CN110494255B - 使用相移焦线激光加工透明工件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光加工透明工件的方法包括在透明工件中形成具有缺陷的轮廓线，其包括引导沿着光束路径定向的脉冲激光束通过光束转换元件并通过相位修改光学元件，使得被引导进入透明工件的脉冲激光束的部分包括具有横截面相位轮廓的相移焦线，该横截面相位轮廓包括由相位修改光学元件引起的并沿相位脊线延伸的相位轮廓脊。此外，相移焦线在透明工件内生成诱发吸收以在透明工件内产生缺陷，该缺陷包括中心缺陷区域和从中心缺陷区域在径向缺陷方向上向外延伸的径向臂，该径向缺陷方向定向在相移焦线的相位脊线的20°内。

Description

使用相移焦线激光加工透明工件的装置和方法
本申请根据35 U.S.C.§119要求于2017年2月9号提交的美国临时申请序列第62/456,774号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。
背景
领域
本说明书总体上涉及用于激光加工透明工件的设备和方法，更具体地，涉及在透明工件中形成轮廓线以用于分离透明工件。
技术背景
材料的激光加工领域包括涉及不同类型材料的切割、钻孔、铣削、焊接、熔化等的各种应用。在这些工艺中，特别感兴趣的是在可用于生产用于薄膜晶体管(TFT)或电子设备的显示材料的材料(诸如玻璃、蓝宝石或熔融石英)的工艺中切割或分离不同类型的透明基板。
从工艺开发和成本角度来看，在切割和分离玻璃基板方面存在许多改进的机会。与目前在市场上实施的方法相比，具有更快、更清洁，更便宜、更可重复且更可靠的分离玻璃基板的方法是非常有意义的。因此，需要用于分离玻璃基板的替代改进方法。
发明内容
根据一个实施例，用于激光加工透明工件的方法包括在透明工件中形成轮廓线，该轮廓线包括透明工件中的缺陷。形成轮廓线包括引导沿着光束路径定向的并且由光束源输出的脉冲激光束通过光束转换元件并将脉冲激光束引导通过相位修改光学元件并进入透明工件，使得被引导进入透明工件的脉冲激光束的部分包括相移焦线，该相移焦线具有横向于脉冲激光束的光束传播方向的横截面相位轮廓。此外，横截面相位轮廓包括由相位修改光学元件引起的一个或多个相位轮廓脊，该一个或多个相位轮廓脊沿着一个或多个相位脊线延伸。此外，相移焦线在透明工件内生成诱发吸收，该诱发吸收在透明工件内产生缺陷，该缺陷包括中心缺陷区域和至少一个从中心缺陷区域沿径向缺陷方向向外延伸的径向臂，该径向缺陷方向定向在相移焦线的该一个或多个相位脊线的20°内。
在另一个实施例中，用于激光加工透明工件的方法包括将脉冲激光束定位在透明工件中，该脉冲激光束在光束传播方向上沿光学路径传播且具有足以超过透明工件的损伤阈值的脉冲能量和脉冲持续时间以及相移焦线，该相移焦线将轴对称光束斑投射到透明工件的成像表面上并且在轴对称光束斑处具有横截面相位轮廓。此外，横截面相位轮廓包括沿着相位脊线，沿着横截面相位轮廓延伸的一个或多个相位轮廓脊。此外，相移焦线在透明工件内生成诱发吸收，该诱发吸收在透明工件内产生缺陷，该缺陷具有中心缺陷区域和至少一个从中心缺陷区域沿径向缺陷方向向外延伸的径向臂，该径向缺陷方向定向在相移焦线的该一个或多个相位脊线的20°内。
在又一个实施例中，用于激光加工透明工件的方法包括在透明工件中形成轮廓线，该轮廓线包括透明工件中的缺陷。形成轮廓线包括引导沿着光束路径定向的并且由光束源输出的脉冲激光束通过非球面光学元件并将脉冲激光束引导通过相位修改光学元件并进入透明工件，使得被引导进入透明工件的脉冲激光束的部分包括相移焦线。该相移焦线包括从拖尾部分相移的前导部分，使得相移焦线的前导部分在相移焦线的拖尾部分照射透明工件之前照射透明工件。此外，相移焦线在透明工件内生成诱发吸收，该诱发吸收在透明工件内产生缺陷，该缺陷包括中心缺陷区域和至少一个从中心缺陷区域沿径向缺陷方向向外延伸的径向臂。此外，相移焦线将轴对称光束斑投射到透明工件的成像表面上。
本文中所描述的过程和系统的附加特征和优点将在以下具体实施方式中阐述，并且将部分地从所述描述中对本领域的技术人员变得显而易见，或可通过实践本文中所描述的实施例(包括下面的具体实施方式、权利要求书以及附图)而被认识。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者描述了各个实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的主题的本质和特性的概观或框架。附图被包括以提供对各个实施例的进一步的理解，并且附图被结合到本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本文所述的各个实施例，并与说明书一起用于说明所要求保护的主题的原理和操作。
附图简述
在附图中阐述的实施例在性质上是说明性和示例性的，并不意图限制由权利要求定义的主题。当结合下列附图阅读时，说明性实施例的下列详细描述可以被理解，在附图中使用相同的附图标记来指示相同的结构，其中：
图1A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的缺陷的轮廓线的形成；
图1B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在加工透明工件期间的相移焦线的示例；
图2A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的光束斑和具有一个或多个相位轮廓脊的横截面相位轮廓，该相位轮廓脊横穿期望的分离线以在透明工件中形成轮廓线；
图2B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的光束斑和具有一个或多个相位轮廓脊的横截面相位轮廓。
图2C图示描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的光束斑的相对强度作为光束斑内径向位置的函数。
图3示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于脉冲激光加工的光学组件的常规实施例；
图4示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于脉冲激光加工的光学组件的另一个实施例，该光学组件包括偏移透镜；
图5示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于脉冲激光加工的光学组件的另一个实施例，该光学组件包括复合透镜；
图6A图示描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的根据本文描述的一个或多个实施例的示例性脉冲串内激光脉冲的相对强度与时间的关系；
图6B图示描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的另一个示例性脉冲串内激光脉冲的相对强度与时间的关系；
图7A描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图3的光学组件形成的非相移焦线的横截面强度分布；
图7B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，图7A的非相移焦线的横截面相位轮廓；
图7C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图7A和7B的非相移焦线在透明工件中形成的缺陷示例；
图8A描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图5的光学组件形成的相移焦线的横截面强度分布；
图8B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，图8A的相移焦线的横截面相位轮廓；
图8C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图8A和8B的相移焦线在透明工件中形成的缺陷示例；
图9A描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图5的光学组件形成的另一个相移焦线的横截面强度分布；
图9B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，图9A的相移焦线的横截面相位轮廓；
图9C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图9A和9B的相移焦线在透明工件中形成的缺陷示例；
图10A描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图4的光学组件形成的相移焦线的横截面强度分布；
图10B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，图10A的相移焦线的横截面相位轮廓；
图10C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图10A和10B的相移焦线在透明工件中形成的缺陷示例；
图11A描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图4的光学组件形成的相移焦线的横截面强度分布；
图11B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，图11A的相移焦线的横截面相位轮廓；
图11C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图11A和11B的相移焦线在透明工件中形成的缺陷示例；
图12A描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图4的光学组件形成的相移焦线的横截面强度分布；
图12B描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，图12A的相移焦线的横截面相位轮廓；以及
图12C描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的，使用图12A和12B的相移焦线在透明工件中形成的缺陷示例。
具体实施方式
现在将详细参考用于激光加工透明工件(诸如玻璃工件)的过程的实施例，其示例在附图中图示出。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标号来指示相同或类似的部件。根据本文描述的一个或多个实施例，透明工件可以被激光加工以在透明工件中形成轮廓线，该轮廓线包括一系列缺陷，该一系列缺陷限定了将透明工件分成两个或更多个部分的期望分离。根据一个实施例，脉冲激光器输出脉冲激光束穿过一个或多个光学部件，使得脉冲激光束投射具有横截面相位轮廓的相移焦线，该横截面相位轮廓具有沿相位脊线延伸的一个或多个相位轮廓脊。可以使用相移焦线在透明工件中产生一系列缺陷，从而限定轮廓线。在本文的各实施例中，这些缺陷可以被称为工件中的线缺陷、穿孔或纳米穿孔。此外，这些缺陷可以包括中心缺陷区域和主要形成在与相移焦线的一个或多个相位脊线对应的径向缺陷方向(例如，定向在该一个或多个相位脊线的约30°内，例如，在该一个或多个相位脊线的约20°内，该一个或多个相位脊线的10°内，该一个或多个相位脊线的5°内等，例如，与该一个或多个相位脊线平行)上的径向臂。在一些实施例中，加工可以进一步包括沿着轮廓线分离透明工件，例如使用被配置为加热透明工件的邻近轮廓线的区域的红外激光或其他激光或弯曲、划刻透明工件或以其他方式机械地对透明工件施加应力。在其他实施例中，透明工件可以被机械地施加应力以引起分离，或者可以自发地发生分离。尽管不旨在受理论限制，但是在轮廓线处对透明工件施加应力可沿着轮廓线传播裂缝。通过沿着轮廓线控制每个缺陷的径向臂的方向，裂缝传播可以被更好地控制。这里将具体参考附图描述用于加工透明工件的方法和装置的各个实施例。
本文所用的短语“透明工件”是指由玻璃或玻璃陶瓷形成的工件，其是透明的，其中如本文所用的术语“透明”，表示该材料的光学吸收小于每毫米材料深度约20％，诸如对于指定的脉冲激光波长，小于每毫米材料深度约10％，或者诸如对于指定的脉冲激光波长，小于每毫米材料深度约1％。根据一个或多个实施例，透明工件可以具有厚度从约50微米到约10毫米(诸如从约100微米到约5微米，或从约0.5毫米到约3毫米)。
根据一个或多个实施例，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、分离工件或其组合。透明工件可以包括由玻璃组合物形成的玻璃工件，诸如硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱金属铝硅酸盐玻璃、碱土金属铝硅酸盐玻璃、碱土金属硼铝硅酸盐玻璃、熔融二氧化硅，或结晶材料诸如蓝宝石、硅、砷化镓或其组合。在一些实施例中，玻璃可以是可离子交换的，使得玻璃组合物可以在激光加工透明工件之前或之后进行离子交换以进行机械强化。例如，透明工件可以包括离子交换和可离子交换玻璃，诸如购自纽约州康宁市的康宁公司(Corning Incorporated)的Corning
Figure BDA0002222377030000061
玻璃(例如，代码2318、代码2319和代码2320)。此外，这些离子交换玻璃可以具有约6ppm/℃至约10ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。在一些实施例中，透明工件的玻璃组合物可以包括大于约1.0mol.％的硼和/或含硼化合物，包括但不限于B2O3。在另一个实施例中，形成透明工件的玻璃组合物包括小于或等于约1.0mol.％的硼的氧化物和/或含硼化合物。此外，透明工件可以包括其他对激光的波长透明的组分，例如，诸如蓝宝石或硒化锌的晶体。
一些透明工件可以用作显示器和/或TFT(薄膜晶体管)基板。适合于显示器或TFT使用的这种玻璃或玻璃组合物的一些示例是可购自纽约州康宁市的康宁公司(CorningIncorporated)的EAGLE
Figure BDA0002222377030000062
CONTEGO和CORNING LOTUSTM。可以将碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物配制成适合用作用于电子应用的基板，包括但不限于用于TFT的基板。与TFT结合使用的玻璃组合物通常具有与硅相似的热膨胀系数(CTE)(诸如小于5×10-6/K，或甚至小于4×10-6/K，例如，约3×10-6/K，或约2.5×10-6/K到约3.5×10-6/K)，并且在玻璃内具有低含量的碱。低含量的碱(例如，约0重量％到2重量％的痕量，诸如小于1重量％，例如，小于0.5重量％)可用于TFT应用中，因为在某些条件下，碱性掺杂剂从玻璃中浸出并污染或“毒化”TFT，可能导致TFT无法操作。根据实施例，本文所描述的激光切割加工可用于以受控方式分离透明工件，其具有可忽略的碎屑、最小的缺陷和对边缘的低次表面损伤，从而保持工件完整性和强度。
文本使用的短语“轮廓线”表示工件表面上预期分离的线(例如，线、曲线等)，在暴露于适当的加工条件时，透明工件将沿着该线被分成多个部分。轮廓线通常由使用各种技术引入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改性材料(相对于体材料)区域、空隙空间、划痕、瑕疵、孔或其他变形，其能够自发地或通过额外的加工进行分离，诸如通过红外激光加工、机械应力或其他分离加工。此外，每个缺陷可以包括中心缺陷区域和一个或多个从中心缺陷区域沿透明工件的成像表面向外延伸的径向臂。如本文所用，透明工件的“成像表面”是透明工件的表面，在该表面处脉冲激光束最初接触透明工件。
如下文更详细描述的，该一个或多个径向臂的径向定向可以通过照射透明工件的相移焦线的横截面相位轮廓的取向来控制。作为一个示例，包括相移焦线的脉冲激光束可以照射透明工件的成像平面以生成包括中心缺陷区域和一个或多个径向臂的缺陷，该相移焦线包括沿着一个或多个相位脊线延伸的一个或多个相位轮廓脊，该一个或多个径向臂从中心缺陷区域沿与该一个或多个相位脊线对应的径向缺陷方向延伸，例如，该径向缺陷方向定向在该一个或多个相位脊线的约30°内，例如，在该一个或多个相位脊线的约20°内，该一个或多个相位脊线的10°内，该一个或多个相位脊线的5°内等，例如，与该一个或多个相位脊线平行。此外，中心缺陷区域可以与由相移焦线投射到透明工件的成像表面上的光束斑的中心基本上同位。
诸如玻璃基板等的透明工件，可以通过首先在工件的表面上形成轮廓线，然后例如使用红外激光在轮廓线上加热工件的表面以在工件内产生应力(诸如热应力)，被分成多个部分。应力最终导致工件沿轮廓线分离。此外，当使用脉冲激光束形成每个缺陷，该脉冲激光束具有相移焦线，该相移焦线定向成使得横截面相位轮廓的一个或多个相位轮廓脊沿着或大致平行于一个或多个相位脊线延伸，该相位脊线基本上沿着或大致平行于期望的分离线延伸时，由透明工件中沿着轮廓线的应力缺陷引起的裂缝传播可以在期望的分离线中延伸。形成具有在期望的分离线方向上延伸的径向臂的缺陷可以允许缺陷以比具有随机延伸的径向臂或没有径向臂的缺陷更大的间隔距离间隔开，而不会损坏分离的透明工件的边缘，轮廓线在分离之前存在于该边缘处。此外，形成具有沿着期望分离线的方向在径向缺陷方向上延伸的径向臂的缺陷允许通过施加到工件上的较小应力(例如，较少的能量，诸如热能)产生裂纹传播，从而限制对分离的透明工件的边缘的损坏，轮廓线在分离之前存在于该边缘处。相反，当缺陷包括随机延伸的径向臂或没有径向臂时，裂缝可以在大致垂直于分离的透明工件的边缘(即，大致垂直于由轮廓线表示的期望的分离线)的方向上从分离的边缘传播，其削弱了分离的透明工件的边缘。
现在参考图1A和1B作为示例，透明工件160，诸如玻璃工件或玻璃陶瓷工件，示意性地描绘为经受根据本文描述的方法的加工。图1A和1B描绘了在透明工件160内形成轮廓线170，轮廓线170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而形成。图1A和1B描绘了脉冲激光束112沿着光束路径111并定向成使得可以使用相位修改光学元件140(例如一个或多个透镜130(例如，如下文所述的第一聚焦透镜132))将脉冲激光束112聚焦成透明工件160内的相移焦线113。此外，如下文更详细定义的，相移焦线113是准非衍射光束的一部分。
图1A和1B描绘了脉冲激光束112形成投射到透明工件160的成像表面162上的光束斑114。如本文中还使用的，“光束斑”是指在与工件(例如，透明工件160)第一次接触的点处的激光束(例如，脉冲激光束112)的强度横截面。在一些实施例中，相移焦线113可以包括在光束路径111的法线方向上的轴对称强度横截面(例如，轴对称光束斑)，并且在其他实施例中，相移焦线113可以包括在光束路径111的法线方向上的非轴对称强度横截面(例如，非轴对称光束斑)。如本文所用的，“轴对称”指的是对于围绕中心轴的任意旋转角度对称或看起来相同的形状，“非轴对称”指的是对于围绕中心轴的任意旋转角度不对称的形状。圆形光束斑是轴对称光束斑的一个示例，椭圆光束斑是非轴对称光束斑的一个示例。旋转轴(例如，中心轴)最常被视为激光束的传播轴(例如，光束路径111)。此外，光束斑114包括横截面中心115，该横截面中心115是光束斑114的峰值强度的位置，并且可以在光束斑的几何中心处或附近。光束斑114的峰值强度可以是高斯-贝塞尔光束的峰值强度，如下图2C图示描绘。包括非轴对称光束横截面的示例性脉冲激光束在题为“使用非轴对称光束斑加工透明工件的装置和方法(Apparatus and Methods for Laser Processing TransparentWorkpieces Using Non-Axisymmetric Beam Spots)”的美国临时专利申请第62/402,337号中有更详细的描述，该文献通过引用整体结合于此。
还参考图2A，轮廓线170沿着期望的分离线165延伸并描绘出预期分离线，透明工件160可以关于该预期分离线分成两个或更多部分。轮廓线170包括多个缺陷172，该多个缺陷172延伸到透明工件160的表面中并且建立用于裂缝传播的路径，以用于沿轮廓线170将透明工件160分离成分离部分。虽然在图1A和2A中描绘了轮廓线170基本上是线性的，但应该理解，可以设想其他配置并且其他配置是可能的，包括但不限于曲线、图案、规则几何形状、不规则形状等。
如图2A所示，每个缺陷172包括中心缺陷区域174和一个或多个在基本垂直于光束路径111的方向上(例如，如图1A、1B和2A所示在X和/或Y方向上)向外延伸的径向臂176。在操作中，在形成轮廓线170的缺陷172之后，例如，使用本文所描述的方法和系统，可以在后续分离步骤中进一步对缺陷172作用以引起透明工件160沿着轮廓线170分离。后续分离步骤可以包括使用机械力、热应力引起的力，或由于透明工件中存在的应力而发生的自发断裂，这取决于透明工件160的类型、厚度和结构。例如，应力可以存在于透明工件160中，其可以引起自发分离而无需进一步加热或机械分离步骤。
参考图1A、1B和2B，在本文所描述的实施例中，脉冲激光束112(具有投射到透明工件160上的光束斑114)可以被引导到透明工件160上(例如，会聚成高纵横比线焦点，其穿透透明工件160的至少一部分厚度)。这形成诸如相移焦线113之类的脉冲激光束焦线。此外，光束斑114是相移焦线113的示例性强度横截面，并且当相移焦线113照射透明工件160且穿透透明工件160的至少一部分厚度时，相移焦线113还包括横截面相位轮廓150。如本文所用的，“横截面相位轮廓”指的是与脉冲激光束112的光束传播方向正交的相移焦线113的横截面相位分布。一个示例性横截面相位轮廓150形成在光束斑114处。此外，尽管光束斑114和横截面相位轮廓150可以在相同位置处形成(例如，在透明工件160的成像平面162上)，应当理解的是，光束斑114是相移焦线113的示例性强度横截面，且横截面相位轮廓150是相移焦线113的示例性横截面相位分布。例如，在图2A和2B描绘的实施例中，横截面相位轮廓150被描绘为覆盖在光束斑114上，因为它们各自是脉冲激光束焦线113的物理横截面的属性并且表示脉冲激光束焦线113的强度和相位分布。
此外，脉冲激光束112可以相对于透明工件160平移(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引导或定位到透明工件160中引起部分透明工件160断裂，例如，沉积足够的能量以在沿着期望的分离线165的间隔位置处破坏透明工件160中的化学键以形成缺陷172。根据一个或多个实施例，脉冲激光束112可以通过透明工件160的运动(例如，耦合到透明工件160的平移台190的运动)、脉冲激光束112的运动(例如，相移焦线113的运动)，或透明工件160和相移焦线113二者的运动，在透明工件160上平移。通过相对于透明工件160来平移相移焦线113，在透明工件160中可以形成多个缺陷172。
现在参考图2A和2B，相移焦线113的横截面相位轮廓150包括多个径向相位环152，并且可以进一步包括一个或多个相位轮廓脊154。径向相位环152是多个径向对称的同心相位轮廓。此外，径向相位环152包括越来越大的半径。每个相邻的径向相位环152之间的径向间隔距离表示相位的相对斜率。在图2A和2B描绘的实施例中，径向间隔距离是恒定的，这表示恒定的相对相位斜率，然而，在其他实施例中，径向间隔距离可以变化。虽然不旨在受理论限制，但据信通过将脉冲激光束112引导通过光束转换元件120(例如，通过非球面光学元件122，诸如轴棱锥透镜)来引入多个径向相位环152，如图3-5描绘的。
再次参考图2A和2B，该一个或多个相位轮廓脊154包括多个非径向对称的相位轮廓。在图2A和2B描绘的实施例中，相位轮廓脊154与相邻相位轮廓脊154被间隔距离间隔开，该间隔距离大于每个相邻径向相位环152之间的径向间隔距离(即，相位轮廓脊154包括比径向相位环152低的相位频率)，然而，在其他实施例中，相位轮廓脊154可以与相邻相位轮廓脊154被间隔距离间隔开，该间隔距离小于或等于每个相邻径向相位环152之间的径向间隔距离。此外，相位轮廓脊154沿着一个或多个相位脊线151延伸。相位脊线151是相位轮廓脊154的定向的线性近似，因为每个相位轮廓脊154可以包括弯曲形状。例如，每个相位脊线151是单独的相位轮廓脊154的切线，该切线在中心点155处接触相位轮廓脊154，该中心点155是沿着每个单独的相位轮廓脊154最靠近光束斑114的横截面中心115(例如，如图2C描绘的光束斑114的峰值强度的位置)的位置，并且如上所述，光束斑114可以在横截面相位轮廓150附近或与其同位。作为一个示例，每个单独的相位轮廓脊154大致沿着单独的相位脊线151延伸并且在一些实施例中；该一个或多个相位轮廓脊154的相位脊线151基本上平行。虽然不旨在受理论的限制，但是相位轮廓脊154指示相移焦线113的相位修改，并且对光束斑114的光束强度分布和尺寸具有最小影响或没有影响。
仍然参考图2A和2B，横截面相位轮廓150指示脉冲激光束112的相对位置，特别是相移焦线113光束在给定时间的相对位置。虽然不旨在受理论的限制，但通过生成包括一个或多个相位轮廓脊154的横截面相位轮廓150，透明工件160的仅一部分材料在特定时间与相移焦线113相互作用(例如，以足够的非线性强度照射材料的该部分以引起透明工件160的吸收，从而产生缺陷172)。此外，相移焦线113在特定时间与透明工件160相互作用的部分是沿着相位脊线151延伸的相位轮廓脊154。因此，虽然不旨在受理论的限制，但据信取决于相移焦线113的相位在单个2π演变内的特定时间，相位轮廓脊154可以位于横截面相位轮廓150内的不同局部位置，同时在相邻相位轮廓脊154之间保持恒定的相对间隔，并保持沿相位脊线151的定向。虽然不旨在受理论的限制，但据信通过引导脉冲激光束通过相位修改光学元件140来诱导一个或多个相位轮廓脊154，在一些实施例中相位修改光学元件140包括定位成偏离光束路径111的一个或多个透镜130中的至少一个，如图4和5所描绘。
此外，虽然不旨在受理论的限制，但相移焦线113可以包括前导(leading)部分和拖尾(trailing)部分。相移焦线113的前导部分从相移焦线113的拖尾部分相移，使得在相移焦线113的拖尾部分照射透明工件160的成像表面162之前，相移焦线的前导部分照射透明工件160的成像表面162。当相移焦线113首先照射透明工件160的成像表面162时，相移焦线113的前导部分包括横截面相位轮廓150的相位轮廓脊154中的一个或多个，该一个或多个相位轮廓脊154最接近入射到成像表面162上的光束斑114的横截面中心115(并因此在峰值强度附近)，使得相移焦线113的前导部分基本上沿着或大致按相位脊线151定向。结果，透明工件160对相移焦线113的材料响应不是径向对称的，而是基本上沿着相位脊线151延伸，这反过来导致方向性裂缝，而不是随机裂缝。
因此，在操作中，横截面相位轮廓150可以影响由脉冲激光束112在透明工件160中形成的缺陷172的横截面形状。缺陷172的横截面形状指的是缺陷在与脉冲激光束112的传播方向垂直的方向上的形状。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的横截面形状对应于缺陷172在成像表面162的平面中，或在与工件的成像表面162的平面平行的任何平面中的形状。
生成具有一个或多个相位轮廓脊154的横截面相位轮廓150导致分离部分更有效的切割、更少的缺陷和更高的边缘强度。不希望受理论的约束，据信包括横截面相位轮廓150的相移焦线113通过沿着切割轨迹引导裂缝定向改善了切割，横截面相位轮廓150具有沿相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154，相位脊线151沿着或平行于(或大致沿着或平行于)期望的分离线165定向。在横截面相位轮廓150不包括该一个或多个相位轮廓脊154的情况下，据信与损伤区域的形成相关联的应力集中在损伤区域附近，但具有随机定向。据信随机应力定向导致在远离预期切割轨迹的方向上断裂，表现为分离部分中的微裂缝和其他缺陷。据信此类微裂缝和缺陷降低分离部分的主体和/或边缘的机械强度。通过采用具有沿相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154的横截面相位轮廓150，该相位脊线151沿着或平行于(或大致沿着或平行于)期望的分离线165定向，据信与形成损伤区域相关联的缺陷或裂缝可以沿着切口引导以在远离期望的分离线165的方向上形成更少的裂缝或缺陷。与期望的分离线165对齐的裂缝的缺陷优选于远离期望的分离线165定向的缺陷或裂缝。
再次参考图1A-2B，用于形成缺陷172的脉冲激光束112进一步具有强度分布I(X,Y,Z)，其中Z是脉冲激光束112的光束传播方向，且X和Y是与传播方向正交的方向，如图所示。X-方向和Y-方向还可以被称为是横截面方向，且X-Y平面可以被称为横截面平面。脉冲激光束112在横截面平面上的强度分布可以被称为横截面强度分布。此外，本文所讨论的横截面相位轮廓150是X-Y平面中的横截面相位分布。
在光束斑114或其他横截面处的脉冲激光束112可以包括准非衍射光束，例如具有如下数学定义的低光束发散的光束，这是通过使脉冲激光束112(例如，使用光束源110输出脉冲激光束112，诸如高斯光束)传播通过光束转换元件120，诸如非球面光学元件122或环形孔)，如下面关于图3-5中所描绘的光学组件100更详细地描述的。光束发散指的是光束横截面在光束传播方向(即，Z方向)上的放大率。如本文所用，短语“光束横截面”指的是沿着垂直于脉冲激光束112的光束传播方向的平面(例如，沿着X-Y平面)的脉冲激光束112的横截面。本文所讨论的一个示例光束横截面是投射到透明工件160上的脉冲激光束112的光束斑114。示例准非衍射光束包括高斯-贝塞尔光束和贝塞尔光束。
衍射是导致脉冲激光束112发散的一个因素。其他因素包括由光学系统形成脉冲激光束112引起的的聚焦或散焦，或界面处的折射或散射。用于形成轮廓线170的缺陷172的脉冲激光束112可以具有光束斑114，该光束斑114具有低发散和弱衍射。脉冲激光束112的发散以瑞利范围ZR为特征，瑞利范围ZR与脉冲激光束112的强度分布的方差σ2和光束传播因素M2有关。在接下来的讨论中，公式会使用笛卡尔坐标系表示。可以使用本领域技术人员已知的数学技术获得其他坐标系的对应表达式。光束发散的附加信息可以在A.E.Siegman发表在SPIE研讨会系列题为《激光谐振器的新发展》(New Developments in LaserResonators)的第1224卷第二页(1990)，以及R.Borghi和M.Santarsiero发表在光学快报(Optics Letters)的题为《贝塞尔-高斯光束的M2因素》(M2 factor of Bessel-Gaussbeams)第22卷(5)第262页(1997)中找到，这些文献的公开内容通过引用整体并入本文。附加信息还可以在国际标准ISO 11146-1:2005(E)题为《激光器和激光相关设备——激光束宽度、发散角和光束传播比的测试方法——第1部分：散光和简单散光光束》(Lasers andlaser-related equipment—Test methods for laser beam widths,divergence anglesand beam propagation ratios—Part 1:Stigmatic and simple astigmatic beams)、ISO11146-2:2005(E)题为《激光器和激光相关设备——激光束宽度，发散角和光束传播比的测试方法——第2部分：一般像散光束》(Lasers and laser-related equipment—Testmethods for laser beam widths,divergence angles and beam propagation ratios—Part 2:General astigmatic beams)，以及ISO 11146-3:2004(E)题为《激光器和激光相关设备——激光束宽度，发散角和光束传播比的测试方法——第3部分：固有和几何激光束分类、传播和测试方法的细节》(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)中找到，这些文献的公开内容通过引用整体并入本文。
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由以下表达式给出：
Figure BDA0002222377030000141
Figure BDA0002222377030000142
这些也被称为维格纳(Wigner)分布的一阶矩，且在ISO 11146-2:2005(E)的第3.5节进行描述。它们的测量在ISO 11146-2:2005(E)的第7节进行描述。
方差是作为光束传播方向上的位置z的函数的脉冲激光束112的强度分布在横截面(X-Y)平面中的宽度的量度。对于任意激光束，X-方向上的方差可能与Y-方向上的方差不同。我们让
Figure BDA0002222377030000151
和
Figure BDA0002222377030000152
分别表示X-方向和Y-方向上的方差。特别感兴趣的是近场限制和远场限制中的方差。我们让
Figure BDA0002222377030000153
和
Figure BDA0002222377030000154
分别表示在近场限制中X-方向和Y-方向上的方差，并且我们让
Figure BDA0002222377030000155
和
Figure BDA0002222377030000156
分别表示在远场限制中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)，有着傅里叶变换
Figure BDA0002222377030000157
(其中vx和vy分别为X-方向和Y-方向上的空间频率)的激光束，x-方向和y-方向上的近场和远场方差由下列表达式给出：
Figure BDA0002222377030000158
Figure BDA0002222377030000159
Figure BDA00022223770300001510
Figure BDA00022223770300001511
方差量
Figure BDA00022223770300001512
和
Figure BDA00022223770300001513
也被称为维格纳(Wigner)分布的对角元素(见ISO 11146-2:2005(E))。可以使用ISO 11146-2:2005(E)第7节所描述的测量技术对实验激光束的这些方差进行量化。简而言之，该测量使用线性不饱和像素化检测器在有限空间区域上测量I(x，y)，该有限空间区域近似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、背景减法和检测器像素分辨率的适当范围从如由ISO 11146-2：2005(E)第7节中描述的迭代测量程序的收敛确定。等式1-6给出的表达式的数值从如由像素化检测器测量的强度值阵列进行数值计算。
通过任意光束的横向振幅分布
Figure BDA0002222377030000161
(其中
Figure BDA0002222377030000162
)和任意光束的空间频率分布
Figure BDA0002222377030000163
(其中
Figure BDA0002222377030000164
)之间的傅里叶变换关系，可以表明：
Figure BDA0002222377030000165
Figure BDA0002222377030000166
在等式(7)和(8)中，
Figure BDA0002222377030000167
和
Figure BDA0002222377030000168
分别为
Figure BDA0002222377030000169
和
Figure BDA00022223770300001610
的最小值，其发生在x-方向和y-方向上的腰部位置z0x和z0y处，并且λ为光束的波长。等式(7)和(8)指示
Figure BDA00022223770300001611
和
Figure BDA00022223770300001612
从与光束的腰部位置相关联的最小值在任一方向上随着z平方地增加。此外，在本文描述的包括为轴对称的并且籍此包括轴对称强度分布I(x,y)的光束斑114的实施例中，
Figure BDA00022223770300001613
并且在本文描述的包括为非轴对称的并且籍此包括非轴对称强度分布I(x,y)的光束斑114的实施例中，
Figure BDA00022223770300001614
即，
Figure BDA00022223770300001615
或
Figure BDA00022223770300001616
等式(7)和(8)还可以根据光束传播因子M2重写，其中x-方向和y-方向的单独的的光束传播因素
Figure BDA00022223770300001617
和
Figure BDA00022223770300001618
被定义为：
Figure BDA00022223770300001619
Figure BDA00022223770300001620
等式(9)和(10)重新排列并代入等式(7)和(8)中产生：
Figure BDA00022223770300001621
Figure BDA00022223770300001622
其可以被改写为：
Figure BDA0002222377030000171
Figure BDA0002222377030000172
其中x-方向和y-方向上的瑞利范围ZRx和ZRy分别为：
Figure BDA0002222377030000173
Figure BDA0002222377030000174
瑞利范围对应在其上激光束的方差加倍(相对于束腰位置处方差)的距离(相对于如在ISO 11146-1：2005(E)第3.12节中定义的束腰的位置)，并且是激光束横截面积的发散度的量度。此外，在本文描述的包括为轴对称的并且籍此包括轴对称强度分布I(x,y)的光束斑114的实施例中，ZRx＝ZRy，并且在本文描述的包括为非轴对称的并且籍此包括非轴对称强度分布I(x,y)的光束斑114的实施例中，ZRx≠ZRy，即，ZRx＜ZRy或ZRx＞ZRy。瑞利范围也可以被观察为沿着光束轴的距离，在该距离处光学强度衰减到在束腰位置(最大强度的位置)处观察到的光学强度的值的一半。具有大瑞利范围的激光束具有低发散度，并且与具有小瑞利范围的激光束相比在传播方向上随距离扩张的更加缓慢。
通过使用描述激光束的强度分布I(x，y，z)，以上公式可以应用于任何激光束(不只是高斯光束)。在高斯光束的TEM00模式的情况下，强度分布由下式给出：
Figure BDA0002222377030000175
其中wo为半径(定义为光束强度减小到束腰位置zo处光束的峰值光束强度的1/e2所处的半径)。从等式(17)和以上公式，对于TEM00高斯光束，我们获取如下结果：
Figure BDA0002222377030000181
Figure BDA0002222377030000182
Figure BDA0002222377030000183
Figure BDA0002222377030000184
Figure BDA0002222377030000185
Figure BDA0002222377030000186
Figure BDA0002222377030000187
其中ZR＝ZRx＝ZRy。对于高斯光束，进一步指出
Figure BDA0002222377030000188
光束横截面的特征在于形状和尺寸。光束横截面的尺寸由光束的光斑尺寸表征。对于高斯光束，光斑尺寸通常定义为光束强度减小到其最大值的1/e2处的径向范围，在等式(17)中表示为w0。高斯光束的最大强度发生在强度分布的中心(x＝0且y＝0(笛卡尔)或r＝0(柱面))，并且用于确定光斑尺寸的径向范围是相对于中心测量的。
具有轴对称(即，围绕光束传播轴Z旋转对称)横截面的光束可以由在ISO 11146-1：2005(E)第3.12节中规定的束腰位置处测量的单个尺寸或光斑尺寸来表征。对于轴对称高斯光束，等式(17)显示光板尺寸等于wo，从等式(18)，wo与2σ0x或2σ0y对应。对于具有轴对称横截面(诸如圆形横截面)的轴对称光束，σ0x＝σ0y。因此，对于轴对称光束，横截面尺寸可以用单个光斑尺寸参数来表征，其中wo＝2σ0。对于非轴对称光束，可以类似地定义光斑尺寸，其中与轴对称光束不同，σ0x≠σ0y。因此，当光束的光斑尺寸是非轴对称的时，有必要用两个光斑尺寸参数来表征非轴对称光束的横截面尺寸：分别位于x-方向和y-方向上的wox和woy，其中
wox＝2σ0x (25)
woy＝2σ0y (26)
此外，对于非轴对称光束缺少轴向(即任意旋转角度)对称性意味着计算值σ0x和σ0y的结果将取决于x-轴和y-轴的取向的选择。ISO 11146-1：2005(E)将这些参考轴称为功率密度分布的主轴(第3.3-3.5节)，并且在下面的讨论中，我们假设x轴和y轴与这些主轴对齐。此外，x-轴和y-轴可以在横截面中旋转的角度φ(例如，x-轴和y-轴分别相对于x-轴和y-轴的参考位置的角度)可以用于定义非轴对称光束的光斑尺寸参数的最小值(wo，最小)和最大值(wo，最大)：
wo，最小＝2σ0，最小 (27)
wo，最大＝2σ0，最大 (28)
其中2σ0，最小＝2σ0x(φ最小x)＝2σ0y(φ最小，y)且2σ0，最大＝2σ0x(φ最大x)＝2σ0y(φ最大，y)。光束横截面的轴不对称的大小可以通过纵横比来量化，其中纵横比被定义为wo，最大与wo，最小的比率。轴对称光束横截面的纵横比为1.0，而椭圆形和其他非轴对称光束横截面具有大于1.0的纵横比，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、大于3.0、大于5.0、大于10.0等。
为了促进光束传播方向上的缺陷172的均匀性(例如透明工件160的深度尺寸)，可以使用具有低发散度的脉冲激光束112。在一个或多个实施例中，具有低发散度的脉冲激光束112可以被用于形成缺陷172。如上所述，发散度可以由瑞利范围来表征。对于非轴对称光束，主轴X和Y的瑞利范围分别由x-方向和y-方向的等式(15)和(16)定义，其中可以示出对于任何真实光束，
Figure BDA0002222377030000201
且
Figure BDA0002222377030000202
并且其中
Figure BDA0002222377030000203
和
Figure BDA0002222377030000204
由激光束的强度分布确定。对于对称光束，瑞利范围在X-方向和Y-方向上是相同的，并且可以由等式(22)和等式(23)表达。低发散度与瑞利范围的大值和激光束的弱衍射相关。
具有高斯强度分布的光束可能不太优选用于激光加工以形成缺陷，因为当聚焦成足够小的光斑尺寸时(诸如在微米范围内的光斑尺寸，诸如约1-5微米或约1-10微米)以使得可用的激光脉冲能量能够对诸如玻璃之类的材料改性时，它们在短的传播距离上是高度衍射的并显著地发散。为了获得低发散度，期望控制或优化脉冲激光束的强度分布以减少衍射。脉冲激光束可以是非衍射的或者弱衍射的。弱衍射激光束包括准非衍射激光束。代表性的弱衍射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)光束和马蒂(Mathieu)光束。
对于非轴对称光束，瑞利范围ZRx和ZRy不相等。等式(15)和(16)指示ZRx和ZRy分别取决于σ0x和σ0y，并且以上我们注意到σ0x和σ0y的值取决于X-轴和Y-轴的定向。ZRx和ZRy的值将相应地变化，且每一个都将具有与主轴相对应的最小值和最大值，其中ZRx的最小值表示为ZRx，最小，且ZRy的最小值表示为ZRy，最小，对于任意光束分布，ZRx，最小和ZRy，最小可以显示为由下式示出
Figure BDA0002222377030000205
并且
Figure BDA0002222377030000211
因为激光束的发散在具有最小瑞利范围的方向上在较短距离上发生，因此可以控制用于切割的脉冲激光束的强度分布，使得ZRx和ZRy的最小值(或者对于轴对称光束，ZR的值)尽可能大。因为对于非轴对称光束ZRx的最小值ZRx，最小与ZRy的最小值ZRy，最小不同，所以可以使用具有强度分布的激光束，该强度分布使得在形成损伤区域时使ZRx，最小和ZRy，最小中的较小者尽可能的大。
在不同实施例中，ZRx，最小和ZRy，最小中的较小者(或者对于轴对称光束，ZR的值)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到10mm范围内，在100μm到5mm范围内，在200μm到4mm范围内，在300μm到2mm范围内等。
通过调整等式(27)中定义的光斑尺寸参数wo，最小，对于工件对其透明的不同波长，本文指定的ZRx，最小和ZRy，最小中的较小者(或者对于轴对称光束，ZR的值)的值和范围是可实现的。在不同实施例中，光斑尺寸参数wo，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到10μm范围内，在0.25μm到5μm范围内，在0.25μm到2.5μm范围内，在0.50μm到10μm范围内，在0.50μm到5.0μm范围内，在0.50μm到2.5μm范围内，在0.75μm到10μm范围内，在0.75μm到5.0μm范围内，在0.75μm到2.5μm范围内等。
非衍射或准非衍射光束通常具有复杂的强度分布，诸如那些相对于半径非单调地减小的强度分布。通过类比于高斯光束，对于非轴对称光束，可以将有效光斑尺寸wo，eff定义为在任何方向上距最大强度的径向位置(r＝0)的最短半径距离，在其处，强度降低到最大强度的1/e2。此外，对于轴对称光束，wo，eff是距最大强度的径向位置(r＝0)的径向距离，在该距离处，强度降低到最大强度的1/e2。基于非轴对称光束的有效光斑尺寸wo，eff或轴对称光束的光斑尺寸wo的瑞利范围的标准可以使用等式(31)用于非轴对称光束且使用等式(32)用于轴对称光束被指定为用于形成损伤区域的非衍射或准非衍射光束，如下：
Figure BDA0002222377030000221
Figure BDA0002222377030000222
其中FD是值至少为10、至少为50、至少为100、至少为250、至少为500、至少为1000、在10到2000范围内、在50到1500范围内、在100到1000范围内的无量纲发散因子。通过将等式(31)与等式(22)或(23)进行比较，可以看出，对于非衍射或准非衍射光束，在等式(31)中的距离“ZRx，最小和ZRy，最小中的较小者”(在该距离上有效光束尺寸(即有效光斑尺寸)加倍)是使用典型高斯光束分布的情况下所预期的距离的FD倍。无量纲发散因子FD为确定激光束是否为准非衍射提供了标准。如本文所用，如果在值FD≥10时激光束的特性满足等式(31)或等式(32)，则这个激光束被认为是准非衍射的。随着值FD的增大，激光束接近更接近完美的非衍射状态。此外，应当理解的是，等式(32)仅仅是等式(31)的简化，并且由此，等式(31)数学地描述了轴对称光束和非轴对称光束的无量纲发散因子FD。
现在参考图3-5，示意性地描绘了用于产生准非衍射(图3-5)的脉冲激光束112的光学组件100，并且在一些实施例中在透明工件160处产生相移焦线113(图4和5)的光学组件100。例如，图3描绘了用于脉冲激光加工的常规光学组件100，例如，用于产生脉冲激光束112，该脉冲激光束112是准非衍射的并形成非相移焦线113'。此外，图4和5都描绘了用于产生脉冲激光束112的光学组件100，该脉冲激光束112是准非衍射的，并使用相位修改光学元件140在透明工件160处形成相移焦线113。在一些实施例中，相位修改光学元件140包括波片、光学楔，或者一个或多个透镜130，它们中的至少一个相对于光束路径111偏移定位。
该一个或多个透镜130可以包括一个或多个聚焦透镜，诸如第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134。该一个或多个透镜130还可以包括准直透镜136和扩展透镜138。在图4的光学组件100中，第一聚焦透镜132相对于光束路径111偏移定位。此外，在图5的光学组件100中，第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134包括复合透镜131，该复合透镜131相对于光束路径111偏移定位。尽管图4描绘了第一聚焦透镜132相对于光束路径111偏移定位，并且图5描绘了第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134两者都相对于光束路径111偏移定位，但应当理解的是，相移焦线113的横截面相位轮廓150可以通过偏移该一个或多个透镜130中的任何透镜来引起。此外，该一个或多个透镜130中的至少一个可以使用一个或多个平移台190从光束路径111偏移定位，该平移台190可以耦合到该一个或多个透镜130。
图3-5中每幅所描绘的光学组件100还包括光束源100、光束转换元件120(例如，诸如轴棱锥透镜或环形孔之类的非球面光学元件122)，以及一个或多个透镜130。此外，透明工件160可以被定位成使得由光束源110输出的脉冲激光束112例如在穿过光束转换元件120之后并且此后穿过该一个或多个透镜130之后照射透明工件160。光轴102在光束源110和透明工件160之间沿着Z-轴延伸，使得当光束源110输出脉冲激光束112时，脉冲激光束112的光束路径111沿着光轴102延伸。如本文所用的“上游”和“下游”指的是沿着光束路径111的两个位置或部件相对于光束源110的相对定位。例如，第一部件在第二部件的上游，如果脉冲激光束112在穿过第二部件之前穿过第一部件的话。此外，如果脉冲激光束112在穿过第一部件之前穿过第二部件，则第一部件在第二部件的下游。
仍然参考图3-5，光束源110可以包括被配置为输出脉冲激光束112的任何已知的或尚待研发的光束源110。在操作中，通过透明工件160与由光束源110输出的脉冲激光束112相互作用，产生轮廓线170的缺陷172。在一些实施例中，光束源110可以输出包括例如1064nm、1030nm、532nm、530nm、355nm、343nm或266nm或215nm的波长的脉冲激光束112。此外，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所选择的脉冲激光波长透明的材料。
用于形成缺陷172的合适激光波长是在其下透明工件160的线性吸收和散射的组合损失足够低的波长。在实施例中，由透明工件160在波长处线性吸收和散射引起的组合损失小于20％/mm，或小于15％/mm，或小于10％/mm，或小于5％/mm，或小于1％/mm，其中尺寸“/mm”指的是在脉冲激光束112的光束传播方向上(例如，Z方向)，透明工件160内每毫米的距离。许多玻璃工件的代表性波长包括Nd3+的基波和谐波波长(例如，Nd3+:YAG或Nd3+:YVO4，其具有接近1064nm的基波波长和接近532nm、355nm和266nm的较高次谐波波长)。还可以使用光谱中紫外、可见和红外部分中的满足给定基板材料的组合线性吸收和散射损失要求的其他波长。
在操作中，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是同时吸收两个或更多个相同或不同频率的光子，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)。分子所涉及的较低态与较高态之间的能量差等于所涉及的光子的能量和。MPA，也被称作诱发吸收，可以为二阶或三阶(或更高阶)过程，例如，这比线性吸收弱了数个数量级。它与线性吸收的不同之处在于，例如，二阶诱发吸收的强度可以与光强度的平方成比例，因此它是非线性光学过程。
产生轮廓线170的穿孔步骤可以使用光束源110(例如，超短脉冲激光器)结合下面参考图3-5描绘和描述的光学器件，将光束斑114投射到透明工件160上并生成图1B的相移焦线113。相移焦线113包括具有一个或多个相位轮廓脊154的图2A和2B的横截面相位轮廓150，并且包括如上文定义的准非衍射光束，诸如高斯-贝塞尔光束或贝塞尔光束，以使透明工件160完全穿孔，以在透明工件160中形成一系列缺陷172。在一些实施例中，各个脉冲的脉冲持续时间在约1飞秒到约200皮秒的范围内，诸如约1皮秒到约100皮秒，5皮秒到约20皮秒等，并且各个脉冲的重复率可以在约1kHz到4MHz的范围内，诸如在约10kHz到约3MHz范围内，或约10kHz到约650kHz范围内。
同样参考图6A和6B，除了在上述各个脉冲重复率下的单个脉冲操作之外，可以以两个脉冲500A(例如，子脉冲)或更多个脉冲(诸如，例如，每个脉冲串3个脉冲、4个脉冲、5个脉冲、10个脉冲、15个脉冲、20个脉冲、或者更多个脉冲，诸如每脉冲串500有1个到30个脉冲，或者每脉冲串500有5个到20个脉冲)的脉冲串500产生脉冲。脉冲串500内的脉冲500A可以被持续时间分隔开，该持续时间在约1纳秒到约50纳秒的范围内，例如，约10纳秒到约30纳秒，诸如约20纳秒。在其他实施例中，脉冲串500内的脉冲500A可以被持续时间分隔开，该持续时间高达100皮秒(例如，0.1皮秒、5皮秒、10皮秒、15皮秒、18皮秒、20皮秒、22皮秒、25皮秒、30皮秒、50皮秒、75皮秒或其间的任何范围)。对于给定的激光器，脉冲串500内的相邻脉冲500A之间的时间间隔Tp(图6B)可以是相对均匀的(例如，在彼此的约10％内)。例如，在一些实施例中，脉冲串500内每个脉冲500A与随后脉冲在时间上间隔接近20纳秒(50MHz)。例如，每个脉冲串500之间的时间可以是约0.25微秒到约1000微秒，例如，约1微秒到约10微秒，或约3微秒到约8微秒。
在本文所描述的光束源110的示例性实施例中的一些中，对于光束源110输出包括大约200kHz的串重复率的脉冲激光束112的时间间隔Tb(图6B)为大约5微秒。激光脉冲串重复率与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Tb(激光脉冲串重复率＝1/Tb)有关。在一些实施例中，激光脉冲串重复率可以是在约1kHz到约4MHz的范围内。在实施例中，激光脉冲串重复率可以是例如在约10kHz至650kHz的范围内。每个脉冲串中的第一脉冲与后续脉冲串中的第一脉冲之间的时间Tb可以是0.25微秒(4MHz脉冲串重复率)到约1000微秒(1kHz脉冲串重复率)，例如约0.5微秒(2MHz脉冲串重复率)到约40微秒(25kHz脉冲串重复率)，或约2微秒(500kHz脉冲串重复率)到约20微秒(50kHz脉冲串重复率)。确切时序、脉冲持续时间以及脉冲串重复率可以取决于激光器设计而改变，但高强度的短脉冲(Td<20皮秒并且在一些实施例中Td≤15皮秒)已示出尤其良好地工作。
脉冲串重复率可以在约1kHz到约2MHz的范围内，诸如约1kHz到约200kHz。爆发或产生脉冲串500是激光器操作的类型，其中脉冲500A的发射并非呈均匀且稳定的流，而是呈紧凑的脉冲串500簇。脉冲串激光束可以具有基于被操作的透明工件160的材料选择的波长，使得透明工件160的材料在该波长下基本上是透明的。在材料处测量的每脉冲串的平均激光功率可以是每mm材料厚度至少约40μJ。例如，在实施例中，每脉冲串的平均激光功率可以从约40μJ/mm到约2500μJ/mm，或约500μJ/mm到约2250μJ/mm。在具体示例中，对于0.5mm至0.7mm厚的康宁EAGLE
Figure BDA0002222377030000251
透明工件，约300μJ到约600μJ的脉冲串可以切割和/或分离工件，这对应于约428μJ/mm到约1200μJ/mm的示例性范围(即，对于0.7mm EAGLE
Figure BDA0002222377030000261
玻璃为300μJ/0.7mm，对于0.5mm EAGLE
Figure BDA0002222377030000262
玻璃为600μJ/0.5mm)。
对透明工件160进行改性所需的能量可以根据脉冲串能量(即，脉冲串500内含有的能量，每个脉冲串500含有一系列脉冲500A)来描述，或根据单个激光脉冲(其中许多可包含脉冲串)内含有的能量来描述。每脉冲串的能量可以为约25μJ到约750μJ，例如约50μJ到约500μJ，或约50μJ到约250μJ。对于一些玻璃组合物，每脉冲串的能量可以为约100μJ到约250μJ。然而，对于显示器或TFT玻璃组合物，每脉冲串的能量可以更高(例如，约300μJ到约500μJ、或约400μJ到约600μJ，取决于透明工件160的特定的玻璃组合物)。对能够生成此类脉冲串的脉冲激光束112的使用有利于切割或修改透明材料，例如玻璃。与使用在时间上由单脉冲激光的重复率间隔开的单脉冲相比，使用脉冲串序列(其使激光能量在脉冲串内的快速脉冲序列内散布)允许获得比单脉冲激光与材料高强度相互作用可能的更大时间尺度。
再次参考图3-5，光束转换元件120可以包括位于光束源110和透明工件160之间的光束路径111内的非球面光学元件122。在操作中，使脉冲激光束112(例如，入射高斯光束)传播通过非球面光学元件122可以改变脉冲激光束112，使得脉冲激光束112传播超过非球面光学元件122的部分是准非衍射的，如上文所述。非球面光学元件122可以包括任何包括非球面形状的光学元件。在一些实施例中，非球面光学元件122可以包括锥形波前产生光学元件，诸如轴棱锥透镜，例如，负折射率轴棱锥透镜、正折射率轴棱锥透镜、反射轴棱锥透镜、衍射轴棱锥透镜、可编程空间光调制器轴棱锥透镜(例如，相位轴棱锥)等。
在一些实施例中，非球面光学元件122包括至少一个非球面表面，其形状被数学地描述为：
z′＝(cr2/1)+(1-(1+k)(c2r2))1/2+(a1r+a2r2+a3r3+a4r4+a5r5+a6r6+a7r7+a8r8+a9r9+a10r10+a11r11+a12r12
其中，z’是非球面的表面凹陷，r是在径向方向上(例如，x-方向上或y-方向上)非球面表面与光轴102之间的距离，c是非球面表面的表面曲率(即，ci＝1/Ri，其中R是非球面表面的表面半径)，k是圆锥常数，并且系数ai是描述非球面表面的第一到第十二阶非球面系数或更高阶非球面系数(多项式非球面)。在一个示例性实施例中，非球面光学元件122的至少一个非球面表面分别包括如下系数a1-a7：-0.085274788、0.065748845、0.077574995、-0.054148636、0.022077021、-0.0054987472、0.0006682955，且非球面系数a8-a12为0。在这个实施例中，该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，所以这等效于具有非零值的圆锥常数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k和非零系数a1的组合来描述等效表面。此外，在一些实施例中，通过至少一个具有非零值的更高阶非球面系数a2-a12(即，a2，a3…，a12中的至少一个≠0)来描述或定义该至少一个非球面表面。在一个示例性实施例中，非球面光学元件122包括诸如立方形光学元件之类的三阶非球面光学元件，其包括非零的系数a3。
在一些实施例中，当非球面光学元件122包括轴棱锥时，轴棱锥可以具有激光输出表面126(即，圆锥表面)，该激光输出表面126具有约1.2°的角度，诸如约0.5°到约5°，或约1°到约1.5°，或甚至约0.5°到约20°的角度，该角度是相对于激光输入表面124(即，平坦的表面)测量的，在该激光输入表面124上，脉冲激光束112进入轴棱锥透镜。此外，激光输出表面126终止于圆锥形尖端。此外，非球面光学元件122包括从激光输入表面124延伸到激光输出表面126并终止于圆锥形尖端处的中心线轴125。在其他实施例中，非球面光学元件122可以包括空间相位调制器，诸如空间光调制器，或衍射光学光栅。在操作中，非球面光学元件122将入射脉冲激光束112(例如，入射高斯光束)成形为准非衍射光束，该准非衍射光束又被引导通过该一个或多个透镜130。此外，在一些实施例中，光束转换元件120可以是环形孔。
仍然参考图3-5，该一个或多个透镜130可以包括第一聚焦透镜132、第二聚焦透镜134、准直透镜136和扩展透镜138。在一些实施例中，第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134被布置为复合透镜131。如图3-5所描绘的，扩展透镜138和准直透镜136的每一个沿着光束源110与第一和第二聚焦透镜132、134二者之间的光束路径111定位。具体地，扩展透镜138可以位于光束源110和准直透镜136之间，并且准直透镜136可以位于扩展透镜138与第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134之间。在操作中，扩展透镜138可以沿着在扩展透镜138和准直透镜136之间的光束路径111的部分扩展脉冲激光束112，并且准直透镜可以在准直空间135内准直脉冲激光束112，该准直空间135沿着在准直透镜136与第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134中定位最上游的那个(即，图3-5所示实施例中的第二聚焦透镜134)之间的光束路径111的部分定位。此外，第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134可以将脉冲激光束112聚焦到透明工件160中，该透明工件160可以位于成像平面104处。示例性透镜130包括平凸透镜、弯月形透镜、非球面透镜，或高阶校正聚焦透镜等。
现在参考图4，描绘了光学组件100的实施例，其中相位修改光学元件140包括第一聚焦透镜132，该第一聚焦透镜132相对于脉冲激光束112的光束路径111在径向偏移方向(例如，沿着脉冲激光束112的半径的方向，与光束传播方向正交)偏移定位。如图4所描绘的，第一聚焦透镜132可以从光束路径111(例如，在X-Y平面偏移)以偏移距离a偏移定位。具体地，偏移距离a是当脉冲激光束112照射第一聚焦透镜132的表面时，在X-Y平面内在第一聚焦透镜132的中心线轴137与脉冲激光束112的横截面中心之间的距离。
第一聚焦透镜132和光束路径111之间的相对偏移可以通过沿着X-Y平面移位第一聚焦透镜132，沿着X-Y平面移位光束源110，或二者来实现。充分破坏所得横截面相位轮廓150的对称性所需的偏移的量是光学组件100的光学布局和偏移透镜(例如，第一聚焦透镜132)的焦距的函数。尽管不旨在受理论的限制，据信当脉冲激光束112传播通过偏移透镜(例如，第一聚焦透镜132)时，脉冲激光束112沿着X-Y平面的不同横截面部分累积不同的附加相位以生成一个或多个相位轮廓脊154。作为示例，在偏移透镜(例如，第一聚焦透镜132)包括从约30微米到约40微米的焦距的实施例中，偏移距离a可以从约50微米到约500微米。此外，其他一些实施例，偏移距离a可以包括从约10微米到约1毫米，例如20微米、50微米、100微米、250微米、500微米等。在一些实施例中，偏移距离a可以从约20微米到约100微米，或从约50微米到约100微米等。在一些实施例中，偏移距离a可以包括从约10倍到约500倍的脉冲激光束112在脉冲激光束112与第一聚焦透镜132之间的接触位置处的横截面直径的距离。在一些实施例中，偏移距离a可以是脉冲激光束112的波长的函数，例如，偏移距离l可以是约50倍到500倍的脉冲激光束112的波长，例如75倍、100倍、150倍、200倍、250倍、300倍、350倍、400倍、450倍等。
通过相对于光束路径111偏移第一聚焦透镜132，所形成的相移焦线113的横截面相位轮廓150包括沿着或大致平行于相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154(图2A和2B)。此外，相位脊线151的定向可以通过偏移透镜沿着X-Y平面的径向偏移方向来控制。具体地，相位脊线151可以横向于偏移透镜的径向偏移方向延伸。例如，在诸如第一聚焦透镜132之类的偏移透镜在沿着X-轴的径向偏移方向偏移的实施例中，相位脊线151可以基本上沿着Y-轴延伸。此外，在诸如第一聚焦透镜132之类的偏移透镜在沿着Y-轴的径向偏移方向偏移的实施例中，相位脊线151可以基本上沿着X-轴延伸。
此外，通过相对于脉冲激光束112围绕光束路径111平移第一聚焦透镜132(例如，偏移透镜)，例如通过平移第一聚焦透镜132，平移脉冲激光束112，或两者都有，可以旋转脉冲激光束112的横截面。此外，在一些实施例中，当相对于脉冲激光束112围绕光束路径111平移第一聚焦透镜132时，第一聚焦透镜132与光束路径111之间的偏移距离a可以保持恒定。在操作中，相对于脉冲激光束112围绕光束路径111平移第一聚焦透镜132可以改变(例如，旋转)第一聚焦透镜132(例如，偏移透镜)的径向偏移方向，从而改变(例如，旋转)相位轮廓脊154的相位脊线151。此外，旋转该一个或多个相位轮廓脊154的相位脊线151可以改变在透明工件160中形成的缺陷172的径向臂176的方向，使得在透明工件160中形成的轮廓线170可以包括沿着透明工件160的成像表面162的曲率。
此外，在一个实施例中，相位修改光学元件140，例如相对于光束路径111偏移定位的第一聚焦透镜132，不改变所形成的脉冲激光束112和所形成的相移焦线113的强度分布。作为一个示例，在脉冲激光束112在穿过第一聚焦透镜132(例如，偏移透镜)之前包括轴对称强度分布(例如，圆形强度分布)的实施例中，脉冲激光束112将在穿过第一聚焦透镜132(例如，偏移透镜)之后保持该轴对称强度分布。作为另一个示例，在脉冲激光束112在穿过第一聚焦透镜132(例如，偏移透镜)之前包括非轴对称强度分布(例如，椭圆形强度分布)的实施例中，脉冲激光束112将在穿过第一聚焦透镜132(例如，偏移透镜)之后保持该非轴对称强度分布。
现在参考图5，描绘了光学组件100的实施例，其中相位修改光学元件140包括被布置为复合透镜131的第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134，其每一个都相对于脉冲激光束112的光束路径111在径向偏移方向上偏移定位。例如，第一和第二聚焦透镜132、134两者可以在相同方向上径向地偏移或可替换地，在不同方向上径向地偏移。在操作中，可以通过一个或多个平移台190的运动使第一和第二聚焦透镜132、134偏移。
如图5所描绘的，第一聚焦透镜132可以从光束路径111(例如，在X-Y平面上偏移)以偏移距离a偏移定位，该偏移距离a是在X-Y平面内在第一聚焦透镜132的中心线轴137与当脉冲激光束112照射第一聚焦透镜132的表面时的脉冲激光束112的横截面中心之间的距离。此外，第二聚焦透镜134可以从光束路径111(例如，在X-Y平面上偏移)以偏移距离b偏移定位，该偏移距离b是在X-Y平面内在第二聚焦透镜134的中心线轴139与当脉冲激光束112照射第二聚焦透镜134的表面时的脉冲激光束112的横截面中心之间的距离。在一些实施例中，偏移距离a等于偏移距离b。在其他实施例中，偏移距离a不等于偏移距离b，例如，偏移距离a可以大于偏移距离b或小于偏移距离b。此外，偏移距离a和偏移距离b可以是上文关于图4描述的偏移距离中的任何偏移距离，例如，从约10微米到约1毫米，例如，20微米、50微米、100微米、250微米、500微米等。
仍然参考图5，通过相对于光束路径111偏移第一和第二聚焦透镜132、134，所形成的相移焦线113的横截面相位轮廓150包括沿着或大致平行于相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154(图2A和2B)。此外，相位脊线151的定向可以通过偏移透镜沿着X-Y平面的径向偏移方向来控制。具体地，相位脊线151可以横向于第一和第二聚焦透镜132、134(例如，偏移透镜)的径向偏移方向延伸。此外，通过相对于脉冲激光束112围绕光束路径111平移第一和第二聚焦透镜132、134(例如，偏移透镜)，例如通过平移第一和第二聚焦透镜132、134，平移脉冲激光束112，或两者都有，如上文关于图4所描述的，可以旋转脉冲激光束112的横截面。此外，相对于光束路径111偏移第一和第二聚焦透镜132、134不改变所形成的脉冲激光束112和所形成的相移焦线113的强度分布，如上文关于图4所描述的。尽管不旨在受理论的限制，据信多个偏移透镜相对于光束路径111的偏移距离可以小于单个偏移透镜的偏移距离，以引起类似的相位修改，例如，多个偏移透镜可以对所形成的相移焦线113具有累积的相位修改效果。
再次参考图1A-5，用于形成包括沿着期望的分离线165的缺陷172的轮廓线170的方法包括将沿着光束路径111定向的并由光束源110输出的脉冲激光束112引导(例如，定位)到透明工件160中，使得被引导到透明工件160中的脉冲激光束112的部分在透明工件内生成诱发吸收，并且该诱发吸收在透明工件160内产生缺陷172。例如，脉冲激光束112可以包括足以超过透明工件160的损伤阈值的脉冲能量和脉冲持续时间。在一些实施例中，将脉冲激光束112引导到透明工件160中包括将由光束源110输出的脉冲激光束112聚焦成沿着光束传播方向(例如，Z轴)定向的相移焦线113。透明工件160被定位在光束路径111中以至少部分地与脉冲激光束112的相移焦线113重叠。因此，相移焦线113被引导到透明工件160中。脉冲激光束112，例如相移焦线113在透明工件160内生成诱发吸收，以在透明工件160中形成缺陷172。在一些实施例中，可以以几百千赫兹(即，每秒几十万个缺陷)的速率产生各个缺陷172。
在一些实施例中，相位修改光学元件140，例如，一个或多个透镜130(例如，第一聚焦透镜132和/或第二聚焦透镜134)可以将脉冲激光束112聚焦成相移焦线113。此外，相位修改光学元件140，例如，该一个或多个透镜130中的至少一个(即，图4所描绘的示例中的第一聚焦透镜132，与图5所描绘的示例中的第一和第二聚焦透镜132、134两者)沿着光束路径111偏移定位，还可以引起相移焦线113内的相位修改，以形成具有沿着相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154的横截面相位轮廓150。此外，相位脊线151的定向可以通过偏移透镜的径向偏移方向来控制。具体地，相位脊线151可以横向于偏移透镜的径向偏移方向。
在操作中，通过将脉冲激光束112相对于透明工件160适当地定位和/或对齐，以及通过适当地选择光学组件100的参数，可以控制相移焦线113的位置。例如，可以沿着Z-轴并且绕Z-轴控制相移焦线113的位置。此外，相移焦线113可以具有长度在约0.1mm到约100mm的范围内，或者在约0.1mm至约10mm的范围内。各种实施例可以被配置为具有相移焦线113，其长度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，从约0.5mm到约5mm。在一些实施例中，相移焦线可以包括下列直径(例如，光束强度降低到1/e2处的半径的两倍)：约0.1μm到约250μm，例如约0.5μm到约0.25μm，1μm到约10μm等，诸如约0.1μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、25μm、50μm、100μm、200μm等。此外，相移焦线113可以包括长度与直径的纵横比为约1到约10000，例如，约2、5、10、15、20、25、50、75、100、150、200、300、500、750、1000、5000等。
仍然参考图1A-5，用于形成包括沿着期望的分离线165的缺陷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(或可以相对于透明工件160平移脉冲激光束112，例如，在图1A和2中描绘的平移方向101上)以形成描绘出具有缺陷172的期望部分的形状的轮廓线170。缺陷172可以穿透玻璃的整个深度。应当理解，虽然有时被描述为“孔”或“孔状”，但是本文公开的缺陷172通常可以不是空隙空间，而是工件160的已经通过如本文所描述的激光加工进行了改性的部分。在一些实施例中，缺陷172通常可以彼此分开约0.1微米到约500微米的距离，例如，约1微米到约200微米、约2微米到约100微米、约5微米到约20微米等。例如，缺陷172之间的合适间距可以为约0.1微米到约30微米，诸如对于TFT/显示器玻璃组合物为约5微米到约15微米、约5微米到约12微米、约7微米到约15微米，或约7微米到约12微米。此外，通过使用一个或多个平移台190移动透明工件160和/或光束源110可以执行透明工件160相对于脉冲激光束112的平移。
除了单个透明工件160的穿孔之外，该加工还可以用于穿透透明工件160的堆叠，诸如玻璃片的堆叠，并且可以通过单次激光通过完全穿透总高度达几mm的玻璃堆叠。单个玻璃堆叠可以在堆叠内包括各种玻璃类型，例如一层或多层钠钙玻璃，其层叠有一层或多层康宁(Corning)代码2318玻璃。玻璃堆叠可以额外在各种位置具有空气间隙。根据另一个实施例，诸如粘合剂之类的延性层可以设置在玻璃堆叠之间。然而，本文所描述的脉冲激光加工仍将在单次通过中完全穿透这种堆叠的上玻璃层和下玻璃层两者。
此外，跟随在透明工件160中形成轮廓线170，可以利用诸如机械或热源之类的应力诱发源来沿着轮廓线170分离透明工件160。根据实施例，诸如红外激光束之类的热源可用于产生热应力，从而在轮廓线170处分离透明工件160。在一些实施例中，红外激光可以用于发起自发分离，然后可以机械地完成分离。用于在玻璃中产生热应力的合适的红外激光通常将具有容易被玻璃吸收的波长，通常具有1.2微米到13微米范围内的波长，例如，4微米到12微米范围内。红外激光束，诸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产生的激光束，是一种受控热源，其在轮廓线170处或附近迅速提高透明工件160的温度。该快速加热可以在透明工件160中在轮廓线170上或附近构建压缩应力。由于加热的玻璃表面的面积与透明工件160的总表面积相比相对较小，因此加热区域相对快速地冷却。所形成的温度梯度在透明工件160中引起足以沿着轮廓线170并穿透透明工件160的厚度传播裂缝的拉伸应力，导致透明工件160沿轮廓线170完全分离。不受理论束缚，据信拉伸应力可以由工件的具有较高局部温度的部分中的玻璃膨胀(即，变化的密度)引起。
鉴于前文的描述，应该理解的是，通过使用由光学组件成形为相移焦线的脉冲激光束使得相移焦线沿着期望的分离线照射透明工件，可以增强包括沿着期望的分离线的缺陷的轮廓线的形成。
示例
示例1
示例1是脉冲激光束112传播通过图3所描绘的光学组件100以生成非相移焦线113'的实验结果。图7A描绘了非相移焦线113'的横截面强度分布，并且图7B描绘了非相移焦线113'的横截面相位轮廓150。如在图7A和7B中描绘的，横截面强度分布和横截面相位轮廓150两者都是轴对称的。此外，横截面相位轮廓150不包括一个或多个相位轮廓脊154。因此，形成在图7C描绘的的透明工件160中的所得缺陷172包括随机定向的径向臂176。
示例2
示例2是脉冲激光束112传播通过图5所描绘的光学组件100以生成相移焦线113的实验结果。在示例2中，第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134各自均在X-方向和Y-方向上偏移约250μm，使得第一聚焦透镜132的偏移距离a和第二聚焦透镜134的偏移距离b各自为约354μm。图8A描绘了相移焦线113的横截面强度分布，并且图8B描绘了相移焦线113的横截面相位轮廓150。如在图8A中所描绘的，横截面强度分布是轴对称的。此外，如在图8B中所描绘的，横截面相位轮廓150包括沿着对角地(例如，在X方向和Y方向两者上)延伸的相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154。因此，形成在图8C描绘的透明工件160中的所得缺陷172包括沿着相位脊线151延伸的径向臂176。
示例3
示例3是脉冲激光束112传播通过图5所描绘的光学组件100以生成相移焦线113的实验结果。在示例3中，第一聚焦透镜132和第二聚焦透镜134各自在X-方向上偏移约250μm，使得第一聚焦透镜132的偏移距离a和第二聚焦透镜134的偏移距离b各自为约250μm。图9A描绘了相移焦线113的横截面强度分布，并且图9B描绘了相移焦线113的横截面相位轮廓150。如在图9A中描绘的，横截面强度分布是轴对称的。此外，如在图9B中所描绘的，横截面相位轮廓150包括沿着基本上沿着Y-方向延伸的相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154。因此，形成在图9C描绘的透明工件160中的所得缺陷172包括在Y-方向上沿着相位脊线151延伸的径向臂176。
示例4
示例4是脉冲激光束112传播通过图4所描绘的光学组件100以生成相移焦线113的实验结果。在示例4中，第一聚焦透镜132在X-方向与Y-方向上均偏移约250μm，使得偏移距离a为约354μm。图10A描绘了相移焦线113的横截面强度分布，并且图10B描绘了相移焦线113的横截面相位轮廓150。如在图10A中描绘的，横截面强度分布是轴对称的。此外，如在图10B中所描绘的，横截面相位轮廓150包括沿着对角地(例如，在X方向和Y方向两者上)延伸的相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154。因此，形成在图10C描绘的透明工件160中的所得缺陷172包括在X-方向与Y-方向上沿着相位脊线151延伸的径向臂176。
示例5
示例5是脉冲激光束112传播通过图4所描绘的光学组件100以生成相移焦线113的实验结果。在示例5中，第一聚焦透镜132在X-方向上偏移约250μm，使得第一聚焦透镜132的偏移距离a为约250μm。图11A描绘了相移焦线113的横截面强度分布，并且图11B描绘了相移焦线113的横截面相位轮廓150。如在图11A中描绘的，横截面强度分布是轴对称的。此外，如在图11B中所描绘的，横截面相位轮廓150包括沿着基本上沿着Y-方向延伸的相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154。因此，形成在图11C描绘的透明工件160中的所得缺陷172包括在Y-方向上沿着相位脊线151延伸的径向臂176。
示例6
示例6是脉冲激光束112传播通过图4所描绘的光学组件100以生成相移焦线113的实验结果。在示例6中，第一聚焦透镜132在X-方向上偏移约500μm，使得第一聚焦透镜132的偏移距离a为约500μm。图12A描绘了相移焦线113的横截面强度分布，并且图12B描绘了相移焦线113的横截面相位轮廓150。如在图12A中描绘的，横截面强度分布是轴对称的。此外，如在图12B中所描绘的，横截面相位轮廓150包括沿着基本上沿着Y-方向延伸的相位脊线151延伸的一个或多个相位轮廓脊154。因此，形成在图12C描绘的透明工件160中的所得缺陷172包括在Y-方向上沿着相位脊线151延伸的径向臂176。此外，如在图12B中所描绘的，通过增加第一聚焦透镜132的偏移距离a，相邻相位轮廓脊154之间的间距减小。
范围在本文中可被表达为从“约”一个特定值和/或到“约”另一特定值。当表达这种范围时，另一实施例包括从该一个特定值和/或到该另一特定值。类似地，当值被表达为近似值时，通过使用先行词“约”，将理解该特定值形成另一实施例。将进一步理解的是，每一个范围的端点在关于另一端点以及独立于另一端点两方面都是显著的。
如本文中所使用的方向性术语(例如，上、下、右、左、前、后、顶部、底部)仅参考如所绘制的附图作出，而不旨在隐含绝对取向。
除非另外明确地指出，此处所阐述的任何方法决不会被解释为要求其步骤以特定的顺序执行，也不要求任何装置特定定向。因此，在方法权利要求实际上未叙述要遵循其步骤的顺序、或者任何装置权利要求实际上未叙述各个部件的顺序或定向、或者在权利要求或描述中没有以其他方式特别说明这些步骤将被限制于特定顺序、或者没有记载对装置的组件的特定顺序或定向的情况下，在任何方面，决不旨在推断顺序或定向。这适用用于解译的任何可能的非明确的基础，包括：相对于步骤排列、操作流程、部件的顺序或部件的定向的逻辑事项；从语法组织或标点推出的普通含义；以及说明书中所描述的实施例的数量或类型。
如本文中所使用的，单数形式“一/一个(a/an)”、和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文明确地另作规定。因此，例如，对“部件”的引用包括具有两个或多个这样的部件的方面，除非上下文明确地另作指示。
对本领域的技术人员显而易见的是，可对本文描述的实施例作出各种修改和变化而不背离要求保护的主题的精神和范围。因此，旨在使说明书覆盖本文描述的各实施例的多种修改和变化，只要这些修改和变化落在所附权利要求书及其等效方案的范围内。

Claims (21)

1.一种用于激光加工透明工件的方法，所述方法包括：
在所述透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包括在所述透明工件中的缺陷，其中，形成所述轮廓线包括：
引导沿着光束路径定向的并且由光束源输出的脉冲激光束通过光束转换元件；以及
引导所述脉冲激光束通过相位修改光学元件并进入所述透明工件，使得被引导进入所述透明工件的所述脉冲激光束的一部分包括相移焦线，所述相移焦线具有横向于所述脉冲激光束的光束传播方向的横截面相位轮廓，其中：
所述横截面相位轮廓包括由所述相位修改光学元件引起的一个或多个相位轮廓脊，所述一个或多个相位轮廓脊沿着一个或多个相位脊线延伸；
所述相移焦线在所述透明工件内生成诱发吸收，所述诱发吸收在所述透明工件内产生缺陷，所述缺陷包括中心缺陷区域和至少一个从所述中心缺陷区域在径向缺陷方向上向外延伸的径向臂，所述径向缺陷方向定向在所述相移焦线的所述一个或多个相位脊线的20°内；并且
所述相位修改光学元件包括在径向偏移方向上偏移所述光束路径定位的透镜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述径向缺陷方向定向在所述相移焦线的所述一个或多个相位脊线的5°内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述径向缺陷方向平行于所述相移焦线的所述一个或多个相位脊线。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述透镜包括聚焦透镜；
扩展透镜和准直透镜各自沿着所述光束路径定位在所述光束源和所述聚焦透镜之间的；并且
所述扩展透镜定位在所述光束源和所述准直透镜之间，并且所述准直透镜定位在所述扩展透镜和所述聚焦透镜之间。
5.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
围绕所述光束路径平移所述透镜；以及
沿着所述轮廓线相对于彼此平移所述透明工件和所述脉冲激光束，从而在所述透明工件内沿着所述轮廓线激光形成多个缺陷，使得所述轮廓线的一部分包括沿着所述透明工件的成像表面的曲率。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括沿着所述轮廓线相对于彼此平移所述透明工件和所述脉冲激光束，从而在所述透明工件内沿着所述轮廓线激光形成多个缺陷。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括沿着所述轮廓线或在所述轮廓线附近将红外激光束引导到所述透明工件上，以沿着所述轮廓线分离所述透明工件。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相移焦线包括从拖尾部分相移的前导部分，使得所述相移焦线的所述前导部分在所述相移焦线的所述拖尾部分照射所述透明工件之前照射所述透明工件。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相移焦线将非轴对称光束斑投射到所述透明工件的成像表面上。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，被引导进入所述透明工件的所述脉冲激光束的所述部分包括：
波长λ；
有效光斑尺寸wo，eff；以及
横截面，所述横截面包括在横截面x-方向上的最小瑞利范围ZRx，最小和在横截面y-方向上的最小瑞利范围ZRy，最小，其中ZRx，最小和ZRy，最小中的较小者大于
Figure FDA0003111772670000031
其中FD是10或更大值的无量纲发散因子。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述无量纲发散因子FD是从50到1500的值。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束转换元件包括非球面光学元件、环形孔，或两者。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述非球面光学元件包括折射轴棱锥、反射轴棱锥、负轴棱锥、空间光调制器、衍射光学器件，或立方形光学元件。
14.一种用于激光加工透明工件的方法，所述方法包括：
将脉冲激光束定位在所述透明工件中，所述脉冲激光束在光束传播方向上沿光学路径传播并包括：
足以超过所述透明工件的损伤阈值的脉冲能量和脉冲持续时间；以及
相移焦线，所述相移焦线将轴对称光束斑投射到所述透明工件的成像表面上，并且在所述轴对称光束斑处包括横截面相位轮廓，其中：
所述横截面相位轮廓包括沿着一个或多个相位脊线延伸的一个或多个相位轮廓脊；以及
所述相移焦线在所述透明工件内生成诱发吸收，所述诱发吸收在所述透明工件内产生缺陷，所述缺陷包括中心缺陷区域和至少一个从所述中心缺陷区域在径向缺陷方向上向外延伸的径向臂，所述径向缺陷方向定向在所述相移焦线的所述一个或多个相位脊线的20°内，
其中，所述方法还包括引导所述脉冲激光束通过透镜，所述透镜在径向偏移方向上偏移光束路径定位。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括引导所述脉冲激光束通过光束转换元件，所述光束转换元件包括非球面光学元件、环形孔，或两者。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，被引导进入所述透明工件的所述脉冲激光束的一部分包括：
波长λ；
光斑尺寸wo；以及
横截面，所述横截面包括大于
Figure FDA0003111772670000041
的瑞利范围ZR，其中FD是10或更大值的无量纲发散因子。
17.如权利要求14所述的方法，进一步包括沿着轮廓线相对于彼此平移所述透明工件和所述脉冲激光束，从而在所述透明工件内沿着所述轮廓线激光形成多个缺陷。
18.一种用于激光加工透明工件的方法，所述方法包括：
在所述透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包括在所述透明工件中的缺陷，其中，形成所述轮廓线包括：
引导沿着光束路径定向的并且由光束源输出的脉冲激光束通过非球面光学元件；以及
引导所述脉冲激光束通过相位修改光学元件并进入所述透明工件，使得所述脉冲激光束的被引导进入所述透明工件的一部分包括相移焦线，所述相移焦线具有横截面相位轮廓，其中：
所述相移焦线包括从拖尾部分相移的前导部分，使得所述相移焦线的所述前导部分在所述相移焦线的所述拖尾部分照射所述透明工件之前照射所述透明工件；
所述相移焦线在所述透明工件内生成诱发吸收，所述诱发吸收在所述透明工件内产生缺陷，所述缺陷包括中心缺陷区域和至少一个从所述中心缺陷区域在径向缺陷方向上向外延伸的径向臂；
所述相移焦线将轴对称光束斑投射到所述透明工件的成像表面上；并且
所述相位修改光学元件包括在径向偏移方向上偏移所述光束路径定位的透镜。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括沿着所述轮廓线相对于彼此平移所述透明工件和所述脉冲激光束，从而在所述透明工件内沿着所述轮廓线激光形成多个缺陷。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：
当所述相移焦线的所述前导部分照射所述透明工件时，所述相移焦线的所述前导部分与所述横截面相位轮廓的一个或多个相位轮廓脊对应；
所述一个或多个相位轮廓脊沿着一个或多个相位脊线延伸；以及
所述至少一个径向臂的所述径向缺陷方向定向在所述相移焦线的所述一个或多个相位脊线的20°内。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，被引导进入所述透明工件的所述脉冲激光束的所述部分包括：
波长λ；
光斑尺寸wo；以及
横截面，所述横截面包括大于
Figure FDA0003111772670000051
的瑞利范围ZR，其中FD是10或更大值的无量纲发散因子。
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