CN114096371A - 用于透明工件的大角度激光加工的相位修改准非衍射激光射束 - Google Patents

Abstract

一种用于加工透明工件的方法，该方法包括将激光射束引导到透明工件。入射到冲击表面的激光射束具有长圆形角谱，并且被引导到透明工件中的激光射束的部分是激光射束焦线，并且生成诱导吸收以在透明工件内产生缺陷。激光射束焦线包括：波长λ；光斑尺寸w_o；瑞利范围Z_R，该瑞利范围Z_R大于

其中F_D是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及内部射束角，该内部射束角相对于在冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°，使得缺陷具有相对于冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°的透明工件内的缺陷角。

Description

用于透明工件的大角度激光加工的相位修改准非衍射激光 射束

本申请要求于2019年5月17日提交的美国临时专利申请序列号62/849,364在35USC§119(e)下的优先权，并且该申请通过引用以其整体并入本文。

背景

领域

本说明书总体涉及用于激光加工透明工件的装置和方法，并且更具体地涉及包括激光射束焦线的激光射束，该激光射束焦线是准非衍射的，并且当以非法向入射角被引导到透明工件中时保持准非衍射特性。

技术背景

材料的激光加工领域涵盖涉及不同类型材料的切割、钻孔、铣削、焊接、熔化等的各种应用。在这些工艺中，特别感兴趣的一种工艺是在可用于生产用于薄膜晶体管(TFT)或电子设备的显示材料的材料(诸如玻璃、蓝宝石或熔融石英)的工艺中切割或分离不同类型的透明基板。

从工艺开发和成本角度来看，在切割和分离玻璃基板方面存在许多改进的机会。与目前在市场上实施的方法相比，具有更快、更清洁，更便宜、更可重复且更可靠的分离玻璃基板的方法是非常有意义的。许多分离玻璃基板的方法导致方形分离的边缘，这些边缘容易破裂并且通常被加工为具有斜面或加工为圆形以使破裂的可能性最小化。当前，非方形边缘通常使用机械手段(诸如机械研磨和抛光)来实现。然而，所述工艺产生玻璃粉尘和颗粒，这些玻璃粉尘和颗粒必须通过涉及清洗或化学处理的附加工艺来清洁。因此，需要用于分离玻璃基板的替代改进方法，该方法用无颗粒且高产量工艺替代常规的边缘精加工(finishing)工艺。

发明内容

根据本公开的一个实施例，一种用于加工透明工件的方法包括：将沿着射束路径定向的激光射束引导到第一冲击位置处的透明工件的冲击表面中。入射到冲击表面的激光射束具有长圆形角谱，该长圆形角谱具有从具有第一曲率半径的第一轴端延伸到具有第二曲率半径的第二轴端的对称轴，其中第一曲率半径和第二曲率半径不同。激光射束的部分被引导到透明工件中以在透明工件中形成激光射束焦线，以在透明工件中生成诱导吸收。诱导吸收在透明工件内产生缺陷。激光射束焦线包括：波长λ；光斑尺寸w_o；瑞利范围Z_R，该瑞利范围Z_R大于

其中F_D是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及内部射束角，该内部射束角相对于在冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°，使得缺陷具有相对于冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°的透明工件内的缺陷角。

根据本公开的另一实施例，一种用于加工透明工件的方法包括：将沿着射束路径定向的激光射束从自由空间引导到冲击位置处的透明工件的冲击表面中。冲击表面具有非平面形貌。入射到冲击表面的激光射束的部分具有非圆形角谱。激光射束的部分被引导到透明工件中以在透明工件中形成激光射束焦线，以在透明工件中生成诱导吸收。诱导吸收在透明工件内产生缺陷。激光射束焦线具有：波长λ；光斑尺寸w_o；瑞利范围Z_R，该瑞利范围Z_R大于

其中F_D是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及内部射束角，该内部射束角相对于在冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°，使得缺陷包括相对于冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°的透明工件内的缺陷角。

根据本公开的又另一实施例，一种用于加工透明工件的方法包括：在透明工件的冲击表面处折射激光射束，其中激光射束包括波长λ、光斑尺寸w_o、以及瑞利范围Z_R，该瑞利范围Z_R大于

其中F_D是无量纲发散因子，并且所述折射使无量纲发散因子F_D增加到至少10倍。

本文中所描述的过程和系统的附加特征和优点将在以下具体实施方式中阐述，并且将部分地从所述描述中对本领域的技术人员变得显而易见，或可通过实践本文中所描述的实施例(包括下面的具体实施方式、权利要求书以及附图)而被认识。

应当理解的是，前述的大体描述和以下详细描述两者描述了各种实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的主题的本质和特性的概述或框架。附图被包括以提供对各个实施例的进一步的理解，并且附图被结合到本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本文所述的各个实施例，并与说明书一起用于说明所要求保护的主题的原理和操作。

附图说明

附图中阐述的实施例本质上是说明性的和示例性的，并且不旨在限制由权利要求所限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解对说明性实施例的以下详细描述，其中，用类似的附图标记指示类似的结构，并且其中：

图1A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在透明工件中形成缺陷(每个缺陷具有缺陷角)的轮廓的激光的实施例的透视图；

图1B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在透明工件中形成缺陷(每个缺陷具有缺陷角)的轮廓的激光的另一实施例的透视图；

图1C示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在透明工件中形成缺陷(每个缺陷具有缺陷角)的轮廓的激光的实施例的侧视图；

图2A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于激光加工透明工件的光学组件，该光学组件包括射束源、自适应相变光学元件和透镜组件；

图2B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于激光加工透明工件的光学组件，该光学组件包括射束源、静态相变光学元件和透镜组件；

图3A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在对激光射束进行相变之后的激光射束的长圆形角谱；

图3B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的用于使图3A的激光射束相位变化的相位掩模；

图4A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的长圆形轴棱锥的俯视图；

图4B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的图4A的长圆形轴棱锥的侧视图；

图5A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的形成缺陷(每个缺陷具有缺陷角)的轮廓的激光的实施例的侧视图，其中光学组件设置成使得激光射束的部分冲击透明工件的边缘表面；

图5A-1示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在对图5A的激光射束进行相变之后并且在激光射束冲击透明工件的边缘表面之前的激光射束的长圆形角谱；

图5A-2示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在图5A的激光射束的部分冲击透明工件的边缘表面之后形成的激光射束的中断的长圆形角谱；

图5B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在透明工件中形成缺陷(每个缺陷具有缺陷角)的轮廓的激光的实施例的侧视图，该实施例包括遮挡光学元件；

图5B-1示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在对图5B的激光射束进行相变和遮挡之后并且在将激光射束聚焦到激光射束焦线之前的激光射束的中断的长圆形角谱；

图5B-2示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的在对图5B的激光射束进行相变和遮挡之后并且在将激光射束聚焦到激光射束焦线时的激光射束的中断的长圆形角谱；

图6A图示地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的示例性脉冲串内的激光脉冲的相对强度与时间的关系；

图6B图示地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的另一示例性脉冲串内的激光脉冲的相对强度与时间的关系；

图7A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有成角度缺陷的轮廓的透明工件的侧视图；

图7B示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的从图7A的透明工件形成的两个分离制品的侧视图，每个分离制品包括成角度边缘；

图8A示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的具有成角度缺陷的闭合弯曲轮廓的透明工件的侧视图；

图8B示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的从图8A的透明工件形成的分离制品的侧视图，该分离制品包括具有成角度边缘的锥形孔；

图9A示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的透明工件的侧视图，该透明工件具有从冲击表面延伸到边缘表面的缺陷的轮廓和从相对表面延伸到边缘表面的缺陷的轮廓；

图9B示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的从图9A的透明工件形成的分离制品的侧视图，该分离制品包括斜切边缘；

图10A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在自由空间中具有圆形角谱的示例贝塞尔射束的横截面的图像，该示例贝塞尔射束被聚焦到在透明工件的冲击表面处具有15°的内部射束角的透明工件中的激光射束焦线中；

图10B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在距透明工件的冲击表面0.3mm深度处的图10A的激光射束焦线的横截面的图像；

图10C是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在距透明工件的冲击表面0.7mm深度处的图10A的激光射束焦线的横截面的图像；

图10D是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的使用图10A-10C的激光射束的在透明工件中的损伤区域的图像；

图11A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在自由空间中具有长圆形角谱的示例贝塞尔射束的横截面的图像，该示例贝塞尔射束被聚焦到在透明工件内具有大于10°的内部射束角的激光射束焦线中；

图11B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的透明工件内的图11A的激光射束焦线的角谱的图像；

图11C是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的使用图11A和图11B的激光射束焦线在透明工件中形成的缺陷的图像；

图12A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在自由空间中具有中断的长圆形角谱的示例贝塞尔射束的横截面的图像，该示例贝塞尔射束被聚焦到在透明工件内具有大于10°的内部射束角的激光射束焦线中；以及

图12B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的透明工件内的图12A的激光射束焦线的角谱的图像。

具体实施方式

现在将详细参考用于激光加工透明工件(诸如玻璃工件)的过程的实施例，其示例在附图中图示出。在可能时，贯穿附图将使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。根据本文描述的一个或多个实施例，透明工件可以被激光加工以在透明工件中形成轮廓，该轮廓包括沿着期望的分离线的一系列缺陷以用于将透明工件分成两个或更多个分离的制品。缺陷中的每一者包括大于10°的缺陷角，使得在沿着轮廓分离透明工件之后，所得的分离制品包括具有大于10°的边缘角的成角度边缘。可使用聚焦到激光射束焦线中的低衍射射束(诸如准非衍射射束)来在透明工件中形成缺陷。

使用当前方法，当相对于法向入射以增加的角度(例如，比法向入射大10°的角度)将射束引导到透明工件中时，延伸的聚焦激光射束(例如，准非衍射射束)的衍射和发散度增加，并且因此，难以形成一系列高角度缺陷以促进将透明工件分离成具有成角度边缘的分离制品。例如，使用先前的激光加工技术，当激光射束进入具有成角度、弯曲或阶梯状的表面的透明工件时，像差被引入射束。对于贝塞尔射束，当射束在透明工件内部行进时，这些像差导致峰值射束强度大幅下降，从而降低高角度缺陷的质量或甚至防止高角度缺陷的形成。虽然不旨在受理论的限制，但是在常规成角度切割中，峰值射束强度由于标准贝塞尔射束的中心瓣分裂为多个瓣而下降，并且因此分裂瓣中的任一者的峰值强度小于无像差贝塞尔射束的中心瓣的峰值强度。虽然仍不旨在受理论的限制，但是像差还导致射束的瑞利范围下降。因此，期望改进的激光加工透明工件的方法。因此，本文描述的方法使用相变的成角度激光射束焦线，使得激光射束焦线在透明工件内沿着激光射束焦线的长度呈现最小的发散度，以形成高角度缺陷的轮廓并促进具有成角度边缘的分离制品的形成。本文具体参考附图对方法进行描述。

如本文所使用，“激光加工”包括将激光射束引导到透明工件上和/或引导到透明工件中。在一些实施例中，激光加工进一步包括相对于透明工件平移激光射束，例如，沿着轮廓线或其他路径。激光加工的示例包括使用激光射束来形成包括延伸到透明工件中的一系列缺陷的轮廓，以及使用红外激光射束来加热透明工件。激光加工可以沿着一个或多个期望的分离线来分离透明工件。然而，在一些实施例中，附加的非激光步骤(诸如施加机械力)可用于沿着一个或多个期望的分离线来分离透明工件。

如本文所使用，激光射束的“角谱”是指激光射束在空间频域中的傅里叶频谱的分布。特别地，角谱表示一组平面波，该组平面波的求和重建原始射束。角谱也可被称为激光射束的空间频率分布。

如本文所使用，“射束斑”是指在激光射束在透明工件的冲击表面(即，激光射束首先入射到的透明工件的表面)处的冲击位置处的激光射束的横截面(例如，射束横截面)。射束斑是冲击位置处的横截面。在本文描述的实施例中，射束斑有时被称为是“轴对称”或“非轴对称”的。如本文所使用，轴对称是指对于围绕中心轴作出的任何任意旋转角度而言对称或看起来相同的形状，并且“非轴对称”是指对于围绕中心轴作出的任何任意旋转角度而言不对称的形状。旋转轴(例如，中心轴)最经常被取为激光射束的光轴(传播轴)，该光轴是在射束传播方向上延伸的轴，射束传播方向在本文中被称为z-方向。

如本文所使用，“上游”和“下游”是指两个位置或部件沿着射束路径相对于射束源的相对定位。例如，如果第一部件沿着由激光射束穿过的路径比第二部件更接近激光源，则第一部件处于第二部件的上游。

如本文所使用，“激光射束焦线”是指激光射束的相互作用(例如，交叉)的光线的图案，这些光线形成在射束传播方向上伸长的聚焦区域。在常规激光加工中，激光射束紧密聚焦到焦点。焦点是激光射束的最大强度点，并且位于透明工件中的焦平面处。相反，在焦线的细长聚焦区域中，激光射束的最大强度区域延伸超过点，延伸到与射束传播方向对准的线。通过使相交(例如，交叉)的光线会聚以形成与射束传播方向对准的连续的一系列焦点来形成焦线。本文描述的激光射束焦线使用准非衍射射束来形成，下文详细地从数学上定义。

如本文所使用，“轮廓线”对应于由于激光射束与透明工件之间的相对运动而产生的激光射束与透明工件的入射表面的一组相交点。轮廓线可以是线性的、成角度的、多边形的或弯曲的形状。轮廓线可以是闭合的(即，在透明工件表面上定义封闭区域)或开放的(即，不在透明工件的表面上定义封闭区域)。轮廓线表示边界，沿着该边界促进将透明工件分离成两个或更多个部分。分离同时发生或在外部热能或机械能的辅助下发生。

如本文所使用，“轮廓”是指由激光射束通过激光射束与透明工件沿着轮廓线的相对运动来形成在透明工件中的一组缺陷。缺陷沿着轮廓线间隔开，并且被全部包含在透明工件的内部或穿过一个或多个表面延伸到透明工件的内部。缺陷还可以延伸穿过透明工件的整个厚度。透明工件的分离通过连接缺陷(诸如例如通过裂缝的传播)而发生。

如本文所使用，“缺陷”是指透明工件的已经被激光射束改性的区域。缺陷包括透明工件的相对于透明工件的周围未改性区域具有修改的折射率的区域。常见缺陷包括由激光射束焦线产生的透明工件中的结构上改性的区域，诸如空隙空间、裂纹、划痕、瑕疵、孔、穿孔、致密化或其他变形。在本文的各种实施例中，缺陷还可被称为缺陷线或损伤轨迹。缺陷或损伤轨迹通过激光射束焦线与透明工件的相互作用来形成。如下面更完全描述的，激光射束焦线由脉冲激光器产生。在沿着轮廓线的特定位置处的缺陷由该特定位置处的单个激光脉冲、该特定位置处的子脉冲的脉冲串或该特定位置处的多个激光脉冲产生的焦线形成。激光射束与透明工件沿着轮廓线的相对运动导致形成轮廓的多个缺陷。

如本文所使用的短语“透明工件”是指由玻璃、玻璃陶瓷或透明的其他材料形成的工件，其中如本文所使用的术语“透明”是指该材料针对每毫米的材料深度具有小于20％的线性光学吸收，诸如对于指定的脉冲激光波长，针对每毫米的材料深度小于10％，或者诸如对于指定的脉冲激光波长，针对每毫米的材料深度小于1％。除非另有规定，否则材料针对每毫米的材料深度具有小于约20％的线性光学吸收。透明工件可以具有深度(例如，厚度)从约50微米(μm)到约10mm(诸如从约100μm到约5mm，或从约0.5mm到约3mm)。

透明工件可包括由玻璃组合物形成的玻璃工件，所述玻璃组合物为诸如硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱金属铝硅酸盐、碱土金属铝硅酸盐玻璃、碱土金属硼铝硅酸盐玻璃、熔融石英、或晶体材料(诸如蓝宝石、硅、砷化镓)、或其组合。在一些实施例中，可在激光加工透明工件之前或之后经由热回火来强化透明工件。在一些实施例中，玻璃可以是离子可交换的，使得在激光加工透明工件之前或之后，玻璃组合物可以经历离子交换以实现玻璃强化。例如，透明工件可包括离子交换玻璃和离子可交换玻璃，诸如可从纽约州康宁市康宁公司获得的康宁大

(Corning

)玻璃(例如，编号2318、编号2319和编号2320)。此外，这些离子交换玻璃可具有从约6ppm/℃到约10ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。其他示例透明工件可以包括可从纽约州康宁市康宁公司获得的

和康宁LOTUS^TM。此外，透明工件可包括对激光的波长透明的其他成分，例如，玻璃陶瓷或诸如蓝宝石或硒化锌之类的晶体。

在离子交换工艺中，透明工件的表面层中的离子被具有相同价态或氧化态的较大离子取代，例如，通过将透明工件部分或全部浸入离子交换浴中。用较大离子取代较小离子使具有压缩应力的层从透明工件的一个或多个表面延伸到透明工件内的一定深度，该深度被称为层的深度。压应力被具有张应力(称为中心张力)的层平衡，使得玻璃片中的净应力为零。在玻璃片的表面处形成的压缩应力使玻璃坚固并抵抗机械损伤，并且因此减轻了玻璃片由于未延伸到层深度的瑕疵而造成的灾难性故障。在一些实施例中，透明工件的表面层中的较小的钠离子与较大的钾离子交换。在一些实施例中，表面层中的离子和较大的离子是一价碱金属阳离子，诸如Li+(当存在于玻璃中时)、Na+、K+、Rb+和Cs+。替代地，表面层中的一价阳离子可以用除了碱金属阳离子之外的一价阳离子(诸如Ag+、Tl+、Cu+等)代替。

如本文所使用，术语“准非衍射射束”用于描述具有低射束发散度的激光射束，如下文在数学上描述的。特别地，该激光射束在本文描述的实施例中用于形成缺陷的轮廓。激光射束具有强度分布I(X,Y,Z)，其中Z是激光射束的射束传播方向，并且X和Y是与射束传播方向正交的方向，如附图中所描绘的。X-方向和Y-方向还可以被称为横截面方向，并且X-Y平面可以被称为横截面平面。在本文中坐标和方向X、Y和Z还分别被称为x、y和z。激光射束在横截面平面中的强度分布可以被称为横截面强度分布。

准非衍射激光射束可通过以下方式来形成：将衍射激光射束(诸如高斯射束)冲击到相变光学元件之中、之上或穿过相变光学元件，所述相变光学元件诸如：自适应相变光学元件(例如，空间光调制器、自适应相位板、可变形镜等)，静态相变光学元件(例如，静态相位板、非球面光学元件，诸如轴棱锥，等等)，以修改射束的相位、降低射束发散度以及增加瑞利范围，如下文从数学上定义的。示例准非衍射射束包括高斯-贝塞尔射束、艾里(Airy)射束、韦伯(Weber)射束和贝塞尔射束。此外，下文更详细地描述了包括相变光学元件的光学组件。

在不旨在受理论限制的情况下，射束发散度是指射束横截面在射束传播方向(即，Z方向)上的放大率。本文所讨论的射束横截面的一个示例是投射到透明工件160(图1)上的激光射束112的射束斑114。衍射是导致激光射束的发散的一个因素。其他因素包括由形成激光射束的光学系统引起的聚焦或散焦或界面处的折射和散射。用于形成轮廓的缺陷的激光射束由激光射束焦线形成。激光射束焦线具有低发散度和弱散射。激光射束的发散度由瑞利范围Z_R表征，该瑞利范围Z_R与激光射束的强度分布的方差σ²以及射束传播因子M²有关。在接下来的讨论中，将使用笛卡尔坐标系来呈现公式。使用本领域技术人员已知的数学技术，针对其他坐标系的对应表达式是可获得的。射束发散的附加信息可以在A.E.Siegman发表在SPIE研讨会系列第1224卷第2页(1990)的题为“New Developments in LaserResonators(激光谐振器的新发展)”的文献以及R.Borghi和M.Santarsiero发表在光学快报(Optics Letters)第22(5)卷第262页(1997)的题为“M² factor of Bessel-Gaussbeams(贝塞尔-高斯射束的M²因子)”的文献中找到，这些文献的公开内容通过引用整体并入本文。附加信息还可以在国际标准ISO 11146-1:2005(E)题为“Lasers and laser-related equipment—Test methods for laser beam widths,divergence angles andbeam propagation ratios—Part 1:Stigmatic and simple astigmatic beams(激光器和激光相关装备——激光射束宽度、发散角和射束传播比的测试方法——第1部分：去像散和简单像散射束)”、ISO 11146-2:2005(E)题为“Lasers and laser-related equipment—Test methods for laser beam widths,divergence angles and beam propagationratios—Part 2:General astigmatic beams(激光器和激光相关装备——激光射束宽度、发散角和射束传播比的测试方法——第2部分：一般像散射束)”、以及ISO 11146-3:2004(E)题为“Lasers and laser-related equipment—Test methods for laser beamwidths,divergence angles and beam propagation ratios—Part 3:Intrinsic andgeometrical laser beam classification,propagation and details of test methods(激光器和激光相关装备——激光射束宽度、发散角和射束传播比的测试方法——第3部分：固有和几何激光射束分类、传播和测试方法的细节)”中找到，这些文献的公开内容通过引用整体并入本文。

具有时间平均强度分布I(x，y，z)的激光射束的强度分布的质心的空间坐标由以下表达式给出：

这些也被称为维格纳(Wigner)分布的一阶矩，且在ISO11146-2:2005(E)的第3.5节进行描述。它们的测量在ISO 11146-2:2005(E)的第7节进行描述。

在横截面(X-Y)平面中，方差是作为射束传播方向上(Z-方向)的位置z的函数的激光射束的强度分布的宽度的量度。对于任意激光射束，X-方向上的方差可能与Y-方向上的方差不同。我们让

和

分别表示X-方向和Y-方向上的方差。特别感兴趣的是近场极限和远场极限中的方差。我们让

和

分别表示在近场限制中X-方向和Y-方向上的方差，以及我们让

和

分别表示在远场限制中X-方向和Y-方向上的方差。对于具有时间平均强度分布I(x，y，z)的激光射束，X-方向和Y-方向上的近场和远场方差分别由下列表达式给出，时间平均强度分布I(x，y，z)具有傅里叶变换

(其中v_x和v_y分别为X-方向和Y-方向上的空间频率)：

方差量

和

也被称为维格纳分布的对角元素(见ISO 11146-2:2005(E))。可以使用ISO 11146-2:2005(E)第7节所描述的测量技术对实验激光射束的这些方差进行量化。简而言之，测量使用线性不饱和像素化检测器在有限的空间区域上测量I(x，y)，该有限的空间区域近似于定义了方差和质心坐标的积分方程的无限积分区域。测量区域、背景减法和检测器像素分辨率的适当范围由ISO 11146-2:2005(E)第7节中所描述的迭代测量程序的收敛确定。等式1-6给出的表达式的数值根据由像素化检测器测量的强度值的数组通过数值方式来计算。

方差量

和

也被称为维格纳分布的对角元素(见ISO 11146-2:2005(E))。可以使用ISO 11146-2:2005(E)第7节所描述的测量技术对实验激光射束的这些方差进行量化。简而言之，测量使用线性不饱和像素化检测器在有限的空间区域上测量I(x，y)，该有限的空间区域近似于定义了方差和质心坐标的积分方程的无限积分区域。测量区域、背景减法和检测器像素分辨率的适当范围由ISO 11146-2:2005(E)第7节中所描述的迭代测量程序的收敛确定。等式1-6给出的表达式的数值根据由像素化检测器测量的强度值的数组通过数值方式来计算。

在等式(7)和(8)中，

和

是

和

的最小值，其分别在x-方向和y-方向上的腰部位置z_0x和z_0y处发生，并且λ是激光射束的波长。等式(7)和(8)指示

和

从与激光射束的腰部位置(例如，激光射束焦线的腰部部分)相关联的最小值在任一方向上随着z平方地增加。此外，在本文描述的实施例中包括射束斑114，该射束斑114是轴对称的并且由此包括轴对称强度分布I(x,y)、

在本文描述的实施例中包括射束斑114，该射束斑114是非轴对称的并且由此包括非轴对称强度分布I(x,y)、

即

或

等式(7)和(8)可以根据射束传播因子M²来重写，其中针对x-方向和y方向的单独的射束传播因子

和

被定义为：

将等式(9)和(10)重新排列并代入等式(7)和(8)中产生：

其可以被重写为：

其中x-方向和y-方向上的瑞利范围Z_Rx和Z_Ry分别由以下等式给出：

瑞利范围对应于(如在ISO 11146-1:2005(E)第3.12节中定义，相对于射束腰部的位置的)距离，在该距离上激光射束的方差(相对于射束腰部位置处的方差)加倍，并且该距离是激光射束的横截面积的发散度的量度。此外，在本文描述的实施例中包括射束斑114，该射束斑114是轴对称的并且由此包括轴对称强度分布I(x,y)、Z_Rx＝Z_Ry，在本文描述的实施例中包括射束斑114，该射束斑114是非轴对称的并且由此包括非轴对称强度分布I(x,y)、Z_Rx≠Z_Ry，即Z_Rx＜Z_Ry或Z_Rx＞Z_Ry。瑞利范围也可以被观察为沿着射束轴的距离，在该距离处光学强度衰减到在射束腰部位置(最大强度的位置)处观察到的光学强度的值的一半。具有大瑞利范围的激光射束具有低发散度，并且与具有小瑞利范围的激光射束相比在射束传播方向上随距离更加缓慢地扩展。

以上公式可以通过使用描述激光射束的强度分布I(x，y，z)而适用于任何激光射束(不只是高斯射束)。在高斯射束的TEM₀₀模式的情况下，强度分布由下式给出：

其中w_o为半径(定义为射束强度减小到射束的峰值射束强度的1/e²处的半径，峰值射束强度位于射束腰部位置z_o处)。根据等式(17)和以上公式，对于TEM₀₀高斯射束，我们获得如下结果：

其中Z_R＝Z_Rx＝Z_Ry。对于高斯射束，还要注意

射束横截面由形状和尺寸表征。射束横截面的尺寸由射束的光斑尺寸表征。对于高斯射束，光斑尺寸常被定义为射束强度减小到其最大值的1/e²处的径向范围，在等式(17)中表示为w₀。高斯射束的最大强度发生在强度分布的中心(x＝0且y＝0(笛卡尔)或r＝0(圆柱))，并且用于确定光斑尺寸的径向范围是相对于中心测量的。

具有轴对称(即，围绕射束传播轴Z旋转对称的)横截面的射束可以由在ISO11146-1:2005(E)第3.12节中规定的射束腰部位置处测量的单个尺寸或光斑尺寸来表征。对于高斯射束，等式(17)示出了光斑尺寸等于w_o，根据等式(18)w_o对应于2σ_0x或2σ_0y。对于具有轴对称横截面(诸如圆形横截面)的轴对称射束，σ_0x＝σ_0y。因此，对于轴对称射束，横截面尺寸可以用单个光斑尺寸参数来表征，其中w_o＝2σ₀。对于非轴对称射束横截面，可以类似地定义光斑尺寸，其中与轴对称射束不同，σ_0x≠σ_0y。因此，当射束的光斑尺寸非轴对称时，有必要用两个光斑尺寸参数表征非轴对称射束的横截面尺寸：分别为x-方向和y-方向上的w_ox和w_oy，其中

w_ox＝2σ_0x (25)

w_oy＝2σ_0y (26)

进一步地，对于非轴对称射束缺少轴向(即任意旋转角度)对称性意味着计算值σ_0x和σ_0y的结果将取决于X轴和Y轴的取向的选择。ISO11146-1:2005(E)将这些参考轴线称为功率密度分布的主轴线(第3.3-3.5节)，并且在下面的讨论中，我们将假设X-轴和Y-轴与这些主轴线对齐。此外，X-轴和Y-轴可以在横截面平面中旋转的角度φ(例如，X-轴和Y-轴分别相对于X-轴和Y-轴的参考位置的角度)可以用于定义非轴对称射束的光斑尺寸参数的最小值(w_o,min)和最大值(w_o,max)：

w_o,min＝2σ_0,min (27)

w_o,max＝2σ_0,max (28)

其中2σ_0，min＝2σ_0x(φ_min，x)＝2σ_0y(φ_min，y)且2_σ0，max＝2σ_0x(φ_max，x)＝3σ_0y(φ_max，y)。射束横截面的轴不对称的大小可以通过纵横比来量化，其中纵横比被定义为w_o,max与w_o,min的比率。轴对称射束横截面的纵横比为1.0，而椭圆射束横截面以及其他非轴对称射束横截面的纵横比大于1.0，例如，大于1.1、大于1.2、大于1.3、大于1.4、大于1.5、大于1.6、大于1.7、大于1.8、大于1.9、大于2.0、大于3.0、大于5.0、大于10.0等等。

为了促进沿着射束传播方向(例如，透明工件的深度维度)在透明工件中的缺陷的均匀性，可以使用具有低发散度的激光射束。在一个或多个实施例中，具有低发散度的激光射束112可以被用于形成缺陷。如上所述，发散度可以由瑞利范围来表征。对于非轴对称射束，对于X-方向和Y方向的主轴X和Y的瑞利范围分别由等式(15)和(16)定义，其中可以示出，对于任何真实射束，

且

并且其中

和

由激光射束的强度分布确定。对于对称射束，瑞利范围在X-方向和Y-方向上是相同的，并且由等式(22)或等式(23)表达。低发散度与瑞利范围的大值以及激光射束的弱衍射相关。

具有高斯强度分布的射束可能不太优选用于激光加工以形成缺陷，因为当被聚焦成实现足以对诸如玻璃之类的材料改性的激光脉冲能量所需的足够小的光斑尺寸(诸如在微米范围内的光斑尺寸，诸如约1-5μm或约1-10μm)时，这些射束在短的传播距离上是高度衍射的并显著地发散。为了实现低发散度，期望控制或优化脉冲激光射束的强度分布以减少衍射。脉冲激光射束可以是非衍射的或弱衍射的。弱衍射的激光射束包括准非衍射激光射束。代表性的弱衍射激光射束包括贝塞尔射束、高斯-贝塞尔射束、艾里射束、韦伯射束和马蒂厄(Mathieu)射束。

对于非轴对称射束，瑞利范围Z_Rx和Z_Ry不相等。等式(15)和(16)指示Z_Rx和Z_Ry分别取决于σ_0x和σ_0y，并且以上我们注意到了σ_0x和σ_0y的值取决于X-轴和Y-轴的取向。因此Z_Rx和Z_Ry的值将变化，并且各自将具有对应于主轴的最小值和最大值，其中Z_Rx的最小值被表示为Z_Rx,min，并且Z_Ry的最小值被表示为Z_Ry,min，对于任何射束分布，Z_Rx,min和Z_Ry,min可被示出为由下式给出

以及

由于激光射束的发散发生在具有最小瑞利范围的方向上的较短距离上，所以可以控制用于形成缺陷的激光射束的强度分布，使得Z_Rx和Z_Ry的最小值(或者对于轴对称射束，Z_R的值)尽可能大。由于非对称性射束的Z_Rx的最小值Z_Rx,min和Z_Ry的最小值Z_Ry,min不同，所以可以使用具有在形成损坏区域时使Z_Rx,min和Z_Ry,min中的较小一者尽可能大的强度分布的激光射束112。

在不同实施例中，Z_Rx,min和Z_Ry,min中的较小一者(或者对于轴对称射束，Z_R的值)大于或等于50μm，大于或等于100μm，大于或等于200μm，大于或等于300μm，大于或等于500μm，大于或等于1mm，大于或等于2mm，大于或等于3mm，大于或等于5mm，在50μm到10mm范围内，在100μm到5mm范围内，在200μm到4mm范围内，在300μm到2mm范围内，等等。

通过调节等式(27)中定义的光斑尺寸参数w_o,min，针对对于工件透明的不同波长，可以实现本文指定的Z_Rx,min和Z_Ry,min中的较小一者(或者对于轴对称射束，Z_R的值)的值和范围。在不同实施例中，光斑尺寸参数w_o,min大于或等于0.25μm，大于或等于0.50μm，大于或等于0.75μm，大于或等于1.0μm，大于或等于2.0μm，大于或等于3.0μm，大于或等于5.0μm，在0.25μm到10μm的范围内，在0.25μm到5.0μm的范围内，在0.25μm到2.5μm的范围内，在0.50μm到10μm的范围内，在0.50μm到5.0μm的范围内，在0.50μm到2.5μm的范围内，在0.75μm到10μm的范围内，在0.75μm到5.0μm的范围内，在0.75μm到2.5μm的范围内，等等。

非衍射或准非衍射射束通常具有复杂的强度分布，诸如那些相对于半径非单调地减小的强度分布。通过类比于高斯射束，对于非轴对称射束，可以将有效光斑尺寸w_o,eff定义为在任何方向上距最大强度的径向位置(r＝0)的最短半径距离，在该处，强度降低到最大强度的1/e²。此外，对于轴对称射束，w_o,eff是具最大强度的径向位置(r＝0)的半径距离，在该处，强度降低到最大强度的1/e²。可以使用针对非轴对称射束的等式(31)或针对轴对称射束的等式(32)来将基于非轴对称射束的有效光斑尺寸w_o,eff或轴对称射束的光斑尺寸w_o的瑞利范围的标准指定为用于形成损伤区域的非衍射或准非衍射射束，如下所示：

其中F_D是值至少为10、至少为50、至少为100、至少为250、至少为500、至少为1000、在10到2000范围内、在50到1500范围内、在100到1000范围内的无量纲发散因子。通过将等式(31)与等式(22)或(23)进行比较，可以看出，对于非衍射或准非衍射射束，在等式(31)中的距离“Z_Rx,min和Z_Ry,min中的较小一者”(在该距离上有效射束尺寸加倍)是使用典型的高斯射束分布的情况下所预期的距离的F_D倍。无量纲发散因子F_D为确定激光射束是否为准非衍射提供了标准。如本文所使用，如果在值F_D≥10时激光射束的特性满足等式(31)或等式(32)，则激光射束112被认为是准非衍射的。随着值F_D的增大，激光射束112接近更接近完美的非衍射状态。此外，应当理解的是，等式(32)仅仅是等式(31)的简化，并且因此，等式(31)数学地描述了轴对称的和非轴对称的脉冲激光射束两者的无量纲发散因子F_D。

现在参考图1A-1C，示例透明工件160被示意性地描绘为根据本文描述的方法经历激光加工。具体而言，图1A-1C示意性地描绘了将由射束源110(诸如高斯射束源)输出并且沿着射束路径111定向的激光射束112以射束传播角θ_bp引导到透明工件160中，使得激光射束112的被引导到透明工件160中的部分包括激光射束焦线113，激光射束焦线113不与透明工件160的冲击表面162正交，并且替代地包括内部射束角θ_bi。激光射束112形成投影到透明工件160的冲击表面162上的射束斑114，透明工件160进一步包括相对表面164和在冲击表面162与相对表面164之间延伸的边缘表面166。

激光射束焦线113在透明工件160内生成诱导吸收，以在透明工件160内产生缺陷172。因为激光射束焦线113包括内部射束角θ_bi，所以由诱导吸收形成的缺陷172包括等于或约等于内部射束角θ_bi的缺陷角θ_d。换言之，在本文描述的实施例中形成的缺陷172包括成角度缺陷，其中“成角度”是指在冲击位置115处与冲击表面162垂直的方向的角度偏差。激光射束焦线113对应地成角度。此外，激光射束112由相变光学元件120进行相位修改。当激光射束112以射束传播角θ_bp冲击透明工件160的冲击表面162时，激光射束112形成具有内部射束角θ_bi的激光射束焦线113。此外，由于由相变光学元件120施加的相位修改，当激光射束焦线113具有大于10°的内部射束角θ_bi时，激光射束焦线113在透明工件160内呈现准非衍射特性(如上文在数学上定义的)。

现在参考图1C，射束传播角θ_bp、内部射束角θ_bi和缺陷角θ_d中的每一者是相对于在冲击位置115处与冲击表面162正交的平面(即，正交平面106)测量的。冲击位置115是冲击表面162上的特定位置，在该位置处，激光射束112首先入射到冲击表面162并且最初接触冲击表面162。当激光射束112(包括激光射束焦线113)和透明工件160相对于彼此平移时，冲击位置115改变，使得当冲击表面162包括可变形貌时，正交平面106可以改变。此外，射束传播角θ_bp包括冲击冲击表面162的激光射束112的光线相对于正交平面106的平均角度。如图1C所示，冲击冲击表面162的激光射束112包括最大射束传播角θ_bmax和最小射束传播角θ_bmin，最大射束传播角θ_bmax是在冲击表面处具有相对于正交平面106的最大角度的激光射束112的光线的角度，最小射束传播角θ_bmin是在冲击表面162处具有相对于正交平面106的最小角度的激光射束112的光线的角度。

在一些实施例中，如图1A和图1C所示，激光射束112可使用透镜132聚焦到激光射束焦线113中，透镜132是非球面透镜。虽然在图1A和图1C中描绘了单个透镜132，但是一些实施例可包括透镜组件130以将激光射束112聚焦到激光射束焦线113中，透镜组件130包括第一透镜131和第二透镜132及其重复(图2A和图2B)。其他标准光学元件(例如，棱镜、分束器等)也可被包括在透镜组件130中。如图1C所描绘，激光射束112在冲击透镜132时可包括环形形状。虽然在图1A中透镜132被描绘为将激光射束112聚焦到激光射束焦线113中，但是其他实施例可使用相变光学元件120，相变光学元件120修改激光射束112的相位，从而也将激光射束112聚焦到激光射束焦线113，如图1B所描绘的(即，对激光射束112进行相位修改和聚焦两者)。激光射束焦线113的长度可以在约0.1mm到约100mm的范围内，或者在约0.1mm到约10mm的范围内。各种实施例可以被配置为具有激光射束焦线113，其长度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，从约0.5mm到约5mm。

在操作中，图1A-1C中描绘的激光加工进一步包括：沿着轮廓线165(即，期望的分离线)在平移方向101上将激光射束焦线113和透明工件160中的至少一者相对于彼此平移以形成多个缺陷172。多个缺陷172形成轮廓170，其可用于将透明工件160分离成多个分离的制品260'、360'、460'(图6B、图7B、图8B)。缺陷172可以例如延伸穿过透明工件160的深度(即，厚度)。

现在参考图2A和图2B，示意性地描绘了光学组件100，光学组件100使用相变光学元件120用于产生被相位修改的激光射束112，使得激光射束112形成激光射束焦线113，该激光射束焦线113在透明工件160中具有大于10°的内部射束角θ_bi并且在透明工件160中具有准非衍射特性。光学组件100包括输出激光射束112的射束源110、相变光学元件120、以及在一些实施例中，透镜组件130。射束源110可以包括被配置为输出激光射束112(例如，脉冲激光射束或连续波激光射束)的任何已知的或仍待开发的射束源110。在一些实施例中，射束源110可以输出包括例如1064nm、1030nm、532nm、530nm、355nm、343nm或266nm或215nm的波长的激光射束112。用于在透明工件160中形成缺陷172的激光射束112可以很好地适用于对所选择的激光波长透明的材料，并且透明工件160可以被定位成使得由射束源110输出的激光射束112例如在冲击相变光学元件120并且此后冲击透镜组件130之后照射透明工件160。此外，射束路径11可从射束源110延伸到透明工件160，使得当射束源110输出激光射束112，激光射束穿过射束路径111(或沿着射束路径111传播)。

在图2A和图2B中描绘的实施例中，透镜组件130包括两组透镜，每一组包括定位在第二透镜132上游的第一透镜131。第一透镜131可以在第一透镜131与第二透镜132之间的准直空间134内准直激光射束112，并且第二透镜132可聚焦激光射束112。此外，透镜组件130的最下游定位的第二透镜132可将激光射束112聚焦到透明工件160中，透明工件160可定位在该第二透镜132的像平面104处。在一些实施例中，第一透镜131和第二透镜132各自包括平凸透镜。当第一透镜131和第二透镜132各自包括平凸透镜时，第一透镜131和第二透镜132的曲率可以各自朝向准直空间134取向。在其他实施例中，第一透镜131可包括其他准直透镜，并且第二透镜132可包括弯月形透镜、非球面或其他更高阶校正聚焦透镜。在操作中，透镜组件130可以控制激光射束焦线113沿着射束路径111的位置。此外，透镜组件130可包括如图2A和图2B所描绘的8F透镜组件、包括单个组的第一透镜131和第二透镜132的4F透镜组件、或用于将激光射束112聚焦到激光射束焦线113中的任何其他已知或仍待开发的透镜组件130。此外，应理解，一些实施例可以不包括透镜组件130，并且替代地，相变光学元件120可将激光射束112聚焦到激光射束焦线113。

仍参考图2A和图2B，相变光学元件120定位在射束源110与透明工件160之间、具体地位于射束源110与透镜组件130之间的射束路径111内，使得激光射束112在激光射束112被聚焦到激光射束焦线113中并且引导到透明工件160中之前冲击相变光学元件120。在一些实施例中，如图2A所示，射束源110定位成使得射束路径111由相变光学元件120重定向，并且激光射束112在激光射束112冲击相变光学元件120时从相变光学元件120反射。在该实施例中，相变光学元件120可包括自适应相变光学元件122，诸如空间光调制器、可变形镜、自适应相位板、或配置成主动改变由光学元件施加到激光射束112的相位变化的任何其他光学元件。在其他实施例中，如图2B所示，射束源110定位成使得射束路径111延伸穿过相变光学元件120，并且激光射束112在激光射束112冲击相变光学元件120时穿过相变光学元件120。在该实施例中，相变光学元件120可包括静态相变光学元件123，诸如非球面光学元件或静态相位板。本文描述的实施例中使用的一个非球面光学元件是长圆形(oblong)轴棱锥124。因此，在一些实施例中，相变光学元件120是折射光学元件，并且在其他实施例中，相变光学元件120是反射光学元件。

在操作中，使激光射束112冲击在相变光学元件120上改变了激光射束112的相位，并且当以射束传播角θ_bp被引导到透明工件160中时，包括透明工件160内的激光射束焦线113的激光射束112的一部分包括大于10°的内部射束角θ_bi并且包括在透明工件160内的准非衍射特性。例如，内部射束角θ_bi可以为从10°到40°，诸如0°到35°、15°到35°、20°到35°等，例如11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°等。

虽然不旨在受理论的限制，但是在激光射束112已经被相变光学元件120相位修改之后，当激光射束112在透明工件160上游时(诸如当激光射束处于自由空间时)，激光射束112发生像差，并且当激光射束入射透明工件160的冲击表面时，激光射束发生像差，并且一旦在透明工件160的冲击表面162处折射，就表现出准非衍射特性，并且因此在透明工件160内具有最小像差或没有像差。虽然仍不旨在受理论的限制，但是从像差射束到透明工件160的冲击表面162处的非像差射束的转变伴随着瑞利范围的增加，这可随着入射角度(即，射束传播角θ_bp)的偏差增加而增加。虽然仍不旨在受理论的限制，但激光射束112在透明工件160内包括比在自由空间中或在冲击表面162上游或入射到冲击表面162的位置中更大的瑞利范围。例如，透明工件160内的激光射束112的瑞利范围可以是透明工件160外部(例如上游)的瑞利范围的10倍到1000倍。作为非限制性示例，在相位修改之后，透明工件160外部(例如上游)的激光射束112可包括为30μm的瑞利范围，并且在透明工件160内的激光射束112的瑞利范围可以为1mm。实际上，在本文描述的实施例中，激光射束112在透明工件160的冲击表面162处折射，并且该折射使激光射束112的瑞利范围Z_R的无量纲发散因子F_D增加到至少10倍，例如，10倍到1000倍、10倍到500倍、10倍到100倍等。

此外，虽然在附图中激光射束焦线113被描绘为从冲击表面162延伸到相对表面164，但是这仅仅示出了激光射束焦线113在透明工件160中和附近的一个可能布置。具体地，应理解，激光射束焦线113的一部分可延伸到透明工件160的外部，例如，冲击表面162上方(上游)、超出相对表面164(下游)、超出边缘表面166或其组合。此外，当激光射束焦线113的一部分延伸到透明工件160的外部时，激光射束焦线113的该外部部分包括外部焦线角，根据斯涅耳定律，该外部焦线角大于内部射束角θ_bi。此外，应理解，激光射束焦线113可开始于透明工件160内的位置(例如，在冲击表面162与相对表面164之间)，并且结束于透明工件160内的位置(例如，在冲击表面162与相对表面164之间)。

还参考图3A，通过在激光射束112被相变光学元件120折射或反射之后的激光射束112的角谱140示出了：由相变光学元件120施加到激光射束112以确保激光射束焦线113在大于或等于10°的内部射束角θ_bi处呈现准非衍射特性的相位变化的示例。具体地，在图3A所示的实施例中，在相位变化由相变光学元件120施加到激光射束112之后，在冲击表面162上游和/或入射冲击表面162(诸如在自由空间中)的激光射束112的角谱140包括长圆形角谱141，该长圆形角谱141包括从具有第一曲率半径的第一轴端144延伸到具有第二曲率半径的第二轴端146的对称轴142。此外，第一曲率半径(即，第一轴端144处的曲率半径)与第二曲率半径(即，第二轴端146处的曲率半径)不同。换言之，长圆形角谱141的形状是曲率不同的两个不同椭圆(或卵形)的组合，并且在本文中通俗地称为“蛋形”。另外，长圆形角谱141包括主轴148(有时被称为“长轴”)和副轴149(有时被称为“短轴”)，其中主轴148与对称轴142重合。

图3B描绘了相位掩模150，该相位掩模150可由自适应相变光学元件122用于使激光射束112相位变化，使得激光射束112包括长圆形角谱141。如图3B所示，激光射束112的相位掩模150包括多个相位环152，每个相位环152引起从0延伸到2π的相移。此外，每个相位环152包括与长圆形角谱141类似的长圆形形状。实际上，每个相位环152包括从具有第一曲率半径的第一轴端延伸到具有第二曲率半径的第二轴端的对称轴，其中第一曲率半径与第二曲率半径不同。然而，与长圆形角谱141不同，相位掩模150的每个相位环152的副轴与每个相位环152的对称轴重合，而不是主轴与每个相位环152的对称轴重合。

在不旨在受理论限制的情况下，图3A中描绘的长圆形角谱141指示施加到激光射束112以促进激光射束焦线113的形成的特定相位变化，在以高射束传播角θ_bi将激光射束112引导到平面的冲击表面162中之后，激光射束焦线113在透明工件160内呈现准非衍射特性。长圆形角谱141成形为使得当激光射束112(例如，激光射束焦线113)在冲击表面162处(例如，在冲击表面162处形成的空气-玻璃界面处)折射时，透明工件160内的激光射束112(例如，激光射束焦线113)包括圆形或近似圆形的角谱。即，在冲击表面162处具有长圆形角谱141的激光射束112的折射将激光射束112的角谱变换成更不长圆形、更圆形的形状。例如，在一些实施例中，透明工件内的激光射束112(例如，激光射束焦线113)可具有角谱，该角谱具有第一曲率半径和第二曲率半径，类似于长圆形角谱141；然而，透明工件160内激光射束112的角谱比长圆形角谱141更圆形(例如，更不长圆形)，使得透明工件160内的激光射束112的角谱的第一曲率半径与第二曲率半径之间的差异小于在透明工件160的冲击表面162入射的激光射束的长圆形角谱141的第一曲率半径和第二曲率半径之间的差异。

再次参考图2A，在一些实施例中，相变光学元件120可包括自适应相变光学元件122，该自适应相变光学元件122向激光射束112施加相位变化。自适应相变光学元件122可以，例如使用一个或多个通信路径105，通信地耦合到控制器121，一个或多个通信路径105可包括用于提供功率信号、控制信号等的任何路径，诸如光纤、电导线、无线协议等。在操作中，控制器121可向自适应相变光学元件122提供控制信号以控制由自适应相变光学元件122施加的特定相位变化(例如，调制、相位掩模等)，使得自适应相变光学元件122例如基于相位函数向激光射束112施加特定相位变化。

在一些实施例中，自适应相变光学元件122包括空间光调制器，该空间光调制器是可在至少一个维度上例如使用相位掩模(诸如图3B的相位掩模150)在空间上调制激光射束112的幅度和/或相位的透射或反射设备。在操作中，空间光调制器可以基于来自控制器121的控制信号来向激光射束施加选择性的、可配置的相位变化。在一些实施例中，自适应相变光学元件122包括可变形镜，该可变形镜是这样的镜：其表面可响应于控制信号(诸如来自控制器121的控制信号)而变形以改变激光射束112的波前，这可以改变激光射束112的相位。例如，可变形镜可配置为施加相位掩模，诸如相位掩模150。此外，在一些实施例中，自适应相变光学元件122包括自适应相位板，该自适应相位板是这样的相位板(或相位板组件)：其可以响应于控制信号(诸如来自控制器121的控制信号)而向激光射束112施加选择性的且可控的相位变化。例如，自适应相位板可以是两个或更多个相位板，该两个或更多个相位板可以(基于来自控制器121的控制信号)相对于彼此移动，以基于它们的相对定位来改变它们向激光射束112施加的相位改变。

如图2B所示，在一些实施例中，相变光学元件120包括静态相变光学元件123，诸如长圆形轴棱锥124，其在图4A和图4B中更详细地描绘。具体地，图4A描绘了长圆形轴棱锥124的正视图并且图4B示出了长圆形轴棱锥124的侧视图。长圆形轴棱锥124包括基部125和从基部125延伸的锥形部分126。基部125包括长圆形周边127，该长圆形周边127具有从第一轴端129a延伸到第二轴端129b的对称轴128。在第一轴端129a处，长圆形周边127包括第一曲率半径，并且在第二轴端129b处，长圆形周边127包括第二曲率半径，该第二曲率半径与第一曲率半径不同。另外，长圆形轴棱锥124包括主轴138和副轴136。在操作中，当激光射束112穿过长圆形轴棱锥124时，施加到激光射束112的相位变化导致激光射束112包括长圆形角谱141。此外，如图3A和图4A中所描绘，长圆形轴棱锥124的长圆形周边127的形状与长圆形角谱141相对应。然而，与长圆形角谱141不同，长圆形周边127的副轴136(而不是主轴138)与长圆形轴棱锥125的长圆形周边127的对称轴128重合。虽然图2A和图2B中描绘了单个相变光学元件120，但是其他实施例可包括多个相变光学元件120，例如，一个相变光学元件配置为将激光射束变换为准非衍射射束，并且另一个相变光学元件配置为形成长圆形角谱141。

虽然不旨在受理论的限制，但是应理解，斯涅耳定律对使用上述技术形成的激光射束焦线113的最大内部射束角θ_bi施加了一些限制。斯涅耳定律在数学上定义为

其中θ₁是光线在第一介质(例如，空气)中的入射光线的角度，θ₂是射线在第二介质(例如，透明工件160)中的角度，n₁是第一介质的折射率(例如，空气，其包括约为1的折射率)，并且n₂是第二介质的折射率(例如，透明工件160，在透明工件160包括玻璃的实施例中，其可包括约1.45)。角度θ₁和θ₂是相对于光线的入射表面的法线测量的。斯涅耳定律提供了对透明工件160内可实现的光线角度(例如，内部射束角θ_bi)的基本限制。该限制是透明工件160的临界角度。应理解，对于包括除玻璃之外的另一材料的透明工件160，该临界角度将基于该特定材料的折射率而变化。

当透明工件160包括具有折射率为1.45的玻璃时，临界角度为约43.6°。临界角度也是在光线以几乎90°入射接触玻璃时该光线将采用的内部角。因此，斯涅耳定律限制激光射束焦线113的内部射束角θ_bi。此外，如图1C所描绘，当激光射束112冲击透明工件160的冲击表面162时，激光射束112包括锥形，因为激光射束112包括最大射束传播角θ_bmax和最小射束传播角θ_bmin。在一些实施例中，最大射束传播角θ_bmax与最小射束传播角θ_bmin之间的差异(例如，锥角)在5°到20°的范围内。作为示例，如果激光射束112以10°的锥角冲击透明工件160的冲击表面162，假设光线可以以高达90°入射到透明工件160，则透明工件160内部的激光射束焦线113的最大内部射束角θ_bi将为33.6°。

现在参考图5A和图5B，在一些实施例中，射束传播角θ_bp使得接近透明工件160(例如，接近冲击表面162)的激光射束112的光线的至少一部分包括相对于正交平面106的大于90°的角度(例如，射线传播角)。如图5A和图5B所描绘，激光射束112包括第一组光线116和第二组光线118，这些光线在冲击相变光学元件(图2A和图2B)之后共同包括长圆形角谱141。第一组光线116包括具有等于最小射束传播角θ_bmin的射线传播角的至少一个射线，并且第二组光线118包括具有等于最大射束传播角θ_bmax(其大于90度)的射线传播角的至少一个射线。在操作中，第一组光线116在一个或多个射线传播角处冲击冲击表面162，该一个或多个射线传播角各自相对于正交平面106小于或等于90°，例如，小于或等于85°、80°、75°、70°、65°、60°、55°、50°、45°、40°、35°、30°、25°、20°、15°等，及其组合和子组合。

在一些实施例中，具有大于90°的射线传播角的激光射束112的光线(即，第二组光线118)可冲击透明工件160的边缘表面166(如图5A所示)、冲击透明工件160的相对表面164、完全错过透明工件160、或其组合。在一些实施例中，具有大于90°的射线传播角的激光射束112的光线(即，第二组光线118)可被设置在射束路径111中的遮挡光学元件180遮挡(例如，阻挡、衍射、反射等)。

因此，在图5A和图5B两者所描绘的实施例中，长圆形角谱141的仅一部分(即，由第一组光线116形成的部分)被引导到冲击表面162中。具体地，在图5A和图5B两者所描绘的实施例中，第二组光线118被(图5A中的透明工件160或图5B中的遮挡光学元件180)遮挡，或者以其他方式错过透明工件160。因为第二组光线118被遮挡，所以在沿着透镜312与冲击表面162之间的射束路径111的一些或全部位置处和/或入射冲击表面162的由第一组光线116形成的激光射束112包括中断的长圆形角谱143、143'、143”。

在一个示例中，图5A-1示意性地描绘了在对激光射束112进行相变之后和在第二组光线118冲击透明工件160的边缘表面166之前的图5A的激光射束112的长圆形角谱141，并且图5A-2示意性地描绘了在第二组光线118冲击透明工件160的边缘表面166之后的图5A的激光射束112的中断的长圆形角谱143。作为另一示例，图5B-1和图5B-2各自示意性地描绘了在对激光射束112进行相变并且使用遮挡光学元件180遮挡激光射束112之后的图5B的激光射束112的中断的长圆形角谱143'、143”。具体地，图5B-1描绘了在将激光射束112聚焦到激光射束焦线113中之前的中断的长圆形角谱143'，并且图5B-2描绘了当将激光射束112聚焦到激光射束焦线113中时中断的长圆形角谱143”。

仍参考图5A-1、图5A-2、图5B-1和图5B-2，长圆形角谱141和中断的长圆形角谱143、143'、143”各自相对于透镜132的数值孔径132a示意性地描绘。在一些实施例中，中断的长圆形角谱143、143'、143”可通过以下操作来形成：将射束路径111与透镜132相对于彼此对齐，使得第二组光线118在透镜132的数值孔径132a外部。例如，在图5B描绘的实施例中，射束路径111与透镜132之间的失准(即，射束路径111没有穿过透镜132的中心)使得在遮挡光学元件180被移除的情况下第二组光线118将在透镜132的数值孔径132a的外部。在该实施例中，中断的长圆形角谱143'、143”将仍然形成在透镜132下游。

再次参考图5A到图5B-2，类似于如上所述的包括长圆形角谱141的激光射束112的实施例，包括中断的长圆形角谱143、143'、143”的激光射束112可用于形成具有大于10°的缺陷角θ_d的缺陷172。实际上，包括中断的长圆形角谱143、143'、143”的激光射束112可用于形成具有大于临界角度减去锥角的缺陷角θ_d的缺陷172，例如，在包括具有的折射率为1.45(并且因此临界角度为43.6°)的透明工件160和以10°的锥角聚焦的激光射束112的实施例中，缺陷角θ_d大于33.6°。此外，中断的长圆形角谱143、143'、143”成形为使得：当激光射束112(例如，激光射束焦线113)在冲击表面162处(例如，在冲击表面162处形成的空气-玻璃界面处)折射时，透明工件160内的激光射束112(例如，激光射束焦线113)包括中断的圆形角谱。虽然具有中断的长圆形角谱143、143'、143”的所得射束可在冲击表面162上形成椭圆形射束斑，但是在透明工件160中形成的激光射束焦线113包括大于10°的内部射束角θ_bi并且呈现准非衍射特性。此外，在一些实施例中，可能有利的是，使用图5B的实施例来形成中断的长圆形角谱143、143'、143”，以在激光射束112与透明工件160相对于彼此移动时防止透镜132与透明工件160之间的接触，使得激光射束焦线113在平移方向101上沿着冲击表面162行进。通过使用遮挡光学元件180来遮挡第二组光线118，透镜132可被尺寸设计和定位成使得透镜132在透明工件160的激光加工期间保持与冲击表面162间隔开。

虽然不旨在受理论的限制，但是激光射束112的一些反射可发生在透明工件160的冲击表面162处。例如，相对于冲击位置115的法线以90°冲击冲击表面162的光线的反射对于S偏振和P偏振两者将是100％，并且相对于冲击位置115的法线以小于90度的角度冲击冲击表面162的光线的反射将小于S偏振和P偏振的100％。虽然激光射束112可包括P偏振光或S偏振光，但是P偏振光可减少由于反射造成的损失。例如，在85度处，S偏振光的反射率为73％，并且P偏振光的反射率为49％。在操作中，射束源110、相变光学元件120或附加地光学元件(诸如偏振器)可用于对激光射束112进行S偏振或P偏振。虽然仍不旨在受理论的限制，但是如果透明工件160内的激光射束焦线113的角谱周围的光强的大小是非均匀的，则激光射束焦线113保持在透明工件160内的圆形角谱和准非衍射特性。然而，由反射引起的透明工件160内的激光射束焦线113的角谱周围的光强的非均匀大小可通过以非均匀强度发射激光射束112(例如，从射束源110发射激光射束112)来补偿，其中该非均匀强度被配置为一旦光线在冲击表面处折射并且进入透明工件160，该非均匀强度就在角谱周边变得均匀。可使用(并且随后由相变光学元件120转换成具有长圆形或其他非均匀角谱的准非衍射射束)的示例非均匀强度射束包括椭圆高斯射束、顶帽(top hat)射束、或具有任意强度分布的另一射束。

现在参考图1A到图5B-2，当冲击表面162包括平面形貌时，包括长圆形角谱141或中断的长圆形角谱143、143'、143”的激光射束112可用于在透明工件160中形成高角度缺陷172。然而，在其他实施例中，冲击表面162可包括非平面形貌，诸如具有弯曲形貌、锯齿状形貌、或任意非平面形貌的表面。当冲击表面162包括非平面形貌时，相变光学元件120可向激光射束112施加相位变化，使得在冲击表面162上游和/或入射冲击表面162(诸如在自由空间中)的激光射束112包括与该非平面形貌相对应的非圆形角谱，使得透明工件内的激光射束焦线113的部分包括圆形角谱(或比入射冲击表面162的激光射束112的非圆形角谱更圆形的非圆形角谱)并且呈现准非衍射特性。

作为一个示例，当冲击表面162是一致的非平面表面(诸如一致的弯曲表面)时，相位变化可由自适应相变光学元件122或静态相变光学元件123来施加。例如，相位变化可由包括非圆形轴棱锥的静态相变光学元件123来施加，该非圆形轴棱锥具有基部和从该基部延伸的锥形部分，其中基部包括非圆形周边，使得由非圆形轴棱锥施加到激光射束112的相位变化形成与冲击表面162的一致的弯曲形貌相对应的非圆形角谱，使得透明工件160内的激光射束焦线113的部分包括圆形角谱(或比入射冲击表面162的激光射束112的非圆形角谱更圆形的非圆形角谱)并且呈现准非衍射特性。

在一些实施例中，冲击表面162包括不一致的非平面形貌。例如，冲击表面162可包括“可变形貌”，如本文所使用，“可变形貌”是指具有至少两个包括±10％或更大角度差的局部形貌的表面，其中“局部形貌”是指透明工件160的表面在该表面上的特定位置处(诸如冲击表面162)的形状。当冲击表面162包括可变形貌时，自适应相变光学元件122可向激光射束112施加相位变化，使得在冲击表面162上游和/或入射冲击表面162(诸如在自由空间中)的激光射束112包括与冲击位置115处的局部形貌相对应的任意非圆形角谱，使得透明工件160内的激光射束焦线113的部分包括圆形角谱(或比入射冲击表面162的激光射束112的非圆形角谱更圆形的非圆形角谱)并且呈现准非衍射特性。具体地，控制器121可以向自适应相变光学元件122提供控制信号，以向激光射束112提供相位变化，使得激光射束112包括非圆形角谱。此外，控制器121可以随时间向自适应相变光学元件122施加不同相位函数。具体地，控制器121可以主动地改变由自适应相变光学元件122施加的相位函数。

再次参考图1A-5B，在操作中，激光射束112可以沿着轮廓线165相对于透明工件160(例如，在平移方向101上)平移，以形成轮廓170的多个缺陷172。将激光射束112引导或定位到透明工件160中产生透明工件160内的诱导吸收，并且蓄积足够的能量以沿着轮廓线165在间隔开的位置处破坏透明工件160中的化学键以形成缺陷172，每个缺陷172包括大于10°的缺陷角θ_d。根据一个或多个实施例，可以通过透明工件160的运动(例如，耦合到透明工件160的平移台190的运动，如图2A和图2B所示)、激光射束112的运动(例如，激光射束焦线113的运动)、或透明工件160和激光射束焦线113两者的运动来使激光射束112横跨透明工件160平移。

此外，当透明工件160的冲击表面162包括可变形貌时，可以沿着轮廓线165将激光射束112从包括第一局部形貌的第一冲击位置平移到包括第二局部形貌的第二冲击位置，然后平移到多个附加的冲击位置，每个冲击位置包括局部形貌，所述局部形貌中的一些或全部可以彼此不同。对具有拥有可变形貌的冲击表面162的透明工件160进行激光加工可包括：在使用自适应相变光学元件122(诸如空间光调制器)向激光射束112施加第一相位变化之后，在第一冲击位置处将激光射束112引导到透明工件160中，使得在冲击表面162上游和/或入射冲击表面162(诸如在自由空间中)的激光射束112包括第一非圆形角谱；将激光射束112从第一冲击位置平移到第二冲击位置；以及在使用自适应相变光学元件122向激光射束112施加第二相位变化之后，在第二冲击位置处将激光射束112引导到透明工件160中，使得在冲击表面162上游和/或入射冲击表面162(诸如在自由空间中)的激光射束112包括第二非圆形角谱。

第一相位变化和第一非圆形角谱与第一冲击位置处的第一局部形貌相对应，使得在第一冲击位置处以射束传播角θ_bp被引导到透明工件160中的激光射束112的部分包括激光射束焦线113，该激光射束焦线113具有大于10°的内部射束角，同时是准非衍射的。类似地，第二相位变化与第二局部形貌相对应，使得在第二冲击位置处以射束传播角θ_bp被引导到透明工件160中激光射束112的部分包括激光射束焦线113，该激光射束焦线113具有大于10°的内部射束角，同时是准非衍射的。因此，激光射束焦线113形成具有大于10°的缺陷角θ_d的第一缺陷和具有大于10°的缺陷角θ_d的第二缺陷。

再次参考图2A，光学组件100可进一步包括配置成生成冲击表面162的图像数据的成像系统192。在一些实施例中，成像系统192可包括一个或多个相机、物理表面探针、激光测距仪、干涉系统、波前传感器等。成像系统192通信地耦合到控制器121，使得成像系统182可以向控制器121发送冲击表面162的图像数据，并且控制器121可以指示自适应相变光学元件122以向激光射束112施加与冲击表面162上的冲击位置的局部形貌相对应的特定相位变化。

因此，对具有拥有可变形貌的冲击表面162的透明工件160进行激光加工可进一步包括：使用成像系统192对冲击表面162进行成像以生成冲击表面162的图像数据。使用该图像数据，成像系统192、控制器121或另一计算设备可以确定第一冲击位置的局部形貌和第二冲击位置的局部形貌，并且确定将在透明工件160中形成高角度、准非衍射激光射束焦线113的特定相位变化。该方法进一步包括：使用控制器121指示自适应相变光学元件122，以在第一冲击位置处将激光射束112引导到冲击表面162中时施加第一相位变化，并且在第二位置处将激光射束112引导到冲击表面162中时施加第二相位变化。此外，图像数据可用于确定冲击表面162中的一些或全部的形貌，由此确定多个冲击位置的多个局部形貌。

再次参考图1A-5B，缺陷172通常可以沿着轮廓170彼此间隔开约0.1μm到约500μm，例如，约1μm到约200μm、约2μm到约100μm、约5μm到约20μm等的距离。例如，对于TFT/显示器玻璃组合物，缺陷172之间的合适间距可以为约0.1μm到约50μm，诸如约5μm到约15μm、约5μm到约12μm、约7μm到约15μm、或约7μm到约12μm。在一些实施例中，相邻缺陷172之间的间距可以是约50μm或更小、45μm或更小、40μm或更小、35μm或更小、30μm或更小、25μm或更小、20μm或更小、15μm或更小、10μm或更小等。

如图1A和图1B所示，轮廓170的多个缺陷172延伸到透明工件160中并且建立用于裂纹传播的路径，以用于沿着轮廓170将透明工件160分离成数个分离的部分。形成轮廓170包括：沿着轮廓线165相对于透明工件160(例如，在平移方向101上)平移激光射束112，以形成轮廓170的多个缺陷172。根据一个或多个实施例，可以通过透明工件160的运动、激光射束112的运动(例如，激光射束焦线113的运动)、或透明工件160和激光射束112两者的运动(例如，使用一个或多个平移台190(图2A和图2B))来使激光射束112横跨透明工件160平移。通过相对于透明工件160平移激光射束焦线113，可以在透明工件160中形成多个缺陷172，其中多个缺陷172中的每个缺陷172各自包括大于10°的缺陷角θ_d。

用于形成缺陷172的合适的激光波长是指在该波长处透明工件160的线性吸收和散射的组合损失足够低的波长。在实施例中，透明工件160在该波长处的由于线性吸收和散射的组合损失小于20％/mm，或小于15％/mm，或小于10％/mm，或小于5％/mm，或小于1％/mm，其中尺寸“/mm”是指在激光射束112的射束传播方向(例如，Z方向)上透明工件160内的每毫米距离。许多玻璃工件的代表性波长包括Nd³⁺的基波和谐波波长(例如，具有接近1064nm的基波波长和接近532nm、355nm和266nm的高阶谐波波长的Nd³⁺:YAG或Nd³⁺:YVO₄)。也可以使用光谱中的满足给定基板材料的组合的线性吸收和散射损失要求的紫外线、可见光和红外线部分中的其他波长。

在操作中，由射束源110输出的激光射束112可以在透明工件160中产生多光子吸收(MPA)。MPA是同时吸收两个或更多个相同或不同频率的光子，该同时吸收将分子从一种状态(通常是基态)激发到更高能量的电子态(即电离)。分子的所涉及的较低态与较高态之间的能量差等于所涉及的光子的能量和。MPA(也被称作诱导吸收)可以是例如比线性吸收弱数个数量级的二阶或三阶(或更高阶)过程。它与线性吸收的不同之处在于，例如，二阶诱导吸收的强度可以与光强度的平方成比例，因此它是非线性光学过程。

创建轮廓170(图1A和图1B)的穿孔步骤可以利用射束源110(例如，诸如超短脉冲激光器之类的脉冲射束源)与相变光学元件120、第一透镜131和第二透镜132相结合来对透明工件160进行照射并产生激光射束焦线113。激光射束焦线113包括准非衍射射束，诸如上文定义的高斯-贝塞尔射束或贝塞尔射束，并且可以完全或部分地对透明工件160穿孔以在透明工件160中形成缺陷172，每个缺陷172包括大于10°的缺陷角θ_d，这可形成轮廓170。在其中激光射束112包括脉冲激光射束的实施例中，各个脉冲的脉冲持续时间在约1飞秒到约200皮秒的范围内，诸如约1皮秒到约100皮秒，5皮秒到约20皮秒等，并且各个脉冲的重复率可以在约1kHz到4MHz的范围内，诸如在约10kHz到约3MHz范围内，或约10kHz到约650kHz范围内。

现在参考图6A和图6B，除了在前述各个脉冲重复率下的单脉冲操作之外，在包括脉冲激光射束的实施例中，脉冲还可以以两个子脉冲500A或更多个子脉冲的脉冲串500产生(诸如例如，每个脉冲串有3个子脉冲、4个子脉冲、5个子脉冲、10个子脉冲、15个子脉冲、20个子脉冲或更多个子脉冲，诸如每个脉冲串500有1至30个子脉冲，或每个脉冲串500有5至20个子脉冲)。虽然不旨在受理论的限制，但脉冲串是子脉冲的短而快的群组，该群组在使用单脉冲操作不容易获得的时间尺度上产生与材料的光能交互(即透明工件160的材料中的MPA)。虽然仍不旨在受理论的限制，但脉冲串(即一组脉冲)内的能量是守恒的。作为说明性示例，对于具有100μJ/串的能量和2个子脉冲的脉冲串，100μJ/串的能量在2个脉冲之间分配，以产生针对每个子脉冲的50μJ的平均能量，并且对于具有100μJ/串的能量和10个子脉冲的脉冲串，100μJ/串的能量在10个子脉冲之间分配，以产生针对每个子脉冲的10μJ的平均能量。此外，脉冲串的子脉冲之间的能量分布不需要是均匀的。事实上，在一些实例中，脉冲串的子脉冲之间的能量分布按照指数衰减的形式，其中脉冲串的第一个子脉冲包含最多的能量，脉冲串的第二个子脉冲包含略少的能量，脉冲串的第三个子脉冲包含更少的能量，以此类推。然而，各个脉冲串内的其他能量分布也是可能的，其中每个子脉冲的确切能量可以被定制以实现对透明工件160的不同程度的改性。

虽然仍不旨在受理论的限制，但当用具有至少两个子脉冲的脉冲串形成一个或多个轮廓170的缺陷172时，与在相同的透明工件160中使用单脉冲激光形成的、在相邻缺陷172之间具有相同间距的轮廓170的最大断裂阻力相比，沿着轮廓170分离透明工件160所需的力(即最大断裂阻力)降低。例如，使用单脉冲形成的轮廓170的最大断裂阻力是使用具有2个或更多个子脉冲的脉冲串形成的轮廓170的最大断裂阻力的至少两倍。此外，使用单脉冲形成的轮廓170与使用具有2个子脉冲的脉冲串形成的轮廓170之间的最大断裂阻力的差大于使用具有2个子脉冲的脉冲串与具有3个子脉冲的脉冲串形成的轮廓170之间的最大断裂阻力的差。因此，多个脉冲串可用于形成比使用单脉冲激光形成的轮廓170更容易分离的轮廓170。

仍然参考图6A和图6B，脉冲串500内的子脉冲500A可以被持续时间分隔开，该持续时间在约1纳秒到约50纳秒的范围内，例如，约10纳秒到约30纳秒，诸如约20纳秒。在其他实施例中，脉冲串500内的子脉冲500A可以被持续时间分隔开，该持续时间高达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皮秒或其间的任何范围)。对于给定的激光，脉冲串500内的相邻子脉冲500A之间的时间间隔T_p(图6B)可以是相对均匀的(例如，在彼此的约10％内)。例如，在一些实施例中，脉冲串500内的每个子脉冲500A与后续子脉冲在时间上分开接近20纳秒(50MHz)。此外，每个脉冲串500之间的时间可以是约0.25微秒到约1000微秒，例如，约1微秒到约10微秒，或约3微秒到约8微秒。

在本文所描述的射束源110的示例性实施例中的一些中，对于输出包括大约200kHz的脉冲串重复率的激光射束112的射束源110，时间间隔T_b(图6B)为大约5微秒。激光脉冲串重复率与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)。在一些实施例中，激光脉冲串重复率可以是在约1kHz到约4MHz的范围内。在实施例中，激光脉冲串重复率可以例如在约10kHz至650kHz的范围内。每个脉冲串中的第一脉冲与后续脉冲串中的第一脉冲之间的时间T_b可以是约0.25微秒(4MHz脉冲串重复率)到约1000微秒(1kHz脉冲串重复率)，例如约0.5微秒(2MHz脉冲串重复率)到约40微秒(25kHz脉冲串重复率)，或约2微秒(500kHz脉冲串重复率)到约20微秒(50kHz脉冲串重复率)。确切的时序、脉冲持续时间、以及脉冲串重复率可以取决于激光器设计而变化，但已经显示具有高强度的短脉冲(T_d<20皮秒，并且在一些实施例中，T_d≤15皮秒)工作得特别好。

脉冲串重复率可以在约1kHz到约2MHz的范围内，诸如约1kHz到约200kHz。猝发或产生脉冲串500是这种类型的激光操作，在其中子脉冲500A的发射并非呈均匀且稳定的流，而是呈紧凑的脉冲串500的簇。脉冲串激光射束可以具有基于被操作的透明工件160的材料而选择的波长，使得透明工件160的材料在该波长下基本上是透明的。在该材料处测量的每串的平均激光功率可以是每mm材料厚度至少约40μJ。例如，在实施例中，每脉冲串的平均激光功率可以从约40μJ/mm到约2500μJ/mm，或约500μJ/mm到约2250μJ/mm。在具体示例中，对于0.5mm至0.7mm厚的康宁EAGLE

透明工件，约300μJ到约600μJ的脉冲串可以切割和/或分离工件，这对应于约428μJ/mm到约1200μJ/mm的示例性范围(即，对于0.7mm EAGLE

玻璃为300μJ/0.7mm，对于0.5mm EAGLE

玻璃为600μJ/0.5mm)。

对透明工件160进行改性所需的能量是脉冲能量，其可以根据脉冲串能量(即，脉冲串500内包含的能量，其中每个脉冲串500包含一系列子脉冲500A)来描述，或根据单个激光脉冲(其中许多脉冲可以包括串)内包含的能量来描述。脉冲能量(例如，脉冲串能量)可以为约25μJ到约750μJ，例如，约50μJ到约500μJ，或约50μJ到约250μJ。对于一些玻璃组合物，脉冲能量(例如，脉冲串能量)可以为约100μJ到约250μJ。然而，对于显示器或TFT玻璃组合物，脉冲能量(例如，脉冲串能量)可以更高(例如，约300μJ到约500μJ、或约400μJ到约600μJ，这取决于透明工件160的特定的玻璃组合物)。

虽然不旨在受理论的限制，但使用包括能够产生脉冲串的脉冲激光射束的激光射束112对于切割透明材料或对透明材料改性是有利的，所述透明材料为例如玻璃(例如，透明工件160)。与使用在时间上由单脉冲激光的重复率间隔开的单脉冲相比，使用使脉冲能量在脉冲串内的快速脉冲序列内散布的串序列允许获得与使用单脉冲激光可能达到的水平相比更大的与材料的高强度相互作用的时间尺度。使用脉冲串(相对于单脉冲操作)增大了缺陷172的尺寸(例如，横截面尺寸)，这在沿着一个或多个轮廓170分离透明工件160时促进相邻缺陷172的连接，从而最小化非预期的裂纹形成。此外，使用脉冲串形成缺陷172增加了从每个缺陷172向外延伸到透明工件160的体材料中的裂纹取向的随机性，使得从缺陷172向外延伸的各个裂纹不影响轮廓170的分离或以其他方式使轮廓170的分离偏离，从而使缺陷172的分离遵循轮廓170，最小化非预期裂纹的形成。

再次参考图2A和图2B，光学组件100可配置成例如使用美国公开专利申请第20180093941A1号中描述的方法和系统来进一步改变激光射束112，使得在透明工件160的冲击表面162处的激光射束112的横截面是非轴对称的，并且因此激光射束焦线113的横截面是非轴对称的，所述美国公开专利申请通过引用以其整体并入本文。例如，由激光射束焦线113在透明工件160的冲击表面162处形成的射束斑114可包括具有长轴和短轴的非轴对称射束斑，使得使用该激光射束焦线113形成的缺陷172包括在长轴和短轴的交叉处形成的中心缺陷区域以及在长轴的方向上形成的一个或多个径向臂。这些缺陷172是使用具有非轴对称射束斑的激光射束焦线113形成的，该非轴对称射束斑取向为使得射束斑114的长轴沿着轮廓线165延伸，由此形成具有沿着轮廓线165延伸的径向臂的缺陷172。通过控制激光射束焦线113使得每个缺陷172的径向臂的方向沿着轮廓线165延伸，可以更好地控制裂纹传播。

在相变光学元件120包括自适应相变光学元件122的实施例中，可通过改变由自适应相变光学元件122施加的相位调制来形成具有非轴对称的横截面的激光射束焦线113。此外，如美国公开专利申请第20180093941A1号中所描述的，在相变光学元件120包括静态相变光学元件123(例如，长圆形轴棱锥124)的实施例中，可通过将轴棱锥定位在与射束路径111径向偏移的位置、阻挡激光射束112的一部分或使用相位延迟板去相干(decohere)激光射束的一部分来形成具有非轴对称的横截面的激光射束焦线113。

再次参考图1A-5B，在一些实施例中，可在后续的分离步骤中对透明工件160进行进一步作用，以沿着轮廓170引起透明工件160的分离，以形成包括成角度边缘的分离的透明制品(图7A-9B)。后续的分离步骤可包括使用机械力、热应力引起的力或化学蚀刻剂来沿着轮廓170传播裂纹。诸如红外激光射束之类的热源可用于产生热应力，并且由此沿着轮廓170分离透明工件160。分离透明工件160可包括在轮廓170处引导红外激光射束以引起热应力，以沿着轮廓170传播裂纹。在一些实施例中，红外激光射束可用于发起分离，并且随后分离可以被机械地完成。不受限于理论，红外激光是受控的热源，其快速提高透明工件160在轮廓170处或轮廓170附近的温度。该快速加热可以在透明工件160中在轮廓170上或轮廓170附近构建压缩应力。由于加热的玻璃表面的面积与透明工件160的总表面积相比相对较小，因此加热区域相对快速地冷却。所形成的温度梯度在透明工件160中诱导足以沿着轮廓170并穿过透明工件160的深度传播裂纹的拉伸应力，从而导致透明工件160沿着轮廓170完全分离。不受限于理论，人们相信拉伸应力可以由工件的具有较高局部温度的部分中的玻璃的膨胀(即，变化的密度)引起。

用于在玻璃中产生热应力的合适的红外激光典型地将具有容易被玻璃吸收的波长，典型地具有1.2μm到13μm范围内的波长，例如，4μm到12μm范围内的波长。此外，红外激光射束的功率可以从约10W到约1000W，例如100W、250W、500W、750W等。此外，红外激光射束的1/e²射束直径可以为约20mm或更小，例如，15mm、12mm、10mm、8mm、5mm、2mm或更小。在操作中，红外激光射束的较大的1/e²射束直径可以促进更快的激光加工和更大的功率，而红外激光射束的较小的1/e²射束直径可以通过限制对透明工件160的靠近轮廓170的部分的损伤来促进高精度分离。示例红外激光器包括二氧化碳激光器(“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。

在其他实施例中，取决于类型、深度和材料特性(例如，吸收、CTE、应力、成分等)，透明工件160中存在的应力可能会引起沿轮廓170的自发分离，而无需进一步的加热或机械分离步骤。例如，当透明工件160包括强化玻璃基板(例如，离子交换或热回火玻璃基板)时，轮廓170的形成可能诱导裂纹沿轮廓170传播以分离透明工件160。

现在参考图7A-9B，示意性地示出了示例透明工件260、360、460和使用本文描述的方法和系统从这些透明工件形成的所得分离制品260'、360'、460'。作为一个示例，图7A描绘了具有多个缺陷272的透明工件260的示意性侧视图，每个缺陷具有大于10°的缺陷角θ_d。多个缺陷272(即，这些缺陷272的轮廓)可以分离以形成一个或多个分离制品260'，每个分离制品260'包括成角度边缘261，如图7B所示。

作为示例，图8A描绘了包括多个缺陷372的透明工件360的示意性侧视图，多个缺陷372包括第一缺陷372a和第二缺陷372b。多个缺陷372包括沿着弯曲轮廓线形成的弯曲轮廓。第一缺陷372a和第二缺陷372b两者径向向内延伸，例如从冲击表面362(即图8A中描绘的顶表面)延伸到相对表面364(即，图8B中描绘的底表面)。因此，在冲击表面362处，第一缺陷372a和第二缺陷372b彼此间隔开第一间隔距离D_S1，并且在相对表面364处，第一缺陷372a和第二缺陷372b彼此间隔开第二间隔距离D_S2，该第二间隔距离D_S2小于第一间隔距离D_S1。在弯曲轮廓线是圆形的实施例中，第一间隔距离D_S1是在冲击表面处的闭合轮廓线的直径，并且第二间隔距离D_S2是在相对表面处的闭合轮廓线的直径。如图8B所示，缺陷372的闭合轮廓可以分离以形成具有由成角度边缘361限定的锥形孔363的分离制品360'。例如，缺陷372的闭合轮廓可以使用化学蚀刻工艺分离以形成具有锥形孔363的分离制品360'。

仍参考图8A和图8B，缺陷372的弯曲轮廓可通过以下操作来来形成：使激光射束112围绕射束路径111旋转，同时使透明工件160和激光射束112相对于彼此平移，使得缺陷372沿着弯曲轮廓保持相对于弯曲轮廓线的径向向内的方向性。此外，应理解，虽然缺陷372被描绘为相对于弯曲轮廓线径向向内定向，但是在其他实施例中，缺陷372可以径向向外定向，例如通过激光射束112围绕射束路径111的旋转。

作为示例，图9A描绘了包括多个缺陷472的透明工件460的示意性侧视图，多个缺陷472包括第一缺陷472a和第二缺陷472b。第一缺陷472a从透明工件160的冲击表面462延伸到边缘表面466，并且第二缺陷472b从相对表面464延伸到边缘表面466。第一缺陷472a可通过以一角度引导激光射束焦线113从冲击表面462到边缘表面466来形成，并且第二缺陷472b可通过以一角度引导激光射束焦线113从相对表面464到边缘表面466来形成。此外，第一缺陷472a可以是形成第一轮廓的多个第一缺陷472a的部分，并且第二缺陷472b可以是形成第二轮廓的多个第二缺陷472b的部分。在操作中，第一缺陷472a的第一轮廓和第二缺陷472b的第二轮廓可以使用本文描述的实施例分离，以形成如图9B中描绘的具有斜切边缘468的分离制品460'。

示例

现在参考图10A-10C，作为比较示例，以横截面示出了在透明工件160的冲击表面处(图10A)、在距冲击表面0.3mm深度处(图10B)、以及在距冲击表面0.7mm深度处(图10C)的具有在冲击表面上游和/或入射冲击表面(诸如在自由空间中)的圆形角谱的贝塞尔射束(一种类型的准非衍射射束)被聚焦到具有15°的内部射束角θ_bi的激光射束焦线。虽然激光射束焦线在透明工件的冲击表面处(图10A)具有最小像差，但是具有在冲击表面上游和/或入射冲击表面(诸如在自由空间中)的圆形角谱并且聚焦到的激光射束焦线中的贝塞尔射束在传播通过过透明工件时变得越来越像差，如图10B和图10C所示。此外，图10D描绘了使用图10A-10C的具有在冲击表面上游和/或入射冲击表面(诸如在自由空间中)的圆形角谱的、被聚焦到具有15°的内部射束角θ_bi的激光射束焦线中的贝塞尔射束在透明工件中的损伤区域(即，试图形成缺陷172)的示例图像。如图10D所示，激光射束焦线的增加的像差形成不延伸穿过透明工件的深度的宽损伤区域。

现在参考图11A，在透明工件内以横截面示出了具有在冲击表面162上游和/或入射冲击表面162(诸如在自由空间中)的长圆形角谱141(图3A)并且聚焦到具有大于10°的内部射束角θ_bi的激光射束焦线的激光射束112。图11A示出了在透明工件内以高角度从长圆形角谱141(图3A)形成的示例激光射束焦线呈现准非衍射特性。此外，图11B描绘了在透明工件内图11A的激光射束焦线的角谱是圆形的。此外，图11C描绘了由图11A和图11B的激光射束焦线在透明工件中形成的缺陷(例如，缺陷172)的示例图像，该激光射束焦线具有在冲击表面上游和/或入射冲击表面(诸如在自由空间中)的长圆形角谱141(图3A)并且具有15°的内部射束角θ_bi。如图11C所示，图11A和图11B的激光射束焦线形成长而细的缺陷，该缺陷适用于透明工件的高质量分离，以形成具有成角度边缘的分离制品。

现在参考图12A，在透明工件内以横截面示出了具有在冲击表面162上游和/或入射冲击表面162(诸如在自由空间中)的中断的长圆形角谱143(图5B)并且聚焦到具有大于10°的内部射束角θ_bi的激光射束焦线的激光射束112。图12A描绘了在透明工件内以高角度从中断的长圆形角谱143(图5B)形成的示例激光射束焦线呈现准非衍射特性，但是与图11A的光斑形状相比，光斑形状发生了变化。此外，图12B描绘了在透明工件内图12A的激光射束焦线的角谱是中断的圆形形状。

本描述的方面1为：

一种用于加工透明工件的方法，该方法包括：

将沿着射束路径定向的激光射束引导到冲击位置处的透明工件的冲击表面，其中：

入射到冲击表面的激光射束包括长圆形角谱，该长圆形角谱包括从具有第一曲率半径的第一轴端延伸到具有第二曲率半径的第二轴端的对称轴，其中第一曲率半径和第二曲率半径不同；并且

被引导到透明工件中的激光射束的部分包括激光射束焦线，并且生成诱导吸收以在透明工件内产生缺陷，激光射束焦线包括：

波长λ；

光斑尺寸w_o；

瑞利范围Z_R，该瑞利范围Z_R大于

其中F_D是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及

内部射束角，该内部射束角相对于在冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°，使得缺陷包括：相对于在冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°的透明工件内的缺陷角。

本描述的方面2为：

如方面1所述的方法，其中激光射束焦线包括在透明工件内的圆形角谱。

本描述的方面3为：

如方面1所述的方法，其中：

激光射束焦线包括透明工件内的具有第一曲率半径和第二曲率半径的角谱；以及

透明工件内的角谱的第一曲率半径与第二曲率半径之间的差异小于入射透明工件的冲击表面的激光射束的长圆形角谱的第一曲率半径和第二曲率半径之间的差异。

本描述的方面4为：

如方面1-3中任一项所述的方法，进一步包括使激光射束冲击到相变光学元件上，该相变光学元件向激光射束施加相位变化，以形成入射到冲击表面的包括长圆形角谱的激光射束。

本描述的方面5为：

如方面4所述的方法，其中相变光学元件包括静态相变光学元件。

本描述的方面6为：

如方面5所述的方法，其中：

静态相变光学元件包括长圆形轴棱锥，该长圆形轴棱锥具有基部和从基部延伸的锥形部分；以及

基部包括长圆形周边，该长圆形周边具有从具有第一曲率半径的第一轴端延伸到具有第二曲率半径的第二轴端的对称轴，其中基部的第一曲率半径和基部的第二曲率半径不同。

本描述的方面7为：

如方面4所述的方法，其中相变光学元件包括自适应相变光学元件。

本描述的方面8为：

如方面7所述的方法，其中自适应相变光学元件包括空间光调制器、可变形镜或自适应相位板。

本描述的方面9为：

如方面1-8中任一项所述的方法，其中内部射束角为从大于10°到40°。

本描述的方面10为：

如方面1-8中任一项所述的方法，其中内部射束角为从15°到40°。

本描述的方面11为：

如方面1-8中任一项所述的方法，其中内部射束角为从20°到40°。

本描述的方面12为：

如方面1-11中任一项所述的方法，其中：

激光射束包括第一组光线和第二组光线，该第一组光线和第二组光线共同包括长圆形角谱，并且该方法进一步包括用遮挡光学元件遮挡第二组光线，使得入射到冲击表面的激光射束包括第一组光线并且包括中断的长圆形角谱；并且

第一组光线以一个或多个射线传播角冲击透明工件的冲击表面，每个射线传播角相对于在冲击位置处与透明工件的冲击表面正交的平面小于或等于90°。

本描述的方面13为：

如方面12所述的方法，其中第二组光线被对准，使得如果不受遮挡，则第二组光线将以一个或多个射线传播角冲击透明工件，每个射线传播角相对于在冲击位置处与透明工件的冲击表面正交的平面大于90°。

本描述的方面14为：

如方面12所述的方法，其中第二组光线被对准，使得如果不受遮挡，则第二组光线中的至少一些将冲击透明工件的边缘表面、透明工件的相对表面、或两者。

本描述的方面15为：

如方面12所述的方法，其中第一组光线的一个或多个射线传播角包括：在冲击位置处与透明工件的冲击表面正交的平面的85°内的至少一个射线传播角。

本描述的方面16为：

如方面1-15中任一项所述的方法，其中激光射束焦线的部分延伸到透明工件的外部并且包括外部焦线角，该外部焦线角大于内部射束角。

本描述的方面17为：

如方面1-16中任一项所述的方法，进一步包括：沿着轮廓线将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移，以形成包括多个缺陷的轮廓。

本描述的方面18为：

如方面17所述的方法，其中激光射束焦线从透明工件的冲击表面延伸到透明工件的边缘表面，使得多个缺陷各自从透明工件的冲击表面延伸到透明工件的边缘表面。

本描述的方面19为：

如方面17所述的方法，其中轮廓线包括弯曲轮廓线，轮廓包括弯曲轮廓，并且该方法进一步包括：在沿着弯曲轮廓线将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移的同时旋转激光射束，使得多个缺陷中的每个缺陷相对于弯曲轮廓线径向向内或径向向外定向。

本描述的方面20为：

如方面19所述的方法，其中弯曲轮廓线包括闭合弯曲轮廓线，并且弯曲轮廓包括闭合弯曲轮廓。

本描述的方面21为：

如方面17-20中任一项所述的方法，进一步包括：向轮廓施加应力以沿着轮廓分离透明工件。

本描述的方面22为：

如方面21所述的方法，其中应力包括热应力、机械应力或其组合。

本描述的方面23为：

如方面1-22中任一项所述的方法，其中激光射束包括由射束源输出的脉冲激光射束，该射束源产生包括每个脉冲串有2个子脉冲或更多个子脉冲的脉冲串。

本描述的方面24为：

如方面1-23中任一项所述的方法，其中无量纲发散因子F_D包括从约10到约2000的值。

本描述的方面25为：

如方面1-24中任一项所述的方法，其中相邻缺陷之间的间隔为约50μm或更小。

本描述的方面26为：

如方面1所述的方法，其中透明工件包括碱金属铝硅酸盐玻璃材料。

本描述的方面27为：

一种用于加工透明工件的方法，该方法包括：

将沿着射束路径定向的激光射束从自由空间引导到第一冲击位置处的透明工件的冲击表面中，其中：

冲击表面包括非平面形貌；

入射到冲击表面的激光射束的部分包括第一非圆形角谱；并且

被引导到透明工件中的激光射束的部分包括第一激光射束焦线，并且生成第一诱导吸收以在透明工件内产生第一缺陷，第一激光射束焦线包括：

波长λ；

第一光斑尺寸w_o；

瑞利范围Z_R，该瑞利范围Z_R大于

其中F_D是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及

内部射束角，该内部射束角相对于在第一冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°，使得第一缺陷包括：相对于在第一冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°的透明工件内的第一缺陷角。

本描述的方面28为：

如方面27所述的方法，其中第一激光射束焦线包括在透明工件内的圆形角谱。

本描述的方面29为：

如方面27所述的方法，其中第一激光射束焦线包括透明工件内的非圆形角谱，该透明工件内的非圆形角谱比入射到冲击表面的激光射束的部分的第一非圆形角谱更圆形。

本描述的方面30为：

如方面27-29中任一项所述的方法，进一步包括使激光射束冲击到相变光学元件上，该相变光学元件向激光射束施加第一相位变化，以形成入射到冲击表面的包括第一非圆形角谱的激光射束。

本描述的方面31为：

如方面30所述的方法，其中：

相变光学元件包括非圆形轴棱锥，该非圆形轴棱锥具有基部和从基部延伸的锥形部分；以及

基部包括非圆形周边。

本描述的方面32为：

如方面30所述的方法，其中相变光学元件包括自适应相变光学元件。

本描述的方面33为：

如方面32所述的方法，其中自适应相变光学元件包括空间光调制器、可变形镜或自适应相位板。

本描述的方面34为：

如方面32所述的方法，其中冲击表面的非平面形貌是可变形貌，该可变形貌包括在第一冲击位置处的第一局部形貌和在第二冲击位置处的第二局部形貌，该第二局部形貌与第一局部形貌不同。

本描述的方面35为：

如方面34所述的方法，进一步包括：

将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此从第一冲击位置平移到第二冲击位置；

使用自适应相变光学元件向激光射束施加第二相位变化，自适应相变光学元件向激光射束施加第二非圆形角谱，该第二非圆形角谱与第一非圆形角谱不同；以及

将包括第二非圆形角谱的激光射束引导到在第二冲击位置处的冲击表面中，以形成第二激光射束焦线并生成第二诱导吸收，该第二诱导吸收在透明工件内产生第二缺陷，第二激光射束焦线包括：

波长λ；

第二光斑尺寸w_o；

第二瑞利范围Z_R，该第二瑞利范围Z_R大于

其中F_D2是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及

第二内部射束角，该第二内部射束角相对于在第二冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°，使得第二缺陷包括：相对于在第二冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°的透明工件内的第二缺陷角。

本描述的方面36为：

如方面35所述的方法，其中第二激光射束焦线包括在透明工件内的圆形角谱。

本描述的方面37为：

如方面35所述的方法，其中第二激光射束焦线包括透明工件内的非圆形角谱，该透明工件内的非圆形角谱比入射到冲击表面的激光射束的部分的第二非圆形角谱更圆形。

本描述的方面38为：

如方面35-37中任一项所述的方法，进一步包括：

使用成像系统对冲击表面进行成像，由此生成冲击表面的图像数据；

基于图像数据来确定第一局部形貌和第二局部形貌；

分别基于第一局部形貌和第二局部形貌来确定第一相位变化和第二相位变化；

使用控制器指示自适应相变光学元件，以在将激光射束引导到第一冲击位置处的透明工件的冲击表面中时施加第一相位变化；以及

使用控制器指示自适应相变光学元件，以在将激光射束引导到第二冲击位置处的透明工件的冲击表面中时施加第二相位变化。

本描述的方面39为：

如方面35-37中任一项所述的方法，其中第一缺陷角和第二缺陷角相同。

本描述的方面40为：

一种用于加工透明工件的方法，该方法包括：

在透明工件的冲击表面处折射激光射束，其中激光射束包括：

波长λ；

光斑尺寸w_o；以及

瑞利范围Z_R，该瑞利范围Z_R大于

其中F_D是无量纲发散因子，并且折射使该无量纲发散因子F_D增加到至少10倍。

本描述的方面41为：

如方面40所述的方法，其中激光射束在透明工件的冲击表面处折射之前由相变光学元件进行相位修改。

本描述的方面42为：

如方面40或41所述的方法，其中透明工件内的激光射束的部分包括激光射束焦线，并且生成诱导吸收以在透明工件内产生缺陷。

本描述的方面43为：

如方面40-42中任一项所述的方法，其中透明工件内的激光射束的部分包括内部射束角，该内部射束角相对于与冲击表面正交的平面大于10°。

为了描述和限定本发明技术，注意本文中引用的作为参数或另一变量的“函数”的变量并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。而是，在本文中引用作为所列举的参数的“函数”的变量旨在是开放式的，使得该变量可以是单个参数或多个参数的函数。

如本文中所使用，术语“约”是指量、尺寸、配方、参数、和其他数量和特性不是也不需要是精确的，但可以根据需要是近似的和/或更大或更小，从而反映出公差、转换因子、舍入、测量误差等和本领域技术人员已知的其他因素。当在描述值或范围的端点中使用术语“约”时，包括所指的特定值或端点。无论说明书中的数值或范围的端点是否记载了“约”，都描述了两个实施例：一个由“约”修饰，并且一个不由“约”修饰。还将理解的是，每一个范围的端点相对于另一个端点都是重要的，并且独立于另一个端点。

如本文中所使用的方向性术语(例如，上、下、右、左、前、后、顶部、底部)仅参考如所绘制的附图作出，而不旨在隐含绝对取向。

除非另外明确地指出，此处所阐述的任何方法决不会被解释为要求其步骤以特定的顺序执行，也不要求任何装置特定定向。因此，在方法权利要求实际上未叙述要遵循其步骤的顺序、或者任何装置权利要求实际上未叙述各个部件的顺序或定向、或者在权利要求或描述中没有以其他方式特别说明这些步骤将被限制于特定顺序、或者没有记载对装置的组件的特定顺序或定向的情况下，在任何方面，决不旨在推断顺序或定向。这适用用于解译的任何可能的非明确的基础，包括：相对于步骤排列、操作流程、部件的顺序或部件的定向的逻辑事项；从语法组织或标点推出的普通含义；以及说明书中所描述的实施例的数量或类型。

如本文中所使用的，单数形式“一/一个(a/an)”、和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文明确地另作规定。因此，例如，对“部件”的引用包括具有两个或多个这样的部件的方面，除非上下文明确地另作指示。

对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离要求保护的主题的精神和范围的情况下对本文描述的实施例作出各种修改和变化。因此，旨在使说明书覆盖本文描述的各实施例的多种修改和变化，只要这些修改和变化落在所附权利要求书及其等效方案的范围内。

Claims (43)

1.一种用于加工透明工件的方法，所述方法包括：

将沿着射束路径定向的激光射束引导到冲击位置处的所述透明工件的冲击表面中，其中：

入射到所述冲击表面的所述激光射束包括长圆形角谱，所述长圆形角谱包括从具有第一曲率半径的第一轴端延伸到具有第二曲率半径的第二轴端的对称轴，其中所述第一曲率半径和所述第二曲率半径不同；并且

被引导到所述透明工件中的所述激光射束的部分包括激光射束焦线，并且生成诱导吸收以在所述透明工件内产生缺陷，所述激光射束焦线包括：

波长λ；

光斑尺寸w_o；

瑞利范围Z_R，所述瑞利范围Z_R大于

其中F_D是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及

内部射束角，所述内部射束角相对于在所述冲击位置处与所述冲击表面正交的平面大于10°，使得所述缺陷包括：相对于在所述冲击位置处与所述冲击表面正交的所述平面大于10°的所述透明工件内的缺陷角。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光射束焦线包括在所述透明工件内的圆形角谱。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述激光射束焦线包括所述透明工件内的具有第一曲率半径和第二曲率半径的角谱；以及

所述透明工件内的所述角谱的第一曲率半径与第二曲率半径之间的差异小于入射所述透明工件的所述冲击表面的所述激光射束的所述长圆形角谱的第一曲率半径和第二曲率半径之间的差异。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，进一步包括使所述激光射束冲击到相变光学元件上，所述相变光学元件向所述激光射束施加相位变化，以形成入射到所述冲击表面的包括所述长圆形角谱的所述激光射束。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相变光学元件包括静态相变光学元件。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述静态相变光学元件包括长圆形轴棱锥，所述长圆形轴棱锥具有基部和从所述基部延伸的锥形部分；以及

所述基部包括长圆形周边，所述长圆形周边具有从具有第一曲率半径的第一轴端延伸到具有第二曲率半径的第二轴端的对称轴，其中所述基部的第一曲率半径和所述基部的第二曲率半径不同。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相变光学元件包括自适应相变光学元件。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述自适应相变光学元件包括空间光调制器、可变形镜或自适应相位板。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述内部射束角为从大于10°到40°。

10.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述内部射束角为从15°到40°。

11.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述内部射束角为从20°到40°。

12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于：

所述激光射束包括第一组光线和第二组光线，所述第一组光线和所述第二组光线共同包括所述长圆形角谱，并且所述方法进一步包括用遮挡光学元件遮挡所述第二组光线，使得入射到所述冲击表面的所述激光射束包括所述第一组光线并且包括中断的长圆形角谱；并且

所述第一组光线以一个或多个射线传播角冲击所述透明工件的所述冲击表面，每个射线传播角相对于在所示冲击位置处与所述透明工件的所述冲击表面正交的所述平面小于或等于90°。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二组光线被对准，使得如果不受遮挡，则所述第二组光线将以一个或多个射线传播角冲击所述透明工件，每个射线传播角相对于在所述冲击位置处与所述透明工件的所述冲击表面正交的所述平面大于90°。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二组光线被对准，使得如果不受遮挡，则所述第二组光线中的至少一些将冲击所述透明工件的边缘表面、所述透明工件的相对表面、或两者。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一组光线的所述一个或多个射线传播角包括：在所述冲击位置处与所述透明工件的所述冲击表面正交的所述平面的85°内的至少一个射线传播角。

16.如权利要求1-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光射束焦线的部分延伸到所述透明工件的外部并且包括外部焦线角，所述外部焦线角大于所述内部射束角。

17.如权利要求1-16中任一项所述的方法，进一步包括：沿着轮廓线将所述透明工件和所述激光射束中的至少一者相对于彼此平移，以形成包括多个缺陷的轮廓。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述激光射束焦线从所述透明工件的所述冲击表面延伸到所述透明工件的边缘表面，使得所述多个缺陷各自从所述透明工件的所述冲击表面延伸到所述透明工件的所述边缘表面。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述轮廓线包括弯曲轮廓线，所述轮廓包括弯曲轮廓，并且所述方法进一步包括：在沿着所述弯曲轮廓线将所述透明工件和所述激光射束中的至少一者相对于彼此平移的同时旋转所述激光射束，使得所述多个缺陷中的每个缺陷相对于所述弯曲轮廓线径向向内或径向向外定向。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述弯曲轮廓线包括闭合弯曲轮廓线，并且所述弯曲轮廓包括闭合弯曲轮廓。

21.如权利要求17-20中任一项所述的方法，进一步包括：向所述轮廓施加应力以沿着所述轮廓分离所述透明工件。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述应力包括热应力、机械应力或其组合。

23.如权利要求1-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光射束包括由射束源输出的脉冲激光射束，所述射束源产生包括每个脉冲串有2个子脉冲或更多个子脉冲的脉冲串。

24.如权利要求1-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述无量纲发散因子F_D包括从约10到约2000的值。

25.如权利要求1-24中任一项所述的方法，其特征在于，相邻缺陷之间的间隔为约50μm或更小。

26.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明工件包括碱金属铝硅酸盐玻璃材料。

27.一种用于加工透明工件的方法，所述方法包括：

将沿着射束路径定向的激光射束从自由空间引导到第一冲击位置处的所述透明工件的冲击表面中，其中：

所述冲击表面包括非平面形貌；

入射到所述冲击表面的所述激光射束的部分包括第一非圆形角谱；并且

被引导到所述透明工件中的所述激光射束的部分包括第一激光射束焦线，并且生成第一诱导吸收以在所述透明工件内产生第一缺陷，所述第一激光射束焦线包括：

波长λ；

第一光斑尺寸w_o；

瑞利范围Z_R，所述瑞利范围Z_R大于

其中F_D是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及

内部射束角，所述内部射束角相对于在所述第一冲击位置处与所述冲击表面正交的平面大于10°，使得所述第一缺陷包括：相对于在所述第一冲击位置处与所述冲击表面正交的所述平面大于10°的所述透明工件内的第一缺陷角。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一激光射束焦线包括在所述透明工件内的圆形角谱。

29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一激光射束焦线包括所述透明工件内的非圆形角谱，所述透明工件内的非圆形角谱比入射到所述冲击表面的所述激光射束的所述部分的所述第一非圆形角谱更圆形。

30.如权利要求27-29中任一项所述的方法，进一步包括使所述激光射束冲击到相变光学元件上，所述相变光学元件向所述激光射束施加第一相位变化，以形成入射到所述冲击表面的包括所述第一非圆形角谱的所述激光射束。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于：

所述相变光学元件包括非圆形轴棱锥，所述非圆形轴棱锥具有基部和从所述基部延伸的锥形部分；以及

所述基部包括非圆形周边。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述相变光学元件包括自适应相变光学元件。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述自适应相变光学元件包括空间光调制器、可变形镜或自适应相位板。

34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述冲击表面的所述非平面形貌是可变形貌，所述可变形貌包括在所述第一冲击位置处的第一局部形貌和在所述第二冲击位置处的第二局部形貌，所述第二局部形貌与所述第一局部形貌不同。

35.如权利要求34所述的方法，进一步包括：

将所述透明工件和所述激光射束中的至少一者相对于彼此从所述第一冲击位置平移到所述第二冲击位置；

使用所述自适应相变光学元件向所述激光射束施加第二相位变化，所述自适应相变光学元件向所述激光射束施加第二非圆形角谱，所述第二非圆形角谱与所述第一非圆形角谱不同；以及

将包括所述第二非圆形角谱的所述激光射束引导到在所述第二冲击位置处的所述冲击表面中，以形成第二激光射束焦线并生成第二诱导吸收，所述第二诱导吸收在所述透明工件内产生第二缺陷，所述第二激光射束焦线包括：

所述波长λ；

第二光斑尺寸w_o；

第二瑞利范围Z_R，所述第二瑞利范围Z_R大于

其中F_D2是包括10或更大的值的无量纲发散因子；以及

第二内部射束角，所述第二内部射束角相对于在所述第二冲击位置处与所述冲击表面正交的平面大于10°，使得所述第二缺陷包括：相对于在所述第二冲击位置处与所述冲击表面正交的所述平面大于10°的所述透明工件内的第二缺陷角。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述第二激光射束焦线包括在所述透明工件内的圆形角谱。

37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述第二激光射束焦线包括所述透明工件内的非圆形角谱，所述透明工件内的非圆形角谱比入射到所述冲击表面的所述激光射束的所述部分的所述第二非圆形角谱更圆形。

38.如权利要求35-37中任一项所述的方法，进一步包括：

使用成像系统对所述冲击表面进行成像，由此生成所述冲击表面的图像数据；

基于所述图像数据来确定所述第一局部形貌和所述第二局部形貌；

分别基于所述第一局部形貌和所述第二局部形貌来确定所述第一相位变化和所述第二相位变化；

使用控制器指示所述自适应相变光学元件，以在将所述激光射束引导到所述第一冲击位置处的所述透明工件的所述冲击表面中时施加所述第一相位变化；以及

使用所述控制器指示所述自适应相变光学元件，以在将所述激光射束引导到所述第二冲击位置处的所述透明工件的所述冲击表面中时施加所述第二相位变化。

39.如权利要求35-37中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一缺陷角和所述第二缺陷角相同。

40.一种用于加工透明工件的方法，所述方法包括：

在所述透明工件的冲击表面处折射激光射束，其中所述激光射束包括：

波长λ；

光斑尺寸w_o；以及

瑞利范围Z_R，所述瑞利范围Z_R大于

其中F_D是无量纲发散因子，并且所述折射使所述无量纲发散因子F_D增加到至少10倍。

41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述激光射束在所述透明工件的所述冲击表面处折射之前由相变光学元件进行相位修改。

42.如权利要求40或41所述的方法，其特征在于，所述透明工件内的所述激光射束的部分包括激光射束焦线，并且生成诱导吸收以在所述透明工件内产生缺陷。

43.如权利要求40-42中任一项所述的方法，其特征在于，所述透明工件内的所述激光射束的部分包括内部射束角，所述内部射束角相对于与所述冲击表面正交的平面大于10°。

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