CN113825585A - 用于透明材料的激光加工的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过超短激光脉冲制造透明材料。一种用以制造对激光波长大部分透明的材料的方法，该方法包括由光学元件形成非中心对称的无衍射光束，该光学元件包含至少两个双折射结构区域，该双折射结构区域根据特定于该特定区域的规则改变Pancharatnam‑Berry相位。能量、相位和偏振的分布取决于接近所述元件的光的参数。选择脉冲能量以利用分布的主最大值来形成沿期望方向伸长的空隙，而侧最大值形成来自相邻脉冲的损伤之间的化学特性的变化。空隙损伤和化学变化区域形成期望的切割线。将以所述方式制备的工件置于化学聚集溶液中，其中，受激光影响的区域比未受影响的区域溶解得快得多。这使得能够实现具有高达1/50的纵横比的切割。

Description

用于透明材料的激光加工的方法和装置
技术领域
本发明属于激光领域，涉及透明介质的加工，并且可以通过使用超短脉冲激光辐射光束用于透明介质的切割、分裂和其他加工，所述透明介质包括不同类型的玻璃、化学钢化玻璃、蓝宝石和其他晶体材料。
背景技术
为了切割非常小尺寸的孔或在透明材料的工件中形成自由形式的切口，使用激光方法。常规激光微加工(钻孔、切割或凹槽形成等)方法通常依赖于由于激光脉冲能量在受影响区域中的聚焦而去除材料--烧蚀。为此目的使用飞秒激光器产生非常干净的孔或切口的边缘，并且实际上没有材料不能够由这种激光器处理。然而，烧蚀具有基本缺点-由于从切口底部移除的材料积聚在受影响区域上方的壁上，从而逐渐覆盖光的入口，因此不可能从非常窄的间隙或小直径孔移除材料。通过使用分裂分离来避免该缺点，其中，激光脉冲沿着期望的分裂线产生损伤区域。然而，当沿着高曲率的线分裂工件时，特别是当需要钻孔时，这种方法非常有限。当工件由玻璃制成时，特别是如果玻璃被回火时，任务变得更加复杂。玻璃最近在半导体技术(作为半导体结构的基础)、微机电系统的制造和微流体装置的制造中使用的材料中变得越来越重要。所有这些区域都需要产生任何形状的切口、孔或通道的能力。最近，使用激光方法与化学蚀刻的组合，其极大地扩展了这些方法的能力。
已知的类似物使用激光影响的材料的酸蚀刻或碱蚀刻。US20180029924A1描述了一种方法，在该方法中，用HF酸对紫外激光钻孔进行蚀刻，其采用受激光影响的材料比未受影响的材料蚀刻得更快的性质。以这种方式获得的孔在工件的整个厚度上具有不同的直径(通常为沙漏形)，并且在蚀刻期间，孔在所有方向上均匀地扩展；在蚀刻整个切割线期间，这导致具有与孔之间的间距几乎相同的宽度的切口。
US2018037489中提出的方法也没有表现出取向，在蚀刻期间，激光穿透的孔在所有方向上均匀地扩展。该方法并非意在用于制造切口或凹槽，而是仅用于圆形孔。
US9517963B2描述了一种采用通过蚀刻均匀加宽激光穿孔的方法。在该方法中，使用中心对称的非衍射贝塞尔光束来刺穿玻璃，因此，孔是圆形的和非定向的。该方法不提供蚀刻均匀切口的选择，它仅有助于工件沿着连接孔的线的分裂。通过使用所描述的方法，在工件中的孔的入口和出口处获得显著的斜率，即，孔显著偏离筒形形状，这也导致具有不规则形状斜率的切口。此外，当用激光穿孔时，在其周围形成不可预测形状的微裂纹，并且当玻璃蚀刻酸扩散通过它们时，它扩大了孔，同时降低了裂缝的平滑度，由于裂纹的随机性质，裂缝的平滑度沿着分裂线是不均匀的。
EP3102358A4描述了一种方法，该方法利用激光穿孔的蚀刻来扩大孔，并且用于使用孔沿着由孔形成的轮廓来破碎玻璃的目的。蚀刻工艺的取向既不寻求也不受控制，孔不连接。
US20160152508A1描述了一种用于将玻璃工件沿着激光制造和蚀刻扩大的孔的线分离的方法。蚀刻工艺的取向既不寻求也不受控制，孔不连接。
使用上述组合的激光和化学加工方法，可以在足够厚度的玻璃片中制造玻璃孔，这种方式实现玻璃厚度与直径比为20-30或更大。它们的主要问题是在用腐蚀性酸或其混合物比如HF、BHF、HF+HNO3对受影响的玻璃进行蚀刻之后，所得孔的形状显著偏离筒形件(例如“沙漏”)，并且它们的边缘不是直立的而是具有直径的5％-10％的显著斜率。这对于大多数应用是不可接受的。当用碱比如NaOH或KOH对受影响的玻璃进行蚀刻时，孔的几何形状比使用酸时精确得多，但是工艺本身相当慢，蚀刻几微米长的间隙需要几个小时。
待解决的技术问题
本发明的目的是在分裂或切割透明材料时改善透明材料的加工质量，同时改善加工精度。
发明内容
为了解决根据本发明的问题，提出了一种通过在工件材料中形成切割表面或分裂表面的透明材料加工的方法，该方法包括两个加工阶段：
-阶段A，在该阶段A中，执行利用激光的切割表面或分裂表面形成而不使工件部分彼此完全分离，其中，该阶段A包括以下步骤：
A.1激光器产生TEM00模式的相干超短脉冲激光辐射光束，
A.2将所生成的激光辐射光束引导到光学系统中，其中，所述光学系统形成所述激光辐射光束的设定直径、总脉冲能量和光偏振，
A.3将在步骤A.2中形成的激光辐射光束引导到光学元件中，其中，该光学元件根据预定规则对入射的激光辐射光束进行变换，
A.4将所形成的激光辐射光束定位在工件中，工件的材料对激光光束辐射而言几乎是透明的，并且激光辐射脉冲的预定参数确保在经加工的工件的聚焦区域中的激光辐射能量密度足以改变工件材料的性质，
A.5使所述经加工的工件相对于所述激光辐射光束进行可控移动，使得所述工件中的激光辐射光束焦点分别移位，从而产生所需数量的损伤区域并在所述工件中形成所需轨迹切割和/或分裂的表面，
-阶段B，在该阶段B中，基于在阶段A期间形成的切割表面和/或分裂表面的轨迹，通过将工件安置在化学介质中来执行工件部分彼此的完全分离，该化学介质在损伤区域处蚀刻工件材料，其中，
在步骤A.3中，根据预定规则的激光辐射光束变换在光学元件(10)中发生，光学元件(10)包括对垂直激光辐射光束的Pancharatnam-Berry相位(PBP)进行平滑地改变的双折射结构，其中，在光学元件(10)中形成所述结构的具有不同PBP变换规则并具有相对于激光辐射光束接近元件的取向的至少两个区域，其中，至少两个所述结构区域分别形成至少两个子光束，所述至少两个子光束能够根据接近光学元件(10)的激光辐射的参数比如偏振类型来改变子光束的能量、相位和偏振分布，偏振类型表示线性或圆形或径向或方位角、和/或线性偏振平面相对于元件中的切割轨迹或分裂轨迹的方向的取向，其中，
所形成的所述子光束彼此干涉以获得总的非衍射激光辐射光束，总的非衍射激光辐射光束具有设定的能量、相位和偏振焦线的偏心对称分布，该偏心对称分布在垂直于激光辐射光束传播方向的平面中具有更好的伸长率，其中，能够通过改变在步骤A.2期间形成的接近光学元件(10)的激光辐射的参数来获得上述分布的期望形式，其中，所述非衍射激光辐射光束的偏心对称分布在光传播的垂直平面中具有主长方形能量最大值和次能量最大值，该主长方形能量最大值包含具有密度ρ的脉冲的大部分能量，并且该次能量最大值在所述平面中伸长，其中，能量密度在ρ/6至ρ/3之间，
将所获得的总激光辐射光束定位在工件中，其中，每个激光辐射脉冲形成由物理变化和化学变化构成的长形的一般损伤区域，该物理变化由由于所述主能量最大值的影响而产生的腔和/或裂纹形成，该化学变化由由于所述次能量最大值的影响而产生的工件材料中的化学变化形成，其中，通过使所述元件(10)围绕该元件(10)的轴线旋转并且使所述经加工的工件以受控的方式移动，使得由于工件材料的物理变化而导致所形成的长形损伤区域在纵向方向上以一个接一个且沿着切割轨迹和/或分裂轨迹具有间隙的方式定位，
而在步骤A4和步骤A5中，激光脉冲能量和功率以及工件运动速度选择成使得由于工件材料的化学变化而形成的损伤区域将由于损伤的物理变化而出现的损伤区域沿着切割轨迹延伸到使得相邻的共同损伤区域合并或重叠的程度；并且在阶段B中，化学介质将在整个切割轨迹上同时作用在工件材料上。
所形成的长形共同损伤区域位于与光传播方向垂直的椭圆平面中并且具有大致恒定的尺寸，该大致恒定的尺寸为沿着所述方向从平均值开始变化不超过+/-15％。
通过沿着切割表面或分裂表面的轨迹以与光束的横向尺寸相当的距离传播一个以上的非衍射光束而从所述长形共同损伤区域形成切割表面或分裂表面的轨迹。
由工件的物理变化引起的长形损伤布置有超过损伤的宽度至少1.5倍的台阶部。
在步骤B中，将工件依次浸入几种选定的化学活性液体比如KOH溶液、Na2CO3溶液、HF溶液、HCl溶液中，以便将在工件损伤区域中形成和保留的先前化学反应的产物转移并溶解在影响工件的另一溶液中。
根据本发明的另一个实施方式，提出了一种用于加工透明材料的装置，该装置包括激光器、可控定位机构、和容器，其中，该激光器生成超短脉冲激光辐射TEM00模式(2)的光束并且指向光学系统,光学系统用于改变激光辐射光束的脉冲能量、光偏振和直径,由此在光学系统中形成的激光辐射光束通过用于根据预定规则来变换入射光束的光学元件定位在经加工的工件中,由此工件材料对激光辐射光束而言几乎是透明的,在光学系统中形成的所选择的激光辐射光束脉冲参数确保了激光辐射能量密度足以改变聚焦区域中的工件材料的性质，该可控定位机构用于使经加工的工件相对于激光辐射光束移动，使得工件中的激光辐射光束焦点移动，从而产生所需数量的损伤区域并在工件中形成所需轨迹切割和/或分裂的表面，该容器容纳化学介质，化学介质在损伤区域中蚀刻工件材料，并且容器意在将工件安置在容器中并且根据切割表面和/或分裂表面的所形成的轨迹将工件的部分彼此分离，其中，
在激光辐射光束的路径中位于光学系统外部、意在用于根据预定规则变换入射激光辐射光束的光学元件具有双折射结构，双折射结构对垂直激光辐射光束的Pancharatnam-Berry相位(PBP)进行均匀地改变，由此在工件中定位有双折射结构的具有不同PBP变换规则并具有相对于激光辐射光束接近元件的取向的至少两个区域，其中，所述结构的区域形成至少两个干涉子光束用以产生总的非衍射激光辐射光束，总的非衍射激光辐射光束具有预定的能量、相位和偏振焦线的偏心对称分布，偏心对称分布在垂直于激光辐射光束传播方向的平面中具有更好的伸长率并且具有主能量最大值和次能量最大值，其中，光学元件安装在围绕光学元件的轴线旋转的安装机构上，用于改变元件的位置并改变形成在元件中的双折射结构，由元件形成的所述总的非衍射激光辐射光束经由聚焦光学器件定位在工件中，由此通过所述机构使光学元件旋转，所形成的长形共同损伤区域沿着切割线的轨迹的取向被改变，并且可控定位机构使工件移动，使得由于工件材料的物理变化和化学变化而导致所形成的长形损伤区域在纵向方向上以一个接一个且沿着切割轨迹和/或分裂轨迹的方式布置，使得由于工件材料的物理变化并且沿着切割轨迹和/或分裂轨迹具有间隙而导致所形成的长形损伤区域在纵向方向上以一个接一个的方式定位，并且使得由于工件材料的化学变化而形成的损伤区域将由于损伤的物理变化而出现的损伤区域沿着切割轨迹延伸到使得相邻的共同损伤区域合并或重叠的程度。
本发明的优点
所提出的用于工件的激光化学处理方法允许在一段时间内获得精确的几何形状切口或孔，该时间比已知的激光辅助化学蚀刻(LACE)或激光诱导化学蚀刻(LICE)方法快10倍或更多。
所提出的发明使得可以蚀刻物理和化学定向的损伤区域的激光形成的窄连结线。在本发明中，由于工件材料的结构的变化而发生整体损伤，所述结构的变化涉及孔的形成、自排列结构、机械应力、和涉及化学键的重排或自由键的形成的化学变化。
在所提出的方法中，在最高强度点处的长方形横截面梁产生物理损伤(直到孔的穿孔)，并且较低强度区域沿着切割线的方向扩展并改变材料的化学性质。通过实现高达1:100的切割宽度与深度比，而不偏离垂直轴线大于2°，并且保持切割斜率不大于0.1μm，所得的总损伤区域改善了加工精度。蚀刻切口的表面不规则性不应超过2μm，其斜率不应超过0.1μm，并且切口不应具有重叠。因此，使用该方法制造的产品可以用于需要高精度和垂直度的应用中，比如用于半导体器件测试板的引导间隔件，这显著延长了它们的使用寿命。
不存在斜率和重叠允许使用用于平面桥接的产品，而无需化学加工后的额外抛光，这加速了微机电系统(MEMS)和微流体装置的生产。
附图说明
将在以下附图中对本发明进行更详细地解释，这些附图不限制本发明的范围，并且这些附图包括：
图1示出了所提出的透明材料加工装置的示意性框图的一部分，其解释了激光光束在进入形成分布的光学元件之前的形成。
图2示出了所提出的透明材料加工装置的示意图的一部分，其示出了如何形成期望的分布以及如何将其安置在经加工的工件中。
图3示出了在极坐标系和直角坐标系中形成于光束变换元件中的双折射结构的坐标。
图4示出了以扇区布置的元件中的PBP变化的区域。
图5示出了同心布置的元件中PBP变化的区域。
图6示出了元件中PBP变化区的最常见布置，其中，不同扇区中的PBP变化也取决于双折射结构距元件中心的距离。
图7示出了两个180°扇区中的PBP变换对距中心的距离具有不同依赖性的特定情况。
图8示出了由来自图7的元件生成的测量的横向能量分布。
图9示出了图8的能量分布沿着光传播方向的变化。
图10示出了通过使元件围绕光的光束的轴线旋转而获得的受控方向损伤线。
图11示出了该线的损伤，其中，辨别了物理(刺穿)和化学(键重排)损伤的场。
图12示出了最常见的碱土铝硅酸盐玻璃的结构。
图13示出了通过原子力显微镜(AFM)测量的切割边缘轮廓。
具体实施方式
所提出的用于加工透明材料的方法包括以下操作顺序：
透明材料加工方法具有两个加工阶段：
在阶段A期间执行利用激光的切割表面或分裂表面形成，而不使工件部分彼此完全分离。阶段A包括以下步骤：A.1-通过激光器生成TEM00模式的相干超短脉冲激光辐射光束。A.2-将生成的激光辐射光束引导到光学系统中，该光学系统形成激光辐射光束的设定直径、总脉冲能量和光偏振，A.3-将在步骤A2中形成的激光辐射光束引导到光学元件中，该光学元件根据预定规则变换激光辐射光束。该变换发生在光学元件中，在该光学元件中，形成双折射结构，该双折射结构均匀地改变垂直瞄准该双折射结构的激光光束的Pancharatnam-Berry相位(PBP)。所述结构的至少两个区域形成在所述光学元件中，并且具有不同的PBP变化规则并具有其相对于垂直瞄准该双折射结构的激光光束的取向。该结构的至少两个所述区域分别形成至少两个子光束，具有根据瞄准所述光学元件的光的参数比如偏振类型(比如线性或圆形或径向或方位角)和/或相对于元件中的切割轨迹或分裂轨迹的方向的线性偏振平面取向来改变子光束能量、相位和偏振的分布的可能性。形成的所述子光束彼此干涉以获得总的非衍射激光辐射光束，所述总的非衍射激光辐射光束具有设定的能量、相位和偏振焦线的偏心对称分布，在垂直于激光辐射光束发射方向的平面中具有更好的伸长率，其中，可以通过对在步骤A.2期间形成的瞄准所述光学元件的激光辐射的参数进行改变来获得上述分布的期望形式。在步骤A.4中获得的聚合激光辐射光束被定位在工件中，其中，每个激光辐射脉冲形成由工件材料的物理变化和化学变化构成的长方形总损伤区域。激光辐射光束所定位于其中的工件的材料对于激光辐射光束是大部分透明的，并且激光辐射脉冲的设定参数确保在经加工的工件的聚焦区域中的激光辐射能量密度足以改变工件材料的性质。在步骤A5中，通过使所述光学元件围绕其轴线旋转，工件中的总损伤区域沿着切割轨迹和/或分裂轨迹定向，并且经加工的工件以受控方式移动，使得所形成的长形损伤区域沿着切割轨迹和/或分裂轨迹以一个接一个且具有间隙的方式定位自身。激光脉冲能量和功率以及工件运动速度选择成使得由于工件材料中的化学变化而形成的损伤区域将由于损伤的物理变化而出现的损伤区域沿着切割轨迹延伸到使得相邻的共同损伤区域合并或重叠的程度。所形成的长形共同损伤区域在垂直于光传播方向的椭圆平面中更好，并且具有大致恒定的尺寸，该大致恒定的尺寸沿着所述方向从平均值开始变化不超过+/-15％。通过沿着切割表面或分裂表面的轨迹以与光束的横向尺寸相当的距离传播一个以上的非衍射光束而从所述长形共同损伤区域形成切割表面或分裂表面的轨迹。由工件的物理变化引起的长形损伤布置有超过损伤的宽度至少1.5倍的台阶部。
接下来，基于在阶段A期间形成的切割表面和/或分裂表面的轨迹，在阶段B期间通过将工件安置在化学介质中在损伤区域处对工件材料进行蚀刻来执行工件部分彼此的完全分离。由于沿着切割轨迹或狭缝轨迹形成的共同损伤区域相邻或重叠，因此化学介质在整个切割表面轨迹或分裂表面轨迹上同时影响工件，并且在该轨迹中受影响的工件材料比工件的未受影响部分溶解得快得多。在将工件保持在溶液中期望的时间段之后，试剂沿着切割线溶解工件材料，使其略微垂直于该线延伸，并且工件的部分彼此分离。在阶段A中用激光辐射光束处理之后安置工件的化学介质可以是KOH的溶液，但是更好的是将工件依次安置在几种化学活性液体比如KOH溶液、Na2CO3溶液、HF溶液和HCl溶液中。在从一种化学介质溶液中取出工件之后，将其安置在另一种化学介质溶液中，该化学介质溶液溶解先前化学反应的产物，该产物已经形成并保留在工件损伤的区域中。这样，工件被安置在不同的化学介质溶液中，直到工件的部分非常精确地彼此分离而没有任何横向裂纹。
激光器(1)以所提出的方式用于透明材料的分裂，(图1)生成TEM00模式的超短(100fs-10ps持续时间)光脉冲，它们在截面(2)中具有由高斯公式描述的能量分布
Figure BDA0003355311790000071
其中，I(r)是光束上与光束轴相距距离r的点处的光强度，l(0)是光束轴上的光强度，ω0是从轴至其中I(r)＝I(0)/e的点的距离。
光束中的光强度由可调衰减器(3)控制，该可调衰减器(3)由半波板(4)和偏振器(5)构成，偏振器(5)的偏振平面适于在其路径中没有板(4)的情况下使来自激光器的所有光通过。通过使板的慢轴的方向相对于激光的偏振平面旋转，通过板的光的偏振方向相应地旋转，并且当偏振器(5)仅使平行于由激光器发射的光的偏振的光分量通过时，可以允许来自激光器的光的0％至100％通过，这取决于板(3)的转向角。
通过衰减器的光束的直径由可调节扩展器(6)设定，该可调节扩展器(6)由一组负透镜(7)和正透镜(8)构成。通过调节透镜之间的距离，可以获得离开扩展器的光束的所需直径。
如果必须使光束具有椭圆偏振，则将四分之一波板(9)安置在其路径中，其慢轴与瞄准它的光的偏振平面的角度设定了椭圆度和圆偏振的旋转方向(左或右)。
由平坦的透明材料工件制成的光学元件(10)被安置在激光光束的路径中，在该光学元件(10)中，形成改变光的Pancharatnam-Berry相位(PBP)的结构。
激光光束的直径选择成使得光束完全填充光束形成元件的工作区域。这意味着在距光束轴的距离RE处的光强度不得大于I(RE)≤I(0)/e2，换句话说，元件半径必须不小于公式[1]中的高斯光束半径的两倍，即，
RE≥2ω0 [2]
通过将具有横截面变化的PBP的光束形成元件(10)安置到激光光束(11)中，偏振平面在元件中的不同位置处根据预定规则旋转，并且引入期望的相位延迟。该元件被安装在转动机构(12)上，该转动机构(12)使得可以改变该元件的位置，并且同时改变其上记录的结构相对于瞄准该元件的偏振平面的位置。从元件的各个部分发出的光束(13)以相长和相消的方式彼此干涉，从而允许形成能量、相位和偏振(14)的期望分布。所形成的具有形状(18)的分布通过聚焦光学器件(15、16、17)转移到工件(19)中。聚焦光学器件的至少一部分形成4f方案，该4f方案用于向傅里叶平面(16)添加额外的振幅函数比如滤除不想要的振幅谱元素，同时在焦线中形成期望的分布。焦点区域在轴Z上的位置由高度调节机构(20)确定，并且工件本身可以通过定位机构(21)在X-Y平面中移动。
在元件(10)中，形成一个或更高多个区域，在每个区域中，Pancharatnam-Berry相位(PBP)根据该区域的规则集平滑地变化。
在横截面的每个点处，PBP值由在工件本体(图3)中形成的周期性纳米板结构(23)设定，该周期性纳米板结构在元件中的取向由直角坐标中的相关性进行描述
θi＝fi(xi，yi) [3]
其中，θi是周期性结构相对于第i区域中的坐标轴的转向角，由函数fi描述。
或在极坐标中：
Figure BDA0003355311790000081
这里
Figure BDA0003355311790000082
和
Figure BDA0003355311790000083
是元件的横截面中的该周期性结构的极坐标。
为了获得具有轴对称(圆形或椭圆形)的分布，这些区域可以布置在两个扇区中(图4)。
Figure BDA0003355311790000084
其中，RE是元件的半径，
Figure BDA0003355311790000085
分别是极坐标中扇区起始和结束的角度。
两个同心环(图5)
Figure BDA0003355311790000086
其中rmin,i、rmax,i是分成扇区(图6)的一个环或多个环的起始半径和结束半径的值。
Figure BDA0003355311790000087
在单独的特定情况下，在具有扇区
Figure BDA0003355311790000088
和
Figure BDA0003355311790000089
的元件中形成两个区域，PBP的变化在每个扇区中由环形成，在每个环中PBP变化由特定于该环的函数描述(图7)：
Figure BDA00033553117900000810
其中，
Figure BDA00033553117900000811
是第n扇区中的PBF以及环i或j的取向角，其中，i和j分别是第1扇区或第2扇区中的环编号(图7)。如果函数以如下方式被选择：
Figure BDA00033553117900000812
以及
Figure BDA0003355311790000091
其中re是元件的半径，a是确定子光束的会聚角的因子。
PBP元件形成非衍射光束。
通过将由函数[9]和函数[10]描述的元件(10)安置在激光光束中，在元件后面形成椭圆对称分布(图8)，其在光传播方向上具有一个或更高多个最大值(图9)。最大值之间的强度分布由瞄准元件的光的偏振(线性、圆形或椭圆形)的性质确定。主最大值(24)形成在该分布中，大部分光束能量集中在该分布中，并且椭圆次最大值(25)也形成在该分布周围。分布椭圆(图8)的纵向轴线(26)的方向取决于元件的扇区在垂直于光传播方向的平面中的取向。
通过将由元件产生的分布聚焦在玻璃中并且在脉冲功率密度超过极限ρrib之后，该极限的值取决于玻璃的构成、中空损伤区域在玻璃本体中形成，这些区域的形状模仿聚焦区域中的强度分布。例如，硼硅酸盐玻璃中的玻璃具有高(～6％-10％)的碱土元素含量，即，ρrib≈1×1015Wcm-3，而在不含碱土元素的玻璃中，该极限是ρrib≈5×1014Wcm-3。能量分布以这样的方式形成，即，ρrib将仅在主最大值(24)处被超过。
使玻璃工件(19)在垂直于光传播方向的X-Y平面中移动，并且同时布置椭圆形损伤区域(27)，该椭圆形损伤区域(27)通过由转动机构(12)来改变分布椭圆的纵向轴线的位置而沿着期望的切割线(28)布置。当与相邻脉冲重叠的次最大值(25)的功率密度ρ超过分裂发生阈值ρsk＝ρrib/6÷ρrib/3时，该特定玻璃的特征在于，发生的化学变化(29)(图10)也导致物理应力的发生，并且合并物理损伤区域。
玻璃的物理化学性质发生改变的区域形成在损伤区域周围(30，图11)。玻璃是其中混合有碱金属离子和/或碱土金属阳离子的氧化物结构的网络。在个别情况下，Al/Si含量为≥1/3的铝硅酸盐玻璃(图12)由氧原子四面体构成，其中，硅(31)原子或铝(32)原子在中心。这些四面体中的一些四面体的顶点通过桥接氧(BO)桥连结，桥接氧(BO)桥按键类型分类为连结Si-O-Si四面体的BO1(33)和连接Si-O-Al四面体的BO2(34)。角落中的游离氧原子被称为非桥接氧(NBO)(35)。在这些相对有序的结构之间，碱金属(AM，36)和碱土金属(EM，37)的阳离子相对自由地插入，并且这些阳离子的存在影响氧桥的形成和BO1/BO2桥量的比率。已知的是，当原子量AM/Al≈1时，不同类型的桥的量的比率BO2/BO1≈3，NBO/BO2＝0，而在AM/Al≈0.2的玻璃工件中，该比率BO2/BO1≈0.3，并且还观察到非桥接氧键NBO/(BO1+BO2)≈0.1。
当激光脉冲影响这种玻璃工件时，观察到BO/NBO比的显著变化。已经确定，在大多数玻璃中，在激光脉冲能量密度超过2×103J/cm2之后，比率达到BO/NBO≈0.3，即，当与未受激光影响的玻璃相比时，BO桥的量减少超过～3倍。当玻璃受到激光的影响时，BO型桥断裂并与过量的硅或铝(ODC I)≡Si-Si≡和≡A1-A1≡或者与自由键(ODC II)＝Si0ir＝A10形成缺氧中心(ODC)。还有非桥接氧空穴中心(NBOHC)比如≡Si-O°或者≡A1-O°在结构中形成。所有这些缺陷比未受激光影响的玻璃显著更具化学活性，使得当受影响的工件置于碱性溶液中时，羟基阴离子与打开的键反应并且形成可溶性产物，比如：
[-Si-O-Si-]+OH-→[-SiO]-+[-Si-OH] [11]
[-Al-O-Al-]+OH-→[-AlO]-+[-Al-OH] [12]
金属与游离的氧结合时形成的网络改性碱土金属(Ca、Mg、Ba、Zn)的氧化物不与碱直接反应，而是可溶于碱中。同时，碱金属(Li、Na、K)以氢氧化物的形式进入溶液中。
由于上述工艺，受脉冲的二次最大值影响的玻璃区域在碱中的溶解比未受影响的区域快至多1000倍。这意味着通过在期望的切割线中形成具有高含量的游离氧或活性硅和铝键的区域，碱将基本上仅溶解切割的区域而不接触工件材料，其不需要去除。这导致极高精度的切割。从图13可以看出，在切口的边缘上仅形成0.05μm-0.1μm(50nm-100nm)的斜率。

Claims (6)

1.一种用于通过在工件材料中形成切割表面或分裂表面来加工透明材料的方法，所述方法包括两个加工阶段：
-阶段A，在所述阶段A中，执行利用激光的切割表面或分裂表面形成而不使工件部分彼此完全分离，其中，所述阶段A包括下述步骤：
A.1激光器生成TEM00模式的相干超短脉冲激光辐射光束，
A.2将所生成的激光辐射光束引导到光学系统中，其中，所述光学系统形成所述激光辐射光束的设定直径、总脉冲能量和光偏振，
A.3将在步骤A.2中形成的所述激光辐射光束引导到光学元件中，其中，所述光学元件根据预定规则对入射的激光辐射光束进行变换，
A.4将所形成的激光辐射光束定位在工件中，所述工件的材料对激光光束辐射而言几乎是透明的，并且激光辐射脉冲的预定参数确保在经加工的工件的聚焦区域中的激光辐射能量密度足以改变所述工件材料的性质，
A.5使所述经加工的工件相对于所述激光辐射光束进行可控移动，使得所述工件中的激光辐射光束焦点分别移位，从而产生所需数量的损伤区域并在所述工件中形成所需轨迹切割和/或分裂的表面，
-阶段B，在所述阶段B中，基于在所述阶段A期间形成的所述切割表面和/或所述分裂表面的轨迹，通过将所述工件安置在化学介质中来执行所述工件部分彼此的完全分离，其中，所述化学介质在损伤区域处蚀刻所述工件材料，
其特征在于，在步骤A.3中，根据所述预定规则的激光辐射光束变换在光学元件(10)中发生，所述光学元件(10)包括对垂直激光辐射光束的Pancharatnam-Berry相位(PBP)进行平滑地改变的双折射结构，其中，在所述光学元件(10)中形成所述结构的具有不同PBP变换规则并具有相对于所述激光辐射光束接近所述元件的取向的至少两个区域，其中，所述结构的所述至少两个区域分别形成至少两个子光束，所述至少两个子光束能够根据接近所述光学元件(10)的激光辐射的参数比如偏振类型来改变所述子光束的能量、相位和偏振分布，所述偏振类型表示线性或圆形或径向或方位角、和/或线性偏振平面相对于所述元件中的切割轨迹或分裂轨迹的方向的取向，其中，
所形成的子光束彼此干涉以获得总的非衍射激光辐射光束，所述总的非衍射激光辐射光束具有设定的能量、相位和偏振焦线的偏心对称分布，所述偏心对称分布在垂直于激光辐射光束传播方向的平面中具有更好的伸长率，其中，能够通过改变在步骤A.2期间形成的接近所述光学元件(10)的激光辐射的参数来获得上述分布的期望形式，其中，所述非衍射激光辐射光束的所述偏心对称分布在光传播的垂直平面中具有主长方形能量最大值和次能量最大值，所述主长方形能量最大值包含具有密度ρ的脉冲的大部分能量，并且所述次能量最大值在所述平面中伸长，其中能量密度在ρ/6至ρ/3之间，
将所获得的总激光辐射光束定位在所述工件中，其中，每个激光辐射脉冲形成由物理变化和化学变化构成的长形的一般损伤区域，所述物理变化由由于所述主能量最大值的影响而产生的腔和/或裂纹形成，所述化学变化由由于所述次能量最大值的影响而产生的所述工件材料中的化学变化形成，其中，通过使所述元件(10)围绕所述元件(10)的轴线旋转并且使经加工的工件以受控的方式移动，使得由于所述工件材料的物理变化而导致所形成的长形损伤区域在纵向方向上以一个接一个且沿着所述切割轨迹和/或所述分裂轨迹具有间隙的方式定位，
而在步骤A4和步骤A5中，激光脉冲能量和功率以及工件运动速度选择成使得由于所述工件材料的化学变化而形成的损伤区域将由于损伤的物理变化而出现的损伤区域沿着所述切割轨迹延伸到使得相邻的共同损伤区域合并或重叠的程度；并且在阶段B中，化学介质将在整个切割轨迹上同时作用在所述工件材料上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所形成的长形共同损伤区域位于与光传播方向垂直的椭圆平面中并且具有大致恒定的尺寸，所述大致恒定的尺寸沿着所述方向从平均值开始变化不超过+/-15％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过沿着所述切割表面或所述分裂表面的轨迹以与光束的横向尺寸相当的距离传播一个以上的非衍射光束而从所述长形共同损伤区域形成所述切割表面或所述分裂表面的轨迹。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，由所述工件的物理变化引起的长形损伤布置有超过所述损伤的宽度至少1.5倍的台阶部。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，在步骤B中，将所述工件依次浸入几种选定的化学活性液体比如KOH溶液、Na2CO3溶液、HF溶液和HCl溶液中，以便将在工件损伤区域中形成和保留的先前化学反应的产物转移并溶解在影响所述工件的另一溶液中。
6.一种用于加工透明材料的装置，所述装置包括：
激光器(1)，所述激光器(1)生成超短脉冲激光辐射TEM00模式(2)的光束并且指向光学系统，所述光学系统用于改变激光辐射光束的脉冲能量、光偏振和直径，由此在所述光学系统中形成的激光辐射光束通过用于根据预定规则来变换入射光束的光学元件定位在经加工的工件(19)中，由此工件材料对所述激光辐射光束而言几乎是透明的，在所述光学系统中形成的所选择的激光辐射光束脉冲参数确保了激光辐射能量密度足以改变聚焦区域中的所述工件材料的性质，
可控定位机构，所述可控定位机构用于使经加工的工件相对于所述激光辐射光束移动，使得所述工件中的激光辐射光束焦点移动，从而产生所需数量的损伤区域并在所述工件中形成所需轨迹切割和/或分裂的表面，以及
容器，所述容器容纳化学介质，所述化学介质在所述损伤区域中蚀刻所述工件材料，并且所述容器意在将所述工件安置在所述容器中并且根据切割表面和/或分裂表面的所形成的轨迹将所述工件的部分彼此分离，
其特征在于，在所述激光辐射光束的路径中位于所述光学系统外部、意在用于根据预定规则变换所述入射激光辐射光束的所述光学元件(10)具有双折射结构，所述双折射结构对垂直激光辐射光束的Pancharatnam-Berry相位(PBP)进行均匀地改变，由此在所述工件中定位有所述双折射结构的具有不同PBP变换规则并具有相对于所述激光辐射光束接近所述元件的取向的至少两个区域，其中，所述结构的区域形成至少两个干涉子光束用以产生总的非衍射激光辐射光束，所述总的非衍射激光辐射光束具有预定的能量、相位和偏振焦线的偏心对称分布，所述偏心对称分布在垂直于激光辐射光束传播方向的平面中具有更好的伸长率并且具有主能量最大值和次能量最大值，其中，所述光学元件(10)安装在围绕所述光学元件(10)的轴线(12)旋转的安装机构上，用于改变所述元件(10)的位置并改变形成在所述元件(10)中的双折射结构，由所述元件(10)形成的所述总的非衍射激光辐射光束经由聚焦光学器件(15、16、17)定位在所述工件中，由此通过所述机构(12)使所述光学元件(10)旋转，所形成的长形损伤区域沿着切割线的轨迹的取向被改变，并且所述可控定位机构使所述工件移动，使得由于所述工件材料的物理变化和化学变化而导致所形成的长形共同损伤区域在纵向方向上以一个接一个且沿着切割轨迹和/或分裂轨迹的方式布置，使得由于所述工件材料的物理变化并且沿着所述切割轨迹和/或所述分裂轨迹具有间隙而导致所形成的长形损伤区域在纵向方向上以一个接一个的方式定位，并且使得由于所述工件材料的化学变化而形成的损伤区域将由于损伤的物理变化而出现的损伤区域沿着所述切割轨迹延伸到使得相邻的共同损伤区域合并或重叠的程度。
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