CN111526964A - 用于切割透明和半透明基板的基于激光的系统 - Google Patents

用于切割透明和半透明基板的基于激光的系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于高效地切割透明基板的系统。该系统包括与至少一个多焦点光学系统光通信的激光源(32)。激光源(32)向光学系统输出至少一个光信号(34)。光学系统定位在激光源(32)与待切割的基板(50)之间。光学系统包括可拆卸地耦接到至少一个基部构件(72)的至少一个壳体(70)。在其中形成有一个或多个孔口(76)的一个或多个板构件(74)可以耦接到壳体(70)、基部构件(72)中的至少一者或其二者。形成在板构件(74)上的孔口(76)可以被配置成允许光信号进入和离开光学系统。各种光学子组件可以被定位在光学系统内或耦接到光学系统。

Description

用于切割透明和半透明基板的基于激光的系统
相关申请的交叉引用和优先权
本申请要求2018年11月13日提交的美国申请No.62/760,877的优先权。
技术领域
所公开的主题涉及一种用于切割基板的系统，更特别地，所公开的主题涉及一种用于激光切割透明和半透明基板的系统。
背景技术
透明和半透明基板诸如玻璃基板目前在大量应用中使用。例如，大部分消费者电子设备诸如移动电话、“智能”电话、平板电脑等包括玻璃和/或玻璃状基板，用以保护显示设备等。此外，包括触屏技术显示器的电子设备变得常见。另外，透明和半透明基板诸如各种玻璃常用于航空航天应用、医疗设备、制造系统等。因此，目前制造各种大小和形状的玻璃基板，其中形成有各种几何特征。
目前，存在用于制造玻璃基板的许多工艺。例如，机械钻削、切割、喷砂和表面抛光一定程度上都是用于在玻璃基板中制作各种特征的工艺。虽然这些机械工艺经证明在过去是有些用处的，但已确定了许多缺点。例如，机械加工中使用消耗材料。这样，取决于消耗材料的成本，加工的成本多少是可变的。此外，机械加工可能是劳动密集、耗时的工艺。
然而，越来越多地使用基于激光的光学系统加工玻璃或类似的透明或半透明基板。图1示出了用于加工玻璃或类似的透明/半透明基板的现有技术的基于激光的光学系统的示意图。如图所示，基于激光的光学系统1包括被配置成输出激光信号5的激光源3。激光信号5被至少一个光束定向器7定向至基板13，至少一个光束定向器将激光信号5引入横向分布设备9。横向分配设备9被配置成形成多个横向移位的输出信号11a、11b、11c，多个横向移位的输出信号被定向至基板13。因此，横向移位的输出信号11a、11b、11c在基板13内形成多个横向移位的处理区域15a、15b、15c。一旦在基板13内形成多个横向移位的处理区域15a、15b、15c，就可以向基板13施加分离力，以沿期望的线分离基板13。与机械工艺不同，上文描述的基于激光的处理不需要使用消耗材料。另外，高质量激光加工的玻璃基板相比于机械加工需要更少的后加工(即，抛光等)。
虽然用于加工玻璃或类似的透明或半透明基板的基于激光的光学系统相对于机械玻璃切割系统提供了若干优点，但是已经确定了许多缺点。例如，在基板13内形成单行多个横向移位的处理区域15a、15b和15c可能造成分离线与期望路径不同。另外，在基板13内形成单行多个横向移位的处理区域15a、15b和15c可能造成分离边缘不太均匀，因而需要后加工。
最近，开发了在基板内形成多个轴向移位的加工区域的若干玻璃切割系统。如图所示，在图2a至图2d中，用于玻璃加工的基于激光的光学系统可以被配置成在基板内形成多个轴向移位的加工区域。如图所示，基板13经受光信号5。参照图2a，光信号5被配置成在基板13的本体19内形成第一加工区域17a。如图所示，第一加工区域17a可以位于本体19的第二表面23附近。然后，如图2b所示，与第一加工区域17a轴向移位的第二加工区域17b可以形成在本体19内的中点处。如图2c所示，与第二加工区域17b轴向移位的第三加工区域17c可以靠近本体19的第一表面21。如图2d所示，在本体19内形成了多个轴向加工区域17a、17b、17c。因此，沿多个轴向移位的加工区域的线分离玻璃基板提供比现有技术方法较均匀的边缘，需要较少的后加工。然而，通常该工艺方法需要使光信号5在基板13内的多个位置处连续地聚焦以形成多个加工区域，因而增加了加工时间。此外，在基板内精确且重复地定位多个轴向移位的加工区域经证明是困难的。
鉴于前文所述，目前需要有效且高效地将透明和半透明基板切割成各种期望形状的方法和设备。
发明内容
提供本发明内容是为了介绍与用于在用户的设备上对给用户的通知进行优先级排列和安排的系统和方法相关的概念，这些概念在具体实施方式中进一步描述。本发明内容并不意在确定要求保护的主题的必要特征，也不意在用于确定或限制要求保护的主题的范围。
在一实现方式中，公开了一种用于切割基板的基于激光的系统。该系统包括被配置成输出光信号的激光源。该系统还包括与至少一个激光源光通信的光学系统。光学系统定位在至少一个激光源与待切割的基板之间。光学系统从至少一个激光源接收光信号。至少一个激光源与光学系统之间可能放置了可以预调整或以其他方式修改光信号的至少一种光学特性的一个或多个滤光器、透镜或其他光学元件。光学系统包括耦接到至少一个壳体的至少一个基部构件。耦接可以是可拆卸地或非可拆卸的。光学系统还包括与至少一个壳体或至少一个基部构件耦接的一个或多个板构件，其中，一个或多个板构件包括被配置成进入或离开光学系统的一个或多个孔口。光学系统还可以包括被配置成使来自至少一个激光源的光信号准直和/或扩展该光信号的直径的至少一个光束扩展器。此外，光学系统包括被配置成生成高分辨率均匀功率分配的光信号的至少一个光束成形器、一个或多个光束定向器以及至少一个多带透镜组件。至少一个多带透镜组件被配置成使光信号聚焦到基板上的多个离散位置。
通过阅读下文的具体实施方式，本公开内容的其他和另外的方面和特征将变得明显，具体实施方式意在说明而非限制本公开内容。
附图说明
通过参照附图将最佳地理解所示出的本主题的实施方式，其中，类似的部分通篇用类似的附图标记指示。下文的描述仅意为示例性的，并且仅示出了与本文要求保护的主题一致的设备、系统和工艺的某些选取的实施方式。
图1是用于加工玻璃或类似的透明/半透明基板的现有技术的基于激光的光学系统的示意图；
图2a至图2c示出了用于玻璃加工的基于激光的光学系统可以被配置成在基板内形成多个轴向移位的加工区域；
图2d示出了基板的多个轴向移位的加工区域；
图3至图4是用于高效地切割透明基板的光学系统的实施方式的示意图；
图5a示出了成GRIN透镜轮廓的多焦点透镜；
图5b示出了成多个曲率半径的多焦点透镜；
图6示出了根据本发明的另一实施方式的光学系统；
图7示出了根据本发明的又一实施方式的光学系统。
具体实施方式
下文参照各附图详细解释了所公开的实施方式的一些创造性方面。实施方式被描述以说明所公开的主题，并非限制所公开的主题的范围，所公开的主题的范围由权利要求限定。本领域普通技术人员将辩认出下文的描述中提供的各种特征的许多同等变型。
在本说明书通篇，提及“各实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施方式”或“一实施方式”指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。因此，本说明书通篇各处出现的短语“在各实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”不一定均指同一实施方式。此外，该特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施方式中以任何适合的方式组合。
本申请针对用于用激光束高效地切割透明材料从而将单片材料确定地分离成两片或多片的系统。虽然本文包括的描述讨论的是切割玻璃基板，但本领域技术人员将理解可以使用本文描述的方法和设备将各种透明和半透明基板切割成各种形状。示例性基板材料包括但不限于：玻璃、加强玻璃、硅基材料、陶瓷聚合物、聚合材料和复合物、晶体等。此外，本文描述的工艺和设备还可以用于直线切割和曲线切割。
图3示出了根据实施方式的方面的基于激光的系统30。示出了用于切割基板的基于激光的系统30的示意图。根据本发明的一实施方式，基板可以是透明基板或半透明基板。
基于激光的切割系统30包括与至少一个多焦点光学系统40光通信的至少一个激光源32。光学系统40位于激光源32与基板50之间。根据本发明的一实施方式，光学系统40包括可拆卸地耦接到至少一个基部构件72的至少一个壳体70。在替代实施方式中，壳体70可以非可拆卸地耦接到基部构件72。其中形成有一个或多个孔口76的一个或多个板构件74可以耦接到壳体70、基部构件72中的至少一者或其二者。形成在板构件74上的孔口76可以被配置成允许光信号34进入光学系统40。此外，孔口76可以允许输出信号42离开光学系统40。
根据本发明的一实施方式，激光源32包括被配置成输出波长在约1064nm的范围内的光信号的q开关Nd:YAG激光器。在本发明的另一实施方式中，激光源3包括脉冲超快激光系统。在本发明的另一实施方式中，激光源32包括皮秒激光源。在本发明的另一实施方式中，激光源32包括亚皮秒激光源。替代性地，在本发明的另一实施方式中，激光源32包括光纤激光器或光纤放大器。本领域技术人员将理解本系统可以使用各种激光源，包括但不限于准分子激光器、CO2激光器、光参量振荡器(OPA)、半导体激光器、固态激光器等。此外，在所示实施方式中，使用单个激光源。本领域技术人员将理解，可以使用任何数量的激光源。
根据本发明的又一实施方式，光信号34具有高斯光束轮廓36，这是激光系统特别是Nd:YAG激光系统的输出特有的。光信号34被引入光学系统40。可选地，一个或多个滤光器、透镜或其他光学元件可以预调整或以其他方式修改光信号34的至少一种光学特性。例如，可以使用一个或多个滤光器、斩波器、q开关、调制器等在光信号34进入光学系统40之前对光信号进行预调整。
此外，各种光学子组件可以根据本发明的一实施方式被定位在光学系统40内或者根据本发明的一替代实施方式耦接到光学系统，如图3和图4所示。例如，如图3至图4所示，至少一个光束扩展器组件80可以定位在光学系统40的壳体70内。在一个实施方式中，光束扩展器组件80可以被配置成使光信号34准直和/或扩展光信号的光束直径。这样，光束扩展器组件80可以包括各种透镜、透镜组件、光栅、镜、滤光器等。例如，在一个实施方式中，光束扩展器组件80被配置成将光信号34的直径增加至预定的光束直径。在本发明的另一实施方式中，光束扩展器组件80被配置成选择性地将光信号34的直径增加至可变的光束直径。
另外，一个或多个滤光器、透镜或其他光学元件可以放置在激光源32与光学系统40之间，以预调整或以其他方式修改光信号34的至少一种光学特性。例如，可以使用一个或多个滤光器、斩波器、q开关、调制器等在光信号34进入光学系统40之前对光信号进行预调整。
如图3至图4所示，至少一个光束成形器组件82可以定位在光学系统40的壳体70内。在本发明的一个实施方式中，光束成形器组件82可以被配置成由通过激光源32生成的具有高斯轮廓36的光信号34生成具有平顶轮廓44的高分辨率均匀功率分布的光信号。这样，光束成形器组件82可以包括各种透镜、透镜组件、光栅、镜、滤光器等。
如图3至图4所示，光学系统40其中可以包括一个或多个光束定向器84。根据本发明的一实施方式，光束定向器84包括镜、光栅等，但不限制本发明的范围。除此以外，根据本发明的另一实施方式，至少一个多带透镜组件86可以定位在光学系统40内。在一个实施方式中，多带透镜组件86可以包括被配置成使光信号聚焦至基板50的多个离散位置的一个或多个光学部件。在一个实施方式中，多带透镜组件86包括至少一个梯度折射率透镜。在替代方案中，多带透镜组件86可以包括一个或多个附加光学元件，包括但不限于非球面透镜、波带板、菲涅尔透镜和板、透镜系统等。
根据本发明的一实施方式，如图3所示，至少一个光学元件46可以定位在光学系统40外部。例如，光学元件46可以包括至少一个物镜或透镜系统。在替代方案中，光学元件46可以包括一个或多个传感器、摄像头、滤光器、镜、定位系统等。
现在参照图5a，其示出了成梯度透镜折射率(GRIN透镜)轮廓的多焦点透镜。梯度折射率透镜90可以在多带透镜组件86的一实施方式中使用。梯度折射率透镜90可以被配置成使入射的光信号聚焦至第一聚焦带92a、第二聚焦带92b和至少第三聚焦带92c。
现在参照图5b，图5b示出了成多个曲率半径的多焦点透镜。如图所示，透镜94包括被配置成使入射的光信号聚焦至第一聚焦带96a、第二聚焦带96b和至少第三聚焦带96c的带。
现在参照图6，其示出了根据本发明的另一实施方式的用于切割基板的基于激光的切割系统110。该实施方式在描述的结构上与光学系统30的前一实施方式类似。光学系统110可以包括被配置成输出至少一个光信号114的激光源112，至少一个光信号被引入至少一个光学系统116。如前一实施方式一样，如上所述，光学系统116被配置成输出被配置成在基板124内形成多个轴向移位的加工区域的至少一个多带光信号118。此外，多带光信号可以被引入至少一个分束器或被配置成输出多个横向移位的输出信号122的类似设备，每个输出信号122被配置成在基板124内形成多个轴向移位的加工区域。
现在参照图7，其示出了用于切割基板的基于激光的切割系统130的又一实施方式。如上所述，基板可以是透明的或半透明的。与图3至图4所示的光学系统40的前一实施方式类似，光学系统130包括被配置成输出至少一个光信号134的激光源132，至少一个光信号被引入至少一个分束器136或类似设备。分束器136被配置成输出多个横向移位的光信号138。多个光信号中的至少一个横向移位的光信号138可以被引入光学系统140。光学系统140被配置成输出被配置成在基板144内形成多个轴向移位的加工区域的至少一个多带光信号142。
本文所用的术语仅是为了描述特定实施方式，并不意在限制本公开内容。将理解，上文公开的特征和功能以及其他特征和功能中的若干特征和功能或其替代物可以结合到其他系统或应用中。在不脱离由所附权利要求涵盖的本公开内容的范围的情况下，本领域技术人员之后可以做出各种目前未预见或未预料的替代方案、修改、变型或改进。
权利要求——如最初提出的并且可以进行修改的——涵盖本文公开的实施方式及教导的变型、替代方案、修改、改进、等同物和实质性等同物，包括目前未预见或未预料的以及例如可以由申请人、专利权人和其他人想到的变型、替代方案、修改、改进、等同物和实质性等同物。
将理解，上文公开的特征和功能以及其他特征和功能的变型或其替代物可以结合到许多其他不同的系统或应用中。其中的各种目前未预见或未预料的替代方案、修改、变型或改进可以由本领域技术人员之后做出，其也意在被所附权利要求涵盖。

Claims (20)

1.一种用于切割基板的基于激光的系统，包括：
至少一个激光源，所述至少一个激光源被配置成输出光信号；
至少一个光学系统，所述至少一个光学系统与所述至少一个激光源光通信，其中，所述至少一个光学系统被定位在所述至少一个激光源与所述基板之间，其中，所述至少一个光学系统包括：
至少一个基部构件；
至少一个壳体，所述至少一个壳体与所述至少一个基部构件耦接；
一个或多个板构件，所述一个或多个板构件与所述至少一个壳体或所述至少一个基部构件耦接，其中，所述一个或多个板构件包括一个或多个孔口，所述一个或多个孔口被配置成进入或离开所述至少一个光学系统；
至少一个光束扩展器，所述至少一个光束扩展器被配置成使所述光信号准直和/或扩展所述光信号的直径；
至少一个光束成形器，所述至少一个光束成形器被配置成生成高分辨率均匀功率分布的光信号；
一个或多个光束定向器；以及
至少一个多带透镜组件，所述至少一个多带透镜组件被配置成使所述光信号聚焦到所述基板上的多个离散位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个激光源包括q开关Nd:YAG激光器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个激光源被配置成输出波长约1064nm的所述光信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个激光源还包括脉冲超快激光系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个激光源还包括皮秒激光源。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个激光源还包括亚皮秒激光源。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个激光源还包括光纤激光器或光纤放大器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个壳体可拆卸地耦接到所述至少一个基部构件。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个壳体非可拆卸地耦接到所述至少一个基部构件。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光束扩展器包括透镜、透镜组件、光栅、镜和滤光器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光束扩展器被配置成将所述光信号的直径增加至预定的光束直径。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光束扩展器被配置成选择性地将所述光信号的直径增加至可变的光束直径。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束成形器组件被配置成生成具有平顶轮廓的高分辨率均匀功率分布的光信号。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多带透镜组件包括至少一个梯度折射率透镜。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个梯度折射率透镜被配置成使所述光信号聚焦至第一聚焦带、第二聚焦带和至少第三聚焦带。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个梯度折射率透镜具有多个曲率半径。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光学系统被配置成输出至少一个多带光信号，所述至少一个多带光信号被配置成在所述基板内形成多个轴向移位的处理区域。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光学系统被配置成输出多个横向移位的输出信号。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述多个横向移位的输出信号中的每个被配置成在所述基板内形成多个轴向移位的处理区域。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基板是透明基板或半透明基板。
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