CN116635342A - 使用低强度艾里射束在透明工件中激光形成非方形边缘 - Google Patents

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Abstract

一种加工透明工件的方法，包括：将由射束源输出的激光射束引导到相位调整设备上，使得相位调整设备下游的激光射束是艾里射束；以及将艾里射束引导到透明工件的表面上。艾里射束在透明工件中形成艾里射束聚焦区域，艾里射束聚焦区域的艾里射束具有100TW/cm2或更小的最大强度，艾里射束聚焦区域的艾里射束在透明工件中诱导吸收，该诱导吸收在透明工件中产生弯曲缺陷。

Description

使用低强度艾里射束在透明工件中激光形成非方形边缘
本申请要求于2020年9月11日提交的美国临时专利申请序列号63/077,195的优先权的权益，本申请依据该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。
背景
技术领域
本申请涉及玻璃加工，并且更具体地，涉及使用艾里(Airy)射束加工玻璃基板的系统和方法。
背景技术
包括玻璃切割(割断)和边缘精加工的玻璃加工在玻璃制品(诸如显示器玻璃、玻璃面板和盖玻璃)的形成中是重要的。特别地，玻璃片的方形边缘容易破裂，因此可以被加工成具有斜面或被加工为圆形，以使破裂的可能性最小化。这种加工可以使用机械手段(诸如机械研磨)来实现。同样，玻璃基板需要被切割以具有选定的尺寸和形状。这种加工也可以使用机械手段(诸如使用金刚石锯片)来实现。不幸的是，玻璃基板的机械加工很复杂并且会产生必须去除的玻璃粉尘和玻璃颗粒。
作为替代，可以使用常规的激光加工而不是机械加工来执行切割和边缘加工操作。然而，常规的激光加工利用在自由空间中以直线行进的激光射束，因此在期望圆形外边缘或类似的边缘成形时难以使用。
发明内容
根据本公开的第一方面，一种用于加工透明工件的方法包括：将由射束源输出的激光射束引导到相位调整设备上，使得相位调整设备下游的激光射束是艾里射束；以及将艾里射束引导到透明工件的表面上，其中艾里射束在透明工件中形成艾里射束聚焦区域，艾里射束聚焦区域的艾里射束包括100TW/cm2或更小的最大强度，艾里射束聚焦区域的艾里射束在透明工件中诱导吸收，该诱导吸收在透明工件中产生弯曲缺陷。
本公开的第二方面包括第一方面的方法，其中，艾里射束聚焦区域的艾里射束包括主瓣和多个旁瓣，并且艾里射束聚焦区域的能量的至少50％被设置在主瓣上。
本公开的第三方面包括第二方面的方法，其中，艾里射束聚焦区域的多个旁瓣均具有低于最小强度阈值的强度。
本公开的第四方面包括前述方面中任一方面的方法，其中，艾里射束聚焦区域的艾里射束的最大强度是75TW/cm2或更小。
本公开的第五方面包括前述方面中任一方面的方法，其中，艾里射束聚焦区域的艾里射束的最大强度是25TW/cm2或更小。
本公开的第六方面包括前述方面中任一方面的方法，其中，艾里射束聚焦区域的艾里射束的最大强度是0.7TW/cm2到100TW/cm2。
本公开的第七方面包括前述方面中任一方面的方法，其中，相位调整设备包括具有立方相位调制的相位板。
本公开的第八方面包括前述方面中任一方面的方法，进一步包括：将透明工件和艾里射束中的至少一者沿着轮廓线相对于彼此进行平移，以形成具有多个弯曲缺陷的轮廓。
本公开的第九方面包括第七方面的方法，其中，多个弯曲缺陷中的相邻弯曲缺陷之间的间隔是35μm或更小。
本公开的第十方面包括第七方面或第八方面的方法，进一步包括：向轮廓施加应力以沿着轮廓分离透明工件，从而在透明工件上形成非方形边缘。
本公开的第十一方面包括前述方面中任一方面的方法，其中，透明工件包括硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱金属铝硅酸盐玻璃、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、蓝宝石、硅或砷化镓。
根据本公开的第十二方面，一种用于加工透明工件的方法包括：将由射束源输出的激光射束引导到相位调整设备上，使得相位调整设备下游的激光射束是艾里射束，其中激光射束在相位调整设备上投射射束斑，射束斑具有能量分布，其中射束斑的总能量的20％或更小具有小于射束斑的最大注量的80％的注量；以及将艾里射束引导到透明工件的表面上，其中艾里射束在透明工件中形成艾里射束聚焦区域，艾里射束聚焦区域的艾里射束具有0.125TW/cm2到50TW/cm2的最大强度，艾里射束聚焦区域的艾里射束在透明工件中诱导吸收，该诱导吸收在透明工件中产生弯曲缺陷。
本公开的第十三方面包括第十二方面的方法，其中，艾里射束聚焦区域的艾里射束的最大强度是0.7TW/cm2到35TW/cm2。
本公开的第十四方面包括第十二方面或第十三方面的方法，其中，艾里射束聚焦区域的艾里射束的最大强度是0.7TW/cm2到15TW/cm2。
本公开的第十五方面包括第十二方面到第十四方面中任一方面的方法，其中，激光射束在照射相位调整设备之前穿过衍射光学元件，并且衍射光学元件修改激光射束的能量分布。
本公开的第十六方面包括第十二方面到第十五方面中任一方面的方法，其中，射束斑的总能量的10％或更小的注量小于射束斑的最大注量的80％。
本公开的第十七方面包括第十二方面到第十六方面中任一方面的方法，其中，射束斑的总能量的5％或更小的注量小于射束斑的最大注量的90％。
本公开的第十八方面包括第十二方面到第十七方面中任一方面的方法，其中，相位调整设备是具有立方相位调制的相位板。
本公开的第十九方面包括第十二方面到第十八方面中任一方面的方法，进一步包括：将透明工件和艾里射束中的至少一者沿着轮廓线相对于彼此进行平移，以形成具有多个弯曲缺陷的轮廓；以及向轮廓施加应力以沿着轮廓分离透明工件，从而在透明工件上形成非方形边缘。
根据本公开的第二十方面，一种用于加工透明工件的方法包括：将由射束源输出的脉冲激光射束引导到相位调整设备上，使得相位调整设备下游的脉冲激光射束是脉冲艾里射束，其中脉冲激光射束包括每脉冲串具有2个子脉冲或更多个子脉冲的脉冲串；以及将脉冲艾里射束引导到透明工件的表面上，其中脉冲艾里射束在透明工件中形成脉冲艾里射束聚焦区域，脉冲艾里射束聚焦区域的脉冲艾里射束具有0.125TW/cm2到50TW/cm2的最大强度，脉冲艾里射束聚焦区域的脉冲艾里射束在透明工件中诱导吸收，该诱导吸收在透明工件中产生弯曲缺陷。
本公开的第二十一方面包括第二十方面的方法，其中，脉冲艾里射束聚焦区域的脉冲艾里射束的最大强度是0.7TW/cm2到35TW/cm2。
本公开的第二十二方面包括第二十方面或第二十一方面的方法，其中，脉冲艾里射束聚焦区域的脉冲艾里射束的最大强度是0.7TW/cm2到15TW/cm2。
本公开的第二十三方面包括第二十方面到第二十二方面中任一方面的方法，其中，脉冲激光射束的每个脉冲串包括2个子脉冲到12个子脉冲。
本公开的第二十四方面包括第二十方面到第二十四方面中任一方面的方法，其中，脉冲激光射束的每个脉冲串包括10ps到5ns的串持续时间。
本公开的第二十五方面包括第二十方面到第二十三方面中任一方面的方法，其中，相位调整设备包括具有立方相位调制的相位板。
本公开的第二十六方面包括第二十方面到第二十五方面中任一方面的方法，进一步包括：将透明工件和脉冲艾里射束中的至少一者沿着轮廓线相对于彼此进行平移，以形成具有多个弯曲缺陷的轮廓；以及向轮廓施加应力以沿着轮廓分离透明工件，从而在透明工件上形成非方形边缘。
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，以上一般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观或框架。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所述的一个或多个实施例的示例光学系统，该示例光学系统包括用于形成艾里射束并使用艾里射束加工透明工件的相位调整设备；
图1B是根据本文所述的一个或多个实施例的图1A的相位调整设备的相位等值线图；
图1C是根据本文所述的一个或多个实施例的使用图1A的光学系统形成的艾里射束聚焦区域；
图1D是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图1C的艾里射束局聚焦区域的射束横截面；
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透明工件中的弯曲缺陷的轮廓的形成；
图2B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图2A的透明工件，该透明工件具有在弯曲缺陷的轮廓分离之后形成的非方形边缘；
图3A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的示例艾里射束聚焦区域的灰度图像；
图3B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、用图3A的艾里射束聚焦区域形成的弯曲缺陷的灰度图像；
图4A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的另一示例艾里射束聚焦区域的灰度图像；
图4B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、用图4A的艾里射束聚焦区域形成的弯曲缺陷的灰度图像；
图5A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的另一示例艾里射束聚焦区域的灰度图像；
图5B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、用图5A的艾里射束聚焦区域形成的弯曲缺陷的灰度图像；
图6A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的另一示例艾里射束聚焦区域的灰度图像；
图6B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、用图6A的艾里射束聚焦区域形成的弯曲缺陷的灰度图像；
图7A以图形方式描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、因变于艾里射束聚焦区域的强度的艾里射束聚焦区域的主瓣中的总能量的部分；
图7B以图形方式描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、因变于艾里射束的最大强度的透明工件对艾里射束的激光能量的相对吸收；
图7C以图形方式描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、因变于艾里射束的最大强度的艾里射束聚焦区域的瑞利长度；
图8A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、图1的光学组件，其中添加了用于修改艾里射束的强度分布的衍射光学元件；
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、射束斑的相对强度与径向位置的关系，该射束斑具有被投射至用于形成经修改的艾里射束的相位修改设备的经修改的强度分布；
图9A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、用使用图1的光学组件的艾里射束聚焦区域形成的弯曲缺陷的灰度图像；
图9B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、用使用图8A的光学组件的艾里射束聚焦区域形成的弯曲缺陷的灰度图像，该艾里射束聚焦区域具有与图9A的艾里射束聚焦区域相同的强度；
图10以图形方式描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的示例脉冲串内的激光脉冲的相对强度与时间的关系；
图11A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、由使用单个脉冲激光射束生成的艾里射束聚焦区域形成的弯曲缺陷的灰度图像；以及
图11B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的、由使用脉冲串激光射束生成的艾里射束聚焦区域形成的弯曲缺陷的灰度图像。
具体实施方式
分离和边缘精加工在许多由透明工件形成的产品(例如，诸如显示器玻璃和盖玻璃之类的玻璃产品)中起着关键作用。具体地，具有方形边缘的透明工件容易从这些边缘传播断裂。因此，方形边缘经常被加工成形成非方形边缘(诸如圆形边缘、斜切边缘等)，以使断裂的可能性最小化。当前，非方形边缘通常使用机械手段(诸如机械研磨和抛光)来形成。然而，这些机械加工生成玻璃粉尘和颗粒，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步骤来清洁。因此，期望用形成非方形边缘的无颗粒和高吞吐量的工艺来代替传统的边缘精加工工艺。
本文描述的光学系统和方法使用具有自弯曲特性的艾里射束来提供在最小的颗粒生成和不希望的损坏内形成非方形边缘的高吞吐量工艺。具体地，本文所述的光学系统和方法使用低强度艾里射束在透明工件中形成弯曲缺陷，以使对透明工件的意外损坏最小化，并促进在所得非方形边缘上具有最小粗糙度的情况下的高效分离。现在将详细参考本公开的各个实施例，在附图中示出实施例的示例。只要有可能，在所有附图中使用相同或相似的附图标记和符号来指代相同或相似的部件。附图不一定按比例，并且本领域技术人员将认识到附图在哪里被简化以示出本公开的关键方面。
虽然不旨在受理论限制，但“艾里射束”是指由于射束具有选定相位而在自由空间中包括曲率的激光射束类型。可以通过将常规的高斯激光射束引导通过相位调整设备(诸如相位板)来形成艾里射束，这增加了聚焦深度并改变了射束的传播轨迹。在一些实施例中，艾里射束可称为自弯曲射束、加速射束、自加速射束或非衍射射束。艾里射束的横截面(即，与射束的传播轨迹正交的横截面)包括多个瓣，该多个瓣包括主瓣和多个旁瓣。主瓣是最大的瓣，并且是具有最高能量和最高强度的瓣。当在透明工件分离工艺期间使用艾里射束时，由于艾里射束的曲率，可形成非方形边缘，并且主瓣中的能量可用于修改透明工件(例如，烧蚀、形成缺陷，或以其他方式改变以促进透明工件的分离)。
如本文所使用的，“激光加工”包括将激光射束引导到透明工件上和/或透明工件中。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艾里射束形成轮廓，该轮廓包括延伸到透明工件中的一系列弯曲缺陷。可以通过额外的激光工艺(诸如通过使用红外激光射束)沿着包括一系列弯曲缺陷的轮廓来分离透明工件。
如本文所使用的，“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，“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相交点的集合。轮廓线的形状可以是线性的，成角度的，多边形的或弯曲的。轮廓线可以是闭合的(即，在基板的表面上限定封闭区域)或开放的(即，不在基板的表面上限定封闭区域)。轮廓线表示边界，沿着该边界促进将基板分离成两个或更多个部分。
如本文所使用的，“轮廓”是指由激光射束通过激光射束与基板沿着轮廓线的相对运动来形成在透明工件中的缺陷的集合(例如，弯曲缺陷)。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。
如本文所使用的，“缺陷”是指透明工件的已经被激光射束修改的区域。由于本文描述的缺陷是由具有自弯曲特性的艾里射束形成的，因此缺陷与艾里射束的弯曲相对应地弯曲，因此在下文中被称为“弯曲缺陷”。弯曲缺陷包括透明工件的相对于透明工件的周围未修改区域具有经修改的折射率的区域。弯曲缺陷可包括透明工件中由艾里射束产生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。弯曲缺陷是通过艾里射束(特别地，艾里射束的主瓣)与透明工件的相互作用而形成的。如下文更完全描述的，艾里射束由脉冲激光器产生。在沿着轮廓线的特定位置处的弯曲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、该特定位置处的多个激光脉冲或该特定位置处的子脉冲的多个脉冲串产生的艾里射束的主瓣形成。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弯曲缺陷。
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)的深度(例如，厚度)。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(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EAGLE />和康宁LOTUSTM。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压缩应力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。压缩应力被拉伸应力(称为中心张力)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穿过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。
现在参考图1A，描绘了用于激光加工透明工件160的光学系统100。透明工件160包括第一表面162、与第一表面162相对的第二表面164以及一个或多个边缘166。如图1A中所示，边缘166是方形边缘。光学系统100被配置为将激光射束112(例如，高斯激光射束)转换为经相位调整的激光射束212，当使用聚焦透镜130聚焦时，经相位调整的激光射束212形成聚焦到艾里射束聚焦区域313中的艾里射束312。艾里射束312可用于在透明工件160中形成一系列弯曲缺陷172(图2A)，透明工件160可沿该系列弯曲缺陷172分离以形成一个或多个非方形边缘168(图2B)。在不旨在受理论限制的情况下，取决于光学系统100和透明工件160的相对定位，艾里射束聚焦区域313实质上是独立的，使得艾里射束聚焦区域313可以形成在透明工件160内和/或透明工件160外。实际上，在图1A的示意性描绘中，艾里射束聚焦区域313延伸穿过工件160的厚度，并且刚好延伸超过第一表面162和第二表面164。
光学系统100包括发射激光射束112的射束源110，激光射束112可以包括高斯激光射束。在不旨在受理论限制的情况下，高斯射束单调衰减，并且高斯射束的直径通常被1/e2的强度下降限定(即，射束直径是对应于峰值强度的径向位置和强度是最大强度的1/e2倍的径向位置之间的距离的两倍)。高斯射束的直径在传播方向上变化。高斯射束的束腰对应于高斯射束的最小直径。在一些实施例中，由射束源110发射的激光射束112是脉冲的，并且包括短光脉冲(例如，在飞秒到皮秒的范围内)或具有紧密间隔的一系列子脉冲的脉冲串。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。此外，被转换为艾里射束312并且用于在透明工件160中形成弯曲缺陷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。用于形成弯曲缺陷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。
仍然参考图1A，光学系统100进一步包括相位调整设备120，该相位调整设备120定位在射束源110的下游，使得由射束源110发射的激光射束112(例如，脉冲激光射束)冲击(例如，穿过或从其反射)相位调整设备120，然后穿过聚焦透镜130。相位调整设备120被配置为调整激光射束112的相位以形成经相位调整的激光射束212。具体地，相位调整设备120对激光射束112施加立方相位调制，以在相位调整设备120的下游形成经相位调整的激光射束212。用于形成经相位调整的激光射束212的立方相位调制使得，当经相位调整的激光射束212被聚焦透镜130聚焦时，经相位调整的激光射束212形成聚焦到聚焦透镜130的焦点FP附近的艾里射束聚焦区域313中的艾里射束312。
现在参考图1A和图1B，艾里射束的相位函数可以表示为((x+y)3+(x-y)3)，也可以写作/>其中α是相位调制的频率，k是激光射束112的波向量，并且x和y是相位函数的空间坐标。具体地，图1B示出了相位调整设备120用于最终在聚焦透镜130的下游形成艾里射束312的立方相位掩模121。在一些实施例中，相位调整设备120包括衍射光学元件，诸如在光学表面上预先制成的具有立方相位调制的相位板(可以是艾里相位板)，并且在其他实施例中；相位调整设备120包括空间光调制器，该空间光调制器由具有可调整折射率的大量像素组成。在其中相位调整设备120包括相位板的实施例中，立方相位掩模121对应于相位板的表面形貌。此外，相位调整设备120可以是透射的或反射的。例如，相位调整设备120的相位板实施例可以是透射的，并且相位调整设备120的空间光调制器实施例可以是反射的。
在图1C和图1D中更详细地示出了艾里射束312的艾里射束聚焦区域313。由于艾里射束312的相位的立方性质，当被聚焦透镜130聚焦时，它呈现出弯曲的轨迹。实际上，图1A和图1C描绘了艾里射束聚焦区域313的弯曲射束路径，该弯曲射束路径是聚焦透镜130的焦点FP附近的艾里射束312。艾里射束聚焦区域313的具有最高强度的部分是主瓣315(见图1D)，其对应于图1A和图1C中所示的弯曲部分。此外，艾里射束聚焦区域313进一步包括多个旁瓣316，每个旁瓣316包括比主瓣315更低的强度。图1C和图1D的旁瓣316对应于从图1A中的艾里射束聚焦区域313的弯曲部分偏移的交叉射线。
现在参考图2A和图2B，当艾里射束312被引导到透明工件160中时，艾里射束聚焦区域313在透明工件160内诱导激光能量的吸收，从而形成弯曲缺陷172。在操作中，轮廓170的弯曲缺陷172是通过透明工件160与艾里射束聚焦区域313的相互作用产生的。具体地，艾里射束聚焦区域313的主瓣315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。在不旨在受理论限制的情况下，在透明工件160中生成诱导吸收沉积足够的能量，以在沿着轮廓线165的间隔位置处破坏透明工件160的化学键，从而形成弯曲缺陷172。
仍然参考图2A和图2B，可以通过用艾里射束312照射轮廓线165并将艾里射束312和透明工件160中的至少一者沿着轮廓线165相对于彼此进行平移以形成轮廓170的弯曲缺陷172，来在透明工件160中形成包括一系列弯曲缺陷172的轮廓170。艾里射束312可以在透明工件160的第一表面162上投射艾里射束斑317，该艾里射束斑317对应于图1D中所描绘的艾里射束312的横截面形状。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)、艾里射束312的运动、或者透明工件160和艾里射束312两者的运动而跨透明工件160平移艾里射束312。通过相对于透明工件160来平移艾里射束312中的至少一者，可以在透明工件160中形成多个弯曲缺陷172。
虽然图2A中所描绘的轮廓170是线性的，但应理解，轮廓170可以是非线性的，例如，弯曲的。此外，在一些实施例中，轮廓170可以是闭合轮廓，诸如圆形、矩形、椭圆形、正方形、六边形、卵形、规则几何形状、不规则形状、多边形、任意形状等。此外，弯曲缺陷172大致可以沿着轮廓170彼此间隔0.1μm至500μm的距离，诸如，1μm至200μm、2μm至100μm、或5μm至20μm、0.1μm至50μm、5μm至15μm、5μm至12μm、7μm至15μm、8μm至15μm、或8μm至12μm，诸如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，诸如100μm、75μm、50μm、40μm、30μm、25μm、10μm、5μm，或以这些值中的任意两个值为端点的任意范围。
仍参考图2A和图2B，在形成弯曲缺陷172的轮廓170之后，可以在随后的分离步骤中进一步对透明工件160进行作用，以引起透明工件160沿着轮廓170的分离。如图2B中所示，透明工件160的分离在透明工件160中形成一个或多个非方形边缘168。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。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。
在不旨在受理论限制的情况下，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。在不旨在受理论限制的情况下，据信，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。
现在参考图3A-图6B，现在将探讨用于形成有助于在透明工件160中形成一个或多个非方形边缘168的弯曲缺陷172的艾里射束312的最大强度的影响。在不旨在受理论限制的情况下，艾里射束312的最大强度是艾里射束312的主瓣315的最大强度。在不旨在受理论限制的情况下，最大强度在聚焦透镜130的焦点FP处形成，并且在艾里射束聚焦区域313中形成。图3A-图6D是具有不同最大强度的示例艾里射束聚焦区域313A-313D(图3A-图6A)的灰度图像，并且示出了使用示例艾里射束聚焦区域313A-313D中的每个艾里射束聚焦区域形成的示例弯曲缺陷172A-172D(图3B-图6B)的灰度图像。每个示例弯曲缺陷172A-172D在可从纽约州康宁市康宁公司获得的康宁大猩猩TM(CORNING GORILLATM)玻璃中形成。用于形成弯曲缺陷172A-172D的艾里射束聚焦区域313A-313D是使用具有7mm的1/e2直径的高斯射束形成的，该高斯射束被引导通过具有α＝1的立方系数的艾里相位板，然后使用10mm焦距物镜聚焦到透明工件160中。
图3A的艾里射束聚焦区域313A具有30TW/cm2的最大强度，图4A的艾里射束聚焦区域313B具有100TW/cm2的最大强度，图5A的艾里射束聚焦区域313C具有200TW/cm2的最大强度，并且图6A的艾里射束聚焦区域313D具有600TW/cm2的最大强度。如图3A-图6B所示，随着艾里射束聚焦区域313A-313D的最大强度的增加，相应的弯曲缺陷172A-172D的宽度增加，并且从弯曲缺陷172A-172D横向延伸到透明工件160中的损伤也增加。因此，图3A-图6D示出了与直觉相反的结果，即，将艾里射束聚焦区域313的最大强度增加到超过最大强度阈值降低了在透明工件160中形成的弯曲缺陷172的质量，从而降低了在透明工件160沿着弯曲缺陷172的轮廓170分离之际形成的非方形边缘168的质量(例如光滑度或强度)。事实上，将艾里射束聚焦区域313的最大强度增加到最大强度阈值以上可以增加附带的非线性效应并在透明工件160中生成附带的损伤。
在不旨在受理论限制的情况下，通过限制艾里射束聚焦区域313的最大激光强度，可以减少附带非线性过程(诸如克尔效应和等离子体散焦)的影响。这些附带的非线性过程通过干扰艾里射束聚焦区域313的波前而对所得的弯曲缺陷172产生负面影响。在艾里射束聚焦区域313中干扰艾里射束312的波前的一个结果是激光能量从主瓣315重新分配到旁瓣316中。旁瓣316的能量的增加可导致旁瓣316的非线性吸收的增加，这具有在透明工件160中产生远离弯曲缺陷172的损伤的效果。如果从主瓣315转移足够的能量，则主瓣315的最大强度可能不足以诱导吸收并形成弯曲缺陷172，或者主瓣315传播到透明工件160中的距离可能受到限制(例如小于整个厚度)。应理解，依赖一些非线性效应(即，MPA)来诱导吸收并形成弯曲缺陷172，因此诱导吸收并形成弯曲缺陷172所需的主瓣315的强度应该与旁瓣316中的附带非线性吸收以及有害的克尔和等离子体散焦效应相平衡。
为了限制旁瓣316中的非线性吸收，可能希望阻挡旁瓣316，使得只有主瓣315被引导到透明工件160中。然而，这种阻挡的影响将导致艾里射束聚焦区域313的退化，以至于不能适当地形成弯曲缺陷172。当主瓣315具有最高强度时，较低强度的旁瓣316存储能量，用于在从主瓣315提取能量以形成弯曲缺陷172时，主瓣315的不灭(perpetuation)和维持。艾里射束312的重要特征是“自修复”特性；也就是说，如果主瓣315被阻挡、衰减或中断，并且旁瓣316不受干扰，则通过从旁瓣316传递能量，可以在阻挡、衰减或者中断之后的一定距离恢复艾里射束聚焦区域313中的主瓣315。如果旁瓣316被阻挡或干扰，则从旁瓣316到主瓣315的能量传递不能发生，主瓣315不能恢复，并且在传播方向上的短距离之后，艾里射束聚焦区域313变得不稳定。结果，没有产生弯曲缺陷172，或者如果产生弯曲缺陷172，则弯曲缺陷172是不完整的或不规则的。
相反，如图3A-图6B中所示，将艾里射束聚焦区域313的最大强度限制在最大强度阈值以下导致艾里射束聚焦区域313传播长距离，其更多能量包含在主瓣315中，而不会由于附带的非线性效应而遭受射束质量退化。这提高了弯曲缺陷172的质量，而不会过度损坏透明工件160。此外，由于低强度的艾里射束由于附带的非线性效应而使射束质量退化最小化，因此这些低强度的艾里射束可用于在增加的深度处激光加工透明工件，从而有助于通过玻璃厚度的宽范围的深度形成弯曲缺陷。高质量弯曲缺陷172的形成有助于在分离之后形成高质量的非方形边缘168，并使进入经分离的透明工件160的横向损伤最小化。
此外，降低艾里射束聚焦区域313的最大强度增加主瓣315与旁瓣316相比的相对强度。随着形成弯曲缺陷172的诱导吸收优先由主瓣315生成，并且旁瓣316主要对透明工件160生成附带损伤，这种最大强度的降低提高了激光加工的效率和弯曲缺陷172的质量。在本文描述的实施例中，艾里射束聚焦区域313的最大强度被维持在这样的水平，使得艾里射束聚焦区域313的能量的至少50％被设置在主瓣315中。
现在参考图7A，曲线图20的线22描绘了因变于艾里射束聚焦区域313的最大强度的艾里射束聚焦区域313的主瓣315中的总能量的部分(分数)。图7A的曲线图20是使用包括具有0.2mm厚度的钠钙玻璃的透明工件160获得的。主瓣315在增加的强度下沉积的能量部分中的降低通过降低效率并增加由旁瓣316引起的不希望的损伤来降低艾里射束聚焦区域313的激光加工有效性。如本文所使用的，最大强度阈值是艾里射束聚焦区域313的一半能量被设置在旁瓣316中的强度。最大强度阈值以上的强度将产生大的附带的非线性效应，这将降低艾里射束聚焦区域313产生高质量弯曲缺陷172的能力。在一些实施例中，例如，当透明工件160包括熔融二氧化硅、铝硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃时，最大强度阈值为100TW/cm2。然而，应理解，材料变化可以改变最大强度阈值，因此，在一些实施例中，艾里射束聚焦区域313的最大强度阈值可以包括200TW/cm2、300TW/cm2或400TW/cm2。虽然不旨在受理论限制，但包括熔融二氧化硅的示例透明工件160包括低于康宁EAGLE的非线性热膨胀系数(CTE)，康宁EAGLE/>包括低于康宁/> 玻璃和钠钙玻璃的CTE。因此，用于激光加工熔融二氧化硅的艾里射束聚焦区域313的最大艾里强度阈值可高于用于激光加工康宁EAGLE/>的最大艾里强度阈值，这进而可高于用于激光加工康宁/>玻璃和钠钙玻璃的最大艾里强度阈值。在一些实施例中，艾里射束聚焦区域313的最大强度包括400TW/cm2或更小、300TW/cm2或更小、200TW/cm2或更小、100TW/cm2或更小、90TW/cm2或更小、80TW/cm2或更小、75TW/cm2或更小、70TW/cm2或更小、60TW/cm2或更小、50TW/cm2或更小、40TW/cm2或更小、30TW/cm2或更小、25TW/cm2或更小、20TW/cm2或更小、15TW/cm2或更小、10TW/cm2或更小、5TW/cm2或更小、1TW/cm2或更小，或具有这些值中的任意两个值作为端点的任意范围。在不旨在受理论限制的情况下，改变艾里射束聚焦区域313的最大强度改变整个艾里射束聚焦区域313的强度。例如，如果其他射束参数保持恒定，则最大强度变为两倍导致贯穿整个艾里射束聚焦区域313的强度变为两倍。
现在参考图7B，曲线图30描绘了因变于艾里射束聚焦区域313的最大强度的透明工件160对艾里射束聚焦区域313的激光能量的相对吸收，如线32所示。为了测量曲线图30的线32所描绘的结果，执行实验以通过测量穿过透明工件160之后的艾里射束312的功率来找到在透明工件160中发生非线性吸收开始时的强度(即，最小强度阈值)。如图7B中所示，在0.7TW/cm2及以上的强度下，超过透明工件160中的非线性吸收的最低水平，这是当被引导到钠钙玻璃中时艾里射束聚焦区域313的最小强度阈值，因为在图7B中所描绘的测量中，使用0.2mm厚度的钠钙玻璃作为透明工件160。应理解，材料变化可以改变最小强度阈值，因此，在一些实施例中，艾里射束聚焦区域313的最小强度阈值可以包括0.5TW/cm2、0.25TW/cm2或0.125TW/cm2。还应当理解，波长变化也可以改变最小强度阈值，并且最小强度阈值在本文中是关于1064nm波长描述的。在不旨在受理论限制的情况下，包括较高CTE的透明工件160可以通过具有较低最小强度阈值的艾里射束聚焦区域313来修改。
在一些实施例中，艾里射束聚焦区域313的最小强度阈值包括0.125TW/cm2或更大，0.15TW/cm2或更大，0.2TW/cm2或更大，0.3TW/cm2或更大，0.4TW/cm2或更大，0.5TW/cm2或更大，0.6TW/cm2或更大，0.7TW/cm2或更大，0.75TW/cm2或更大，0.8TW/cm2或更大，0.9TW/cm2或更大，1.0TW/cm2或更大，或具有这些值中的任意两个值作为端点的任意范围。此外，上述艾里射束聚焦区域313的最大强度阈值和最小强度阈值可以是用于激光加工透明工件160的艾里射束聚焦区域313的若干强度范围(例如，最大强度的范围)的端点。例如，艾里射束聚焦区域313的最大强度阈值可以包括0.125TW/cm2到200TW/cm2、0.125TW/cm2到100TW/cm2、0.5TW/cm2到100TW/cm2、0.7TW/cm2到100TW/cm2、0.125TW/cm2到50TW/cm2、0.7TW/cm2到50TW/cm2、0.7TW/cm2到35TW/cm2、0.7TW/cm2到25TW/cm2、0.7TW/cm2到15TW/cm2、1TW/cm2到50TW/cm2、5TW/cm2到50TW/cm2、1TW/cm2到25TW/cm2、1TW/cm2到10TW/cm2，或具有这些值中的任意两个值作为端点的任意范围。
现在参考图7C，曲线图40的线42描绘了因变于艾里射束聚焦区域313的最大强度的艾里射束聚焦区域313的瑞利长度。图7A的曲线图40是使用包括具有0.2mm厚度的钠钙玻璃的透明工件160获得的。瑞利长度在这里被限定为从艾里射束聚焦区域313的最小宽度到射束宽度等于最小宽度的√2倍的点的距离。如本文所使用的，艾里射束聚焦区域313的宽度是主瓣315的1/e2宽度。在不旨在受理论限制的情况下，当艾里射束聚焦区域313包括低瑞利长度时，艾里射束聚焦区域313的能量在短距离上在横向于传播方向的方向上扩散，从而降低了主瓣315的强度及其在长距离上诱导吸收以形成延伸穿过透明工件160的整个厚度的弯曲缺陷272的有效性。实际上，线42示出，艾里射束聚焦区域313的瑞利长度与增加艾里射束聚焦区域313的强度具有强的负相关性，并且示出了降低艾里射束聚焦区域313的强度的另一益处。例如，图7C示出了随着强度增加到100TW/cm2，瑞利长度急剧下降。
现在参考图8A-图9B，现在将描述实施例：修改艾里射束312的能量分布以增加由艾里射束聚焦区域313的主瓣315沉积在透明工件160中的激光能量的量而不增加最大强度(例如，不将最大强度增加到超过上述最大强度阈值)。增加沉积的激光能量同时使附带的非线性效应最小化的方法的一个示例是，将艾里射束聚焦区域313的强度分布成形为所谓的顶帽函数，或者在横向于传播方向的方向上的延伸距离上具有弱变化强度的其他函数。使用具有这种强度分布的经修改的艾里射束312’可以导致通过艾里射束聚焦区域313的能量的更一致分布，并避免在艾里射束聚焦区域313的中心产生高强度斑。这允许艾里射束聚焦区域313保持足够高的能量，以沿其长度在透明工件160中诱导吸收，同时将最大强度保持在最大强度阈值处或低于最大强度阈值。虽然本文描述了顶帽强度分布，但应理解，其他强度分布可以在不同的情况下提供益处。例如，具有随着艾里射束聚焦区域传播通过透明工件160而增加的强度的艾里射束聚焦区域可用于对抗透明工件160中的吸收，以贯穿透明工件160的深度保持恒定强度。
现在参考图8A和图8B，描绘了光学系统100’。光学系统100’被配置为将激光射束112转换成经修改的经相位调整的激光射束212’，当使用聚焦透镜130聚焦时，该经修改的经相位调整的激光射束212’形成经修改的艾里射束312’。光学系统100’包括图1A的光学系统100，其中添加了用于修改激光射束112的强度分布的衍射光学元件150。在一些实施例中，衍射光学元件150包括相位掩模/板或空间光调制器。
具体地，射束源110输出的激光射束112包括高斯能量分布，并且在穿过衍射光学元件150并到达相位调整设备120之后，激光射束112(现在是经修改的激光射束112’)包括经修改的顶帽能量分布。因此，由经修改的激光射束112’投射到相位调整设备120上的射束斑114’(图8B)包括顶帽能量分布。如本文所使用的，“顶帽能量分布”是指其中射束斑(例如，图8B的射束斑114’)的总能量的小于20％的注量小于最大注量的80％的能量分布。在图8B的说明性示例中，射束斑114’的总能量的80％或更多在以射束斑114’的最大注量的80％为界的内部区域(例如，内部区域115)内。换句话说，射束斑114’的注量小于最大注量的80％的部分占射束斑114’的总能量的小于20％。
现在参考图8B，与曲线图60相关联，示意性地描绘了使用图8A的光学组件200’形成的射束斑114’，曲线图60包括线62，线62示出了因变于射束斑114’内的相对径向位置的相对注量。在注量分布的峰值处的相对注量被归一化为1，并且注量分布的平衡被成比例地缩放。如图8B中所示，射束斑114’包括外周边118、内周边116和以内周边116为界的内部区域115，内周边116由特定的相对通量限定，诸如射束斑114’的最大通量的80％。在一些实施例中，射束斑114’包括能量分布，其中射束斑114’的总能量的小于10％具有小于最大注量的80％的注量。在一些实施例中，射束斑114’包括能量分布，其中射束斑114’的总能量的小于5％具有小于最大注量的80％的注量。在一些实施例中，射束斑114’包括能量分布，其中射束斑114’的总能量的小于5％具有小于最大注量的90％的注量。
再次参考图8A，具有经修改的顶帽能量分布的经修改的激光射束112’被引导到相位调整设备120上，以对经修改的激光射束112’施加立方相位调制，以形成经修改的经相位调整的激光射束212’。与图1A的光学系统100相似，被施加用于形成经修改的经相位调整的激光射束212’的立方相位调制使得当经修改的经相位调整的激光射束212’被聚焦透镜130聚焦时，经修改的经相位调整的激光射束212’形成经修改的艾里射束312’，经修改的艾里射束312’聚焦到聚焦透镜130的焦点FP附近的经修改的艾里射束聚焦区域313’中。因为经修改的激光射束112’包括顶帽能量分布，所以所得的经修改的艾里射束聚焦区域313’包括跨经修改的艾里射束聚焦区313’的主瓣315的一致的、更均匀的能量分布，从而使经修改的艾里射束聚焦区域313’的最大强度最小化。这允许经修改的艾里射束聚焦区域313’保持足够高的能量以沿其长度产生诱导吸收，同时将经修改的艾里射束聚焦区域313’保持在最大强度阈值处或低于最大强度阈值，以最小化或防止附带的非线性效应。
在一些实施例中，光学系统100’还可以包括4F系统，该4F系统包括透镜对(即，第二透镜上游的第一透镜)和该对透镜之间的空间滤波器。4F系统可以被设置在衍射光学元件150和相位调整设备120之间，使得空间滤波器可以阻挡经修改的激光射束112’的第0阶和更高阶，从而仅允许经修改的激光射束112’的第一阶穿过4F系统。在该配置中，图8B的射束斑114’以4F系统中第二透镜的一个焦距在4F系统的第二透镜的下游处被实现，因此，相位调整设备120可以以4F系统的第二透镜的一个焦距被设置在4F系统的第二透镜的下游处。
现在参考图9A和图9B，使用图1的艾里射束聚焦区域313(其为高斯艾里射束(图9A))形成的示例弯曲缺陷172E，以及使用图8A的经修改的艾里射束聚焦区域313’形成的示例弯曲缺陷172F，其为使用具有经修改的(即，顶帽)能量分布的高斯射束形成的。图9A的示例弯曲缺陷172E和图9B的示例弯曲缺陷172F各自形成有相同的激光强度，即总能量(即，空间集成能量)。图9B示出，顶帽能量分布通过贯穿透明工件160的深度而增加由经修改的艾里射束聚焦区域313’赋予的诱导吸收并减少附带的非线性效应(通过在远离图9A的弯曲缺陷172E的横向方向上的损伤来证明)来提高弯曲缺陷172的质量。实际上，图9A和图9B示出，经修改的艾里射束聚焦区域313’有助于使用比艾里射束聚焦区域313更低的最大强度，而不会降低弯曲缺陷172的质量。例如，经修改的艾里射束聚焦区域313’的最大强度可以包括0.125TW/cm2到50TW/cm2、0.7TW/cm2到50TW/cm2、0.7TW/cm2到35TW/cm2、0.7TW/cm2到25TW/cm2、0.7TW/cm2到15TW/cm2、1TW/cm2到50TW/cm2、5TW/cm2到50TW/cm2、1TW/cm2到25TW/cm2、1TW/cm2到10TW/cm2、1TW/cm2到5TW/cm2，或具有这些值中的任意两个值作为端点的任意范围。
现在参考图10-图12B，现在将描述实施例：其中激光射束112包括脉冲激光射束，使得艾里射束312包括脉冲艾里射束，该脉冲艾里射束包括每脉冲串具有2个子脉冲或更多子脉冲的脉冲串。脉冲串增加了由艾里射束聚焦区域(即，脉冲艾里射束聚焦区域)的主瓣315在透明工件160中沉积的激光能量的量，而不增加最大强度。图10以图形方式描绘了示例脉冲串50内的因变于时间的激光脉冲的相对强度。每个脉冲串50包括至少两个子脉冲51。例如，每个脉冲串50可以包括2个子脉冲到30个子脉冲、2个子脉冲到20个子脉冲、2个子脉冲到15个子脉冲、2个子脉冲到12个子脉冲、2个子脉冲到10个子脉冲、2个子脉冲到5个子脉冲，或具有这些值中的任意两个值作为端点的任意范围。
脉冲串(诸如脉冲串50)是由射束源110发射并与材料(即透明工件160的材料中的MPA)相互作用的子脉冲的短而快的群组(即子脉冲的紧密簇，诸如子脉冲51)。使用脉冲串50(相对于单个脉冲操作)增大了弯曲缺陷172的大小(例如，横截面大小)，这在沿轮廓170分离透明工件160时有助于相邻弯曲缺陷172的连接，从而使进入透明工件160的剩余部分的主体的裂纹形成最小化。与相同的透明工件160中在相邻弯曲缺陷172之间具有相同间隔的相同形状的轮廓170的断裂阻力相比(该相同透明工件160是使用具有与脉冲串50的子脉冲的组合能量相同的能量的单个脉冲激光形成的)，当轮廓170的弯曲缺陷172由具有至少两个子脉冲51的脉冲串50形成时，沿着轮廓170分离透明工件160所需的力(即断裂阻力)有所降低。
在不旨在受理论限制的情况下，如果艾里射束聚焦区域313作为脉冲串(即，脉冲艾里射束聚焦区域)被引导到透明工件160中，并且时间上相邻的子脉冲之间的时间等于或小于透明工件160中的热扩散速率，则透明工件160中来自随后的子脉冲的温度上升是累积的。这种累积的温度上升可以贯穿透明工件160的深度而增加由艾里射束聚焦区域313赋予的诱导吸收，并减少附带的非线性效应。每个脉冲串50可以包括10ps到5ns(诸如100ps到1ns)的串持续时间(即，脉冲串50中的第一子脉冲的开始和脉冲串50中的最后子脉冲的结束之间的时间)。在不旨在受理论限制的情况下，通过增加串持续时间，同时仍然保持时间上相邻的子脉冲之间的时间足够低以在透明工件160中产生诱导吸收和快速的温度上升，可以向透明工件160递送更多的功率，同时最小化或者甚至避免不希望的非线性效应。
现在参考图11A和图11B，描绘了使用单个脉冲(弯曲缺陷172G)和脉冲串(弯曲缺陷172)形成的两个示例弯曲缺陷172G和172H。每个弯曲缺陷172G和172H都是使用具有0.85TW/cm2强度的艾里射束聚焦区域形成的，但是图11A的弯曲缺陷172G是用单个脉冲形成的，而弯曲缺陷172H是由具有11个子脉冲的脉冲串形成的，每个子脉冲在时间上间隔20ns。在图11A中，弯曲缺陷172G是微弱的，因为仅发生了最小量的非线性吸收。相反，由具有11个子脉冲的脉冲串形成的、图11B中所示的弯曲缺陷172H比弯曲缺陷172G形成得更好，并且因此对于促进透明工件160的分离以在所得经分离的物品上形成非方形(例如，牛鼻(bullnose))边缘更可行。在不旨在受理论限制的情况下，脉冲串在透明工件160的材料中产生比单个脉冲更高的峰值温度，从而形成更好的弯曲缺陷。实际上，图11A和图11B示出，脉冲艾里射束聚焦区域有助于使用比用非脉冲射束形成的艾里射束聚焦区域更低的最大强度，而不会降低弯曲缺陷172的质量。例如，脉冲艾里射束聚焦区域可以包括0.125TW/cm2到50TW/cm2、0.7TW/cm2到50TW/cm2、0.7TW/cm2到35TW/cm2、0.7TW/cm2到25TW/cm2、0.7TW/cm2到15TW/cm2、1TW/cm2到50TW/cm2、5TW/cm2到50TW/cm2、1TW/cm2到25TW/cm2、1TW/cm2到10TW/cm2、1TW/cm2到5TW/cm2，或具有这些值中的任意两个值作为端点的任意范围。
鉴于上述描述，应理解，透明工件的激光加工可以包括：使用具有自弯曲特性的低强度艾里射束在透明工件中形成包括多个弯曲缺陷的轮廓，以提供在最小颗粒生成和不希望的损坏内形成非方形边缘的高吞吐量工艺。低强度艾里射束使对透明工件的意外损坏最小化，并促进了所得非方形边缘的粗糙度最小的情况下的高效分离。
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/取向的情况下，在任何方面，决不旨在推断顺序或定向/取向。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“一部件”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 (20)

1.一种用于加工透明工件的方法，所述方法包括：
将由射束源输出的激光射束引导到相位调整设备上，使得所述相位调整设备下游的所述激光射束包括艾里射束；以及
将所述艾里射束引导到所述透明工件的表面上，其中所述艾里射束在所述透明工件中形成艾里射束聚焦区域，所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束包括100TW/cm2或更小的最大强度，所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束在所述透明工件中诱导吸收，所述诱导吸收在所述透明工件中产生弯曲缺陷。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束包括主瓣和多个旁瓣，并且所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束的能量的至少50％被设置在所述主瓣上。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束的所述最大强度是25TW/cm2或更小。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束的所述最大强度是0.7TW/cm2到100TW/cm2。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述相位调整设备包括具有立方相位调制的相位板。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，进一步包括：将所述透明工件和所述艾里射束中的至少一者沿着轮廓线相对于彼此进行平移，以形成包括多个所述弯曲缺陷的轮廓。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个弯曲缺陷中的相邻弯曲缺陷之间的间隔是35μm或更小。
8.如权利要求6或7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，从而在所述透明工件上形成非方形边缘。
9.一种用于加工透明工件的方法，所述方法包括：
将由射束源输出的激光射束引导到相位调整设备上，使得所述相位调整设备下游的所述激光射束包括艾里射束，其中所述激光射束在所述相位调整设备上投射射束斑，所述射束斑包括能量分布，其中所述射束斑的总能量的20％或更小具有小于所述射束斑的最大注量的80％的注量；以及
将所述艾里射束引导到所述透明工件的表面上，其中所述艾里射束在所述透明工件中形成艾里射束聚焦区域，所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束包括0.125TW/cm2到50TW/cm2的最大强度，所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束在所述透明工件中诱导吸收，所述诱导吸收在所述透明工件中产生弯曲缺陷。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述艾里射束聚焦区域的所述艾里射束的所述最大强度是0.7TW/cm2到15TW/cm2。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于：
所述激光射束在照射所述相位调整设备之前穿过衍射光学元件；并且
所述衍射光学元件修改所述激光射束的所述能量分布，以形成所述射束斑。
12.如权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述射束斑的所述总能量的10％或更少小于所述射束斑的所述最大注量的80％。
13.如权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述射束斑的所述总能量的5％或更少小于所述射束斑的所述最大注量的90％。
14.如权利要求9-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述相位调整设备包括具有立方相位调制的相位板。
15.如权利要求9-14中任一项所述的方法，进一步包括：
将所述透明工件和所述艾里射束中的至少一者沿着轮廓线相对于彼此进行平移，以形成包括多个弯曲缺陷的轮廓；以及
对所述轮廓施加应力以沿着所述轮廓分离所述透明工件，从而在所述透明工件上形成非方形边缘。
16.一种用于加工透明工件的方法，所述方法包括：
将由射束源输出的脉冲激光射束引导到相位调整设备上，使得所述相位调整设备下游的所述脉冲激光射束包括脉冲艾里射束，其中所述脉冲激光射束包括每脉冲串具有2个子脉冲或更多个子脉冲的脉冲串；以及
将所述脉冲艾里射束引导到所述透明工件的表面上，其中所述脉冲艾里射束在所述透明工件中形成脉冲艾里射束聚焦区域，所述脉冲艾里射束聚焦区域的所述脉冲艾里射束包括0.125TW/cm2到50TW/cm2的最大强度，所述脉冲艾里射束聚焦区域的所述脉冲艾里射束在所述透明工件中诱导吸收，所述诱导吸收在所述透明工件中产生弯曲缺陷。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述脉冲艾里射束聚焦区域的所述脉冲艾里射束的所述最大强度是0.7TW/cm2到15TW/cm2。
18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光射束的每个脉冲串包括10ps到5ns的串持续时间。
19.如权利要求16-18中任一项所述的方法，其特征在于，所述相位调整设备包括具有立方相位调制的相位板。
20.如权利要求16-19中任一项所述的方法，进一步包括：
将所述透明工件和所述脉冲艾里射束中的至少一者沿着轮廓线相对于彼此进行平移，以形成包括多个弯曲缺陷的轮廓；以及
对所述轮廓施加应力以沿着所述轮廓分离所述透明工件，从而在所述透明工件上形成非方形边缘。
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