CN111699070B - 将分离线引入透明脆性破裂材料中的方法和设备及通过该方法生产的具有分离线的元件 - Google Patents

将分离线引入透明脆性破裂材料中的方法和设备及通过该方法生产的具有分离线的元件 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是制备用于分离过程的脆性破裂透明基板，并产生已制备的分离线，沿着其可以分离元件而无需高的断开力，且不会伴随在所产生的边缘上生成贝壳状裂口的风险。为此，本发明提出一种用于制备工件的方法，包括：提供工件，其对脉冲激光束的光透明；用光学系统将激光束分成至少两个分光束，并将其引导到工件上以相对照射表面的法线以不同的角度入射在工件上，两个分光束在工件的内部叠加，相互干涉从而在工件内部形成沿分光束的重叠区域依次排列的一系列强度最大值，该处的强度足够高以改变工件的材料，从而形成材料改变部的链状周期性图案；以及使工件和分光束相对于彼此移动，以产生沿限定分离线的路径的材料改变部的多个链状周期性图案。

Description

将分离线引入透明脆性破裂材料中的方法和设备及通过该方 法生产的具有分离线的元件
技术领域
本发明总体上涉及通过沿着指定线分离工件来进行工件的材料加工。
背景技术
为了沿着预期的线分离玻璃板，经常应用刻划和断开工艺。首先沿着线刻划玻璃，然后通过沿着该线施加弯曲载荷来断开玻璃。然而，这里存在的问题是，特别是在玻璃或玻璃面板相当厚的情况下，沿着线断开而产生的边缘表面可能不会沿着该线延伸且可能不会垂直于玻璃表面。
WO2012/006736A2公开了一种使用一个或一组超短激光脉冲(脉冲长度短于100ps)通过利用自聚焦的非线性效应沿着基板的预期分离线产生间隔开的细线(Filamenten)来制备待分离的基板的方法。
WO2017/009379A1描述了对该方法的进一步改进，其中产生了倾斜延伸至基板的表面的改变部。
从EP2 931 467 B1中已知将环境气氛作为进一步的工艺参数包括在内，以防止由于亚临界裂纹的增长而导致的过早自裂。
此外，DE 10 2015 116 848 A1描述了通过使用透镜的球面像差来制造细线从而引入限定强度区，其中，超短脉冲激光的高斯光束被转换为强度沿着光轴分布不均匀的线聚焦部。尽管这些文献中描述的方法产生了在材料的厚度方向上具有较低断开应力的不等量的材料改变部，但是不利的是将材料改变部的长度限制为通常不大于约3mm。此外，不均匀的强度分布对玻璃面板的相对于线聚焦部的所需的高位置精度具有不利影响：即使玻璃面板的厚度比线聚焦部的长度小得多，面板和光学元件之间也必须保持大约50μm的间隔。
EP 2 754 524 B1和DE 10 2013 223 637 A1描述了通过使用合适的光学元件(优选使用至少一个轴锥镜)生成贝塞尔-高斯光束(即，将高斯光束转换为具有高斯包络的贝塞尔光束)来产生细线的方法。以这种方式产生的材料改变部沿着光轴大致均匀地分布，因此与上述方法相比需要明显更高的断开应力。这些明显更高的断开应力具有不利的影响，这是因为，尽管所产生的改变部具有明显更长的长度(达至15mm到20mm)，但由于发生了亚临界裂纹的增长，因此沿着预穿孔线进行的后续分离过程通常不会成功。从WO 2018/011618 A1、DE 10 2014 116 957 A1、US 2018/0005922 A1以及来自Juozas Dudutis等人的文章“Modification of glass using an axicon generated non-symmetricalBessel-Gaussian beam(使用轴锥镜生成的非对称贝塞尔-高斯光束对玻璃进行改变)”(Proc.SPIE(国际光学工程学会公议记录)10091，《微电子和光电制造中的激光应用》，2017年2月20日)中还已知了使用轴锥镜来生成贝塞尔式环形光束。
从一般的现有技术中还已知用于同时生成多个聚焦部的光学系统，该光学系统由透镜与衍射光学元件(DOE)的组合组成。这种设置的缺点在于，聚焦部的数量被限制在几个数量级，它们的相互间隔不是恒定的而且对于此处追寻的目的而言明显太大(通常>100μm)。
发明内容
鉴于上述分离方法，本发明基于以下目的：用于制备一种用于分离过程的大厚度的脆性破裂透明基板，并用于产生已制备的分离线，沿着该分离线可以分离基板而无需高的折断力，并且不会伴随有在如此产生的边缘上生成贝壳状裂口的风险。
该目的通过独立权利要求的主题来实现，在从属权利要求中示出了有利的实施例和改进方案。
本发明的关键构思是通过使用超短脉冲激光引入的光学材料改变部来为后续的分离过程做准备，以适当的光束成形方式使得所生成的材料改变部允许以受控的方式并且以较低的断开应力σB进行断开。该分离过程可以比根据本发明的材料改变过程晚得多。
一旦已经引入了特殊图案的材料改变部，本发明允许容易地断开甚至较厚的玻璃或玻璃陶瓷元件。这样的图案可以这样来实现：将超短脉冲激光的激光束分成两个分光束，使该两个分光束在待处理的元件的内部的相互作用区域中相互干涉，从而产生沿着照射方向(即，从元件表面上的分离线发出并延伸到元件的内部)有规律地间隔开的强度最大值。确定激光的强度，使得在强度最大值处出现材料改变部，但是优选在强度最大值之间的最小值处或较弱的强度处不发生材料改变。
最大值之间的距离由激光的波长确定并且因此是规则的。
因此，本发明由此提供了一种用于制备待分离或断开的工件的方法，该方法包括：提供工件，该工件优选地由脆性硬质材料制成，且该工件对脉冲激光束的光是透明的；使用光学系统将激光束分成至少两个分光束，并且将两个分光束引导到工件上以便相对于照射表面的法线以不同的角度入射在工件上，并且以便在工件的内部叠加从而使得分光束相互干涉以在工件的内部形成沿着分光束的重叠区域依次排列的一系列强度最大值，并且其中在强度最大值处的强度足够高以改变工件的材料，从而形成材料改变部的链状周期性图案；以及使工件和分光束相对于彼此移动，从而沿着限定分离线的路径产生材料改变部的多个链状周期性图案。
用于执行制备待分离的工件的方法的相应的设备因此包括：
-激光器，该激光器用于生成脉冲激光束；
-光学系统，该光学系统用于将所述激光束分成至少两个分光束并将这些分光束引导到待被加工的工件上；和
-定位装置，该定位装置用于将工件和激光束相对于彼此放置和对准，以使得两个分光束相对于照射表面的法线以不同的角度地入射在工件上，并且两个分光束在工件的内部叠加以使得分光束相互干涉从而在工件的内部形成沿着分光束的重叠区域依次排列的一系列强度最大值，其中激光器能够操作以生成能量足够高的脉冲，使得激光脉冲的脉冲能量足以改变工件的材料，从而产生材料改变部的链状周期性图案；并且其中
-定位装置适于使激光束及其两个分光束以及工件相对于彼此移动，从而沿着限定分离线的路径生成材料改变部的多个链状周期性图案。
用于执行根据本发明的方法的设备的中心元件是光学系统，该光学系统用于将入射的激光束分成两个分光束。优选地，所谓的轴锥镜用于该光学系统。
轴锥镜是将入射的“平行”光束转换成环形光束(将平面波转换成围绕光轴同心布置的环形强度分布)的锥形透镜。沿着光轴获得线性强度分布，而不是焦点(Fokuspunktes)。轴锥镜产生的光束波形(Strahlprofil)是局部受限制的贝塞尔状光束，该局部受限制的贝塞尔状光束是由沿着光轴的干涉而产生的。在本发明中，使局部受限的贝塞尔状光束与另一分光束发生干涉。在示例性实施例中，该另一分光束通常是沿着光轴传播的中心光束。在最简单的实施例中，使用了截头轴锥镜，即，其具有中心面不是锥尖端，并且其使得入射的激光束被分成环形的第一分光束和沿着光轴在中心传播的中心光束，在下文中将其称为第二分光束。这两个分光束在沿着光轴的细长区中发生干涉。在这些细长的干涉区的强度最大值处产生了待加工材料的期望改变部。
干涉区的位置和间隔可以特别地通过选择所使用的轴锥镜的特定形状来改变。因此，根据本发明的设备的各种实施例在用于光学系统的轴锥镜的具体实施例中是不同的。
在第一实施例中，光学系统包括平凸轴锥镜，该平凸轴锥镜的平面侧面向入射的激光束，并且该平凸轴锥镜的凸面侧具有截头锥的形状。
在另一实施例中，光学系统包括平凸轴锥镜，该平凸轴锥镜的凸面侧面向入射的激光束并且该凸面侧具有截头锥的形状。
在又一个实施例中，光学系统包括平凸轴锥镜，在该平凸轴锥镜的平面侧上居中地布置有玻璃锥。
在又一个实施例中，光学系统包括凹凸轴锥镜，该凹凸轴锥镜的凸面侧具有截头锥的形状，并且该凹凸轴锥镜的凹面侧具有截头锥的轮廓。
在又一实施例中，光学系统包括双凸轴锥镜，该双凸轴锥镜的两个凸面侧呈不同高度的截头锥的形式。
在又一个实施例中，光学系统包括至少三个平凸轴锥镜，该至少三个轴锥镜的凸面侧具有截头锥的形状。
在又一个实施例中，光学系统包括至少一个呈同心环形光栅形式的轴锥镜。
在又一个实施例中，光学系统包括至少三个呈同心环形光栅形式的轴锥镜。
不管光学系统的具体构造如何，特别优选地，通过适当设计的光学系统将激光分开以使得两个分光束(特别是环形光束和中心光束)具有相当的强度。相当的强度应理解为是指强度相差不超过100倍、优选不超过50倍、更优选不超过10倍、甚至更优选不超过3倍、最优选不超过1.5倍。这确保了在工件内重叠的分光束的干涉图案中实现了较强的强度变化。
使用根据本发明的光束成形元件，将激光功率照射到透明元件或工件中、特别是由玻璃或玻璃陶瓷制成的工件中，并且由于工件与这种照射分布的相互作用，该工件将具有沿着从分离线发出并延伸穿过元件的平面的材料的挤压区和松弛区的规则二维图案。其拉伸应力-应变区可以重叠且强度很高，以致裂纹沿着该平面传播，并允许之后沿着该平面进行断开。
特别地，根据本发明的方法允许制造这样一种玻璃或玻璃陶瓷工件，该工件具有两个表面以及沿着一平面的材料改变部图案，每个改变部均被挤压区围绕。材料改变部沿着多条线依次排列。材料改变部沿着一条线以规则的顺序布置，该顺序即与干涉图案的最大值的周期性相对应的顺序。现在，工件内部的平面由许多相邻的线限定，并且材料改变部的线从玻璃或玻璃陶瓷工件的两个表面中的一个表面延伸到与其相对的表面。
一方面，玻璃或玻璃陶瓷工件可以是片状的，使得表面是两个相对的面。另一方面，玻璃或玻璃陶瓷工件可以是管状的，使得两个表面是同心的侧表面。如已经提及的，本发明还特别适合于分离厚的玻璃或玻璃陶瓷工件。本发明适用于从10μm到50mm的大范围的基板厚度。根据本发明的有利实施例，可以想到工件或基板的厚度在1mm至25mm的范围内。此外，即使在10mm、特别是20mm以上的大厚度的情况下，本发明的优点也特别明显，因为否则这种厚度的工件以受控的方式进行分离是非常困难的。
所述玻璃或玻璃陶瓷工件优选具有破裂面或边缘，该破裂面或边缘具有由材料改变部限定的彼此相邻延伸的线，材料改变部以规则链状图案彼此相继布置，且材料改变部的沿着线的中心间距在1μm和100μm之间并且材料改变部的直径在0.2μm至5μm之间，并且材料改变部均被挤压区围绕。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是通过根据本发明的方法在工件中产生的改变部的示意图；
图2是通过根据本发明的方法在工件中产生的改变部的另一种可能的图案的示意图；
图3示出了在单脉冲照射的情况下沿着改变部在工件的材料中产生的破裂边缘的显微图像。
图4是改变部的示意图：部分图像(a)以平面图示出该改变部的示意图，部分图像(b)以侧视图示出该改变部的示意图。
图5示出了光束波形：部分图像(a)示出了沿着光束传播方向观察的贝塞尔-高斯光束和中心光束的光束波形的示意图，部分图像(b)示出了贝塞尔-高斯光束和中心光束的干涉的示意图；
图6是贝塞尔-高斯光束和中心光束在工件的材料内部的干涉的示意图；
图7示出了贝塞尔-高斯光束与中心光束之间的干涉的计算的强度分布；
图8示出了当使用平凸轴锥镜时的光路，其中轴锥镜的平面侧面向入射的激光束；
图9示出了当使用平凸轴锥镜时的光路，其中轴锥镜的凸面侧面向入射的激光束；
图10示出了轴锥镜的另一实施例。
图11示出了当使用凹凸轴锥镜时的光路。
图12示出了当使用双凸轴锥镜时的光路；
图13示出了当使用三个平凸轴锥镜时的光路；
图14示出了同心环形光栅形式的轴锥镜的前视图；
图15示出了当使用同心环形光栅形式的轴锥镜时的光路；
图16是环形光栅的截面视图；
图17示出了当使用同心环形光栅形式的负轴锥镜和两个正轴锥镜时的光路；
图18示出了涉及相位掩模的另一示例性实施例，其中透镜系统布置在相位掩模的下游；
图19示出了涉及生成环形光束的实施例，该环形光束后续用于生成虚线状聚焦部；
图20示出了环形光束在轴锥镜的截锥轮廓的斜楔形表面和顶面之间的过渡区域上的投影；
图21示出了涉及生成环形光束的另一示例性实施例，该环形光束后续用于生成虚线状聚焦部；
图22示出了对于三种不同的光束成形组件，沿着光轴的工作区域(Arbeitsvolumen)中的强度分布，即在第一变型例中具有轴锥镜，在第二变型例中具有相位板和轴锥镜，在第三变型例中具有相位板和轴锥镜三元组(Axikontriplett)；以及
图23分别示出了用贝塞尔光束和基于环形光束的虚线状聚焦部处理的硼硅酸盐玻璃的断开应力的威布尔分布。
具体实施方式
图1和图2示意性地示出了已经根据本发明处理过的工件2的横截面，该工件具有与基板表面23相对应的表面21。用于处理工件2的辐射源是激光(在此未示出)、优选为脉冲激光。分光束41、42(此处未示出)从上方入射，并在其干涉区或挤压区中产生改变部8，这些改变部8沿着与虚线状聚焦部相对应的线18而周期性地布置。稍后，工件2可以通过沿着线18机械地断开而分离成单独的部分。材料改变部8的区域在图1中总体上由竖直线表示。工件2优选是玻璃或玻璃陶瓷基板。根据本发明也可以处理硅、塑料、层压件以及管。
通过利用定位装置使工件2垂直于分光束的照射方向移动来产生彼此平行地延伸的多条线18。通过在用作辐射源的激光的脉冲或脉冲串之间的停顿与工件和本发明的设备之间的相对速度之间进行协调，允许预先定义改变部8的线9的水平间隔。
在另选的实施例中，在利用激光执行改变过程期间，使工件沿着光轴方向运动，这使得材料连续改变。随后可以通过蚀刻来开口该改变部。在厚玻璃中，这产生了直径小于200mm、优选小于100μm、更优选小于50μm、最优选小于20μm的细线状通道。
改变部8布置成相对于彼此具有水平间隔31和竖直间隔32。改变部8沿着线18的竖直间隔32在1μm至100μm的范围内。由于改变部是两个分光束41和42进行干涉的结果，所以改变部8的竖直间隔32、即改变部8沿着线18的密度可以通过调节零级和一级干涉区域之间的能量比来限定。如果与零级强度相比，一级强度增加，则竖直间隔32减小。这使得生成可以通过蚀刻该材料而开口的细线状改变部通道。改变部8的中心具有竖直中心间距33。改变部的直径在0.2μm至5μm的范围内。该直径是指通道本身的直径。通道周围的应力区可能会进一步延伸到材料中。
总体而言，在工件的材料中会产生材料挤压区和松弛区的规则图案，其中拉伸区重叠且强度很高，以致裂纹沿着工件的平面扩展，并允许之后沿着该平面折断。
本发明的方法还可用于在片状基板中产生具有规则或不规则轮廓的内部切口，而不是用于产生线性的平行改变部。这可以在产生辅助切口或不产生辅助切口的情况下实现。
此外，本发明的方法可用于在冷区和热区(玻璃温度T＜退火点)中对浮法玻璃、下拉玻璃和溢流熔融玻璃的珠状边(Borten)进行在线切割。在下拉玻璃和浮法玻璃的情况下，可以处理厚度较大的玻璃。通过将可改变激光束的光学系统作为一个整体安装在可移位的桥架上，来补偿玻璃带宽度的变化。由于可以生成任意长的虚线状聚焦部(gestrichelter Fokus)，所以这是可能的。因此，只要聚焦部的长度大于下拉玻璃、溢流熔融玻璃或浮法玻璃的厚度，就可以仅通过聚焦部的长度来补偿厚度的变化，而无需进行跟踪或重新调整。
珠状部分的切割或在纵向部分中切成带状的尺寸也可以在卷对卷过程中进行。玻璃带也可以具有涂层、诸如保护涂层。
改变部8在图3中在工件2的显微图像中示出，其中分光束在此从虚线状聚焦部的入射方向51上从上方照射。工件2的材料中产生的改变部同样具有竖直中心间距33，该竖直中心间距在所示的示例中为160μm。
在下面描述的图中，分光束41、42的入射方向始终由z表示，其对应于图3中的虚线状聚焦部的入射方向51。
图3示出了破裂表面或破裂边缘17，该破裂表面或破裂边缘具有由依次以链状方式排列的材料改变部形成的彼此相邻的线，材料改变部沿着线的中心间距在1μm至100μm的范围内，直径在0.2μm至5μm的范围内，并且每个材料改变部被挤压区16围绕。
在图4中，部分图像(a)示意性地示出了改变部8在光束方向z上的范围。示出了具有改变部8的多个挤压区或干涉区16，改变部8以竖直间隔32或竖直中心间距33布置。改变部8形成线18，工件2可沿着该线18通过机械断开而分离。
在图4的部分图像(b)中以沿着z轴(即沿着分光束的入射方向)的平面图示出了相同的布置。示出了具有材料改变部8的三个挤压区16，这些材料改变部18彼此之间以水平间隔31布置。
在图5中，部分图像(a)示出了由光学系统(此处未示出)在光束方向z上生成的两个分光束41和42的位置(Lage)。分光束42具有直径65的中心光束。分光束41是具有直径63的环形光束。
如图5的部分图像(b)中以侧视图所示，分光束41和42在具有长度66的干涉区域43中发生干涉。环形分光束41具有取决于光学系统(此处未示出)的几何形状的开口角度64。环形分光束41是贝塞尔光束或贝塞尔-高斯光束。
图6示出了在工件2的材料内部图5的部分图像(b)的光路。具有直径65的分光束42作为中心束在中心穿过材料。在干涉区域43中，分光束42与具有直径63的环形分光束41发生干涉。在工件2的材料中在干涉区域43内产生了所需的改变部。
在不限于光学系统的特定构造的情况下，特别优选地，将激光分开以使得两个分光束(即，特别是环形光束和中心光束)具有相当的强度。相当的强度应理解为是指强度相差不超过5倍，优选不超过3倍，最优选不超过1.5倍。以这种方式，在工件内部重叠的分光束的干涉图案中实现了较强的强度变化。
为了产生贝塞尔光束，例如可借助于轴锥镜将环形光束形成为分光束41，然后该环形光束形成线状贝塞尔聚焦部，进而使该线状贝塞尔聚焦部在细长干涉区域43中与中心光束(即第二分光束42)发生干涉。干涉区域43的长度L(66)由环形光束的直径Dr及其开口角度2α(附图标记64)限定：L＝Dr/tanα。
图6示出了当聚焦在待构造的具有折射率n的基板1的材料中时光束特性如何变化。
本质上，根据折射定律，材料中的开口角度α'(附图标记71)小于空气中的开口角度α：
sinα＝n sinα'。
空气中的半开口角度 9.7°
材料中的半开口角度 6.7°
激光波长 1064nm
纵向周期性 157μm
图6的情况在图7中示出为在通过激光束的纵向截面中的强度分布。由于贝塞尔-高斯光束41和中心光束42的干涉，强度最大值45在光束方向z上依次排列。干涉区域43的强度最大值45彼此之间存在间距33。
由干涉产生的强度最大值的间距33的周期性由光束源的中心波长λ和环形光束的开口角度2α根据下式确定：
P＝2λ/sin2α。
根据本发明的优选实施例，通过适当地选择激光波长和分光束41、42的光束参数(特别是开口角度)，将干涉区形成为使得根据优选实施例，在光束方向上测量的所有改变部i的各个长度li的和与基板的厚度d之商ω大于0.5，优选大于0.7，最优选大于0.9。
因此，根据本发明的一个实施例，根据本发明的工件2具有沿着线18的材料改变部17，对此下式成立：
Figure GDA0003705580270000101
其中k＝0.5，优选k＝0.7，更优选k＝0.9，最优选k＝0.95。
图8示出了光学系统6的第一实施例，其包括平凸轴锥镜91。具有直径48的激光束入射在轴锥镜91的平面侧95上，并由此被分成具有直径63的环形分光束41和具有直径65的中心分光束42。轴锥镜的凸面侧96具有锥头锥的形状。两个分光束41和42在干涉区域43中发生干涉。如图7所示，干涉区域43自身沿着轴锥镜91的光轴周期性地重复。可以通过改变轴锥镜的几何参数来控制这些干涉区域43的位置和范围。这些几何参数包括轴锥镜91的限定了凸面侧96的锥头锥的侧线的倾角和高度。
光束宽度48与平面的截头面的宽度之比确定了两个分光束41和42的功率比。该比率可以优选地选择为使得分光束优选地具有尽可能相似的功率。例如，在本发明的一个实施例中，可以将光束宽度48与平面的截头面的比率选择为使得分光束41、42的功率比在0.75至1.25的范围内。该比率可以通过所涉及的光学部件的形状和布置、特别是通过轴锥镜的截头侧的形状来预先确定。
在根据图9的光学系统6的实施例中，平凸轴锥镜91布置在光路中以使得凸面侧95面向入射光束，而平面侧96面向与激光束的入射方向相反的方向。通过轴锥镜91的这种布置，入射的激光束同样被分成两个分光束41和42，与根据图8的布置的情况相比，两个分光束41和42在图9的布置中在更靠近轴锥镜91的干涉区域43中发生干涉。
在根据图10的光学系统6的实施例中，使用了平凸轴锥镜92，该轴锥镜92具有带锥形形状的凸面侧99。在轴锥镜92的平面侧100上，具有居中的玻璃锥98。凸面侧99同样生成环形的分光束41。平面侧100上的锥形结构98致使生成两个彼此平行且平行于光轴延伸的中心光束104a和104b。这两个中心光束104a和104b在同样平行于光轴延伸的两个干涉区域105a和105b中与分光束41发生干涉。干涉区域105a和105b沿着另一光路周期性地重复。
在根据图11的光学系统6的实施例中使用了凹凸轴锥镜93。同样，凸面侧101具有截头锥的形状。凹面侧102的轮廓具有截头锥的形状。轴锥镜93具有充满空气的中心区域103，入射的激光束不受影响地穿过该中心区域103并形成中心分光束42。在该实施例中，轴锥镜93同样产生环形分光束41，该环形分光束41在干涉区域43中与中心光束42发生干涉。干涉区域43沿着另一光路周期性地重复。
在根据图12的光学系统6的实施例中，使用双凸轴锥镜94，该双凸轴锥镜94具有第一凸面侧106和第二凸面侧107。两个凸面侧106和107均具有截头锥的形状，但是侧表面的倾角不同。此外，设置有中心开口108，该中心开口108使入射激光束不受影响地通过并且因此产生中心分光束42。分光束42在干涉区域43中与环形分光束41发生干涉。干涉区域43沿着另一光路周期性地重复。
对于根据图13的光学系统6的实施例，采用了第一轴锥镜91a、第二轴锥镜91b和第三轴锥镜91c。与图8所示的实施例相似，第一轴锥镜91a的平面侧面向入射光束并生成在干涉区域43a中重叠的环形分光束41a和中心光束42a。第二轴锥镜91b以其凸面侧面向入射光束，并将两个分光束41a和42a转换为平行光束，该平行光束从第二轴锥镜91b的平面侧出射然后入射到第三轴锥镜91c的平面侧上，通过第三轴锥镜91c将该平行光束转换成分光束41b和中心分光束42b。分光束42b和41b在位于待加工工件内部的干涉区域43b中发生干涉。干涉区域43b沿着另一光路周期性地重复。
在根据图14的光学系统6的实施例中，轴锥镜为同心环形光栅的形式。这意味着轴锥镜包括代表相位掩模的玻璃体81，该玻璃体81包括具有沟槽高度82的沟槽，如图16中以竖直截面侧视图所示。
在沿着光束方向观察的玻璃体81的前视图中，沟槽的最高点表现为同心环(图14)。图15示出了当使用同心环形光栅形式的玻璃体81时的光路。具有直径48的激光束入射到光栅上，并分成分光束41和42。分光束42具有直径47，这意味着它实际上包含了环形光栅形式的玻璃体81或轴锥镜的整个直径。分光束41和42在玻璃体81的平面侧出射并且在干涉区域43中发生干涉，在待加工工件的材料中该干涉区域沿着光束方向周期性地重复。
对于根据图17的光学系统6的实施例，采用了三个同心环形光栅形式的轴锥镜或玻璃体，即第一玻璃体81a、第二玻璃体81b和第三玻璃体81c。第二玻璃体81b和第三玻璃体81c均具有分别设置在其中心的中心区域110a和110b。在这些中心区域110a和110b的下方和上方，玻璃体81b和81c为同心环形光栅的形式。
入射的激光束首先照射在第一轴锥镜81a上，并通过该第一轴锥镜81a被转换成倾斜于光轴延伸的环形光束111。第二轴锥镜81b将光束111转换成管状的分光束112，该分光束112进而被第三轴锥镜或玻璃体81c转换成分光束41。为了进一步对中心分光束42成形，在第二玻璃体81b和第三玻璃体81c之间布置了光束转换器83。光束转换器83可以例如是望远镜或光束衰减器。如在光学系统6的先前描述的实施例中一样，分光束41和42在干涉区域43中发生干涉，该干涉区域43沿着另一光路周期性地重复。
以上通过光学系统6的各种实施例描述的设备用于执行用于制备待分离的工件2的方法。一旦提供了对脉冲激光束的光透明的工件2，该激光束就被光学系统6分成至少两个分光束41、42。两个分光束41、42都被引导到工件2上以使得分光束41、42以相对于照射表面21的法线成不同角度地入射到工件2上，并在工件2的内部叠加。分光束41、42彼此重叠或干涉以使得在工件2的内部形成沿着分光束41、42的重叠区域43依次排列的一系列强度最大值45。强度最大值45处的强度足够高以改变工件2的材料，从而形成材料改变部8的链状周期性图案9，同时使工件2和分光束41、42相对于彼此移动从而产生沿着限定分离线11的路径的材料改变部8的多个链状周期性图案9。在之后的步骤中，可以通过沿着分离线11机械断开而将工件2分成多个部分。
图5、图6、图8至图13和图17的示例性实施例的共同点是使锥形光束或贝塞尔型光束作为分光束发生干涉，并形成聚焦部，该聚焦部在光束方向上扩展并周期性地调制，从而形成延长的线性周期性中断的改变部区。尽管可以想到其他光束形状，但这也是本发明的特别优选的实施例。因此，更一般地且不限于示例性实施例，根据本发明的优选实施例，可以想到的是，分光束41之一是使用轴锥镜生成的光束或贝塞尔光束，且第二分光束42在第一分光束形成线聚焦部(Linienfokus)的区域中与第一分光束叠加。
此外，前述示例性实施例的共同之处在于，第二分光束是平行光束。因此，根据另一优选实施例，可以进一步想到的是，第二分光束42被成形为平行光束。在这方面也可以想到其他变型例。例如，具有不同顶角的两个轴锥镜可以生成分光束。在这种情况下，会使具有不同会聚角的两个贝塞尔式光束或两个锥形光束发生干涉。从图中还可以看出，根据本发明的另一实施例，彼此共线的分光束41、42通常是优选的。
图18示出了另一示例性实施例，其中，从图的左侧入射的激光束入射在部件120上，该部件120在不限制一般性的情况下是反射光栅或相位掩模的形式，即，更通常地是衍射光学元件的形式。相应的传输装置也是可行的。从部件120出射的0级和+/-1级分光束41、42通过下游的双透镜系统(在此布置为4f设置(4f-Aufbau))在干涉区域43中叠加。该透镜系统包括具有焦距123的成像透镜121和具有焦距124的物镜122。该4f设置的傅立叶平面125以焦距123的距离位于成像透镜121的下游。更一般性地，不限于所示出的示例，根据本发明的一个实施例可以想到的是，光学系统6包括衍射元件，该衍射元件将激光束分成由不同衍射级(其也可以包括第0衍射级)限定的多个(两个或两个以上)分光束，并且该光学系统还被配置为使得分光束在工件内叠加。
在另一个实施例中(图19中)，通过两个平凸轴锥镜131和132的适当布置(第一轴锥镜组件130：轴锥镜131和132的凸面侧或顶面彼此面对)，进入的高斯光束4的强度首先被转换以形成甜甜圈(Donut)形或环形光束170。甜甜圈形或环形光束170是指具有如下光束波形的光束：该光束波形在光束轴线上呈现出无穷小的强度，但沿着围绕光束轴线的圆环具有至少一个强度最大值。环形强度最大值的直径由该轴锥镜组件130中的两个轴锥镜131、132的相互间隔和/或由两个轴锥镜131、132彼此之间的间隔确定。甜甜圈形光束170入射在另一个光学元件上，该光学元件优选为具有截头尖端的反向轴锥镜135或平面平行板和反向截头轴锥镜的胶结(gekittete)组合(第三轴锥镜135)，由此甜甜圈形光束170被分成环形的发散分光束180和不偏转的中心光束190。现在，发散的环形光束180首先被平行化，然后通过第二轴锥镜组件140(包括彼此间隔开的两个平凸轴锥镜141和142)与不偏转的中心光束一起重新会聚到光轴上。重叠区域(即干涉区域)的位置是由第二轴锥镜组件140的最后一个轴锥镜142的位置确定的。虚线状聚焦部165在干涉区域内的周期性由环形光束的会聚角产生，类似如以上所述的那样。中心光束190和环形光束180的功率份额可以通过轴锥镜135的锥头锥表面面积与入射在轴锥镜135上的光束的直径之比来预先确定(图20)。当然，可以用截头轴锥镜代替第二轴锥镜组件140的两个轴锥镜141、142，这通常会进一步提高光束质量。
图20示出了在第一轴锥镜组件130的出口处的甜甜圈形光束170的可能的强度分布的示例，以及其光束面积
Figure GDA0003705580270000141
和功率(leistung)在如图20的右侧所示的截头轴锥镜145的凹面侧上的投影。穿过轴锥镜145的中心截头面148的光束份额越大，中心光束190中的强度就越大，因此虚线状焦线(unterbrochenen Fokuslinie)的显现
Figure GDA0003705580270000142
(即对比度)将越强烈。如果入射环形光束180的内直径(即自由直径)大于凹入的锥形轮廓的截头顶表面的直径Dplane，则将在干涉区域内形成如现有技术中已知的贝塞尔光束的线性且不间断的聚焦部。
如果图19的第一轴锥镜组件130的每个轴锥镜131、132(优选由玻璃制成)用相应的衍射轴锥镜、环形光栅或螺旋相位板151或152(例如，如US 8335034 B2中所述)代替，则产生另一个实施例(图21)。两个螺旋相位板151、152形成用于生成甜甜圈形光束的组件150。图19中所示的实施例的第一轴锥镜组件130同样表示用于生成甜甜圈形光束的这种组件150。当使用螺旋相位板时，应优选确保螺旋相位板151、152的旋转方向彼此相反地取向，以允许第二螺旋相位板152平行化由第一螺旋相位板151生成的环形光束180。
图19和图21的示例均具有组件150，该组件150用于与截头锥形轴锥镜135相结合地生成甜甜圈形光束，该轴锥镜135允许调节使得进行干涉的分光束的强度。因此，根据一个实施例，可以想到的是，用于制备待分离的工件2的设备包括：组件150，该组件150用于生成具有如下光束波形的甜甜圈形或环形光束170：该光束波形在光束轴线上具有无穷小的强度，同时在围绕光束轴线的圆环上具有强度最大值；以及截头锥形轴锥镜，该截头锥形轴锥镜在光束方向上布置在此组件150的下游，并且将环形光束170分为中心光束190和环形光束，其中，中心光束190和环形光束180的功率份额可通过轴锥镜135的截头锥形表面与入射在轴锥镜上的环形光束170的光束直径之比来调节。
图19和图21的示例性实施例还均具有轴锥镜135、141、142的三元组，由此三元组首先生成发散的环形光束180，然后发散的环形光束180由轴锥镜141偏转成轴向平行光束并且随后由最后一个轴锥镜142聚焦，从而与光轴上未偏转的中心光束重新会聚。因此，在不限于特定示例的情况下，本发明的又一个实施例考虑了光学系统6包括轴锥镜三元组，该轴锥镜三元组由彼此依次布置的三个轴锥镜135、141、142组成，其中在光束方向上观察时第一轴锥镜135生成发散的环形光束，该发散的环形光束由随后的轴锥镜141平行化，并被轴锥镜三元组的最后一个轴锥镜142转换成会聚的环形光束。中心的非偏转光束也可以穿过轴锥镜上的开口。此外，三元组的第一轴锥镜135不一定必须是反向轴锥镜(inversesAxikon)，也可以使用凸轴锥镜并在穿过中间聚焦部之后生成发散的光束。
为了能够估计各个光学部件对聚焦部中强度分布的影响，将平均光束功率为100mW的Pharos UKP激光器(1030nm，100kHz重复频率)的10ps脉冲(每个脉冲串4个脉冲)进行连续成像，在变型例1中最初仅用一个轴锥镜进行连续成像，在变型例2中用两个相位板和一个轴锥镜的组合进行连续成像，在变型例3中用两个相位板和三个轴锥镜的组合进行成像(在这种情况下，如上所述，中间的轴锥镜是截头轴锥镜，且所有轴锥镜的顶角均为20°)，并且使用装有显微镜透镜的相机(例如Coherent Lasercam HR型的相机)，通过沿着光轴在聚焦区域中连续移动该相机同时记录聚焦部中激光束的横向强度分布，来测量聚焦部中的强度分布。以此方式记录的视频允许以相对单位(relativen Einheiten)确定聚焦区域中沿着光轴的强度分布。
图22示出了以这种方式测量的沿着焦线的强度分布。图22的部分图像(a)示出了变型例1(使用轴锥镜聚焦入射的高斯光束)和变型例2(高斯光束转换成环形光束，随后由轴锥镜聚焦)的强度分布，这些强度分布沿着光轴在纵向方向上具有非常相似的轮廓。另一方面，部分图像(b)示出了当使用变型例3(使用三个轴锥镜将通过相位板组合生成的环形光束成像，其中一个轴锥镜是截头轴锥镜135，两个轴锥镜141和142形成第二轴锥镜组件140)时在聚焦区域中沿着光轴的强度分布：该强度分布的包络具有与变型例2类似的特征(在面向光学系统的一侧强度急剧上升，在背离光学系统的一侧强度明显较慢下降)，但该包络包括许多周期性布置的强度最大值和最小值，强度最小值的强度接近于零。
图23示出了厚度为1mm的硼硅酸盐玻璃上的断开应力分布的变化，该玻璃根据变型例1(即，使用一个轴锥镜，右曲线)或变型例3(2个相位板和轴锥镜三元组，以生成虚线状聚焦部，左曲线)制出细线。为此，使用上面已经提到的Pharos激光器(1030nm；重复频率为1kHz；平均脉冲功率为980mW；脉冲持续时间为10ps，4个脉冲的脉冲串)，引入了节距为3.5μm的材料改变部。断开应力显著降低：例如，对于95％的破裂概率，与仅使用包括轴锥镜的组件生成的贝塞尔光束进行处理的情况相比，在使用虚线状聚焦部进行材料处理的情况下断开应力要低约15％。
附图标记列表：
Figure GDA0003705580270000161
Figure GDA0003705580270000171
Figure GDA0003705580270000181

Claims (25)

1.一种用于制备待分离的工件(2)的方法，包括：
-提供工件(2)，该工件(2)对脉冲激光束(4)的光是透明的；
-使用光学系统(6)将所述激光束(4)分成至少两个分光束(41、42)，并且将两个分光束(41、42)引导到所述工件(2)上，以便相对于照射表面(21)的法线以不同的角度入射在所述工件(2)上并且以便在所述工件(2)的内部叠加，从而使得所述分光束(41、42)相互干涉以在所述工件(2)的内部形成沿着所述分光束(41、42)的重叠区域(43)依次排列的一系列强度最大值(45)，并且其中在所述强度最大值(45)处的强度足够高以改变所述工件(2)的材料，从而形成材料改变部(8)的链状周期性图案，其中所述分光束之一是在叠加区域中沿着光轴的平行光束，其中另一个分光束是环形的分光束；以及
-使所述工件(2)和所述分光束(41、42)相对于彼此移动，从而沿着限定分离线(11)的路径产生材料改变部(8)的多个链状周期性图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分光束中的一个分光束(41)是使用轴锥镜生成的贝塞尔光束，并且其中第二个分光束(42)在第一个分光束形成线聚焦部的区域中与第一个分光束叠加。
3.根据权利要求2所述的方法，包括以下步骤中的至少一个：
-将所述第二个分光束(42)成形为高斯光束的形式；
-分开激光以使得两个分光束(41、42)的强度相差不超过5倍。
4.根据权利要求2所述的方法，包括以下步骤中的至少一个：
-将所述第二个分光束(42)成形为高斯光束的形式；
-分开激光以使得两个分光束(41、42)的强度相差不超过3倍。
5.一种用于执行制备待分离的工件(2)的方法的设备，所述设备包括：
-激光器(3)，该激光器(3)用于生成脉冲激光束(4)；
-光学系统(6)，该光学系统(6)用于将所述激光束(4)分成至少两个分光束并将这些分光束引导到待加工的工件(2)上；和
-定位装置(13)，该定位装置(13)用于将所述工件(2)和所述激光束(4)相对于彼此放置和对准，以使得两个分光束(41、42)相对于照射表面(21)的法线以不同的角度入射在所述工件(2)上并且两个分光束(41、42)在所述工件(2)的内部叠加，并且使得所述分光束(41、42)相互干涉从而在所述工件(2)的内部形成沿着所述分光束(41、42)的重叠区域(43)依次排列的一系列强度最大值(45)；其中
-所述激光器(3)能够操作以生成能量足够高的脉冲，使得激光脉冲的脉冲能量足以改变所述工件(2)的材料，从而产生材料改变部(8)的链状周期性图案，其中所述分光束之一是在叠加区域中沿着光轴的平行光束，其中另一个分光束是环形的分光束；并且其中
-所述定位装置(13)适于使所述激光束(4)及其分光束以及所述工件(2)相对于彼此移动，从而沿着限定分离线(11)的路径生成材料改变部(8)的多个链状周期性图案。
6.根据权利要求5所述的设备，包括以下特征中的至少一个：
-所述光学系统(6)包括平凸轴锥镜，所述平凸轴锥镜的平面侧面向入射的激光束，并且所述平凸轴锥镜的凸面侧具有截头锥的形状；
-所述光学系统(6)包括平凸轴锥镜，所述平凸轴锥镜的凸面侧面向入射的激光束并具有截头锥的形状。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学系统(6)适于分开激光以使得两个分光束(41、42)的强度相差不超过100倍。
8.根据权利要求5所述的设备，其中所述光学系统(6)适于分开激光以使得两个分光束(41、42)的强度相差不超过50倍。
9.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括平凸轴锥镜，在所述平凸轴锥镜的平面侧上居中地布置有玻璃锥(98)，并且所述平凸轴锥镜的凸面侧为锥形形状。
10.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括凹凸轴锥镜(93)，所述凹凸轴锥镜(93)的凸面侧具有截头锥的形状，所述凹凸轴锥镜(93)的凹面侧(102)具有截头锥的轮廓，并且所述凹凸轴锥镜(93)设置有用于引导激光穿过该凹凸轴锥镜的中心开口(103)。
11.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括双凸轴锥镜，所述双凸轴锥镜的两个凸面侧具有侧线的倾角不同的截头锥的形状，并且所述双凸轴锥镜包括充满空气的中心区域(108)。
12.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括至少三个平凸轴锥镜，其中，所述至少三个轴锥镜的凸面侧具有截头锥的形状。
13.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括同心环形光栅。
14.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括至少三个呈同心环形光栅形式的轴锥镜，其中所述轴锥镜中的至少两个具有中心平面区域。
15.根据权利要求5所述的设备，包括：组件(150)，所述组件(150)用于生成环形光束(170)，所述环形光束的光束波形在光束轴线上具有无穷小的强度同时沿着围绕光束轴线的圆环具有强度最大值；以及截头锥形轴锥镜，所述截头锥形轴锥镜在光束方向上布置在该组件(150)的下游并将所述环形光束(170)分成中心光束(190)和另外的环形光束(180)，其中，所述中心光束(190)和所述另外的环形光束(180)的功率份额能够通过所述轴锥镜的截头锥形表面与入射在该轴锥镜上的所述环形光束(170)的光束直径之比来调节。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，用于生成环形光束(170)的所述组件(150)包括两个螺旋相位板(151、152)或两个衍射轴锥镜。
17.根据权利要求5至16中的任一项所述的设备，其中，所述光学系统(6)包括轴锥镜三元组，该轴锥镜三元组由三个依次布置的轴锥镜构成，其中，在沿着光束方向观察时的第一个轴锥镜(135)生成发散的环形光束，该发散的环形光束由随后的轴锥镜(141)平行化并且被所述轴锥镜三元组中的最后一个轴锥镜(142)转换为会聚的环形光束。
18.一种玻璃或玻璃陶瓷工件(2)，能通过根据权利要求1至4任一项所述的方法或根据权利要求5至17任一项所述的设备生产所述玻璃或玻璃陶瓷工件(2)，该工件(2)具有两个表面，并且在该工件(2)的内部具有材料改变部(8)的图案，每个材料改变部(8)均被挤压区(16)包围，其中所述材料改变部(8)沿着线(18)以规则的顺序布置，其中两个分光束在沿着光轴的细长区中发生干涉，使得在这些细长的干涉区的强度最大值处产生了期望的待加工的材料改变部。
19.根据权利要求18所述的玻璃或玻璃陶瓷工件(2)，该工件(2)具有两个表面，其中，由依次布置的材料改变部限定的多个相邻的线(18)限定了在该工件内部的平面(19)，并且其中材料改变部的所述线从所述玻璃或玻璃陶瓷工件(2)的所述两个表面中的一个表面延伸到相对的表面。
20.根据权利要求18所述的玻璃或玻璃陶瓷工件(2)，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷工件(2)是片状工件，并且所述表面是该片状工件的两个相对的面。
21.根据权利要求18所述的玻璃或玻璃陶瓷工件(2)，其中，所述表面是同心的侧表面，并且所述玻璃或玻璃陶瓷工件(2)是管状工件。
22.根据权利要求18至20中的任一项所述的玻璃或玻璃陶瓷工件(2)，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷工件(2)的厚度在10μm至50mm之间。
23.根据权利要求18至20中的任一项所述的玻璃或玻璃陶瓷工件，其中，所述玻璃或玻璃陶瓷工件(2)的厚度在1mm至20mm之间。
24.根据权利要求18至21中的任一项所述的玻璃或玻璃陶瓷工件(2)，其中，所述材料改变部(8)的总长度和所述工件(2)的厚度d的商ω满足下式：
Figure FDA0003705580260000041
其中li表示所述材料改变部的各个长度，并且k＝0.5或k＝0.7或k＝0.9或k＝0.95。
25.一种能通过根据权利要求1至4中的任一项所述的方法或根据权利要求5至17中的任一项所述的设备生产的玻璃或玻璃陶瓷工件，所述工件的破裂边缘(17)具有彼此相邻延伸的线，并且这些线由依次以规则的链状图案布置的材料改变部限定，所述材料改变部的沿着所述线的中心间距在1μm至100μm之间，且材料改变部的直径为0.2μm至5μm，并且每个材料改变部均被挤压区(16)围绕。
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