CN111065485B - 使用无焦光束调整组件激光加工透明工件的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种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以及引导由红外光束源输出的红外激光束通过无焦光束调整组件并沿着轮廓线引导到透明工件上，从而沿着轮廓线分离透明工件。红外激光束在透明工件的表面上形成环状红外束斑。红外激光束包括在无焦光束调整组件上游的进入光束直径以及在无焦光束调整组件下游的离开光束直径。环状红外束斑包括内直径、外直径和环厚度。此外，焦束调整组件包括一个或多个可调光学元件。另外，调整所述一个或多个可调光学元件改变了离开光束直径，由此改变了环状红外束斑的环厚度。

Description

使用无焦光束调整组件激光加工透明工件的设备和方法

本申请依据35 U.S.C.§119要求于2017年8月25日提交的系列号为62/550,033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将其通过引用全文纳入本文。

背景

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，涉及对透明工件进行分离的设备和方法。

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、钻孔、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。

从工艺开发和成本方面看，有许多机会来改进玻璃基材的切割和分离。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到极大关注的。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，其包括在透明工件中的缺陷；以及引导由红外光束源输出的红外激光束通过无焦光束调整组件并沿着或接近轮廓线引导到透明工件上，从而沿着轮廓线分离透明工件。红外激光束在透明工件的表面上形成环状红外束斑。红外激光束包括在无焦光束调整组件上游的进入光束直径以及在无焦光束调整组件下游的离开光束直径。环状红外束斑包括内直径、外直径和环厚度。此外，焦束调整组件包括一个或多个可调光学元件。另外，调整所述一个或多个可调光学元件中的至少一者改变了红外激光束的离开光束直径，从而改变了在透明工件的表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

在另一个实施方式中，一种用于激光加工透明工件的方法包括：将脉冲激光束聚焦成被引导到透明工件中的脉冲激光束焦线，所述脉冲激光束焦线在透明工件中产生缺陷；使透明工件与脉冲激光束焦线相对于彼此平移，由此在透明工件中沿着轮廓线激光形成多个缺陷；以及引导红外激光束通过无焦光束调整组件并沿着或接近轮廓线引导到透明工件上，从而沿着轮廓线分离透明工件。红外激光束在透明工件的表面上形成环状红外束斑。环状红外束斑包括内直径、外直径和环厚度。另外，无焦光束调整组件包括一个或多个可调光学元件，其被构造用于调整红外激光束的光束直径，从而改变在透明工件的表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

在另一个实施方式中，一种光学组件包括：被构造用于输出红外激光束的红外光束源，位于红外光束源下游的轴棱锥透镜，位于轴棱锥透镜下游的第一平凸透镜，以及位于第一平凸透镜下游的第二平凸透镜。当红外激光束穿过轴棱锥透镜、第一平凸透镜和第二平凸透镜中的每一者并随后照射位于第二平凸透镜下游的透明工件时，红外激光束在透明工件的表面上形成了环状红外束斑，其包括内直径、外直径和环厚度。光学组件还包括无焦光束调整组件，其位于红外光束源与第一平凸透镜之间。无焦光束调整组件包括一个或多个可调光学元件，调整所述一个或多个可调光学元件中的至少一者改变了在透明工件的表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

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

图1根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了穿过透明工件中形成的轮廓线的环状红外束斑；

图2根据本文所述的一个或多个实施方式，图示了一种环状红外激光束的一个实施方式的截面功率分布；

图3A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形成环状红外束斑的光学组件；

图3B根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了用于形成环状红外束斑的光学组件，其包括位于轴棱锥透镜上游的无焦光束调整器；

图3C根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了用于形成环状红外束斑的光学组件，其包括位于轴棱锥透镜下游的无焦光束调整器；

图4A根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了一种无焦光束调整器，其包括介于第一凸透镜与第二凸透镜之间的中间凹透镜，其中，无焦光束调整器以光束展开模式定位；

图4B根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，示意性地描述了以光束不变模式定位的图4B的无焦光束调整器；

图4C根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，示意性地描述了以光束变窄模式定位的图4A和4B的无焦光束调整器；

图5根据所示和所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了无焦光束调整器的另一个实施方式；

图6根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了照射具有关注区的透明工件的示例性环状红外束斑；

图7A根据本文所述的一个或多个实施方式，图示了红外激光束的光束直径根据适于常规高斯(Gaussian)红外激光束激光分布的合适功率而变化的情况；

图7B根据本文所述的一个或多个实施方式，图示了红外激光束的光束直径根据适于环状红外束斑的功率而变化的情况；

图8根据本文所述的一个或多个实施方式，描绘了经分离的透明工件在分离点处的一侧的图像，并且其示出了由于在轮廓线处利用高斯红外激光束通过常规激光处理导致的过量加热所造成的裂纹。

图9根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了具有线缺陷的轮廓线的形成；

图10根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了在透明工件的加工期间，脉冲激光束焦线的定位情况；

图11A根据本文所述的一个或多个实施方式，用于根据一个实施方式脉冲激光加工的光学组件；

图11B-1根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了与透明工件相关的脉冲激光焦线的第一实施方式；

图11B-2根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了与透明工件相关的脉冲激光焦线的第二实施方式；

图11B-3根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了与透明工件相关的脉冲激光焦线的第三实施方式；

图11B-4根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了与透明工件相关的脉冲激光焦线的第四实施方式；

图12根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了用于脉冲激光加工的光学组件的另一个实施方式；

图13A根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了用于脉冲激光加工的光学组件的另一个实施方式；

图13B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处的图10的脉冲激光的详细视图；

图14根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了用于脉冲激光加工的光学组件的另一个实施方式；

图15A根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了非聚焦脉冲激光束的强度状况；

图15B根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了具有球面透镜的聚光脉冲激光束的强度状况；

图15C根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了具有轴棱锥或菲涅耳衍射透镜的聚光脉冲激光束的强度状况；

图16A根据本文所述的一个或多个实施方式，图示了在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，其中，每个示例性脉冲串具有7个脉冲；

图16B根据本文所述的一个或多个实施方式，图示了在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，其中，每个示例性脉冲串具有9个脉冲。

具体实施方式

现将详细参考用于激光加工透明工件(例如玻璃工件)的方法的实施方式，这些实施方式的实例在附图中例示出。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将透明工件分离成两个或更多个部分。一般而言，该方法至少涉及第一步：在透明工件中形成包含缺陷的轮廓线，以及第二步：通过使透明工件在轮廓线处或附近经受红外激光束而沿着轮廓线分离透明工件。根据一个实施方式，脉冲激光束可以用于在透明工件中产生一系列线缺陷，从而限定轮廓线。在本文中，这些线缺陷可以被称为透明工件中的穿孔或纳米穿孔。随后，可以利用红外激光加热轮廓线附近的透明工件区域，以在轮廓线处分离透明工件。沿着轮廓线的分离可以由透明工件中的机械应力造成，所述机械应力通过透明工件在其不同部分处的温度差异引起，而该温度差异由来自红外激光束的加热造成。本文将具体参考附图描述用于分离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10％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1％的光学吸收。根据一些实施方式，工件的至少一部分，例如被分离的部分，具有小于约5x10^-6/K的热膨胀系数，例如小于约4x10^-6/K，或小于约3.5x10^-6/K。例如，工件的热膨胀系数可以是约3.2x10^-6/K。透明工件的厚度可以是约50微米至约10mm(例如，约100微米至约5mm，或约0.5mm至约3mm。

本文所用的短语“轮廓线”表示透明工件表面上的所需分离线(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，“线缺陷”的“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热处理(例如通过红外激光加工)来实现分离。

透明工件(例如玻璃基材等)可以通过首先在工件表面上形成轮廓线，随后加热轮廓线上的工件表面以在工件中产生热应力而被分离成多个部分。这些应力最终使得工件沿着轮廓线自发分离。可以例如使用红外激光来进行工件表面的加热。具体地，用于诱导沿着轮廓线分离的常规红外激光加工采用直接入射在轮廓线上的红外激光束，其具有造成最大热强度直接到限定轮廓线的缺陷上的剖面。例如，常规可采用高斯光束剖面，并且其中心直接在轮廓线上。在这样的常规方法中，激光能以及热的最大强度在轮廓线处。然而，已经发现，采用峰值强度(其具有足够的能量来造成分离)在轮廓线上的红外激光束可以对经分离的透明工件的边缘——分离前在所述边缘处存在轮廓线——造成损伤。例如，对于需要功率相对较高的红外激光来进行分离的一些玻璃组合物，热裂纹可以在大致垂直于经分离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期望分离线的方向上)从分离边缘扩展，这使经分离的透明工件的边缘变弱。

此外，轮廓线加热之后的自发分离与透明工件的材料的热膨胀系数(CTE)相关，其中，具有相对较高CTE的材料比具有相对较低CTE的材料在加热时更易于自发分离。在透明工件由CTE相对较低的材料形成的情况中，通过增加赋予透明工件的热能可以促进沿着轮廓线的自发分离。然而，在某些条件下(例如，当材料的CTE极低)，通过常规手段，可能不能在不损伤(例如熔化)工件的情况下增加赋予透明工件的热能，使得对这些工件行不通。

例如，在常规红外激光加工的一些实施方式中，如果光斑尺寸太小(例如，小于1mm)，或者CO₂激光功率太高(例如，大于400W)，则透明工件可能在轮廓线处被过分加热，从而在透明工件中产生烧蚀、熔化和/或热致裂纹，这是不期望的，因为它们将降低经分离的部件的边缘强度。在通过高斯光束剖面的常规加工下，这些参数可能是不可避免的，特别是在透明基材上，例如具有相对较低CTE(例如，小于约4x10^-6/K)的玻璃，当采用高斯激光剖面时，这些高强度激光参数对于通过沿着轮廓线的裂纹扩展来造成透明工件的分离可能是必要的。因此，对于常规手段，可能难以在不造成不期望的影响(例如，烧蚀、熔化和/或热致裂纹)的情况下分离低CTE玻璃工件，或者这些情况是不可避免的。

上述常规红外激光加工的缺陷可以通过具有下述累积能量分布的红外激光束剖面得到克服，所述累积能量分布为：来自位于轮廓线附近的区域的红外激光束的累积能量分布比来自直接在轮廓线上的更大。也就是说，相比于直接传递到轮廓线上，红外激光束可以将更多能量传递到轮廓线附近的区域上。如本文所用，“累积能量”是指当激光束相对于工件平移时，由红外激光束传递到透明工件的特定区域上的全部能量。例如，在一个实施方式中，红外激光分离可以采用环状激光束，其在透明工件上形成环状红外束斑。例如，环状红外束斑可以以轮廓线为中心，但是相比于直接投射到轮廓线上，其将更大量的能量投射到轮廓线附近的区域上。利用这种光束剖面，可以向透明工件施加更大的热能总量并且不会因为在轮廓线处过分加热而导致热裂纹和/或熔化。

另外，在一些实施方式中，可能期望改变环状红外束斑的环厚度(即，环状红外束斑的外直径与内直径之间的差)。例如，当红外激光束的激光功率增加时，可能期望增加环状红外束斑的环厚度，因为激光功率增加可损伤透明工件130。当环状红外束斑210与透明工件130的相对平移速度增加时，增加激光功率可以是有用的，由此降低了分离透明工件所需的时间。当分离CTE低的透明工件时，增加激光功率也可以是有用的，所述CTE低的透明工件例如CORNING LOTUS^TM和CORNING SAPPHIRE^TM，它们各自可购自纽约州康宁市的康宁股份有限公司(Corning Incorporated)。虽然不旨在受理论限制，但是包含更低CTE的透明工件130比具有更高CTE的透明工件130需要释放更多激光功率。为了补偿这一激光功率的增加，增加环状红外束斑的环厚度可以在透明工件130的更大的表面区域内散布由红外激光束施加到透明工件130上的增加的激光功率，从而降低施加于与环状红外束斑210相互作用(即，通过照射)的透明工件130的各个离散表面部分的局部激光功率，由此限制了损伤。因此，本文描述了用于形成环状红外束斑的光学组件，其包括无焦光束调整组件，所述无焦光束调整组件用于改变无焦光束调整组件的环厚度。

现在通过示例的方式参考图1，其示意性地描绘了根据本文所述方法进行分离的透明工件130，例如玻璃工件或玻璃陶瓷工件。初始地，在透明工件130的表面中形成轮廓线110以勾划出意欲分离的线，透明工件130将沿着该线分离成两个或更多个部分。轮廓线110可以通过透明工件130中的一系列缺陷来描绘。虽然在图1中将轮廓线110描绘成基本为线性的，但应理解，也构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。如本文所述，轮廓线110包括可以进一步起作用以诱导透明工件130沿着轮廓线110自发分离的缺陷。

根据实施方式，轮廓线110的缺陷可以通过多种方法形成，包括激光加工、机械加工或其组合。例如，轮廓线110可以通过激光刻划或机械刻划形成。在一个实施方式中，碳化硅轮或刻划工具或者金刚石尖端的刻划工具可以用于形成轮廓线110以及其中包含的缺陷。在另一个实施方式中，激光加工技术可以用于在透明工件130中形成轮廓线110的缺陷。例如，在实施方式中，如2015年12月17日公布的第2015/0360991号美国专利申请公开中公开的用于形成“穿孔”轮廓线的方法和设备可以用于在透明工件130中形成轮廓线110，所述文献通过引用全文纳入本文。

根据第2015/0360991号美国专利申请公开中所述的方法，轮廓线110可以包括线形缺陷，其在本文中被称为“线缺陷”，该线形缺陷延伸到透明工件130的表面中并且勾勒出所需的经分离的工件的形状并且产生用于裂纹扩展的路径，并因此分离出形状，使透明工件130沿着轮廓线110分离成独立的部分。为了形成轮廓线110，可以用波长在1064nm处或以下的超短脉冲(即，具有小于100皮秒的脉冲宽度)激光束照射待加工的透明工件130，所述激光束聚集成高纵横比的线焦点，其穿过透明工件130的至少一部分厚度。在这一高能量密度的体积中，沿着轮廓线110的透明工件130的材料通过非线性作用(例如，通过双光子吸收)而改变，尤其是在透明工件130的材料中产生了缺陷。通过使激光在所需的线或路径上扫描，可以形成限定轮廓线110的窄线缺陷(例如，几微米宽)。该轮廓线110可以限定在随后的加热步骤中待从透明工件130中分离的周界或形状。

仍然参考图1，在透明工件130中形成轮廓线110后，可以利用热源，例如红外激光束，沿着轮廓线110分离透明工件130。根据实施方式，热源可以用于形成热应力，并由此在轮廓线110处分离透明工件130。在实施方式中，红外激光束可以用于引发自发分离，然后可以对分离件进行机械精整。

红外激光束(即，图3A-3C的红外激光束302)，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110处或附近迅速升高透明工件130的温度。这种迅速加热可以在轮廓线110上或附近，在透明工件130中建立压缩应力。由于被加热的玻璃表面的面积比透明工件130的整个表面积相对更小，因此该加热区域冷却地相对较快。得到的温度梯度在透明工件130中诱导了拉伸应力，该拉伸应力足以使裂纹沿着轮廓线110扩展并通过透明工件130的厚度，从而沿着轮廓线110完全分离透明工件130。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的玻璃膨胀(即，密度改变)而引起。

仍然参考图1，在本文所述的实施方式中，可将红外激光束(具有投射到透明工件130上的环状红外束斑210)引导到透明工件130上，并且使其在加工方向212上沿着轮廓线110相对于透明工件130平移。应理解，“环状红外束斑210”在一些情况中可以与图3A-3C的红外激光束302互换指代，因为环状红外束斑210形成于透明工件130的被红外激光束302接触的区域上。通过用红外激光束加热轮廓线110(例如，通过穿过环状红外束斑210)形成了轮廓线110的分离部分142，由此造成裂纹沿着轮廓线110扩展并通过其厚度，从而发生自发分离。当环状红外束斑210在加工方向212上移动时，轮廓线110的分离部分142尾随环状红外束斑210。根据一个或多个实施方式，可以通过移动透明工件130，移动红外激光束(即，移动环状红外束斑210)或同时移动透明工件130和红外激光束，来使红外激光束在透明工件130上平移。通过使环状红外束斑210相对于透明工件130平移，可以沿着包含缺陷的轮廓线110分离透明工件130。

根据本文所述的实施方式，环状红外束斑210可以投射在轮廓线110处或附近，并且相比于直接传递到轮廓线110上的能量，其将更大量的能量传递到轮廓线两侧附近的透明工件130的区域上。在轮廓线110“附近”的区域包括在轮廓线110两侧上的透明工件130的任何区域(即，不包括缺陷线的任何区域)。在轮廓线110两侧上加热透明工件130产生了热应力，以促进透明工件130沿着轮廓线110自发分离。然而，虽然赋予透明工件130以促进沿着轮廓线110自发分离的能量总量可以与如果红外激光束聚焦并且最大强度直接在轮廓线110上(例如，高斯光束剖面)的能量相同，但是在轮廓线110的两侧上加热透明工件130而不是使最大强度直接在轮廓线110上使得在更大的区域内散布热能总量，从而减轻了由于过分加热导致的侧向于轮廓线110的裂纹的形成，并且还减少或者甚至减轻了轮廓线110处或附近的透明工件130的材料的熔化。事实上，使最大强度在轮廓线110的两侧上而不是最大强度直接在轮廓线110上来加热透明工件130实际可以允许有更大量的总热能被引入到透明工件130中而不会形成不期望的侧向裂纹和/或熔化，从而能够激光分离由CTE相对较低的材料所形成的透明工件130。

在一些实施方式中，用于促进自发分离的红外激光束可以包括环状光束剖面，例如图1所示的圆形对称环状光束剖面(即，环状红外束斑210)，从而相比于直接传递到轮廓线110上，将更大量的能量传递到轮廓线110附近的区域上。图2图示了环状光束的能量分布根据光束直径的变化情况。如本文所用，环状光束剖面是指通常最大强度远离光束中心并且相对于最大强度，在其中心处具有强度低谷的任何激光束剖面。该低谷可以包括在光束中心处完全缺乏能量，例如，图2的示例性光束分布中所示(即，在其中心处，光束的强度为0)。虽然本文已经参考了使用相对于轮廓线110为圆形对称的环状红外束斑210来促进在轮廓线110的两侧上加热透明工件130，但应理解，也构想了其他光束构造并且它们是可行的，只要光束具有最大强度不与光束中心同心的剖面即可。

如图1所示，红外激光束可以轮廓线110为中心(从而在轮廓线110上形成环状红外束斑210)，以在轮廓线110的每侧上投射相等量的热能。在这样的实施方式中，相比于直接传递到轮廓线110上，环状红外束斑210将会将更多的热能传递到轮廓线110的两侧上的附近区域上。应理解，图1的环状红外束斑210本质上是示意性的，并且是环状光束剖面(如图2所示的)的一种表现。利用远离轮廓线110投射最大功率的红外激光束所进行的分离方法可以允许赋予透明工件更大的总功率而不会因为过度的局部化加热而对分离表面和/或边缘造成损伤。额外的功率可以在透明工件中产生更多的热应力，这能够在不损伤工件的情况下分离低CTE材料、更厚的工件和/或工件的堆叠体。

环状红外束斑210可以包括内直径216、外直径214和环厚度211。根据实施方式，内直径216定义为某距离(即，半径)的两倍，其中86％的光束能在离光束中心(即，离环状红外束斑210的中心)的该距离之外。类似地，外直径214定义为某距离(即，半径)的两倍，其中86％的光束能在离光束中心的该距离之内。另外，环厚度211是外直径214与内直径216之间的差。根据实施方式，外直径214可以是约0.5mm至约20mm，例如，约1mm至约10mm、约2mm至约8mm、或约3mm至约6mm。内直径216可以是约0.01mm至约10mm、约0.1mm至约10mm、或约0.7mm至约3mm。例如，内直径216可以是外直径214的约5％至约95％，例如是外直径214的约10％至约50％、约20％至约45％、或约30％至约40％。进一步地，环厚度211可以是约0.04mm至约19.99mm，例如，约0.1mm、0.5mm、0.75mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm等，例如，约1mm至约9mm。根据一些实施方式，来自环状红外束斑210的最大功率(以及透明工件130中的最高温度)可以在离轮廓线110某一距离处，该距离大致等于内直径216的约一半。

现在参考图3A，其描绘了用于在透明工件130上产生环状红外束斑210的光学组件300。光学组件300包括红外光束源330，其用于产生红外激光束302，该红外激光束302可以是高斯光束。红外光束源330可以包括例如，CO₂激光器、CO激光器、固态激光器、激光二极管等。在操作时，红外光束源330可以产生并发射红外激光束302，其在红外光束传输方向30上从红外光束源330向着透明工件130传输。根据一个或多个实施方式，由红外光束源330输出的红外激光束302可以具有约8mm至约10mm的直径(取决于其1/e²直径)。如下文更详细描述的，可以使用位于红外光束源330与透明工件130之间的无焦光束调整组件来改变该直径。

第一平凸透镜312和第二平凸透镜314被定位在轴棱锥透镜310的下游，以使得由红外光束源330输出的红外激光束302被引导通过轴棱锥透镜310，随后通过第一平凸透镜312和第二平凸透镜314。如本文所用，“上游”和“下游”是指光学组件(例如，光学组件300)的两个位置或部件相对于光束源(例如，红外光束源330)的相对位置。例如，如果由光束源输出的光束先通过第一部件再通过第二部件，则第一部件在第二部件的上游。另外，如果由光束源输出的光束先通过第二部件再通过第一部件，则第一部件在第二部件的下游。

在操作时，可以将红外激光束302引导通过轴棱锥透镜310，随后再通过第一平凸透镜312和第二平凸透镜314。在一些实施方式中，第一平凸透镜312的焦距可以是约50mm至约200mm(例如，约50mm至约150mm、或约75mm至约100mm)，并且第二平凸透镜314的焦距小于第一平凸透镜的焦距，例如，约25mm至约50mm。轴棱锥透镜310可以具有锥形表面，其具有约1.2°的角度，例如，约0.5°至约5°、或约1°至约1.5°、或者甚至约0.5°至约5°(所述角度相对于光束进入轴棱锥透镜310时的平坦表面测得)。轴棱锥透镜310将入射的红外激光束302(其包括高斯光束)整形成贝塞尔(Bessel)光束，其进而被引导通过第一平凸透镜312和第二平凸透镜314。第一平凸透镜312和第二平凸透镜314使贝塞尔光束准直，并且调整贝塞尔光束的环状光斑(即，环状红外束斑210)的直径。具体地，第一平凸透镜312可以将红外激光束302(其包含轴棱锥透镜310下游的贝塞尔光束)整形成环状光束剖面，并且第二平凸透镜314可以将红外激光束302(其包含第一平凸透镜312下游的具有环状光束剖面的贝塞尔光束)聚焦到透明工件130上，从而在其上形成环状红外束斑210(例如，沿着轮廓线110或在其附近形成，如图1所示)。

如图1所示，环状红外束斑210的环厚度211、内直径216和外直径214各自可以通过光学组件300的部件来控制和改变。具体地，环状红外束斑210的环厚度211(即，外直径214与内直径216之间的差)在数学上被定义为0.5Φf₂/f₁，其中Φ是红外激光束302进入到第一平凸透镜312中时的直径(下文称为“光束直径Φ”)，f₁是第一平凸透镜312的焦距，并且f₂是第二平凸透镜314的焦距。由于第一平凸透镜312的焦距f₁和第二平凸透镜314的焦距f₂是固定的，因此环状红外束斑210的环厚度211可以通过调整光束直径Φ来得到调整，例如，使用位于第一平凸透镜312上游的无焦光束调整组件来调整，其提供了红外激光束302的光束直径Φ的选择性可调性，例如，无焦光束调整组件340(图3B和3C-4C)、无焦光束调整组件440(图5)或者被构造用于提供选择性光束直径可调性的任何其他无焦光学元件，例如，电动模式变焦适配器。

虽然不意欲受理论限制，但是第二平凸透镜314与透明工件130的相对定位同时影响环状红外束斑210的内直径216和外直径214二者，因此，改变透明工件130与第二平凸透镜314的相对定位使内直径216和外直径214改变相同的量。例如当透明工件130更靠近与第二平凸透镜314间隔的距离等于第二平凸透镜314的焦距的位置移动时，内直径216和外直径214各自减小，并且当透明工件130远离与第二平凸透镜314间隔的距离等于第二平凸透镜314的焦距的位置移动时，内直径216和外直径214各自增加。

虽然同样不意欲受理论限制，但是本文所述的无焦光束调整组件被构造用于改变内直径216的尺寸但不改变外直径214的尺寸，由此改变环状红外束斑210的环厚度211。具体地，本文所述的各无焦光束调整组件各个包括一个或多个可调光学元件，在操作时，调整所述一个或多个可调光学元件中的至少一者改变了无焦光束调整组件下游的红外激光束的光束直径(即，离开光束直径)，从而改变了在透明工件的表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

现在参考图3B和3C，其描绘了光学组件300'(图3B)和300”(图3C)。光学组件300'和300”各自包括光学组件300的红外光束源330、轴棱锥透镜310、第一平凸透镜312和第二平凸透镜314，以及无焦光束调整组件340。在图3B所示的实施方式(即，光学组件300')中，无焦光束调整组件340位于轴棱锥透镜310的上游，使得无焦光束调整组件340可以在红外激光束302穿过轴棱锥透镜310之前先改变红外激光束302的光束直径。在图3C所示的实施方式(即，光学组件300”)中，无焦光束调整组件340位于轴棱锥透镜310的下游，使得无焦光束调整组件340可以在红外激光束302穿过轴棱锥透镜310之后再改变红外激光束302的光束直径。

无焦光束调整组件340包括第一凸透镜342、第二凸透镜346以及中间凹透镜344，其位于第一凸透镜342与第二凸透镜346之间，并且光学耦合到第一凸透镜342和第二凸透镜346。第一凸透镜342位于第二凸透镜346的上游，因此，红外激光束302首先穿过第一凸透镜342，接着穿过中间凹透镜344并且随后穿过第二凸透镜346。第一凸透镜342和第二凸透镜346各自包括凸透镜，例如，双凸透镜、平凸透镜等，而中间凹透镜344包括凹透镜，例如双凹透镜、平凹透镜等。进一步地，第一凸透镜342和第二凸透镜346可以包含相等的焦距。在操作时，第一凸透镜342使红外激光束302聚焦，中间凹透镜344扩展红外激光束302，并且第二凸透镜346对红外激光束302进行准直。进一步地，如下文更详细描述的，第一凸透镜342、第二凸透镜346和中间凹透镜344中各自的相对定位是可调的(即，第一凸透镜342、第二凸透镜346和中间凹透镜344中的一者或多者可以包含可调的光学元件)，并且调整这些部件的相对定位可以改变在透明工件130上形成的环状红外束斑210的环厚度211。

现在参考图4A-4C，其更详细地描绘了无焦光束调整组件340。如图4A-4C所示，中间凹透镜344可相对于第一凸透镜342和第二凸透镜346平移，使得无焦光束调整组件340的各透镜之间的相对定位可以使光束直径扩展，使光束直径变窄，或者使光束直径不受影响。换言之，中间凹透镜344分别与第一凸透镜342和第二凸透镜346的相对定位可以使无焦光束调整组件340处于光束扩展模式350(图4A)、光束不变模式352(图4B)或光束变窄模式354(图4C)。进一步地，中间凹透镜344和第一凸透镜342间隔开第一间距370，并且中间凹透镜344和第二凸透镜346间隔开第二间距372。

在操作时，红外激光束302沿着第一间距370变窄(即，光束直径变窄)，而红外激光束302沿着第二间距372扩展(即，光束直径扩展)。另外，在图4A-4C所示的实施方式中，第一凸透镜342和第二凸透镜346的焦距可以是中间凹透镜344的焦距的两倍，使得当中间凹透镜344位于第一凸透镜344与第二凸透镜346之间的一半位置时，无焦光束调整组件340入口处与无焦光束调整组件340出口处的光束直径是相同的。在该实施方式中，红外激光束302在第一凸透镜342与中间凹透镜344之间聚焦，其速率与红外激光束302在中间凹透镜344与第二凸透镜346之间扩展的速率相同。例如，第一凸透镜342和第二凸透镜346各自可以包含约100mm的焦距，并且中间凹透镜344可以包含约50mm的焦距。然而，在另一些实施方式中，中间凹透镜344可以包含不等于第一凸透镜342和第二凸透镜346的焦距一半的焦距。在这些实施方式中，第一凸透镜342、第二凸透镜346和中间凹透镜344各自之间的相对定位可以不同于各自处于光束扩展模式350、光束不变模式352和光束变窄模式354的图4A-4C所示的位置。

现在参考图4A，在光束扩展模式350中，第一凸透镜342、第二凸透镜346和中间凹透镜344相对于彼此定位，使得在无焦光束调整组件340上游的光束直径(进入光束直径360)小于无焦光束调整组件340下游的光束直径(离开光束直径362)。例如，在图4A所示的实施方式中，第一间距370小于第二间距372(即，相比于第二凸透镜346，中间凹透镜344更靠近第一凸透镜342)。由于在图4A-4C的实施方式中，红外激光束302在第一凸透镜342与中间凹透镜344之间聚焦的速率与红外激光束302在中间凹透镜344与第二凸透镜346之间扩展的速率相同，因此相比于红外激光束302的聚焦，红外激光束302在更大的距离上扩展。因此，在无焦光束调整组件340上游的光束直径(进入光束直径360)小于无焦光束调整组件340下游的光束直径(离开光束直径362)。

现在参考图4B，在光束不变模式352中，第一凸透镜342、第二凸透镜346和中间凹透镜344相对于彼此定位，使得在无焦光束调整组件340上游的光束直径(进入光束直径360)等于无焦光束调整组件340下游的光束直径(离开光束直径362)。例如，在图4B所示的实施方式中，第一间距370等于第二间距372(即，中间凹透镜344离第一凸透镜342和第二凸透镜346的距离相等)。由于在图4A-4C的实施方式中，红外激光束302在第一凸透镜342之间聚焦的速率与红外激光束302在中间凹透镜344与第二凸透镜346之间扩展的速率相同，因此红外激光束302在与红外激光束302聚焦相同的距离上扩展。因此，在无焦光束调整组件340上游的光束直径(进入光束直径360)等于无焦光束调整组件340下游的光束直径(离开光束直径362)。

现在参考图4C，在光束变窄模式354中，第一凸透镜342、第二凸透镜346和中间凹透镜344相对于彼此定位，使得在无焦光束调整组件340上游的光束直径(进入光束直径360)大于无焦光束调整组件340下游的光束直径(离开光束直径362)。例如，在图4A所示的实施方式中，第一间距370大于第二间距372(即，相比于第一凸透镜342，中间凹透镜344更靠近第二凸透镜346)。由于在图4A-4C的实施方式中，红外激光束302在第一凸透镜342之间聚焦的速率与红外激光束302在中间凹透镜344与第二凸透镜346之间扩展的速率相同，因此相比于红外激光束302的扩展，红外激光束302在更大的距离上聚焦。因此，在无焦光束调整组件340上游的光束直径(进入光束直径360)大于无焦光束调整组件340下游的光束直径(离开光束直径362)。

虽然图4A-4C描绘了中间凹透镜344可在第一凸透镜342与第二凸透镜346之间平移，但应理解，第一凸透镜342、中间凹透镜344和第二凸透镜346各自可以相对于彼此平移，以改变第一凸透镜342、中间凹透镜344和第二凸透镜346的相对定位，从而改变在光学组件300、300'、300”(图3A-3C)的第一平凸透镜312处得到的光束直径Φ。此外，可以使用电动台或者任何其他已知的或待开发的用于移动光学部件的机构来平移第一凸透镜342、中间凹透镜344和第二凸透镜346。另外，应理解，在一些实施方式中，在无焦光束调整组件340下游的光束直径(离开光束直径362)可以等于光束直径Φ，而在其他实施方式中，在无焦光束调整组件340下游的光束直径(离开光束直径362)可以在到达第一平凸透镜312之前先通过一个或多个额外的光学部件改变，使得离开光束直径362与光束直径Φ不同。在这些其他实施方式中，无焦光束调整组件340可以被构造用于补偿这一不同，以形成在第一平凸透镜312处得到所需光束直径Φ的离开光束直径362，由此形成具有所需环厚度211的环状红外束斑210。

现在参考图5，所示的光学组件300”'包括位于第一平凸透镜312上游的无焦光束调整组件440(即，如图5所示的在红外光束源330与轴棱锥透镜310之间，或者位于轴棱锥透镜310与第一平凸透镜312之间)。无焦光束调整组件440包括第一端410，在第一端410处的第一孔414，第二端412以及在第二端412处的第二孔416。第二孔416包含比第一孔414更大的直径。此外，无焦光束调整组件440包括第一扩展光学元件420和第二扩展光学元件422，它们各自位于第一孔414与第二孔416之间。此外，在第一端410与第二端412之间，图4A-4B的第一凸透镜342、中间凹透镜344和第二凸透镜346可以被容纳在无焦光束调整组件440中。

第一扩展光学元件420和第二扩展光学元件422包括可调环，其被构造成当红外激光束302穿过无焦光束调整组件440时，改变红外激光束302的光束直径。特别地，第一扩展光学元件420的启动(例如，旋转)改变了第一凸透镜342与中间凹透镜344之间的相对距离，而第二扩展光学元件422的启动(例如，旋转)改变了中间凹透镜344与第二凸透镜346之间的相对距离。因此，第一扩展光学元件420和第二扩展光学元件422是可调的，从而调整无焦光束调整组件440中的光束直径变化(例如，增加或减小)的量。在一个实施方式中，第一扩展光学元件420的启动可以平移第一凸透镜342，第二扩展光学元件422的启动可以平移第二凸透镜346，而中间凹透镜344可以处于固定位置。在另一个实施方式中，第一扩展光学元件420的启动和/或第二扩展光学元件422的启动可以平移中间凹透镜344。在另一个实施方式中，无焦光束调整组件440可以包括单个扩展光学元件，其被构造用于使中间凹透镜344在固定的第一凸透镜342与第二凸透镜346之间平移。

另外，在一些实施方式中，当红外激光束302在第一端410处进入无焦光束调整组件440并且在第二端412处离开无焦光束调整组件440时(如图5所示)，无焦光束调整组件440使红外激光束302的光束直径增加，而当红外激光束302在第二端412处进入无焦光束调整组件440并且在第一端410处离开无焦光束调整组件440时(例如，当无焦光束调整组件440的取向颠倒时)，无焦光束调整组件440使红外激光束302的光束直径减小。然而，应理解，也设想了第一端410和第二端412相对于红外激光束302的取向不影响红外激光束302的光束直径如何改变的实施方式。

再次参考图3B-5，当需要具有不同环厚度211的环状红外束斑210时，无焦光束调整组件340、440通过不需要停机时间来用焦距不同的各透镜替换第一平凸透镜312和/或第二平凸透镜314，可以改进采用红外激光束302的透明工件130的激光加工。例如，当红外激光束302的激光功率增加时，可能期望增加红外激光束302的环厚度211。虽然不意欲受理论限制，但是利用含有增加的激光功率的红外激光束302来照射透明工件130可能损伤透明工件130。

然而，同时增加环状红外束斑210的环厚度211在透明工件130的更大的表面区域内散布由红外激光束302施加到透明工件130上的增加的激光总功率，从而降低了施加于与环状红外束斑210相互作用(即，通过照射)的透明工件130的各个离散表面部分的局部激光功率。作为一个实例，当分离CTE低的透明工件时，增加激光功率可以是有用的，所述CTE低的透明工件例如CORNING LOTUS^TM和CORNING SAPPHIRE^TM，它们各自可购自纽约州康宁市的康宁股份有限公司。此外，当环状红外束斑210与透明工件130的相对平移速度增加时，增加激光功率可以是有用的，例如，用于减少在透明工件130中形成的轮廓线110的分离时间。减少分离时间可以缩短生产经分离的透明工件130所需的制造时间，从而增加效率并减少成本。激光功率增加对分离较厚的透明工件130也可以是有用的。

另外，现在参考图6，环厚度211的可调性也可以用于避免红外激光束302照射透明工件130的一些部分。例如，透明工件130可以包括一个或多个关注区135，在激光加工期间，应避开它们。作为一个实例，所述一个或多个关注区135可以包括设置在透明工件130上的一层或多层材料，例如氧化铟锡涂层、铝涂层、锌涂层、铜涂层、虹彩(iridescent)涂层、抗反射涂层、抗摩擦涂层等。然而，应理解，无论是否存在任何另外的材料层，所述一个或多个关注区135可以指其上不期望被激光照射的透明工件130的任何部分。

图6描绘了在透明工件130上彼此间隔的两个关注区135，并且描绘了在该两个关注区135之间延伸的轮廓线110。在该实例中，可期望通过使环状红外束斑210和透明工件130沿着轮廓线110相对于彼此平移来分离轮廓线110并且环状红外束斑210不照射关注区135。上述无焦光束调整组件340、440的使用可以促进环状红外束斑210的环厚度211的改变，以避开关注区135。为了说明，在图6中示出了三个示例性环状红外束斑210a-210c，例如，第一环状红外束斑210a，其包含内直径216a、外直径214a和环厚度211a；第二环状红外束斑210b，其包含内直径216b、外直径214b和环厚度211b；以及第三环状红外束斑210c，其包含内直径216c、外直径214c和环厚度211c。

第一环状红外束斑210a包含外直径214b，其尺寸被设置成第一环状红外束斑210a照射关注区135。如上所述，这是不期望的。因些，可以减小外直径214a和内直径216a，以使得第一环状红外束斑210a不照射关注区135，例如，通过改变第二平凸透镜314与透明工件130的相对定位，从而使第一环状红外束斑210a现在包含图6所示的第二环状红外束斑210b。然而，第二环状红外束斑210b包含减小的内直径216b和减小的外直径214b。因此，如果红外激光束302的激光功率保持恒定，激光功率的量增加将与被红外激光束302的环状红外束斑210照射的透明工件130的部分相互作用，这可能损伤透明工件130。因此，可期望通过使用上述无焦光束调整组件增加内直径216b来增加第二环状红外束斑210b的环厚度211b，从而使第二环状红外束斑210b现在包含图6所示的第三环状红外束斑210c。第三环状红外束斑210c保持了减少的外直径(现在为外直径214c)，同时还减小了内直径(现在为内直径216c)并由此增加了环厚度211c，使得第三环状红外束斑210c避免照射关注区135并且不会不期望地增加施加于被第三环状红外束斑210c照射的透明工件130的各个离散部分的局部激光功率。

再次参考图3A-6，本文所述的实施方式能够在分离透明工件130时具有更快的加工速度。例如，红外激光束302和透明工件130可以相对于彼此以以下速度平移，所述速度例如至少约1mm/s、至少约5mm/s、至少约10mm/s、至少约100mm/s、至少约1m/s、至少约2mm/s、至少约5m/s、至少约10m/s、至少约15m/s、或者甚至至少约20m/s(例如，约1mm/s至约20m/s、或约10mm/s至约10m/s、或约100mm/s至约2m/s)。一般而言，更快的加工速度需要更大的激光功率量来获得热应力以促进自发分离。如上所述，在常规分离技术中，更大的激光功率可损伤透明工件130。然而由于本文所述的实施方式中的能量浓度远离轮廓线分布，因此可以避免过分加热，这可以减少或消除透明工件130中的不期望的损伤。另外，增加环状红外束斑210的环厚度211也可以限制过分加热，从而减少或消除透明工件130中的不期望的损伤。

在实施方式中，本文所述的通过红外激光束加工来分离透明工件130的方法可以允许具有更大的功率窗口用于给定的工艺速度。例如，图7A的数据代表了利用以200mm/s的速度投射到透明工件上的高斯红外激光束来进行的常规分离技术，其中，光束直径(即，1/e²直径)图示为根据足以用于分离的光束功率而变化。图7B代表了以200m/s的速度投射到透明工件上的本文所述的环状红外束斑，其中，外直径图示为根据合适的光束功率而变化。如可在图7A和7B中见到的，相比于常规工艺的高斯光束，利用环状光束时，适于分离透明工件(即，造成自发分离但不对透明工件造成损伤，例如图8所示的侧向开裂)的红外光束功率范围更宽。因此，对于给定的加工速度，使用环状光束剖面可以更广泛地改变红外激光束的功率，从而允许加工有更大的灵活性。根据实施方式，红外激光束的功率可以是约20W至约1000W，例如，约50W至约300W、或约75W至约200W，以及功率的子范围，并且其与外直径相关，如图7B所示。

再次参考图1和3A-3C，用于分离透明工件130的一个实施方式包括：在透明工件130的表面上形成轮廓线110的初始步骤。轮廓线110限定了意欲的分离线并且一般包括缺陷，当对其进行进一步操作时，例如通过加热等，造成透明工件130沿着轮廓线110自发分离。在形成轮廓线110之后的第二步骤中，将由红外光束源330输出的红外激光束302沿着轮廓线110引导到透明工件130的表面上，由此在透明工件130的表面上形成环状红外束斑210，如上所述。例如，使环状红外束斑210位于透明工件130的表面上，以使轮廓线110大致等分环状红外束斑210。也就是说，使环状红外束斑210位于透明工件130的表面上，以使得轮廓线110沿着环状红外束斑210的直径定位。然后，通过相对于透明工件130移动环状红外束斑210，相对于环状红外束斑210移动透明工件130，或者使环状红外束斑210和透明工件130相对于彼此移动，来使环状红外束斑210在轮廓线110上经过。

如上所述，红外激光束302(通过环状红外束斑210)沿着轮廓线110将热能赋予透明工件130。在本文所述的实施方式中，赋予透明工件130的热能最大量不直接在轮廓线110上，而是在透明工件130的与轮廓线110侧向偏离并间隔的区域中，这减缓了对透明工件130的不期望的损伤，例如熔化和/或侧向开裂。随着环状红外束斑210经过轮廓线110，红外激光束302(通过环状红外束斑210)加热透明工件130的材料，从而造成材料膨胀。这导致在经加热的区域中形成压缩应力，而在环状红外束斑210之前和之后沿着轮廓线110形成拉伸应力。这些应力造成轮廓线110(更具体地，轮廓线110的缺陷)自发扩展通过透明工件130的厚度并沿着轮廓线110扩展，结果使透明工件130沿着轮廓线110自发分离。

根据一个或多个实施方式，本公开提供了一种精确切割和/或分离透明工件的方法，所述透明工件例如由碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物、蓝宝石、熔凝二氧化硅或其组合形成的玻璃工件。这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市的康宁股份有限公司的EAGLE

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热膨胀系数(CTE)(例如，小于5x10^-6/K、或者甚至是小于4x10^-6/K，例如约3x10^-6/K、或约2.5x10^-6/K至约3.5x10^-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。根据实施方式，本文所述的激光切割方法可以用于以受控方式分离透明工件，并且具有可忽略的碎屑、最小缺陷以及对边缘有低的亚表面损伤，从而保留了工件完整性和强度。

如上所述，根据一些实施方式，轮廓线可以包括线缺陷(本文中有时称为线缺陷或穿孔)，其通过透明工件与脉冲激光束的相互作用产生，例如，在第2015/0360991号美国公开中有所描述。这种利用脉冲激光在透明工件中形成缺陷的方法也可以很好地适于对选定的脉冲激光波长是透明的材料。所述脉冲激光波长可以是，例如1064nm、532nm、355nm或266nm。已经例如通过使用厚度为0.025mm至0.7mm的EAGLE

组合物证明了形成缺陷的轮廓线的方法。

脉冲激光束可以在基本透明的材料(例如玻璃工件)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(或更高阶过程)。其与线性吸收的不同之处在于，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。

产生轮廓线110的穿孔步骤可以使用超短脉冲激光结合产生焦线的光学器件，以使由例如各种玻璃组合物形成的透明工件完全穿孔。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。

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或更多个脉冲的脉冲串来产生脉冲(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个脉冲或更多个脉冲，如每个脉冲串具有1至30个脉冲、或每个脉冲串具有5至20个脉冲)。脉冲串中的各脉冲可以间隔某持续时间，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。脉冲串重复频率可以在约1kHz至约2MHz的范围内，例如约1kHz至约200kHz。脉冲串的产生或产生脉冲串是激光操作的一种类型，其中脉冲的发射不是均匀且稳定的流的形式而是密集的脉冲簇形式。脉冲串激光束的波长可以基于待在其上操作的透明工件的材料来选择，使得透明工件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，在实施方式中，每个脉冲串的平均激光功率可以为约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，以及0.5mm EAGLE

玻璃的600μJ/0.5mm)。

透明工件可以相对于脉冲激光束平移(或者脉冲激光束可以相对于玻璃平移)以利用缺陷形成追迹出所需部分形状的轮廓线。脉冲激光可以产生孔状缺陷区——在本文中称为线缺陷，其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一般可以不是空隙空间，而是通过本文所述的激光加工而改变的工件部分。在显示器或TFT类型的玻璃中，这些线缺陷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，线缺陷之间的合适间距可以为约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。

如本文定义，线缺陷的内直径是限定透明工件中的线缺陷的改变区域的内直径。例如，在本文所述的一些实施方式中，线缺陷的内直径可以小于或等于约1微米，例如，小于或等于约500nm，小于或等于约400nm，或者甚至是小于或等于约300nm。在实施方式中，线缺陷的内直径可以与激光束焦线的光斑直径一样大。在实施方式中，脉冲激光束焦线的平均光斑直径可以在约0.1微米至约30微米的范围内，例如约0.1微米至约10微米、约0.1微米至约5微米，例如，约1.5微米至约3.5微米。一旦工件沿着轮廓线分离，则仍可能潜在地在经分离的表面处观察到线缺陷并且其可以具有与线缺陷的内直径相当的宽度。因此，通过本文所述方法的实施方式制备的工件的切割表面上的线缺陷的宽度可以是约0.1微米至约5微米。

除了使单个透明工件穿孔，所述方法也可以用于对透明工件的堆叠体(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。玻璃堆叠体在各个位置中还可以具有空气间隙。根据另一个实施方式，在玻璃堆叠体之间可以设置延性层，例如粘合剂。然而，脉冲激光工艺将仍以单程通过来使所述堆叠体的玻璃上层和玻璃下层二者完全穿孔。

不囿于理论，认为所述穿孔工艺的其中一个促成因素是由超短脉冲激光产生的线缺陷的高纵横比。在一些实施方式中，该高纵横比允许形成从待被切割的工件的顶表面延伸到底表面的轮廓线。原则上，该线缺陷可以通过单个脉冲产生，如果需要，也可以使用额外的脉冲来增加受影响区域(深度和宽度)的延伸。

在实施方式中，脉冲激光束焦线的长度可以在以下范围内：约0.1mm至约10mm、或约0.5mm至约5mm，例如，约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、约5mm、约6mm、约7mm、约8mm或约9mm，或者长度在约0.1mm至约2mm、或0.1mm至约1mm的范围内。在实施方式中，脉冲激光束焦线的平均光斑直径可以在约0.1微米至约5微米的范围内。每个线缺陷的直径可以是约0.1微米至30微米，例如，约0.25微米至约5微米(例如，约0.25微米至约0.75微米)。

焦线的产生可以通过将高斯激光束发送到轴棱锥透镜中来进行，在这种情况中，产生被称为高斯-贝塞尔(Gauss-Bessel)光束的光束剖面。这种光束比高斯光束衍射得显著更慢(例如，光束可以在几百微米或毫米的范围而不是几十微米或更小的范围保持单微米直径的光斑尺寸)。因此，相比于仅使用高斯光束时的情况，焦深或者与材料强烈相互作用的长度可以显著更大。也可以使用其他形式的慢衍射或无衍射光束，例如艾里(Airy)光束。

如图9所示，可以通过用在加工方向160上移动的超短脉冲激光束140加工透明工件130来形成包含多个线缺陷120的轮廓线110。例如，线缺陷120可以延伸通过透明工件130的厚度，并且可以与透明工件130的主(平坦)表面正交。虽然轮廓线可以是线性的，如图9所示的轮廓线110，但是轮廓线也可以是非线性的(即，具有曲率)。弯曲的轮廓线可以例如通过使透明工件130或脉冲激光束140中的任一者相对于另一者在二维而非一维中平移来产生。虽然在一些透明工件中，材料性质(例如，吸收、CTE、应力、组成等)和选择用于加工透明工件的脉冲激光参数可以单独诱导自分离，但是在本文所述的实施方式中，在形成轮廓线110后，采用热处理(例如，使用红外激光)在轮廓线110处分离透明工件130。如图9所示，多个线缺陷120可以限定轮廓线110。

对于一些透明工件，沿着轮廓线110的方向，相邻线缺陷120之间的距离或周期性可以是至少约0.1微米或1微米且小于或等于约20微米或者甚至30微米。例如，在一些透明工件中，相邻线缺陷120之间的周期性可以是约0.5至约15微米、或约3微米至约10微米、或约0.5微米至约3.0微米。例如，在一些透明工件中，相邻线缺陷120之间的周期性可以是约0.5微米至约1.0微米。然而，对于碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物，尤其是0.5mm厚或更厚的那些，相邻线缺陷120之间的周期性可以是至少约1微米，例如至少约5微米，或约1微米至约15微米。

根据各个实施方式，具有多种方法来通过用脉冲激光束加工建立穿孔的轮廓线。形成焦线的光学方法可以呈现多种形式，并且使用甜甜圈形激光束和球面透镜、轴棱锥透镜、衍射元件或者其他方法来形成高强度的线性区域。也可以改变激光类型(皮秒激光、飞秒激光等)和波长(红外、绿光、UV等)，只要达到足够的光学强度以通过非线性光学作用在透明工件上的聚焦区域中产生工件材料的破损即可。根据一个或多个实施方式，激光可以是脉冲串激光，其允许通过调整给定脉冲串中的脉冲数目而随着时间控制能量沉积。

在本实施方式中，可以使用超短脉冲激光，从而以一致、可控和可重复的方式形成高纵横比的垂直线缺陷。根据一个实施方式，使用光学技术在透明工件中形成高强度激光束的线焦点。在一个实施方式中，在光学透镜组件中使用轴棱锥透镜元件，以利用超短(皮秒或飞秒的持续时间)贝塞尔光束形成高纵横比、无锥度线缺陷的区域。换言之，轴棱锥将激光束会聚成具有圆柱形和高纵横比(长的长度和小的直径)的高强度区域。由于会聚的激光束所产生的高强度，因此可以发生激光的电磁场与工件材料的非线性相互作用，并且可以将激光能传递给工件以起到形成缺陷的作用，所述缺陷成为轮廓线的组成部分。然而，重要的是，实现了在激光能强度不高的材料区域(例如在中心会聚线周围的工件的玻璃空间)中，透明工件的材料在很大程度上不受激光影响，并且不具有将能量从激光转移到材料的机制。结果，当激光强度低于非线性阈值时，工件直接在聚焦区处不发生变化。

现在参考图10，一种用于形成穿孔轮廓线(例如，轮廓线110)的方法可以包括：将来自激光设备3的脉冲激光束2聚焦成沿着光束传输方向取向的脉冲激光束焦线2b。如图10所示，激光器(未示出)发射脉冲激光束2，其有光束部分2a入射到光学组件6。在限定的扩展范围内，光学组件6将入射的激光束在输出侧上沿着光束方向转换成脉冲激光束焦线2b(焦线长度为l)。将透明工件1定位在光束路径中，以与脉冲激光束2的脉冲激光束焦线2b至少部分重叠。由此将激光束焦线引导到透明工件1中。分别地，附图标记1a表示面向光学组件6或激光的透明工件1的表面，附图标记1b表示透明工件1的背表面。透明工件1具有垂直于透明工件1的顶表面1a和底表面1b(即，垂直于工件平面)测量的深度d，其中，顶表面1a和底表面1b是平面。

如图10所示，透明工件1与纵向光束轴垂直对齐，并且在光学组件6所产生的脉冲激光束焦线2b之后(透明工件1垂直于附图的平面)。脉冲激光束焦线2b沿着光束方向取向或对齐，透明工件1相对于脉冲激光束焦线2b定位，使得脉冲激光束焦线2b在透明工件1的顶表面1a之前开始，并且在透明工件1的底表面1b之前停止(即，脉冲激光束焦线2b在透明工件1中终止并且不延伸超过底表面1b)。在脉冲激光束焦线2b与透明工件1重叠的区域中(即，被脉冲激光束焦线2b覆盖的工件材料中)，脉冲激光束焦线2b产生(假设沿着脉冲激光束焦线2b具有合适的激光强度，该强度通过将脉冲激光束2聚焦在长度为l的区段中来保证，该区段即长度为l的线焦点)阔区段2c(沿着光束纵向方向对准)，沿着该区段2c，在工件材料中产生了诱导吸收。诱导吸收沿着阔区段2c在工件材料中产生了线缺陷形成。线缺陷是透明工件1中的微观(例如，内直径是约100nm至约0.5微米)长缺陷，其可以通过使用具有多个激光脉冲的单个高能脉冲串来产生。一系列的这些线缺陷沿着轮廓线在透明工件中产生了穿孔图案。例如，可以以几百千赫兹的频率形成各个线缺陷(即，每秒形成几十万个线缺陷)。随着脉冲激光束焦线2b与透明工件1之间的相对运动，这些线缺陷可以彼此相邻设置(根据需要，空间间隔从亚微米至数微米变化)。可以对这些空间间隔(节距)进行选择，以促进利用热源(例如红外激光)的工件分离。在一些实施方式中，线缺陷是“贯穿缺陷”，其是从透明工件1的顶表面1a延伸到透明工件1的底表面1b的缺陷。线缺陷形成不仅是局部的，而且是在具有诱导吸收的阔区段2c的整个长度内。具有诱导吸收的阔区段2c的长度(对应于脉冲激光束焦线2b与透明工件1重叠的长度)用附图标记L标记。具有诱导吸收的阔区段2c处的缺陷区域(即，缺陷)的内直径用附图标记D标记。该内直径D基本上对应于脉冲激光束焦线2b的平均直径δ，即，平均光斑直径，其在约0.1微米至约5微米的范围内。

下面描述可应用于产生脉冲激光束焦线2b的代表性光学组件6，以及其中可应用这些光学组件的代表性光学设备。所有的组件或设备是基于上文的描述，因此相同的附图标记用于相同的部件或特征或者功能等同的部件或特征。因此，下文仅描述不同之处。

如图11A所示，由激光设备3发射并且入射到光学组件6的激光束的光束部分2a首先被引导到孔8(例如圆形孔)上，孔8对所用的激光辐射的波长是不透明的。孔8垂直于纵向光束轴取向，并且以光束部分2a的中心部分为中心。对孔8的直径进行选择，使得光束部分2a的中心附近的激光辐射(即，中心光束部分，此处标记为2aZ)撞击孔并且被孔完全吸收。由于孔尺寸相比于光束直径有所减小，因此仅光束部分2a的外周界范围中的光束(即，边部光线，此处标记为2aR)未被孔8吸收，并且从侧向通过孔8并且撞击光学组件6的聚焦透镜7的边部区域，在该实施方式中，聚焦透镜7被设计成球面切割的双凸透镜。

如图11A所示，脉冲激光束焦线2b不仅可以是激光束的单个焦点，而且可以是激光束中的不同光线的一系列焦点。这些焦点系列形成了具有限定长度的长焦线，该长度在图11A中显示为脉冲激光束焦线2b的长度l。聚焦透镜7可以以中心光束为中心，并且可以被设计成普通的球面切割透镜形式的未校正的双凸聚焦透镜。作为替代，也可以使用偏离理想校正系统的非球面或多透镜系统，其不形成理想的焦点，而是形成长度限定的独特的长焦线(即，透镜或系统不具有单个焦点)。因此，受制于离透镜中心的距离，透镜的各区沿着脉冲激光束焦线2b聚焦。在横向于光束方向上的孔8的直径可以是光束部分2a的直径的约90％(其通过光束强度下降到峰值强度1/e²所需的距离来定义)，并且是光学组件6的聚焦透镜7的直径的约75％。因此使用通过阻挡中心中的光束群产生的聚焦透镜7(例如，非像差校正的球面透镜)的脉冲激光束焦线2b。图11A示出了在通过中心光束的一个平面中的截面，当所示光束围绕脉冲激光束焦线2b旋转时，可观察到完整的三维光束群。

图11B-1至图11B-4显示(不仅是针对图11A的光学组件，还针对任何其他可适用的光学组件6)，通过相对于透明工件1适当地定位和/或对准光学组件6，以及通过适当地选择光学组件6的参数，可以控制脉冲激光束焦线2b的位置。如图11B-1所示，可以调整脉冲激光束焦线2b的长度l，以使其超过工件深度d(此处为2倍)。如果透明工件1放置在脉冲激光束焦线2b的中心(在纵向光束方向上观察)，则可以在整个工件厚度上产生具有诱导吸收的阔区段2c。脉冲激光束焦线2b的长度l可以在约0.01mm至约100mm的范围内，或在约0.1mm至约10mm的范围内。各个实施方式可以被构造成具有长度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2b。

在图11B-2所示的情况中，产生了长度l大致对应于工件深度d的脉冲激光束焦线2b。由于透明工件1相对于脉冲激光束焦线2b定位成脉冲激光束焦线2b在透明工件1之外的点处起始，因此，具有诱导吸收的阔区段2c的长度l(其从工件表面延伸到限定的工件深度，但是不延伸到底表面1b)小于脉冲激光束焦线2b的长度l。图11B-3示出了透明工件1(沿着垂直于光束方向的方向观察)位于脉冲激光束焦线2b的起始点上方的情况，因此，如图11B-2中的那样，脉冲激光束焦线2b的长度l大于透明工件1中的具有诱导吸收的阔区段2c的长度l。脉冲激光束焦线2b因此在透明工件1中起始，并且延伸超过透明工件1的底表面1b。图11B-4示出了焦线长度l小于工件深度d的情况，使得在透明工件1相对于脉冲激光束焦线2b是中心定位的情况中(在入射方向上观察)，脉冲激光束焦线2b在透明工件1中的顶表面1a附近起始，并且在透明工件1中的底表面1b附近终止(例如l＝0.75d)。

可以特别有利的是，脉冲激光束焦线2b被定位成使顶表面1a或底表面1b中的至少一者被焦线覆盖(例如，图11B-2或图11B-3的设置)，从而使具有诱导吸收的阔区段2c至少起始于工件的一个表面上。由此可实现几乎理想的切割，同时避免在表面处烧蚀、羽毛状(feathering)和颗粒化。

图12描绘了光学组件6的另一个实施方式。由于基本构造遵循图11A所示的构造，因此下文仅描述不同之处。图12所示的光学组件采用具有非球面自由表面的光学器件，以产生脉冲激光束焦线2b，其被整形以形成具有限定长度l的焦线。为此，非球面体可用作光学组件6的光学元件。例如，在图12中，使用所谓的锥棱镜，其也被称为轴棱锥。轴棱锥是锥形切割的透镜，其在沿着光轴的线上形成光斑源(或将激光束转换成环)。在本实例中，轴棱锥的锥体角度为约10°。然而，应理解，也可以使用其他范围的轴棱锥锥体角度。轴棱锥9的顶点指向入射方向，并且以光束中心为中心。由于轴棱锥9所产生的脉冲激光束焦线2b在轴棱锥的内部中起始，因此透明工件1(此处与主光束轴垂直对准)可定位在轴棱锥9正后方的光束路径中。

如图12所示，由于轴棱锥的光学特性，还可沿着光束方向移动透明工件1，但是将其保持在脉冲激光束焦线2b的范围内。透明工件1的材料中的具有诱导吸收的阔区段2c因此在整个工件深度d内延伸。然而，所示的设计可受到以下限制：由于由轴棱锥9形成的脉冲激光束焦线2b的区域开始于轴棱锥9之内，因此在轴棱锥9与透明工件之间存在分离的情况中，大部分的激光能未聚焦到位于材料中的脉冲激光束焦线2b的具有诱导吸收的阔区段2c中。进一步地，脉冲激光束焦线2b的长度l通过轴棱锥9的折射率和锥体角度而与光束直径有关。这就是在相对较薄的材料(例如几毫米)的情况中，总焦线比工件厚度显著更长的原因，结果大部分激光能未聚焦在材料的厚度中。

为此，可以有利的是使用同时包含轴棱锥和聚焦透镜的光学组件6。图13A描绘了这种光学组件6，其中具有非球面自由表面的第一光学元件被设计用于形成脉冲激光束焦线2b，并且所述第一光学元件定位在从激光设备3出发的光束路径中。在图13A所示的情况中，该第一光学元件是垂直于光束方向并且以来自激光设备3的光束为中心定位的轴棱锥10，其锥体角度为5°。轴棱锥10的顶点向着光束方向取向。第二聚焦光学元件在此处为平凸透镜11(其曲率向着轴棱锥取向)，该第二聚焦光学元件在光束方向上定位在离轴棱锥10的距离为z1处。距离z1可以是约300mm，并且对其进行选择使得由轴棱锥10形成的激光辐射圆形入射在透镜11的外径向部分上。透镜11将圆形辐射聚焦在离透镜11距离z2(在本情况中为约20mm)处的输出侧上，聚焦在具有限定长度(在本情况中为1.5mm)的脉冲激光束焦线2b上。在本实施方式中，透镜11的有效焦距为25mm。轴棱锥10对激光束的圆形转换标记为附图标记SR。

图13B描绘了根据图13A的光学组件6，在透明工件1的材料中形成脉冲激光束焦线2b或具有诱导吸收的阔区段2c。对两个元件10、11的光学特征以及它们的定位进行选择，使得在光束方向上的脉冲激光束焦线2b的长度l等于透明工件1的深度d。在一些实施方式中，可能需要沿着光束方向精确定位透明工件1，以使脉冲激光束焦线2b刚好在透明工件1的顶表面1a与底表面1b之间，如图13B所示。

在另一个实施方式中，也可使用聚焦的弯月透镜或另外的更高阶校正的聚焦透镜(例如非球面、多透镜系统)来替代图13A所示的平凸透镜。

为了使用图13A所示的轴棱锥和透镜的组合产生相对较短的脉冲激光束焦线2b，可需要选择极小光束直径的激光束入射在轴棱锥上。这在实际中具有弊端，即，光束需非常精确地将中心定位在轴棱锥的顶点上，并且结果对激光的方向变化(例如光束飘移稳定性)非常敏感。另外，密集准直的激光束可以是高度发散的，即，由于光偏转，光束群在极短的距离内变得失焦(blurred)。

如图14所示，通过在光学组件6中包括另一个透镜——准直透镜12，可以避免两种影响。额外的准直透镜12用于紧密地调整聚焦透镜11的圆形照射。对准直透镜12的焦距f'进行选择，使得所需的圆直径dr由距离z1a产生，所述距离z1a是从轴棱锥到准直透镜12的距离，其等于f'。可通过准直透镜12与聚焦透镜11之间的距离z1b来调整环的所需宽度br。由于纯几何的关系，小的圆形照射的宽度得到了短的焦线。在距离f'处可以获得最小值。

这样，图14所示的光学组件6是基于图13A所示的光学组件，因此，下面仅描述不同之处。此处，准直透镜12也被设计成平凸透镜并且其曲率朝向光束方向，该准直透镜12被放置在一侧上的轴棱锥10(其顶点朝向光束方向)与另一侧上的平凸透镜11之间的光束路径中心处。准直透镜12离轴棱锥10的距离被称为z1a，聚焦透镜11离准直透镜12的距离为z1b，脉冲激光束焦线2b离聚焦透镜11的距离被称为z2。如图14所示，由轴棱锥10形成的圆形辐射SR发散地且在圆直径dr下入射在准直透镜12上，为了在聚焦透镜11处具有大致恒定的圆直径dr，沿着距离z1b将该圆形辐射SR调整到所需的圆宽度br。在所示的情况中，期望产生极短的脉冲激光束焦线2b，从而因为准直透镜12的聚焦性质，在准直透镜12处的约4mm的圆宽度br在透镜11处下降到约0.5mm(在该实例中，圆直径dr为22mm)。在所示的实例中，使用通常的2mm激光束直径，焦距f＝25mm的聚焦透镜11，焦距f’＝150mm的准直透镜以及选择距离Z1a＝Z1b＝140mm和Z2＝15mm，可实现小于0.5mm的焦线长度l。

图15A-15C例示了在不同激光强度状况下的激光-物质相互作用。在图15A所示的第一种情况中，未聚焦的脉冲激光束710通过透明工件720而未将任何改变引入到该透明工件720中。在这种具体情况中，由于激光能量密度(或由光束照射的每单位面积的激光能)低于诱导非线性作用必需的阈值，因此不存在非线性作用。能量密度越高，电磁场的强度越高。因此，如图15B所示，当球面透镜730将激光束聚焦成较小的光斑尺寸时，照射区域减小而能量密度增加，从而引发了非线性作用，该非线性作用改变了透明材料，使得仅在满足条件的空间中形成裂线。这样，如果聚焦的激光的束腰位于工件的表面处，则会发生表面的改变。相反，如果聚焦的激光的束腰位于工件的表面下方，则当能量密度低于非线性光学作用的阈值时，在表面处不会发生改变。然而，当焦点740位于透明工件720的本体中时，激光强度足够地高以引发多光子非线性作用，并因此诱导对材料的损伤。在另一个实施方式中，如图15C所示，在轴棱锥的情况中，轴棱锥透镜750(或者替代性地，菲涅耳轴棱锥)的衍射图案产生了干涉，该干涉产生了贝塞尔形的强度分布(即，高强度圆柱760)，并且强度仅在该空间中足够地高以产生非线性吸收并改变透明工件720的材料。贝塞尔形强度分布足以产生非线性吸收并改变材料的高强度圆柱760的直径也是激光束焦线的光斑直径。贝塞尔光束的光斑直径D可以表示为D＝(2.4048λ)/(2πB)，其中λ是激光束波长，B是轴棱锥角的函数。

为了切割碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物，根据一些示例性实施方式，可以使用产生具有多个脉冲的脉冲串的皮秒脉冲激光器(例如，1064nm或532nm皮秒脉冲激光器)并组合形成线焦束的光学器件，以在玻璃组合物中产生线缺陷。然而，应注意，在本文所述的穿孔过程中也可以使用其他脉冲激光器。

例如，厚度最高至0.7mm的显示器/TFT玻璃组合物可以被定位成在光学器件所产生的焦线的区域内。利用焦线长度为约1mm，以200kHz的脉冲串重复率产生约24W或更高输出功率(约120μJ/脉冲串或更大)(在透明工件处测得)的1064nm皮秒激光器，焦线区域中的光学强度足可以在玻璃组合物中产生非线性吸收。在材料处测得的每毫米工件厚度的脉冲激光束的平均激光脉冲串能量可以大于40μJ。对于一些玻璃，所用的平均激光脉冲串能量可以高至2500μJ/毫米材料厚度，例如，约40μJ/mm至约2500μJ/mm、约400μJ/mm至约1300μJ/mm、或约550μJ/mm至约1000μJ/mm，因为能量密度足以对工件中的线缺陷产生彻底损伤踪迹，同时最大程度地减小与穿孔线或切割边缘正交的微开裂的程度。该“平均脉冲串激光能”/mm也可以被称为平均每脉冲串线性能量密度，或者平均能量/激光脉冲串/毫米材料厚度。在玻璃组合物中可以产生受损伤、烧蚀、蒸发或以其他方式改变的材料区域，其大致遵循激光束焦线所产生的高光学强度的线性区域。

现在参考图16A和16B，应理解，本文所述的这种皮秒激光器的通常运行产生了脉冲串500，其具有脉冲500A。每个脉冲串500包含多个持续时间非常短的单独的脉冲500A(例如至少2个脉冲、至少5个脉冲、至少7个脉冲、至少8个脉冲、至少9个脉冲、至少10个脉冲、至少15个脉冲、至少20个脉冲、或者甚至更多个脉冲)。也就是说，脉冲串是脉冲组，并且各脉冲串通过比每个脉冲串中的各相邻脉冲的间隔更长的持续时间而彼此间隔。根据一个或多个实施方式，对于切割或穿孔显示器玻璃/TFT玻璃组合物，每个脉冲串的脉冲数目可以是约1至30个(例如，5至20个)。各脉冲500A的脉冲持续时间T_d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皮秒或介于它们之间的任何范围)。在脉冲串中的每个单独的脉冲500A的能量或强度可以不等于脉冲串中的其他脉冲的能量或强度，并且脉冲串500中的多个脉冲的强度分布在由激光设计决定的时间上常遵循呈指数衰减。

在一些实施方式中，在本文所述的示例性实施方式的脉冲串500中的每个脉冲500A与脉冲串中的后续脉冲在时间上间隔持续时间T_p，其为约1纳秒至约50纳秒(例如，约10纳秒至约50纳秒、或约10纳秒至约30纳秒，其中时间常由激光腔设计决定)。对于给定的激光，脉冲串500中的相邻脉冲之间的时间间隔T_p可以相对较均匀(例如彼此相差在约10％内)。例如，在一些实施方式中，脉冲串中的每个脉冲与后续的脉冲在时间上间隔约20纳秒(50MHz)。例如，对于产生约20纳秒脉冲间隔T_p的激光，将脉冲串中的脉冲间的间隔T_p保持在相差约±10％以内，或者相差约±2纳秒以内。各个具有脉冲的脉冲串之间的时间(即，脉冲串之间的时间间隔T_b)将显著更长。例如，每个具有脉冲的脉冲串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。在本文所述的激光的一些示例性实施方式中，对于脉冲串的重复率为约200kHz的激光来说，时间间隔T_b为约5微秒。激光脉冲串重复率与一个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)。精确的时间安排、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，优选地T_d≤15皮秒)显示出特别有效。

改变材料所需的能量可以根据脉冲串能量(即，脉冲串中所含的能量，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(许多激光脉冲可以构成脉冲串)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(例如取决于工件的特定显示器/TFT玻璃组成，为约300μJ至约500μJ、或约400μJ至约600μJ)。脉冲串中的单独脉冲的能量将更小，并且单独的激光脉冲的准确能量将取决于脉冲串500中的脉冲500A的数目以及激光脉冲随时间衰减的速率(例如指数式衰减速率)，如图16A和16B所示。例如，对于恒定的能量/脉冲串，如果脉冲串包含10个单独的激光脉冲500A，则每个单独的激光脉冲500A将比若相同的脉冲串500仅具有2个单独的激光脉冲含有更少的能量。

使用能够产生这种脉冲串的脉冲激光束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500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。虽然单脉冲可在时间上扩展，但是脉冲中的强度在脉冲宽度内大致减小。因此，如果10皮秒单脉冲扩展到10纳秒脉冲，则强度减小约三个数量级。这种减小可以将光学强度降低到非线性吸收不再显著，并且光-材料相互作用不再足以用于切割的点。

相反，在利用脉冲串激光的情况下，脉冲串500中的每个脉冲500A期间的强度可保持非常高(例如，在时间上间隔约10纳秒的三个10皮秒脉冲500A仍然允许每个脉冲串中的能量比单个10皮秒脉冲的能量高约三倍)，并且允许该激光在现在大了三个数量级的时间尺度上与材料相互作用。例如，通常，在时间上间隔约10纳秒的10皮秒脉冲500A使得每个脉冲串中的能量比单个10皮秒脉冲的能量高约10倍)，并且该激光在现在大了几个数量级的时间尺度上与材料相互作用。在一个实施方式中，改变材料的所需脉冲串能量的量将取决于工件的材料组成和用于与工件相互作用的线焦点的长度。相互作用区域越长，散布的能量越多，将需要越高的脉冲串能量。虽然精确的时间安排、脉冲持续时间和脉冲串重复率可以根据激光设计而变化，但是在一些实施方式中，具有高强度的短脉冲时间(例如，小于约15皮秒，或者甚至小于或等于约10皮秒)可以是示例性的。

不意欲受理论限制，当单个具有脉冲的脉冲串基本上撞击透明工件上的相同位置时，在材料中形成了缺陷。也就是说，单个脉冲串中的多个激光脉冲对应于透明工件中的单个线缺陷。由于工件被平移(例如，通过恒定移动的台或者相对于工件移动光束来平移)，因此脉冲串中的各个脉冲无法位于玻璃上完全相同的空间位置处。但是，各个脉冲彼此间可以在1μm以内(即，它们在基本上相同的位置处有效撞击玻璃)。例如，各个脉冲可以以彼此间隔间距sp撞击玻璃，其中0<sp≤500nm。例如，当玻璃位置被具有20个脉冲的脉冲串撞击时，脉冲串中的各个脉冲在彼此间为250nm以内撞击玻璃。因此，在一些实施方式中，1nm<sp<250nm。在一些实施方式中，1nm<sp<100nm。

在一个或多个实施方式中，为了切割或分离工件，每个脉冲串的脉冲串能量可以是约100μJ至约600μJ，例如每个脉冲串约300μJ至约600μJ。在该范围以外工作可能使其他玻璃成功地分离，但是不能成功分离显示器(或TFT)玻璃组合物。对于一些显示器玻璃类型，脉冲串能量可以是约300μJ至约500μJ，或者对于其他显示器类型玻璃，脉冲串能量可以是约400μJ至约600μJ。400μJ至500μJ的脉冲串能量对于许多显示器类型的玻璃组合物可以很好地起作用。可以针对特定的显示器或TFT玻璃优化线焦点中的能量密度。例如，对于EAGLE XG和CONTEGO两种玻璃，合适的脉冲串能量范围可以是约300至约500μJ，并且线焦点可以是约1.0mm至约1.4mm(其中，线焦点长度由光学构造决定的)。

在一个或多个实施方式中，相对较低的脉冲激光能量密度(例如低于300μJ)可以形成未按要求形成的穿孔，造成在红外激光加工期间不易实现缺陷之间的断裂，从而导致显示器玻璃中的抗断裂性增加(抗断裂性在本文中也被称为断裂强度)。如果脉冲激光束的能量密度过高(例如，大于或等于600μJ，或者甚至大于500μJ)，则热损伤可以更大，导致连接穿孔的裂纹杂散并且不沿着期望路径形成，并且显示器(或TFT)玻璃的抗断裂性(断裂强度)显著增加。

鉴于上述，应理解，通过红外激光束的激光分离可以通过采用在透明工件上形成环状红外束斑的红外激光束来增加，所述红外激光束将最大强度投射在包含缺陷的轮廓线附近的区域内而不是直接投射到轮廓线上。进一步地，应理解，改变环状红外束斑的环厚度可以是有利的，例如，当红外激光束的激光功率增加时和/或当环状红外束斑的外直径减小时，增加环状红外束斑的环厚度。鉴于上述，使用包含无焦光束调整组件并且该组件具有一个或多个可调光学元件的光学组件可以实现这种可调的环厚度。

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，每个范围的端点在与另一个端点有关及独立于另一个端点时都是重要的。

本文所用的方向术语——例如上、下、右、左、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 (15)

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；以及

引导由红外光束源输出的红外激光束通过无焦光束调整组件并且沿着或靠近轮廓线引导到透明工件上，以沿着轮廓线分离透明工件，其中：

红外激光束在透明工件的表面上形成环状红外束斑；

红外激光束包括在无焦光束调整组件上游的进入光束直径以及在无焦光束调整组件下游的离开光束直径；

环状红外束斑包括内直径、外直径和环厚度；

无焦光束调整组件包括一个或多个可调光学元件；并且

调整所述一个或多个可调光学元件中的至少一者改变了红外激光束的离开光束直径，从而改变了在透明工件的表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

无焦光束调整组件包括第一凸透镜、第二凸透镜以及中间凹透镜，所述中间凹透镜位于第一凸透镜与第二凸透镜之间，并且光学耦合到第一凸透镜和第二凸透镜；

中间凹透镜是所述一个或多个可调光学元件中的一者；并且能够在第一凸透镜与第二凸透镜之间平移；并且

无焦光束调整组件相对于红外光束源定位，使得第一凸透镜位于第二凸透镜上游。

3.如权利要求2所述的方法，其中：

第一凸透镜和第二凸透镜各自包含相等的焦距；并且

第一凸透镜的焦距和第二凸透镜的焦距各自是中间凹透镜的焦距的两倍。

4.如权利要求2所述的方法，其中，当中间凹透镜离第一凸透镜比离第二凸透镜更近地定位时，无焦光束调整组件处于光束扩展模式，使得离开光束直径大于进入光束直径。

5.如权利要求2所述的方法，其中，当中间凹透镜离第二凸透镜比离第一凸透镜更近地定位时，无焦光束调整组件处于光束变窄模式，使得离开光束直径小于进入光束直径。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，增大离开光束直径增加了在透明工件表面上形成的环状红外束斑的环厚度，并且减小离开光束直径减小了在透明工件表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

7.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，形成轮廓线包括：

将脉冲激光束聚焦成脉冲激光束焦线，所述脉冲激光束焦线沿着光束传输方向取向并且被引导到透明工件中，所述脉冲激光束焦线在透明工件中产生诱导吸收，并且所述诱导吸收沿着脉冲激光束焦线在透明工件中产生缺陷；

使透明工件和脉冲激光束焦线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，其中，相邻缺陷之间的间距为1微米至30微米；并且

其中，脉冲激光束产生脉冲串，并且是1个脉冲/脉冲串至30个脉冲/脉冲串，并且脉冲串能量为100μJ/脉冲串至600μJ/脉冲串。

8.一种用于对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：

将脉冲激光束聚焦成被引导到透明工件中的脉冲激光束焦线，所述脉冲激光束焦线在透明工件中产生缺陷；

使透明工件和脉冲激光束焦线相对于彼此平移，由此，激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷；以及

引导红外激光束通过无焦光束调整组件并且沿着或靠近轮廓线引导到透明工件上，以沿着轮廓线分离透明工件，其中：

红外激光束在透明工件的表面上形成环状红外束斑；

环状红外束斑包括内直径、外直径和环厚度；并且

无焦光束调整组件包括一个或多个可调光学元件，其被构造用于调整红外激光束的光束直径，从而改变在透明工件的表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

9.如权利要求8所述的方法，其还包括：使环状红外束斑和透明工件沿着轮廓线相对于彼此平移，由此沿着轮廓线分离透明工件。

10.如权利要求8-9中任一项所述的方法，其中，相邻缺陷之间的间距为5微米至15微米。

11.如权利要求8-9中任一项所述的方法，其中，脉冲激光束产生脉冲串，并且是1个脉冲/脉冲串至30个脉冲/脉冲串，并且脉冲串能量为100μJ/脉冲串至600μJ/脉冲串。

12.一种光学组件，其包括：

构造用于输出红外激光束的红外光束源；

位于红外光束源下游的轴棱锥透镜，

位于轴棱锥透镜下游的第一平凸透镜；

位于第一平凸透镜下游的第二平凸透镜，其中，当红外激光束穿过轴棱锥透镜、第一平凸透镜和第二平凸透镜中的每一者并随后照射位于第二平凸透镜下游的透明工件时，红外激光束在透明工件的表面上形成环状红外束斑，所述环状红外束斑包括内直径、外直径和环厚度；和

位于红外光束源与第一平凸透镜之间的无焦光束调整组件，其中：

无焦光束调整组件包括一个或多个可调光学元件；并且

调整所述一个或多个可调光学元件中的至少一者改变了在透明工件表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

13.如权利要求12所述的光学组件，其中：

无焦光束调整组件包括第一凸透镜、第二凸透镜以及中间凹透镜，所述中间凹透镜位于第一凸透镜与第二凸透镜之间，并且光学耦合到第一凸透镜和第二凸透镜；

中间凹透镜是所述一个或多个可调光学元件中的一者；并且能够在第一凸透镜与第二凸透镜之间平移；并且

无焦光束调整组件相对于红外光束源定位，使得第一凸透镜位于第二凸透镜上游。

14.如权利要求13所述的光学组件，其中：

第一凸透镜和第二凸透镜各自包含相等的焦距；并且

第一凸透镜的焦距和第二凸透镜的焦距各自是中间凹透镜的焦距的两倍。

15.如权利要求13所述的光学组件，其中：

当中间凹透镜离第一凸透镜比离第二凸透镜更近地定位时，无焦光束调整组件处于光束扩展模式，使得红外激光束包含位于无焦光束调整组件上游的离开光束直径，其大于位于无焦光束调整组件下游的红外激光束的进入光束直径；

当中间凹透镜离第二凸透镜比离第一凸透镜更近地定位时，无焦光束调整组件处于光束变窄模式，使得离开光束直径小于进入光束直径；

增加离开光束直径增加了在透明工件的表面上形成的环状红外束斑的环厚度；并且

减小离开光束直径减小了在透明工件的表面上形成的环状红外束斑的环厚度。

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