CN112088147A - 透明氧化物玻璃的激光诱发的分离 - Google Patents

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Abstract

对包含透明氧化物玻璃的玻璃片进行切割的方法包括将来自中段红外(中段IR)激光源的激光束引导到玻璃片的主表面上。对激光束的波长进行调节从而调整激光束在玻璃片中的吸收深度。采用激光束切割玻璃片。

Description

透明氧化物玻璃的激光诱发的分离
技术领域
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2018年5月7日提交的美国临时申请系列第62/667,878号的优先权，本文以其作为基础并将其全文通过引用结合于此。
本发明涉及玻璃的激光切割，更具体地，涉及用于透明氧化物玻璃的激光诱发的分离的方法和设备。
背景技术
用激光切割玻璃通常包括对玻璃进行局部加热导致玻璃中的热应力。通常使用CO2和CO激光因为它们在玻璃材料中具有较高的吸收。在红外范围中，氧化物玻璃中的吸收较高；但是，大多数的辐射仅在距离玻璃表面数μm内发生吸收。作为结果，起始裂纹可能是浅的，并且需要额外的加工来使得玻璃段完整分离。
可以通过将激光波长调节至具体玻璃材料的吸收带或者通过多光子吸收(例如，双光子吸收)、产生色中心等来实现玻璃片的局部加热效果。在实际应用中，大多数的氧化物玻璃需要在可见光波长范围(400-750nm)内是透明的，这明显限制了可用于玻璃加工的激光波长范围。
需要用于激光诱发的透明氧化物玻璃分离的额外方法和设备。
发明内容
本公开内容涉及使用中段红外(中段IR)激光在玻璃表面上以及在玻璃厚度的内部产生所需的温度分布用于激光诱发的玻璃分离工艺。中段IR激光波长实现了激光辐射渗透进入到玻璃厚度中的所需深度的能力，这为分离工艺提供了灵活性。将波长控制在中段IR范围内提供了改变玻璃中的加热区深度的可能性(例如，从约30μm到约30cm，这取决于玻璃的厚度)。这种控制玻璃中的加热区的深度的能力能够实现不同激光分离工艺的不同加热分布。
功率最高至数十瓦的中段IR波长范围(2.5-3.0μm)的中段IR激光的能力可以增加对可见光透明氧化物玻璃进行加工的可能性。这是由于除了少数例外情况，大多数的氧化物玻璃在O-H基波吸收带中的2.6-2.9μm具有强烈吸收峰。O-H基波吸收带具有锋利的吸收曲线，从而实现了通过在较窄波长范围内对激光波长进行选择来调节玻璃的透射率。
根据第1个方面，一种对包含透明氧化物玻璃的玻璃片进行切割的方法，该方法包括：将来自中段红外(中段IR)激光源的激光束引导到玻璃片的主表面上；对激光束的波长进行调节从而调整了玻璃片中的激光束的吸收深度；以及使用所述激光束切割玻璃片。
根据第2个方面，提供了方面1的方法，其还包括沿着预定切割路径移动激光束，在玻璃片的切割步骤过程中，沿着切割路径切割玻璃片。
根据第3个方面，提供了方面1或2的方法，其中，对激光束的波长进行调节的步骤包括在玻璃片的羟基吸收带中调节波长。
根据第4个方面，提供了上述方面中任一项的方法，其中，对激光束的波长进行调节的步骤包括将波长调节为2.6μm至2.9μm。
根据第5个方面，提供了上述方面中任一项的方法，其中，采用激光束对玻璃片进行切割的步骤包括将玻璃片分离成多块玻璃片。
根据第6个方面，提供了上述方面中任一项的方法，其中，采用激光束对玻璃片进行切割的步骤包括切割仅部分穿过玻璃片的厚度形成裂纹。
根据第7个方面，提供了上述方面中任一项的方法，其还包括在玻璃片的主表面上布置透明覆盖基材，该覆盖基材的透射百分比大于玻璃片在中段IR波长范围中的透射百分比；以及引导激光束穿过覆盖玻璃片。
根据第8个方面，提供了方面7的方法，其中，覆盖基材具有至少80％的中段IR波长范围透射百分比。
根据第9个方面，提供了方面7或8的方法，其中，覆盖玻璃片包括干燥熔凝二氧化硅。
根据第10个方面，提供了上述方面中任一项的方法，其中，中段IR激光源包括铬掺杂的ZnSe或ZnS激光。
根据第11个方面，一种对包含透明氧化物玻璃的玻璃片进行切割的方法，该方法包括：将包含透明覆盖基材的覆盖玻璃片布置在玻璃片的宽表面上，所述覆盖基材的中段红外(中段IR)波长透射百分比大于所述玻璃片的中段IR波长范围透射百分比；将来自中段IR激光源的激光束引导穿过覆盖玻璃片到玻璃片的主表面上；以及采用穿过覆盖玻璃的激光束在没有切割覆盖玻璃的情况下切割玻璃片。
根据第12个方面，提供了方面11的方法，其还包括沿着预定切割路径移动激光束，在将玻璃片分离成多块玻璃片的步骤过程中，沿着切割路径切割玻璃片。
根据第13个方面，提供方面10或11的方法，其中，玻璃片的厚度小于约8mm。
根据第14个方面，提供了方面10-13中任一项的方法，其还包括将激光束的波长调节到2μm至3μm，从而调整激光束在玻璃片中的吸收深度。
根据第15个方面，提供了方面14的方法，其中，对激光束的波长进行调节的步骤包括将波长调节为2.6μm至2.9μm。
根据第16个方面，提供了方面10-15中任一项的方法，其中，采用激光束对玻璃片进行切割的步骤包括将玻璃片分离成多块玻璃片。
根据第17个方面，提供了方面10-16中任一项的方法，其中，采用激光束对玻璃片进行切割的步骤包括切割仅部分穿过玻璃片的厚度。
根据第18个方面，提供了方面10-17中任一项的方法，其中，覆盖基材具有至少80％的中段IR波长范围透射百分比。
根据第19个方面，提供了方面18的方法，其中，覆盖玻璃片包括中段IR透明材料。
根据第20个方面，提供了方面10-19中任一项的方法，其中，中段IR激光源包括铬掺杂的ZnSe或ZnS激光。
根据第21个方面，提供了方面10-20中任一项的方法，其还包括在玻璃片的羟基吸收带内调节激光束的波长。
在以下的详细描述中给出了附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容而容易理解，或按文字描述和附图以及如所附权利要求所定义实施本发明而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。
所含附图用于进一步理解本发明的原理，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图图示说明了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来说明例如本发明的原理和操作。应理解，在本说明书和附图中揭示的本发明的各种特征可以以任意和所有的组合使用。
附图说明
图1是根据本文所示和所述一个或多个实施方式的具有通过CO或CO2激光形成的切割线的玻璃片的示意性侧视图；
图2A显示碱土铝硅酸盐玻璃和铝硅酸钠玻璃的透射光谱；
图2B显示钠钙玻璃的透射光谱；
图3显示数种玻璃在近IR和中段IR范围的透射光谱；
图4示意性显示根据本文所示和所示一个或多个实施方式的采用中段IR激光对玻璃片进行激光分离的玻璃加工设备；
图5示意性显示根据本文所示和所示一个或多个实施方式的激光诱发的玻璃分离过程；以及
图6示意性显示根据本文所示和所示一个或多个实施方式的采用覆盖基材的另一种激光诱发的玻璃分离过程。
具体实施方式
在以下的详述中，为了说明而非限制，给出了说明具体细节的示例性实施方式，以提供对本公开内容的各个原理的充分理解。但是，对于本领域普通技术人员显而易见的是，在从本说明书获益后，可以以不同于本文详述的其它实施方式实施本公开内容。此外，可能省略了对于众所周知的器件、方法和材料的描述，以免混淆本发明的各个原理的描述。最后，在任何适用的情况下，相同的附图标记表示相同的元件。
本文中，范围可以表示为从“约”另一个具体值开始和/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。还会理解的是，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。
除非另有明确表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。这样同样适用于任何可能的未明确表述的解释依据，包括：关于设置步骤或操作流程的逻辑；由语法结构或标点获得的一般含义；说明书所述的实施方式的数量或种类。
如本文中所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代形式，除非文中另有明确说明。因此，例如，提到的“一种组件”包括具有两种或更多种这类组件的方面，除非文本中有另外的明确表示。
术语“光”最宽泛地理解为表示任何类型的电磁辐射，包括但不限于：紫外、近紫外、红外、近红外、以及中段红外。
术语“透明”用于表示这样的固体材料，其中，在渗透材料的特定波长范围(例如，可见光谱、中段IR光谱等)中的至少80％(例如，90％或更多、95％或更多等)的辐射穿透通过材料而不是被材料吸收或散射。
术语“氧化物玻璃”指的是包含氧多面体的玻璃网络。网络成形剂的例子包括SiO2、GeO2、P2O5和As2O5。
目前来说，透明氧化物玻璃的激光诱发的切割包括：使用CO2或CO激光玻璃表面加热(由于氧化物玻璃中的吸收)结合冷却，或者使用近IR或可见光范围激光结合多路径或多次通过方案(由于透明氧化物玻璃在近IR或可见激光波长范围内的低吸收)。对于CO2和CO激光，吸收发生在透明氧化物玻璃表面的1至5μm内，而余下的体积通过热传导进行加热。为了弥补1至5μm的浅吸收深度，特别是在高激光切割速度的情况下(例如，约1m/s或更快)，可以产生拉长的束来增加热扩散深度，之后用水雾或气体对玻璃经加热的区域进行冷却。即使是在CO2或CO激光诱发的切割方案中，所得到的透明氧化物玻璃中的裂纹也会是浅的(例如，约50至60μm)，而玻璃的余下部分可能仍然是完好的，如图1所示。可以通过沿着切割线C弯折玻璃来进一步诱发分离，这可能导致额外的碎片和碎屑、不完美的表面切割以及所得到的边缘强度的下降。使用近IR激光可以具有改善的分离结果。但是，对于低吸收玻璃情况而言，使用近IR激光(约800nm至1600nm)，限制包括缓慢的切割速度或者用于补偿低吸收的高激光功率。在这些情况下，工艺可能导致在没有进行弯折或者任意其他机械破裂的情况下分离玻璃片，这可以被称作仅使用激光切割工艺的“整体分离”。
本文所述的实施方式一般地涉及使用中段红外(中段IR)激光在玻璃表面上以及在玻璃厚度的内部产生所需的温度分布用于激光诱发的玻璃分离工艺。具体来说，氧化物玻璃具有一定的水含量，并且取决于玻璃组成，氧化物玻璃组成的O-H键的基本振动位于2.7μm至2.9μm波长范围内。中段IR激光可以是在2μm至3μm范围内是可调节的，输出功率达到约50瓦或者甚至更高。通过在吸收峰附近0.1μm至1μm调节激光波长，可以使得玻璃材料中的吸收从玻璃厚度的小十几百分比到几乎100％发生变化，从而实现了玻璃的局部加热。
如上文所述，可用的透明玻璃在许多高功率激光可提供的波长处(例如，约800nm至1600nm之间的近红外(NIR)带，或者约400nm至800nm之间的可见光带(例如，二次谐波Nd基激光器)，或者约340nm至约380nm的UV带运行)具有非常小的吸收。例如，碱土铝硅酸盐玻璃和铝硅酸钠玻璃(例如，诸如购自康宁有限公司的
Figure BDA0002767103150000061
玻璃、EagleXGTM玻璃、1317玻璃和GorillaTM玻璃之类的玻璃)通常具有如图2A所示的透射光谱，而钠钙玻璃(例如，窗玻璃)通常具有如图2B所示的透射光谱。由图2A和2B证实，碱土铝硅酸盐玻璃和钠钙玻璃在(例如，通过运行在355nm的三次谐波Nd基激光所提供的)355nm处的透射率超过约85％；除非使用可用输出功率为数百瓦的激光，否则的话这对于(采用UV激光)用于将甚至是小体积的玻璃加热到接近加工点(约104泊)的温度来说也是不够的。
水的存在对于透明氧化物玻璃在光谱的中段IR波长范围(2.5μm至3.0μm)的吸收特性起到重要作用。这是因为O-H键的基本振动位于2.7μm至2.9μm带。例如，参见图3，显示了数种玻璃在近IR和中段IR范围的透射光谱。在图3的例子中，线A是干燥二氧化硅玻璃，线B是Gorilla 5TM玻璃，线C是EagleXGTM玻璃，线D是钠钙玻璃，以及线E是IrisTM玻璃，购自康宁有限公司。玻璃的羟基带具有稍微不同的形状和峰位置，锋利肩部(sharp shoulder)开始于约2.7μm的波长处。在玻璃质二氧化硅中，可以看到存在开始于2.7μm处的锋利OH吸收带。在碱性硅酸盐中，这个吸收带偏移至2.9μm。这些在透射百分比中快速下降的锋利肩部有助于在吸收峰附近0.1μm至1μm的较窄波长范围内对中段IR激光进行调节，从而实现了含水玻璃的吸收和吸收深度的大幅变化。“透射百分比”指的是传播通过玻璃片而不是被反射/散射或吸收的入射光的百分比。
现参见图4，示意性显示采用中段IR激光的示例性玻璃加工设备10来对由氧化物玻璃形成的玻璃片12进行激光分离。激光加工设备10包括用于产生加工光束16的加工光源14。将加工光束16从源14引导到具有主表面18的玻璃片12。主表面18是通过将加工光束16直接引导到其上来引发玻璃片12的分离的表面。玻璃片12是透明的。可以通过光学系统20将加工光束16引导到玻璃片12。在一个实施方式中，通过源14产生的加工光束16是运行在2μm至3μm范围的中段IR激光。作为一个例子，中段IR激光可以是高功率CW可调节激光，其基于CR2+:ZnSe和CR2+:ZnS增益材料，通过Er或Tm纤维激光泵送。激光的输出功率水平可以是约30W至约100W。
在一些实施方式中，光学系统20可以包括扫描器22用于将束16引导到玻璃片12的选定区域。扫描器22可以实现在玻璃片主表面18上书写各种图案。可以通过固定住束16的位置以及采用机动化工作台移动玻璃片12来实现类似结果，如图4所示。例如，可以使用定位机制24(例如，X-Y工作台)将玻璃片12放置到相对于加工光束16的所需位置。如果需要的话，定位机制24还可以包括Z轴工作台用于控制束斑26的尺寸。可以提供合适的控制器28来运作定位机制24，以及任选地还用来运作加工光源14。
简要参见图5，显示光束16被引导到玻璃片12的主表面18上。通过元素30来显示玻璃材料被加热的体积。可以通过改变激光波长、激光移动速度等来实现不同加热曲线(深度和温度)。
再次参见图3，在激光诱发的分离过程中，可以使用一些玻璃作为覆盖玻璃基材，例如几乎不具有水含量至不具有水含量以及具有中段IR波长范围中的较高透射百分比(例如至少约30％，例如至少约40％，例如至少约50％，例如至少约60％，例如至少约70％，例如至少约80％，例如至少约90％)的干二氧化硅玻璃。相比于进行切割的湿玻璃片(即，工件玻璃片)，干覆盖玻璃在中段IR范围中具有较高的透射率。术语“湿”指的是玻璃在玻璃网络中具有至少约100ppm OH基团(例如，约100-1000ppm OH基团)，而术语“干”指的是玻璃在玻璃网络中具有不超过约5ppm OH基团。例如，可以将覆盖玻璃片认为是干的，而将进行切割的工件玻璃片认为是湿的。
参见图6，显示了基材堆叠50，其在工件玻璃片60的相对表面56和58处包含覆盖玻璃片52和54，从而将工件玻璃片60夹在当中进行激光诱发的分离操作。覆盖玻璃片52和54的透射百分比可以高于工件玻璃片60，从而加工光束16至少穿过位于加工光源14和工件玻璃片60之间的覆盖玻璃片12。可以在中段IR波长范围内调节中段IR激光波长，从而对于工件玻璃片60中所需的吸收深度实现预定吸收。在沿着切割路径平移加工光束16之后，可以在工件玻璃片60中发生整体分离，从而形成多块玻璃片。与工件玻璃片60接触的覆盖玻璃片52和54可以抑制切割过程中产生的玻璃颗粒沉淀到玻璃表面56和58上。虽然显示的是覆盖玻璃片52和54，但是其他合适的材料可以包括氟化或聚酰胺聚合物膜。可以在工件玻璃片60的一个或两个表面56和58上放置覆盖基材。其他覆盖玻璃例子可以包括硫属化物玻璃、ZnSe、Ge、或者其他中段IR透明材料，主要是基于非氧化物的材料。
本文所述的实施方式总体上实现了采用中段IR激光对透明氧化物玻璃进行激光诱发的分离。中段IR激光可以以可调节的方式施加表面和/或体积热处理。可以将激光辐射的吸收(或渗透)深度精确地调节至约2.0μm至约3.0μm(例如，约2.6μm至约2.9μm)的所需波长。通过中段IR激光在透明氧化物玻璃中产生的应力分布会明显不同于通过其他类型激光(例如CO2激光、纳秒脉冲激光和超快激光加工)所提供的分布。应力分布还可取决于玻璃片的厚度。玻璃片可以具有任意合适的厚度，例如大于或小于约0.7mm。此外，玻璃片可以被视为是挠性和超薄的，例如不超过约0.3mm，例如约50μm至0.3mm。由于价格和有效的激光-物质相互作用，中段IR激光会比其他类型的激光和非激光工艺便宜。
应当强调，本发明上述实施方式、特别是任意“优选的”实施方式，仅仅是可能实现的例子，仅用来清楚理解本发明的各个原理。可以对本发明的上文所述的实施方式进行许多改变和改进，而不明显背离本发明的精神和各个原理。所有这些变化和修改旨在包括在该说明书和所附权利要求保护的范围内。

Claims (20)

1.一种对包含透明氧化物玻璃的玻璃片进行切割的方法，该方法包括：
将来自中段红外(中段IR)激光源的激光束引导到玻璃片的主表面上；
对所述激光束的波长进行调节从而调整所述激光束在所述玻璃片中的吸收深度；以及
采用所述激光束切割所述玻璃片。
2.如权利要求1所述的方法，其还包括沿着预定切割路径移动所述激光束，在所述玻璃片的切割步骤过程中，沿着所述切割路径切割所述玻璃片。
3.如权利要求1所述的方法，其中，对所述激光束的波长进行调节的步骤包括将波长调节为2.6μm至2.9μm。
4.如权利要求1所述的方法，其中，对所述激光束的波长进行调节的步骤包括在所述玻璃片的羟基吸收带内调节波长。
5.如权利要求1所述的方法，其中，采用所述激光束切割所述玻璃片的步骤包括将所述玻璃片分离成多块玻璃片。
6.如权利要求1所述的方法，其中，采用所述激光束切割所述玻璃片的步骤包括切割仅部分穿过所述玻璃片的厚度。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括：
在所述玻璃片的主表面上布置透明的覆盖基材，该覆盖基材的透射百分比大于所述玻璃片在中段IR波长范围中的透射百分比；以及
引导所述激光束穿过所述覆盖玻璃片。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述覆盖基材具有至少80％的中段IR波长范围透射百分比。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述覆盖玻璃片包括中段IR透明材料。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述中段IR激光源包括铬掺杂的ZnSe或ZnS激光。
11.一种对包含透明氧化物玻璃的玻璃片进行切割的方法，该方法包括：
将包含透明的覆盖基材的覆盖玻璃片布置在玻璃片的宽表面上，所述覆盖基材的中段红外(中段IR)波长透射百分比大于所述玻璃片的中段IR波长范围透射百分比；
将来自中段IR激光源的激光束引导穿过所述覆盖玻璃片到所述玻璃片的主表面上；以及
采用穿过所述覆盖玻璃的激光束在没有切割所述覆盖玻璃的情况下切割所述玻璃片。
12.如权利要求11所述的方法，其还包括沿着预定切割路径移动所述激光束，在所述玻璃片分离成多块玻璃片的过程中，沿着所述切割路径切割所述玻璃片。
13.如权利要求11所述的方法，其还包括将所述激光束的波长调节为2μm至3μm从而调整所述激光束在所述玻璃片中的吸收深度。
14.如权利要求13所述的方法，其中，对所述激光束的波长进行调节的步骤包括将波长调节为2.6μm至2.9μm。
15.如权利要求13所述的方法，其中，对所述激光束的波长进行调节的步骤包括在所述玻璃片的羟基吸收带内调节波长。
16.如权利要求11所述的方法，其中，采用所述激光束切割所述玻璃片的步骤包括将所述玻璃片分离成多块玻璃片。
17.如权利要求11所述的方法，其中，采用所述激光束切割所述玻璃片的步骤包括切割仅部分穿过所述玻璃片的厚度形成裂纹。
18.如权利要求11所述的方法，其中，所述覆盖基材在所述中段IR波长范围内具有至少80％的透射百分比。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述覆盖玻璃片包括中段IR透明材料。
20.如权利要求11所述的方法，其中，所述中段IR激光源包括铬掺杂的ZnSe或ZnS激光。
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