0.5°至约5°、或约1°至约1.5°、或者甚至是约0.5°至约20°，所述角度相对于脉冲激光束112进入轴棱锥透镜时的激光输入表面124(例如平坦表面)测得。另外，激光输出表面 126终止于锥形尖端。此外，非球面光学元件120包含中心线轴122，其从激光输入表面124延伸到激光输出表面126并终止于锥形尖端。在其他实施方式中，非球面光学元件120可以包含逆向反射锥面镜对(waxicon)、空间相位调制器如空间光调制器、或衍射光栅。在操作时，非球面光学元件120将入射的脉冲激光束112 (例如入射的高斯光束)整形成准无衍射光束，其进而被引导通过第一透镜130 和第二透镜132。

仍然参考图3-7A，第一透镜130和第二透镜132可以使脉冲激光束112在第一透镜130与第二透镜132之间的准直空间134中准直。另外，第二透镜132可以将脉冲激光束112聚焦到透明工件160中，所述透明工件160可以定位在成像平面 104处。在一些实施方式中，第一透镜130和第二透镜132各自包含平凸透镜。当第一透镜130和第二透镜132各自包含平凸透镜时，第一透镜130和第二透镜132 的曲率可以各自向着准直空间134取向。在其他实施方式中，第一透镜130可以包含其他准直透镜，而第二透镜132可以包含弯月形透镜、非球面的或另一种高阶校准聚焦透镜。

另外，第一透镜130包含第一焦距F₁，第二透镜132包含第二焦距F₂。如本文所用，“焦距”定义为透镜与透镜焦点之间的距离。在一些实施方式中，第一焦距F₁和第二焦距F₂可以相等。在其他实施方式中，第一焦距F₁和第二焦距F₂可以不同，例如，第二焦距F₂可以小于第一焦距F₁，或者，可以大于第二焦距F₂。在一些实施方式中，第一透镜130和第二透镜132可以分别具有以下的焦距F₁、 F₂：约10mm至约200mm(例如约25mm至约200mm、或约50mm至150mm、或约75mm至约100mm、或约25mm至约50mm等)。

在一些实施方式中，第一透镜130与第二透镜132可以间隔第一焦距F₁和第二焦距F₂的总和，使得共焦面105定位在第一透镜130与第二透镜132之间的准直空间134中。然而，应理解，也考虑了其他空间布置。共焦面105是沿着光束路径111位于第一透镜130与第二透镜132之间的位置，其在第一透镜130的下游且与第一透镜130间隔第一焦距F₁，并且在第二透镜132的上游且与第二透镜132 间隔第二焦距F₂。如本文所用，“上游”和“下游”是指沿着光束路径111的两个位置或部件相对于光束源110的相对位置。例如，如果脉冲激光束112先通过第一部件再通过第二部件，则第一部件位于第二部件的上游。此外，如果脉冲激光束112 先通过第二部件再通过第一部件，则第一部件位于第二部件的下游。

现在参考图4，该图描绘了光学组件100的一个实施方式，其包含非球面光学元件120，所述非球面光学元件120在径向方向(例如沿着脉冲激光束112的半径、与光束传输方向正交的方向)上，偏离脉冲激光束112的光束路径111定位。通过使非球面光学元件120偏离光束路径111，投射到透明工件160上的所得到的束斑可以包含图2所示的非轴对称束斑114。非球面光学元件120可以偏离光束路径111 (例如在X-Y平面中偏离)某一偏离距离a。特别地，偏离距离a是当脉冲激光束照射非球面光学元件120的激光输入表面124时，在X-Y平面中的非球面光学元件120的中心线轴122与脉冲激光束的截面中心之间的距离。非球面光学元件120 与光束路径之间的相对偏离可以通过使非球面光学元件120沿着X-Y平面位移、使光束源110沿着X-Y平面位移、或者同时使非球面光学元件120沿着X-Y平面位移以及使光束源110沿着X-Y平面位移来实现。充分破坏得到的束斑的对称性所需的偏离幅度根据脉冲激光束112的直径而变化，其中较小的输入激光束直径要求较小的偏离来充分破坏对称性。在一些实施方式中，偏离距离a可以包含约10 微米至约500微米，例如20微米、50微米、100微米、250微米等。在一些实施方式中，偏离距离a可以为约20微米至约100微米或约50微米至约100微米等。在一些实施方式中，偏离距离可以包含在脉冲激光束112与非球面光学元件120 之间的接触位置处(例如，在非球面光学元件120的激光输入表面124处)脉冲激光束112的截面直径的约10％至约75％的距离。

通过使非球面光学元件120偏离光束路径111，所得到的脉冲激光束112可以包含有所降低的总强度，例如降低约4倍。另外，在X-Y平面中，脉冲激光束112 的截面在X方向、Y方向或者X方向和Y方向的组合上可以变宽约1.2至约2倍，例如1.4倍、1.6倍、1.8倍等。使脉冲激光束112的截面变宽形成了长轴116在变宽方向上的非轴对称束斑114。所得到的脉冲激光束112可以包含非轴对称光线锥，其在通过第一透镜130后在准直空间134中形成非轴对称环。另外，通过使非球面光学元件120围绕光学轴102旋转可以使脉冲激光束112的截面(例如非轴对称束斑114)旋转。

现在参考图5A和5B，其示出了包含一个或多个挡光元件140(例如不透明光学元件)的光学组件100的实施方式，所述一个或多个挡光元件140沿着光束路径111定位在一个或多个阻挡位置141处，从而阻挡在光束源110与透明工件160 之间传输的一部分脉冲激光束112。在一些实施方式中，挡光元件140可以包含不透明板，所述不透明板可以进一步包含孔。例如，挡光元件140可以包含金属板，或者可以承受得住脉冲激光束112的能量而不破裂或损坏的其他物质。挡光元件 140可以定位在光束路径111中，以使挡光元件140阻挡脉冲激光束112的约5％至约95％的光束强度，例如，阻挡至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、 70％、80％、85％、90％等的光束强度。作为一个实例，挡光元件140阻挡脉冲激光束112的约25％至约80％的光束强度。阻挡脉冲激光束112的较大百分比的光束强度增加了相对于非轴对称束斑114的短轴115长度的非轴对称束斑114的长轴 116的长度。然而，阻挡脉冲激光束112的较大百分比的光束强度增加了在挡光元件140处损耗的脉冲激光束112的功率量。

在一些实施方式中，挡光元件140可以阻挡脉冲激光束112的截面扇形(即，从脉冲激光束112的中心区域延伸到脉冲激光束112的最外直径，并且由脉冲激光束112的方位角范围或“饼形切片”来限定的扇形)。扇形形式的挡光元件140 的优点在于：在脉冲激光束112的所有半径处阻挡相等百分比的光线。在这样的光学组件中，光学器件沿着脉冲激光束焦线113将特定半径的光线映射到对应的特定位置。在图5A和5B所示的示例性实施方式中，非球面光学元件120附近的半径较低的光线将被映射到脉冲激光束焦线113的上游端处的位置，而在非球面光学元件120附近的半径较高的光线将被映射到脉冲激光束焦线113的下游端附近的位置。如果挡光元件140在小半径处切除比在大半径处更大部分的光线，则脉冲激光束焦线113的截面(例如非轴对称束斑114)的椭圆率大小或纵横比将在其整个长度上改变。因此，将挡光元件140成形为饼形切片的形式确保了得到的脉冲激光束焦线113的截面能够在脉冲激光束焦线113的整个长度上保持恒定的椭圆率。

在其他实施方式中，挡光元件140可以阻挡脉冲激光束112的截面弦部分，其中，脉冲激光束112的截面弦部分受脉冲激光束112的截面外周的一部分和脉冲激光束112的任意截面弦限定。此外，在该示例性实施方式中，定位在光束路径 111中的一部分挡光元件140与任意的截面弦相连。另外，应理解，挡光元件140 可以阻挡脉冲激光束112的任意截面部分。

此外，挡光元件140可以定位在光束源110与透明工件160之间。因为挡光元件140定位在光束源110与透明工件160之间，因此在操作时，脉冲激光束112 将行进通过非球面光学元件120并超过挡光元件140(例如脉冲激光束112的未阻挡部分将行进超过挡光元件140，但是脉冲激光束112的被阻挡部分不行进超过挡光元件140)。另外，无论非球面光学元件120与挡光元件140沿着光束传输方向 (例如Z方向)的相对定位顺序如何，脉冲激光束112将行进通过非球面光学元件120并超过挡光元件140。例如，可以将挡光元件140定位在非球面光学元件120 的上游，以使挡光元件140定位在光束源110与非球面光学元件120之间。另外，可以将挡光元件140定位在非球面光学元件120的下游，以使挡光元件140定位在非球面光学元件120与透明工件160之间。

在一些实施方式中，可以将挡光元件140定位在第一透镜130与第二透镜132 之间的准直空间134中，例如在共焦面105处。另外，通过使挡光元件140围绕光学轴102旋转可以使脉冲激光束焦线113的截面(例如非轴对称束斑114)旋转。在一些实施方式中，非轴对称束斑114可以通过使非球面光学元件120偏离光束路径111，并且用挡光元件140阻挡一部分脉冲激光束112来形成。如果利用非球面光学元件120的偏离来引导更多的激光束能量通过挡光元件140，则这种偏离与阻挡的组合可以降低由挡光元件140造成的功率损耗量，同时仍保证产生椭圆或其他形状的非轴对称束斑114并将其投射到透明工件160上。

另外，如图5B所示，在一些实施方式中，光学组件100可以包含第一挡光元件140a和第二挡光元件140b。第一挡光元件140a在第一阻挡位置141a处定位在光束路径111中，第二挡光元件在第二阻挡位置141b处定位在光束路径111中。第一挡光元件140a和第二挡光元件140b可以被定位成使它们各自阻挡光束路径 111的一部分，例如，阻挡光束路径111的不同部分。在一些实施方式中，第一挡光元件140a和第二挡光元件140b可以各自阻挡脉冲激光束112的不同截面区段。例如，挡光元件140a、140b可以限定每个阻挡截面区段的平行定位的截面弦部分，以使它们阻挡脉冲激光束112的截面的相对各侧。或者，在另一个实例中，挡光元件140a、140b可以圆的不同扇形，以使它们阻挡脉冲激光束112的截面的相对各侧。

在一些实施方式中，第一阻挡位置141a和第二阻挡位置141b沿着光学轴102 定位在相同的Z轴位置处，如图5B所示。在其他实施方式中，第一阻挡位置141a 和第二阻挡位置141b可以是沿着光学轴102的不同位置。此外，第一挡光元件140a 和第二挡光元件140b可以一起阻挡脉冲激光束112的约5％至约75％的强度。另外，第一挡光元件140a和第二挡光元件140b可以阻挡脉冲激光束112的相同百分比的强度，或者阻挡脉冲激光束112的不同百分比的强度。

而且，虽然图5A和5B中的阻挡位置141、141a、141b各自在光束源110与非球面光学元件120之间示出，但应理解，阻挡位置141、141a、141b可以是光束源110与透明工件160之间的任何位置，例如在第一透镜130与第二透镜132之间，例如在共焦面105处。虽然不意欲受理论限制，但是用多个(例如两个)挡光元件 140阻挡脉冲激光束112可以将多个束斑投射到透明工件的成像表面162上，这些束斑被整形，使得多个束斑共同限定透明工件160处的非轴对称束斑114，如图2 所示。

现在参考图6，该图示出了包含一个或多个光学延迟板142的光学组件100 的一个示例性实施方式，所述一个或多个光学延迟板142定位在光束源110与透明工件160之间。在操作时，将光学延迟板142定位在光束路径111中可以形成图2 所示的非轴对称束斑114，这通过下述来进行：引导脉冲激光束112的第一部分通过光学延迟板来诱导第一光束部分光学迟滞，而在一部分脉冲激光束112中诱导光学延迟，从而使脉冲激光束112的第一光束部分与第二光束部分消相干。光学延迟板142可以定位在光束路径111中，以使约50％的脉冲激光束112(例如脉冲激光束112的约50％的强度)通过光学延迟板142。虽然不意欲受理论限制，但是在一半脉冲激光束112中光学延迟可以形成两个光束，它们共同限定透明工件160处的非轴对称束斑114。另外，通过使光学延迟板142围绕光学轴102旋转可以使脉冲激光束112的截面(例如非轴对称束斑114)旋转。另外，光学延迟板142可以定位在非球面光学元件120的上游或下游。例如，在一些实施方式中，光学延迟板 142定位在非球面光学元件120与透明工件160之间，在其他实施方式中，光学延迟板142定位在光束源110与非球面光学元件120之间。

如果通过光学延迟板142的光束部分与不通过光学延迟板142的光束部分不相干地组合，则光学延迟一部分(例如一半)的脉冲激光束112可以形成单个非轴对称束斑114。为了实现不相干，脉冲激光束112的相干长度可以比光学延迟板1 42的光学厚度短。在这种情况中，两个光束的光学延迟不需要设置为任何精确的量或精确控制；光学延迟可以仅大于激光脉冲的相干时间。这基本上相当于使激光束的两个部分之间的光学相位差随机化。可以使用本领域已知的方法计算单独的激光脉冲的相干时间T_C，并且数学描述为T_C＝λ²/cΔλ其中λ是辐射波长，c是光速，且△λ是激光脉冲的光谱带宽。由光学延迟板142提供的厚度差可以大于激光脉冲的相干时间，或者等效地厚于板中的激光脉冲的相干长度，所述相干长度数学描述为

其中n是光学延迟板142的材料的折射率。例如，对于光谱脉冲宽度为12.2nm的1030nm的激光，相干时间T_C将为约290皮秒，并且用于使光束消相干的n＝1.5的玻璃板的所需厚度将大于38微米。在另一个实例中，对于光谱脉冲宽度为0.38nm的1064nm的激光，相干时间将为约290皮秒，并且用于使光束消相干的折射率n＝1.5的玻璃板的所需厚度将大于1.3mm。

虽然不意欲受理论限制，但是确切的相干时间和相干长度随着激光脉冲的确切时间波形(temporal shape)和谱形(spectral shapes)而变化，因此，上式是近似的。因此，通过使延迟板的厚度可以略小于通过上式计算的数值(例如小约10％、小约25％、小约50％等)，可以使延迟板充分实现消相干功能。

此外，在一些实施方式中，不使光束的所述两个部分消相干，而是可以将光学延迟板142构造成用于诱导特定的光学延迟，例如，光学延迟板142可以在一半的脉冲激光束112中诱导光学迟滞π(其中，激光波长的一个光学周期被认为涵盖光学相位的2π弧度，因此，光学迟滞π是延迟一半的光学周期)，在一半的脉冲激光束112中光学迟滞0.875π，并且在一些实施方式中，在一半的激光光束中光学迟滞0.5π。通过简单调整光束的两个部分之间的精确的光学相位延迟，光束截面的确切的强度分布可以从在光束中心附近具有两个同样高的强度的光斑变成在光束中心附近的一个光斑具有较大的强度，而另一个具有较小的强度，变成更为复杂的干涉图案。由光学延迟板142诱导的特定的光学迟滞与光学延迟板142的光学厚度相关。然而，虽然这种系统产生非轴对称束斑114，但是得到的束斑对两个光束部分的确切的光学路径长度敏感，而确切的光学路径长度可因环境变化(例如温度和湿度)而改变。再者，这种多光斑图案具有复杂的多轴应力集中，对于控制裂纹形成的应力集中，其可能不如具有椭圆核心的光束那么有用。

现在参考图7A和7B，它们示出了包含分裂的四分之一波片150的光学组件 100的示例性实施方式，所述分裂的四分之一波片150定位在光束源110与透明工件160之间。分裂的四分之一波片150包含第一片部分152，其具有第一快轴156a 和第一慢轴158a。分裂的四分之一波片150还包含第二片部分154，其具有第二快轴156b和第二慢轴158b。另外，第一快轴156a正交于第二快轴156b，而第一慢轴158a正交于第二慢轴158b。当脉冲激光束112通过分裂的四分之一波片150时，具有第一快轴156a和第一慢轴158a的第一片部分152将脉冲激光束112的第一光束部分偏振成第一偏振光(例如特定的水平、垂直或圆偏振光)，并且具有第二快轴156b的第二片部分154将脉冲激光束112的第二光束部分偏振成第二偏振光(例如另一种特定的水平、垂直或圆偏振光)。第一光束部分偏振成第一偏振光并且第二光束部分偏振成与第二光束部分正交的第二偏振光使得第一光束部分与第二光束部分消相干。

另外，第一偏振光正交于第二偏振光，使得第一光束部分和第二光束部分在分裂的四分之一波片150下游不相干地组合，从而形成图2所示的非轴对称束斑 114。虽然不意欲受理论限制，但是具有正交偏振光(例如垂直偏振光和水平偏振光、右旋圆偏振光和左旋圆偏振光)的两个脉冲激光束部分不干涉，并且当将它们各自投射到透明工件160上时，各个光束部分不相干地组合并一起形成了非轴对称束斑114(例如椭圆形)。作为例示性实例，第一偏振光和第二偏振光各自包含在庞加莱(Poincaré)球上以约90°间隔定位的位置，以使它们处于正交。应理解的是，第一光束部分与第二光束部分之间的不相干组合可以随着任何两个正交偏振光一起发生。

如图7A所示，光学组件100还可以包含偏振器144和四分之一波片146。偏振器144和四分之一波片146各自定位在光束源110与分裂的四分之一波片150 之间的光束路径111中，使得脉冲激光束112先通过偏振器144和四分之一波片 146，再通过分裂的四分之一波片150。在操作时，偏振器144可以过滤(例如防止)一种或多种特定偏振光，以使它们不通过偏振器144。四分之一波片146可以将脉冲激光束112偏振成单偏振光，以在脉冲激光束112到达分裂的四分之一波片 150时，脉冲激光束112包含单偏振光，例如右旋圆偏振光或左旋圆偏振光。另外，如图7A所示，分裂的四分之一波片150定位在四分之一波片146与透明工件160 之间的光束路径111中。分裂的四分之一波片150可以定位在非球面光学元件120 的上游或下游。例如，在一些实施方式中，分裂的四分之一波片150定位在非球面光学元件120与透明工件160之间，在其他实施方式中，分裂的四分之一波片150 定位在光束源110与非球面光学元件120之间。

在图7A所示的非限制性实例中，分裂的四分之一波片150可以定位在第一透镜130与第二透镜132之间的准直空间134中，例如定位在共焦面105处，使得由于分裂的四分之一波片150的第一片部分152与第二片部分154之间的接触位置处的相互作用而导致的脉冲激光束112损耗的功率量最小。

虽然分裂的四分之一波片150被描绘成包含两个片部分(例如第一片部分152 和第二片部分154)，但是分裂的四分之一波片150的其他实施方式可以包含任意数目的片部分。与之前描述的挡光元件一样，分裂的四分之一波片150的这些部分可以作为截面弦部分的形式来制造，或者更优选地，作为扇的形式来制造。在这些实施方式中，第一多个片部分包含第一快轴156a和第一慢轴158a，第二多个片部分包含第二快轴156b和第二慢轴158b。另外，第一多个片部分可以共同占分裂的四分之一波片150的约50％，第二多个片部分可以共同占分裂的四分之一波片150 的另50％。

再次参考图1A-7B，用于沿着所需的分离线165形成包含缺陷172的轮廓线 170的方法包括：将沿着光束路径111取向并且由光束源110输出的脉冲激光束112 引导(例如定位)到透明工件160中，以使被引导到透明工件160中的脉冲激光束 112的部分在透明工件中产生诱导吸收，并且使该诱导吸收在透明工件160中产生缺陷172。例如，脉冲激光束112可以包含足以超过透明工件160的损伤阈值的脉冲能和脉冲持续时间。在一些实施方式中，将脉冲激光束112引导到透明工件160 中包括：将从光束源110输出的脉冲激光束112聚焦成沿着光束传输方向(例如Z 轴)取向的脉冲激光束焦线113。将透明工件160定位在光束路径111中，以与脉冲激光束112的脉冲激光束焦线113至少部分重叠。由此将脉冲激光束焦线113 引导到透明工件160中。脉冲激光束112(例如脉冲激光束焦线113)在透明工件 160中产生诱导吸收，以在透明工件160中形成缺陷172。在一些实施方式中，第一透镜130和/或第二透镜132可以聚焦脉冲激光束112。在其他实施方式中，例如在不包含第一透镜130和第二透镜132的实施方式中，非球面光学元件120(例如轴棱锥透镜)可以聚焦脉冲激光束112。在一些实施方式中，可以以几百千赫兹的频率形成各个缺陷172(即，每秒形成几十万个缺陷)。

在操作时，脉冲激光束焦线113的位置可以通过相对于透明工件160适当地定位和/或对齐脉冲激光束112，以及适当地选择光学组件100的参数来控制。另外，脉冲激光束焦线113的长度可以在约0.1mm至约100mm的范围内，或者在约0.1 mm至约10mm的范围内。可以将各个实施方式构造为具有长度l为约0.1mm、约0.2mm、约0.3mm、约0.4mm、约0.5mm、约0.7mm、约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、或约5mm，例如约0.5mm至约5mm的脉冲激光束焦线113。

仍然参考图1A-7A，用于沿着所需的分离线165形成包含缺陷172的轮廓线 170的方法可以包括：相对于脉冲激光束112平移透明工件160(或者可以相对于透明工件160平移脉冲激光束112，例如以图1A和2所示的平移方向101平移)，以利用缺陷172形成描绘出所需部件形状的轮廓线170。缺陷172可以穿透玻璃的整个深度。应理解，虽然有时描述成“孔”或“孔样”，但是本文公开的缺陷172一般可以不是空隙空间，而是通过本文所述的激光加工而得到改变的工件部分。在一些实施方式中，各缺陷172一般可以彼此间隔约5微米至约20微米的距离。例如，对于TFT/显示器玻璃组合物，缺陷172之间的合适间距可以为约0.1微米至约30 微米，例如约5微米至约15微米、约5微米至约12微米、约7微米至约15微米、或约7微米至约12微米。另外，利用一个或多个平移台190来移动透明工件160 和/或光束源110，可以进行透明工件160相对于脉冲激光束112的平移。

除了使单个透明工件160穿孔，所述方法也可以用于对透明工件160的堆叠体(例如玻璃片堆叠体)进行穿孔，并且可以利用单程激光通过而使总高度高达几毫米的玻璃堆叠体完全穿孔。单个玻璃堆叠体可以在该堆叠体中包含各种玻璃类型，例如一层或多层的钠钙玻璃，它们与一层或多层的康宁编号为2318的玻璃一起层叠。另外，玻璃堆叠体可以在各个位置中具有空气间隙。根据另一个实施方式，可以在各玻璃堆叠体之间设置延展层(例如粘合剂)。然而，本文所述的脉冲激光方法仍然能够以单程使这种堆叠体的玻璃上层和玻璃下层完全穿孔。

此外，在透明工件160中形成轮廓线170后，可以利用应力诱导源(例如机械源或热源)来沿着轮廓线170分离透明工件160。根据一些实施方式，热源(例如红外激光束)可以用于形成热应力，并由此在轮廓线170处分离透明工件160。在一些实施方式中，红外激光可以用于引发自发分离，然后可以对分离件进行机械精整。用于在玻璃中形成热应力的合适的红外激光通常具有易被玻璃吸收的波长，通常波长为1.2微米至13微米，例如4微米至12微米。红外激光束，例如由二氧化碳激光器(“CO₂激光器”)、一氧化碳激光器(“CO激光器”)、固态激光器、激光二极管或其组合所产生的激光束是受控的热源，其在轮廓线170处或附近迅速升高透明工件160的温度。这种迅速加热可以在轮廓线170上或附近，在透明工件 160中建立压缩应力。由于受到加热的玻璃表面积比透明工件160的整个表面积相对更小，因此该加热区域相对较快地冷却。得到的温度梯度在透明工件160中诱导了拉伸应力，该拉伸应力足以使裂纹沿着轮廓线170扩展并通过透明工件160的厚度，从而沿着轮廓线170完全分离透明工件160。不囿于理论，认为拉伸应力可以因为在具有较高局部温度的工件部分中玻璃膨胀(即密度改变)而引起。

鉴于先前的描述，应理解，沿着所需的分离线形成包含缺陷的轮廓线可以通过利用由光学组件整形的脉冲激光束来强化，所述整形使脉冲激光束沿着所需的分离线将非轴对称束斑投射到工件上。

实施例

实施例1

实施例1是将波长为532nm的脉冲激光束输出到一种示例光学组件中的模型化结果，所述光学组件具有与光束路径对齐(例如无偏离)的非球面光学元件。脉冲激光束以对称高斯光束输出，并且通过非球面光学元件形成准无衍射光束。图 8A描绘了脉冲激光束焦线(例如，准无衍射脉冲激光束焦线)的示例性截面强度图。如图8A所示，在没有偏离的情况下，束斑是径向对称的。图8A的截面强度图的半峰全宽(FWHM)为3.8微米。图8B描绘了在没有偏离的情况下形成的准无衍射脉冲激光束焦线的傅立叶变换平面的对数强度图。另外，图8C描绘了在峰值线聚焦位置处，在没有偏离的情况下形成的准无衍射脉冲激光束焦线的实验近场显微图。

实施例2

实施例2是将波长为1064nm的脉冲激光束输出到一种示例光学组件中的模型化结果，所述光学组件具有在X方向上偏离光束路径的非球面光学元件，偏离距离为20微米。脉冲激光束以轴对称高斯光束输出，并且通过非球面光学元件形成为准无衍射光束。图9描绘了通过非球面光学元件与光束路径之间偏离形成的得到的非轴对称脉冲激光束焦线的示例性截面强度图。

实施例3

实施例3是将波长为1064nm的脉冲激光束输出到一种示例光学组件中的模型化结果，所述光学组件具有在X方向上偏离光束路径的非球面光学元件，偏离距离为50微米。脉冲激光束以轴对称高斯光束输出，并且通过非球面光学元件形成为准无衍射光束。图10描绘了通过非球面光学元件与光束路径之间偏离形成的得到的非轴对称脉冲激光束焦线的示例性截面强度图。

实施例4

实施例4包括将波长为1064nm的脉冲激光束输出到一种示例光学组件中的模型化结果和实验结果，所述光学组件具有在X方向上偏离光束路径的非球面光学元件，偏离距离为100微米。脉冲激光束以轴对称高斯光束输出，并且通过非球面光学元件形成为准无衍射光束。图11A描绘了通过非球面光学元件与光束路径之间偏离形成的模型化所得非轴对称脉冲激光束焦线的示例性截面强度图。图11B 描绘了图11A的模型化结果在最佳聚焦轴向位置处的截面强度图的X和Y截面，该最佳聚焦轴向位置是沿着脉冲激光束焦线的长度大致中间的位置。图11C描绘了图11A的模型化结果在从图11B的最焦聚焦轴向位置位移约200微米的轴向位置处的截面强度图的截面。图11C的强度图的FWHM为7.0x4.5微米，显示出约1.6的不对称性。另外，图11D描绘了在100微米偏离的情况下形成的脉冲激光束 (例如准无衍射脉冲激光束)的傅立叶变换平面的模型化对数强度图。如图11D 所示，对数强度图是不均匀的。另外，图11E描绘了在峰值线聚焦位置处的实施例4的脉冲激光束焦线的实验近场显微图。

实施例5

实施例5是一种示例性光学组件的模型化结果，该示例性光学组件包含作为非球面光学元件的轴棱锥，以及定位在第一透镜与第二透镜之间的挡光元件，使得该挡光元件阻挡脉冲高斯-贝塞尔光束的50％的强度。阻挡脉冲高斯-贝塞尔光束的50％的强度与将脉冲高斯-贝塞尔光束的傅立叶变换乘以一维亥维赛(Heaviside) 阶跃函数产生了相同的数学结果。在2D图像空间中，这产生了与1D亥维赛阶跃函数H(x)的傅立叶变换卷积的2D高斯-贝塞尔光束。亥维赛阶跃函数通过H(x)＝ 1/2(Sgn(x)+1)与Sgn阶跃函数相关。傅立叶变换表显示出在两个维中：

使得：

与δ函数卷积的高斯-贝塞尔光束数学描述了原点处的高斯-贝塞尔。为了说明，图12A描绘了与δ函数卷积的高斯-贝塞尔光束的截面强度图(沿着X-Y平面)。另外，图12B描绘了与i/2πx卷积的高斯-贝塞尔光束的截面强度图(沿着X-Y平面)。此外，方程33数学描述了高斯-贝塞尔光束与Sgn函数的傅立叶变换的卷积，其在数学上等效于阻挡高斯-贝塞尔光束的50％的强度。图12C描绘了与在方程33 中数学描述的亥维赛阶跃函数的傅立叶变换卷积的高斯-贝塞尔光束的截面强度图 (沿着X-Y平面)。图12C的截面强度图(沿着X-Y平面)也是通过阻挡50％的光束路径所形成的脉冲激光束焦线的所得截面强度。因此，在所得的非轴对称脉冲激光束焦线中的各光斑或强度峰之间的间距通过轴棱锥角度和望远镜放大倍数(例如通过透镜132的焦距与透镜130的焦距比值产生的放大倍数)来决定，而不是由光学器件的倾斜、偏离或相差决定。此外，图12D以图表的形式描绘了图12A-12 C的强度图的X轴截面，并且图12E以图表的形式描绘了一种示例性Sgn阶跃函数的傅立叶变换。

图12F描绘了当脉冲激光束通过轴棱锥，且脉冲激光束的50％的光束强度被沿着光束路径定位在第一透镜与第二透镜之间一半处的挡光元件阻挡时，所形成的所得的非轴对称脉冲激光束焦线的截面强度图。图12G以图表的形式描绘了图12F 的强度图的X和Y截面。图12H描绘了当被定位在光束源处(例如定位在Z＝0的位置处)的挡光元件阻挡50％的光束强度时，得到的非轴对称脉冲激光束焦线的截面强度。图12I以图表的形式描绘了图12H的强度图的X和Y截面。如图12F-12I 所示，挡光元件沿着光束路径的Z轴位置对所得的脉冲激光束焦线具有最小的影响。这显示出无论是将挡光元件放置在轴棱锥之前的空间中还是轴棱锥之后的空间中(例如两个透镜130和132之间的准直空间134中)，挡光元件均可以是有效的。因此，可以优选使用挡光元件产生非轴对称脉冲激光束焦线。

实施例6

实施例6是对直径为600微米1/e²的脉冲激光束的截面区段进行增量阻挡的模型化结果。特别地，实施例6包括阻挡脉冲激光束的不同截面区段，每个截面区段具有增加的最大阻挡宽度，其中，术语“最大阻挡宽度”定义为脉冲激光束的阻挡部分(例如光束路径的阻挡部分)的宽度，其从阻挡的截面区段的截面弦部分的中心点出发垂直测量。图13A描绘了在未阻挡脉冲激光束的情况下，得到的脉冲激光束焦线的X-Y平面的示例性强度图。如图13A所示，在没有阻挡的情况下，截面脉冲激光束焦线是轴对称的。图13B-13K描绘了在具有阻挡的截面区段，并且其具有增加的最大阻挡宽度的X-Y平面中的示例性强度图。例如，图13B中的最大阻挡宽度为50微米，图13C中的最大阻挡宽度为100微米，图13D中的最大阻挡宽度为150微米，图13E中的最大阻挡宽度为200微米，图13F中的最大阻挡宽度为250微米，图13G中的最大阻挡宽度为300微米(例如，阻挡一半的脉冲激光束)，图13H中的最大阻挡宽度为350微米，图13I中的最大阻挡宽度为 400微米，图13J中的最大阻挡宽度为450微米，并且图13K中的最大阻挡宽度为 500微米。

实施例7

在实施例7中，将波长为532nm的准无衍射脉冲激光束输出到具有挡光元件的示例性光学组件中，对所述挡光元件进行定位以使该挡光元件阻挡50％的脉冲激光束。图14描绘了通过在实施例7中阻挡50％的脉冲激光束所形成的非轴对称脉冲激光束焦线的截面的近场显微图。

实施例8

在实施例8中，将波长为532nm的准无衍射脉冲激光束输出到具有挡光元件的示例性光学组件中，对所述挡光元件进行定位以使该挡光元件阻挡75％的脉冲激光束。图15描绘了通过在实施例8中阻挡75％的脉冲激光束所形成的非轴对称脉冲激光束焦线的截面的近场显微图。注意，实施例8的非轴对称脉冲激光束焦线包含比实施例7的非轴对称脉冲激光束焦线更大的纵横比。

实施例9

在实施例9中，在示例性光学组件中定位有挡光元件，使得该挡光元件阻挡截面脉冲激光束的四分之一扇形(因此阻挡脉冲激光束的25％的强度)。图16描绘了通过使挡光元件围绕光学轴(例如，围绕脉冲激光束的传输方向)以45°增量旋转而由挡光元件形成的非轴对称脉冲激光束焦线的示例性所得截面。

实施例10

实施例10模拟了使用两个挡光元件来阻挡脉冲激光束的两个截面区段，所述脉冲激光束在第一透镜与第二透镜之间的共焦面处具有600微米1/e²的直径，对所述两个挡光元件进行取向，使得它们阻挡脉冲激光束的截面弦部分，每个截面弦部分终止于平行的弦处，并且每个具有相等的最大阻挡宽度(如上文关于实施例6 中所述)。图17A描绘了在未阻挡脉冲激光束的情况下，得到的脉冲激光束焦线的X-Y平面的示例性强度图。如图17A所示，在没有阻挡的情况下，脉冲激光束焦线的截面是轴对称的。图17B-17F描绘了在具有两个平行的阻挡截面区段，并且所述区段具有增加且相等的最大阻挡宽度的X-Y平面中的示例性强度图。例如，图17B中的各最大阻挡宽度为50微米，图17C中的各最大阻挡宽度为100微米，图17D中的各最大阻挡宽度为150微米，图17E中的各最大阻挡宽度为200微米，并且图17F中的各最大阻挡宽度为250微米。注意，图17A-17F中的脉冲激光束焦线截面显示出多个条纹，并且大部分激光能被投射到脉冲激光束焦线的中心核心光斑之外，即使对于图17B也是如此。这意味着中心光斑具有更低的强度，并且在光学系统的输入处可能需要更大的激光功率来促进切割透明工件。存在于图 17B-17F的非中心条纹中的大量能量还将在透明工件处形成不同的应力分布，其不像光学能主要包含在中心椭圆中时的那样好地来集中应力。

实施例11

实施例11是实施例10的模型化结果的实验验证，其利用包含632nm HeNe 激光的示例性光学组件来进行。在实施例11中，示例性光学组件中定位有两个挡光元件，使得每个挡光元件在两个透镜130和132之间的准直空间134中阻挡脉冲激光束的截面区段，其中准直光束环的直径为约22mm，并且通过每个挡光元件形成的截面弦部分终止于平行定位的各弦处，且间隔约9mm。图18描绘了通过使示例性挡光元件围绕光学轴(例如，围绕脉冲激光束的传输方向)以45°增量旋转而由各个示例性挡光元件形成的非轴对称脉冲激光束焦线(每个包含多个束斑) 的示例性所得截面。

实施例12

在实施例12中，示例性光学组件中定位有挡光元件，该光学组合还包含偏离脉冲激光束光学路径的非球面光学元件。例如，图19A描绘了在脉冲激光束通过偏离光束路径50微米的轴棱锥，并且半孔挡光元件被定位成阻挡非偏离系统中的 50％的脉冲激光束之后，该脉冲激光束的截面图。图19B描绘了通过图19A所示的阻挡和位移布置所形成的得到的非轴对称脉冲激光束焦线的示例性截面强度图。

实施例13

在实施例13中，在光束路径中定位有包含π光学延迟的光学延迟板，以使50％的脉冲激光束通过光学延迟板并经历π光学延迟。图20A描绘了通过使50％的脉冲激光束光学延迟π所形成的得到的非轴对称脉冲激光束焦线的截面强度图。图 20B描绘了图20A的截面强度图的截面。

实施例14

在实施例14中，在光束路径中定位有诱导0.875π光学延迟的光学延迟板，以使50％的脉冲激光束通过光学延迟板并经历π光学延迟。图21A描绘了通过使50％的脉冲激光束光学延迟0.875π所形成的得到的非轴对称脉冲激光束焦线的截面强度图。图21B描绘了图21A的截面强度图的截面。

实施例15

在实施例15中，在光束路径中定位有诱导0.5π光学延迟的光学延迟板，以使 50％的脉冲激光束通过光学延迟板并经历π光学延迟。图22A描绘了通过使50％的脉冲激光束光学延迟0.5π所形成的得到的非轴对称脉冲激光束焦线的截面强度图。图22B描绘了图22A的截面强度图的截面。

实施例16

在实施例16中，在由HeNe激光器输出的激光束的光束路径中可以定位有如上所述的分裂的四分之一波片，使得HeNe激光束的第一光束部分偏振成第一偏振光，HeNe激光束的第二光束部分偏振成与第一偏振光正交的第二偏振光。图23 描绘了通过使示例性分裂的四分之一波片围绕光学轴(例如，围绕脉冲激光束的传输方向)以45°增量旋转而由分裂的四分之一波片形成的示例性所得非轴对称脉冲激光束焦线。

实施例17

该实施例描述了利用偏振方法形成不对称准无衍射光束的光学系统。该实施例的概述如下：

概述：

A.使用的系统

-光学器件和距离

-激光束

-分裂的四分之一波片(SQWP)

B.纳米穿孔和裂纹方向控制的示例性结果

C.用于确立光束是否是不对称QNDB的光束测量方法

-扫描的LFC描述

-光束剖面的实验测量

D.结果

-下述项的实验测量

〇w_o,有效

〇使用强度方法的瑞利范围

〇满足本申请中的方程31的F_D

-模型化结果

〇使用光束方差方法的瑞利范围

使用的系统图25所示的光学系统一般性地列出了可以在利用偏振方法破坏光束不对称性来形成不对称准无衍射光束中使用的系统。该光学系统适于切割基材(例如玻璃)。

光学器件/激光束。代表性的激光是具有9皮秒脉冲宽度的1064nm脉冲激光，其提供具有线性偏振的高斯形输出光束(例如相干Hyper-Rapid 50)。望远镜用于在光束进入轴棱锥之前先将光束准直到5.5mm 1/e²直径。光束通过四分之一波片以进行圆偏振，然后再入射到轴棱锥上。整个光学系统从四分之一波片(QWP)延伸，通过轴棱锥、分裂的四分之一波片(SQWP)和透镜，其被设计用于将输入的高斯光束转换成不对称的准无衍射光束(QNDB)。通过轴棱锥和透镜自身，它们将形成有时被称为高斯-贝塞尔光束的光束，其是具有轴对称强度分布的QNDB。四分之一波片与SQWP一起用于破坏系统的旋转对称性，并且它们是可形成不对称QNDB的元件。

与图25所示的更为一般的系统不同，在本文之后使用的特定的系统中，在轴棱锥之后使用两个f＝150mm的透镜对光进行准直。图26示出了该系统。该两个f＝150mm的透镜成对地起作用，其中第一透镜主要用作场透镜(由于其位置靠近轴棱锥焦点，因此其具有小的光学功率)，鉴于这两个透镜之间的距离，它们产生了大致远离轴棱锥一个焦距放置的焦距为140mm的单个透镜的净效果。透镜的确切选择无关紧要。许多不同的焦距和透镜类型是可行的。准直透镜的重点在于，它们与物镜组合用作望远镜，以对刚好在轴棱锥之后形成的焦线(的直径、长度)进行光学转像(relay)，从而在最终的聚焦透镜之后形成焦线的放大(或缩小)图像。这使得更灵活地缩放焦线的尺寸而无需更换轴棱锥，并且还能够将焦线投射到与最终的光学器件具有相对较大的物理间隔距离或工作距离的位置，在生产环境中，这比具有一个紧邻轴棱锥的焦线更加便利。

对该实施例中所示的设置情况进行选择，以使准直透镜具有长的有效焦距，同时保持整个包装尺寸较短。这是使用两个靠近的准直透镜的构造的原因，其中，第一透镜用作“场透镜”。对于制造QNDB或不对称QNDB，这种特定的准直透镜选择不是必需的。还可以使用单个准直透镜，或者具有其他焦距的透镜。

当光束进入SQWP时，光束近似准直成环形，如本文所述，SQWP通过偏振改变来破坏光束的对称性。SQWP可围绕系统的光学轴旋转，以改变不对称聚焦光斑的优选方位取向。在SQWP由附接在一起的两半圆形波片组成的情况中，所形成的不对称光斑的长轴将垂直于SQWP中的切分线(divide line)。 SQWP的旋转可以是机动化的，并且取向的角度可以同步以遵循基材中的所需的切割路径方向。

在图26所示的系统中使用f＝30mm的双合透镜将环形聚焦成似贝塞尔的光束，由于SQWP(分裂成两个不同片的四分之一波片，其中的一个片被倒置) 的影响而具有椭圆形截面。

本实施方式中使用的SQWP对于形成不对称QNDB是重要的。SQWP使激光束的两个部分建立了基于偏振的消相干。虽然图7B 中进一步例示了 SQWP，但是图23更为明确。SQWP由四分之一波片的两个部分组成，这两个部分相组合以使每个部分中的光学轴与SQWP的另一部分中的光学轴正交。当圆偏振光入射在SQWP上时，SQWP的各个部分将通过每个部分的光转换成偏振光，所述偏振光始终与来自另一部分的偏振光正交。例如，由第一部分发射的光可以是线性垂直的，而由第二部分发射的光可以是线性水平的。或者，由第一部分发射的光可以是右旋圆偏振的，并且由第二部分发射的光可以是左旋圆偏振的。当两个正交偏振的光束部分组合时，它们无法干涉。这种消相干使得光束的两个部分独立起作用，并因此破坏了QNDB的对称性。如果各光束部分相干组合，则会发生强烈的干涉作用，这些干涉作用将破坏不对称QNDB的扩展瑞利范围——将会存在由于干涉所产生的峰和谷。SQWP方法的关键特征在于：在SQWP的所有可能的旋转取向上，只要圆偏振光入射在SQWP上，则确保从所述两个部分出射的光是正交的。

图27示出了SQWP以及用于构建SQWP的方法。组装所述两个部分，以使左边[有散点的(hashed)]半部具有快光学轴，该快光学轴垂直于右边的半部 (在该图中为干净部分)的快光学轴。SQWP无需具有两个相等的半部。但是使两个部分的光学轴正交是重要的。

图28示意性示出了利用偏振方法使光束消相干来产生不对称QNDB。基本机制是：

·使线性偏振光入射在四分之一波片上。

·轴棱锥形成焦线

·一个或多个准直透镜形成光环或光的环状物

·使环状物通过SQWP

·聚焦透镜重新聚焦光以形成焦线或QNDB。该QNDB将是不对称的(或椭圆的)，因为SQWP形成了光束的两个正交偏振部分，这两个部分无法再相干地组合。

在30mm双合透镜之后，图26所示的系统中的光束的数值孔径(NA)为约0.37。这意味着在光束短轴(或最小截面)上的预期光斑尺寸为约2微米。聚焦光束的预期光斑尺寸是光束的NA的函数，并且通过下式给出：

其中，d是光斑直径，λ₀是波长，n₀是介质的折射率。也就是说，光斑尺寸是波长、NA以及与光束形状相关的常数的函数。

纳米穿孔和裂纹方向控制的示例性结果。图29示出了利用图26的光学系统实现的纳米穿孔和裂纹控制的示例性图像。该图示出了利用SQWP光学系统在非离子交换康宁编号2318玻璃中实现的纳米穿孔。在每幅图中作出成“十字”的孔，以显示台/激光束在垂直(y)方向和水平(x)方向上通过。在每幅图中可见到独立于台移动的x或y方向的偏置的裂纹方向——该裂纹方向用红色箭头突出。在每辐图之间进行，开始平行于水平(x)方向取向的SQWP的分裂，以制造具有左上图中的接近垂直(y)的裂纹的纳米穿孔，然后在随后的各图像中每次旋转SQWP 45度步进量(step)。箭头表示在每幅图中观察到的偏置裂纹的方向。

图30示出了在四个不同的SQWP旋转角(0度、45度、90度、135度) 下制造的具有纳米穿孔线的星形图案。为了制造每条线，将SQWP设置在不同的旋转角下，以控制偏置的裂纹方向与台的移动方向平行。值得注意的是，各个纳米穿孔之间的裂纹扩展恰好遵循预期的方向。

光束测量方法。利用图31所示的光学系统，使用CCD摄像机，并且在其前面具有NA＝0.8的60倍显微物镜来进行准无衍射光束的剖面测量。

显微物镜用于放大焦线的截面并将其成像到CCD摄像机上。

这种放大是使每个摄像机像素对应于焦线的给定截面平面处的仅～0.027 微米的尺寸，从而允许甚至是微米级的光束截面能够高保真地亚分辨。

然后使显微物镜和CCD摄像机沿着光束的光学轴扫描，以随着z的变化捕捉光束的截面轮廓。

图32是对于一个给定的z位置(沿着光学轴的位置)，用CCD摄像机获得的光束截面的图像。

灰度阴影表示光的强度，较深的阴影是最强的，较淡的阴影强度最低。x/y 标尺的单位为微米。图32示出的是不对称光束，其中光斑沿着水平(x)方向伸长。

图33是在一系列z位置处(沿着光学轴的各位置)获得的截面图像中的峰值强度图。强度单位是在摄像机的每个像素上测量的模数转换器的二进制单位，并且图像是使用8位CCD摄像机获取的，因此最大像素强度为255。最大强度出现在z＝1.6mm处。在最大强度位置处获得图32所示的xy截面图像。

在下面的两个示例中，使用图31所示的光学系统形成不对称QNDB，并且使用上述CCD摄像机系统表征得到的光束。

在两种情况中，光学器件是相同的，不同之处在于，在下述两个实例之间， SQWP的取向旋转了45度。

下文列出了用于确定F_D的程序

1)针对沿光学轴的一系列位置测量光束强度I(x,y)分布。

a.这在合适的z位置范围上进行，以使测量涵盖某一区域，在该区域中，光束强度随着z的变化达到最大值，并且下降到小于z位置的两侧上的最大水平的1/2。

2)测量光束的瑞利范围

a.根据上述的图像，测量光束从最大强度下降到峰值强度的1/2所需的z距离。

3)计算光束的W_o,有效

a.使用在光束腰部的z位置(z轴上的最大强度位置)处测得的光束剖面(图像)来对其进行评估

b.测量光束剖面的长轴和短轴的W_o——光束强度下降到其峰值的 1/e²的径向距离。W_o,有效是它们中的较小者。

c.作为该测量的一部分，还可验证光束的纵横比＝W_o,最大/W_o,最小是否 >1.1，从而证实其不对称性

4)将测得的瑞利范围与单独通过W_o,有效预测的瑞利范围进行比较

d.评估F_D＝Z_Rx,最小/(πW² _o,eff/λ)

e.如果其>10，则具有QNDB

结果

关于实验产生的不对称QNDB的有效实施例

计算不对称性和F_D:

示例1)“-33”文件

该实施例是基于图32和33所示的光束剖面测量。

λ＝1.064微米

13-33→注意，椭圆的长轴在x轴上对齐

焦线的FWHM＝1.23mm(～2X瑞利范围)：

瑞利范围的确定：

瑞利范围是其中光束在z方向上从峰值衰减到其峰值的1/2的最短距离。

在这种情形中，最短距离从峰值所处的z＝1.6mm处移向更加负的z，从而在约z＝1.17mm处达到峰值强度的1/2。

→这得到了到达一半强度点的距离为0.43mm

在搜索以正z方向移动的1/2强度点的情况中，交叉点在约z＝2.40mm处。

→这得到了到达一半强度点的距离为0.80mm

→然后利用上述两个距离中的最小值得到瑞利范围：

Z_Rx,最小＝0.43mm

Z_Ry,最小＝0.43mm(当使用强度方法时，x和y相同)

图34和35分别在10微米×10微米和5微米×5微米的尺寸内示出了图 32所示的xy截面的中心部分的放大图。

图36示出了根据图34所示的xy截面获得的两条迹线，它们对应于x方向上的一维切片(具有较宽的中心特征的迹线)和y方向上的一维切片(具有较窄的中心特征的迹线)。

所分析的截面图是在z～1.6mm处的截面图，在该处，沿着光学轴的强度处于其峰值。

x方向的迹线(切片X)是通过xy截面的峰值强度像素绘制的像素强度的水平截面。

y方向的迹线(切片Y)是通过xy截面的峰值强度像素绘制的像素强度的垂直截面。

现在计算x方向和y方向上的光斑半径：

检查X切片：

W_o,最小＝4.995-4.06＝0.94微米

W_o,最大＝5.96-4.995＝0.96微米

x方向上的直径＝1.90微米(1/e²强度点)

→W_o,最小＝0.94微米

检查Y切片：

W_o,最小＝4.995-3.33＝1.66微米

W_o,最大＝7.39-4.995＝2.40微米

y方向上的直径＝4.06微米(1/e²强度点)

→W_o,最大＝1.66微米

现在计算W_o,有效

W_o,有效＝任何方向上(x或y)强度下降到最大值的1/e²的最短距离

→W_o,有效＝0.94微米

然后计算纵横比：

→纵横比＝W_o,最大/W_o,最小＝1.66/0.94＝1.76

光束是不对称的，纵横比>1.1

F_D的确定：

测得的最小瑞利范围＝0.43mm＝430微米

Z_Rx,最小＝430微米

W_o,有效＝0.94微米(利用的是强度下降到1/e²处的最短径向距离)

→πW² _o,有效/λ＝2.61微米

→F_D＝Z_Rx,最小/(πW² _o,有效/λ)＝430微米/2.61微米＝165

F_D>10，其为准无衍射光束

以及

示例2)“-39”文件

在示例2中，使图31的光学系统中示出的SQWP相对于示例1所用的SQWP位置旋转45度。示例1和示例2的光学系统在其他方面是相同的。

图37示出了xy光束截面，图38示出了沿着z方向(沿着光学轴的方向) 的不同聚焦位置处的峰值强度。峰值强度出现在z＝1.8mm处，并且在峰值强度的z位置处获得图37所示的xy截面。以与获得图32和33所示数据相同的方式获得图37和38所示的数据。图39和40分别在10微米×10微米和5微米×5微米尺寸内示出了图37所示的xy截面的中心部分的放大图。

λ＝1.064微米

13-39→注意，椭圆的长轴以45度对齐到x轴

焦线的FWHM＝1.21mm(～2X瑞利范围)

瑞利范围的确定：

瑞利范围是其中光束从峰值衰减到其峰值的1/2的最短距离。

在这种情形中，最短距离从峰值所处的z＝1.8mm处移向更加负的z，从而在约z＝1.16mm处达到峰值强度的1/2。

→这得到了到达一半强度点的距离为0.64mm

在搜索以正z方向移动的1/2强度点的情况中，交叉点在约z＝2.37mm处。

→这得到了到达一半强度点的距离为0.57mm

→利用上述两个距离中的最小值得到x维度的瑞利范围：

Z_Rx,最小＝0.57mm

Z_Ry,最小＝0.57mm(当使用强度方法时，x和y相同)

图41示出了根据图37所示的xy截面获得的两条迹线，它们对应于-45度方向上的一维切片(具有较宽的中心特征的迹线)和+45度方向上的一维切片 (具有较窄的中心特征的迹线)。

所分析的截面图是在z～1.8mm处的截面图，在该处，沿着光学轴的强度处于其峰值。-45度迹线(切片-45度)是通过xy截面的峰值强度像素绘制的像素强度的-45度截面(在图37的xy截面中从左下通到右上来截取)。

+45度迹线(切片+45度)是通过xy截面的峰值强度像素绘制的像素强度的+45度截面(在图37的xy截面中从左上通到右下来截取)。

现在计算-45度方向和+45度方向上的光斑半径：

检查-45度切片：

W_o,最小＝7.07-4.96＝2.11微米

W_o,最大＝9.40-7.07＝2.33微米

-45度方向上的直径＝4.44微米(1/e²强度点)

→W_o,最小＝2.11微米

检查+45度切片：

W_o,最大＝7.05-6.12＝0.93微米

W_o,最小＝7.96-7.05＝0.91微米

+45度方向上的直径＝1.84微米(1/e²强度点)

→W_o，最小＝0.91微米

现在计算W_o,有效

W_o,有效＝任何方向上(x或y)强度下降到最大值的1/e²的最短距离

→W_o,有效＝0.91微米

然后可计算纵横比：

→纵横比＝W_o,最大/W_o,最小＝2.11/0.91＝2.32

F_D的确定：

测得的最小瑞利范围＝0.43mm＝430微米

Z_Rx,最小＝570微米

W_o,有效＝0.91微米(使用的是强度下降到1/e²处的最短径向距离)

→πW² _o,有效/λ＝2.44微米(根据原点校准)

→F_D＝Z_Rx,最小/(πW² _o,有效/λ)＝570微米/2.44微米＝234

→F_D>10，其为准无衍射光束

模型化结果

最后，图42-45示出了在不同z位置处的一系列光束剖面的光学方差(σ² _x(z) 或σ² _y(z))的直接计算是如何同样可以用来计算QNDB的瑞利范围Z_Rx,最小。

这是确立方程(31)中使用的瑞利范围的替代性方式，其与上述示例中实验测量光学轴上光束强度下降到其最大值的1/2相反。

图42示出了不对称的QNDB剖面。

图43示出了作为z的函数的光学轴上的所得强度(上图)，以及作为z 的函数的计算光束方差(的平方根)(下图)。x方向的方差和y方向的方差是相同的，这是因为光束是对称旋转的。x或y瑞利范围由其中σ_x(z)或σ_y(z)增加大于其最小值的开方(2)倍的沿z轴的距离决定。这相当于σ² _x(z)或σ² _y(z) 增加2时的测量值。

图44和45示出了不对称QNDB的相同信息集。这与在上述实施例的一个中通过实验产生的光束形状相同。由于光束是不对称的，因此x方向和y方向上的光束方差不再相等。y方向上的方差随着z而增加比x方向上的方差显著更快，这是因为x轴上的光束更窄，因此在x轴上衍射得更快。此处应注意的是，σ_y(z)相对于其最小值增加到1.4值(即，开方(2))的完全一样的各z位置是否是光学强度I(z)下降到其峰值的1/2的点。

这说明了如何可以利用光束方差的测量或峰值强度下降的测量来测量瑞利范围Z_Rx,最小。

两种方法之间的唯一差别在于，如果使用强度方法，则针对x或y方向分布的瑞利范围测量之间将不在有任何区别。

即，如果使用强度方法，则：

Z_Rx,最小＝Z_Ry,最小且Z_Rx,最大＝Z_Rx,最大

这是因为每个光束强度分布I(x,y)仅存在一个最大强度位置(x,y)。

本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值开始和/或至“约”另一个具体值终止。当表述这样的范围时，另一个实施方式包括自所述一个具体数值始和/或至所述另一具体数值止。类似地，当用先行词“约”将数值表示为近似值时，应理解具体数值构成了另一个实施方式。还应理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值相关以及独立于另一个端点值的情况下都是有意义的。

本文所用的方向术语——例如上、下、左、右、前、后、顶、底——仅仅是参照绘制的附图而言，并不用来暗示绝对的取向。

除非另有明确说明，否则本文所述的任何方法不应理解为其步骤需要按具体顺序进行，或者要求使任何设备具有特定取向。因此，如果方法权利要求没有实际叙述其步骤要遵循的顺序，或者任何设备权利要求没有实际叙述各组件的顺序或取向，或者权利要求书或说明书中没有另外具体陈述步骤限于具体顺序，或者没有叙述设备组件的具体顺序或取向，那么在任何方面都不应推断顺序或取向。这适用于解释上的任何可能的非表达性基础，包括：涉及步骤安排的逻辑问题、操作流程、组件的顺序或组件的取向问题；由语法组织或标点派生的明显含义问题和说明书中描述的实施方式的数量或类型问题。

除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式“一个”、“一种”以及“该/所述”包括复数指代。因此，例如，提到的“一种”部件包括具有两种或更多种这类部件的方面，除非文本中有另外的明确表示。

对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各个实施方式的修改和变化形式，条件是这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (11)

1.一种用于对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：

在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷，其中，形成轮廓线包括：

引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过在径向方向上偏离光束路径定位的非球面光学元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，所述诱导吸收在透明工件中产生缺陷，并且被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括：

波长λ；

有效光斑尺寸W_o,有效；和

非轴对称光束截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围Z_Rx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围Z_Ry,最小，其中，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是包含10或更大数值的无量纲的发散系数，

使道威棱镜围绕光束路径旋转，其中，所述道威棱镜沿着光束路径定位在非球面光学元件与透明工件之间，以使脉冲激光束通过道威棱镜；以及

使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此，激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷，以使一部分轮廓线包含沿着透明工件的成像表面的曲率。

2.如权利要求1所述的方法，其中，非球面光学元件包含折射轴棱锥、反射轴棱锥、逆向反射锥面镜对、负轴棱锥、空间光调制器、衍射光学器件或立方体形状的光学元件。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述无量纲的发散系数F_D包含约50至约1500的数值。

4.如权利要求1所述的方法，其中，引导到透明工件中的脉冲激光束的部分的非轴对称光束截面包含具有光斑尺寸参数W_o,最大的长轴和具有光斑尺寸参数W_o,最小的短轴，其中W_o,最大比W_o,最小长，并且纵横比W_o,最大比W_o,最小大于1.3。

5.一种用于对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：

在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷，其中，形成轮廓线包括：

引导脉冲激光束，该脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出，通过非球面光学元件以及超过挡光元件，并且进入到透明工件中，使得被引导到透明工件中的脉冲激光束的部分在透明工件中产生诱导吸收，其中所述非球面光学元件和挡光元件各自定位在光束源与透明工件之间，所述诱导吸收在透明工件中产生缺陷，并且引导到透明工件中的脉冲激光束的部分包括：

波长λ；

有效光斑尺寸W_o,有效；和

非轴对称截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围Z_Rx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围Z_Ry,最小，其中，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是包含10或更大数值的无量纲的发散系数，

使道威棱镜围绕光束路径旋转，其中，所述道威棱镜沿着光束路径定位在非球面光学元件与透明工件之间，以使脉冲激光束通过道威棱镜；以及

使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此，激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷，以使一部分轮廓线包含沿着透明工件的成像表面的曲率。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述无量纲的发散系数F_D包含约50至约1500的数值。

7.一种用于对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：

在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包含透明工件中的缺陷，其中，形成轮廓线包括：

引导脉冲激光束通过非球面光学元件，所述脉冲激光束沿着光束路径取向并且由光束源输出；

利用定位在光束源与透明工件之间的消相干光学元件而使脉冲激光束的第一光束部分与脉冲激光束的第二光束部分消相干；以及

将脉冲激光束的第一光束部分和第二光束部分引导到透明工件中，以使被引导到透明工件中的脉冲激光束的第一光束部分和第二光束部分在透明工件中产生诱导吸收，所述诱导吸收在透明工件中产生缺陷，并且被引导到透明工件中的第一光束部分和第二光束部分的组合包括：

波长λ；

有效光斑尺寸W_o,有效；和

非轴对称截面，其包含在截面的x方向上的最小瑞利范围Z_Rx,最小，以及在截面的y方向上的最小瑞利范围Z_Ry,最小，其中，Z_Rx,最小与Z_Ry,最小中的较小者大于

其中F_D是包含10或更大数值的无量纲的发散系数。

8.如权利要求7所述的方法，其还包括：使透明工件和脉冲激光束沿着轮廓线相对于彼此平移，由此，激光在透明工件中沿着轮廓线形成多个缺陷。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述无量纲的发散系数F_D包含约10至约2000的数值。

10.如权利要求7所述的方法，其中，所述消相干光学元件包括光学延迟板，并且使第一光束部分与第二光束部分消相干包括：引导脉冲激光束的第一光束部分通过光学延迟板，以诱导第一光束部分相对于第二光束部分发生光学迟滞。

11.如权利要求7所述的方法，其中，使第一光束部分与第二光束部分消相干包括：

使脉冲激光束的第一光束部分偏振，以使脉冲激光束的第一光束部分在透明工件处包含第一偏振光；以及

使脉冲激光束的第二光束部分偏振，以使脉冲激光束的第二光束部分在透明工件处包含第二偏振光，其中，第一偏振光与第二偏振光正交。

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