JP2019532908A - 強度マッピング光学システムによる材料のレーザー切断 - Google Patents

強度マッピング光学システムによる材料のレーザー切断 Download PDF

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Abstract

ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ、を含み、当該焦線が、長さＬと、当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布がその平均ピーク強度から４０％以上変動しない、好ましくは３０％または２０％以下しか変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルとを有する、ワークピースをレーザー加工する方法。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条の下、２０１６年８月３０日に出願された米国特許仮出願第６２／３８１，３４５号に対する優先権の恩典を主張するものであり、なお、本出願は、当該仮出願の内容に依拠し、かつ当該仮出願の全体が参照により本明細書に組み入れられる。本出願は、米国特許法第１１９条の下、２０１６年９月３０日に出願された米国特許仮出願第６２／４０２，３３７号に対する優先権の恩典を主張するものでもあり、なお、本出願は当該仮出願の内容に依拠し、かつ当該仮出願の全体が参照により本明細書に組み入れられる。
本開示は、概して、透明材料のレーザー加工、より詳細には、非回折性レーザービームによって形成された焦線によるそのような材料の切断またはそのような材料における穴形成に関する。
本明細書において引用される参考文献はいずれも、先行技術を構成することを承認するものではない。出願人は、引用される全ての文献の正確性および適切性に対する挑戦権を明確に保有する。
本開示の一実施形態は、ワークピースをレーザー加工する方法であって、
ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップを含み、当該焦線が、長さＬと、当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％以上変動しない、好ましくは３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、さらにより好ましくは１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルとを含む、方法に関する。いくつかの実施形態により、当該レーザービーム焦線は、軸対称である。他の実施形態により、当該レーザービーム焦線は、軸対称ではない（例えば、それは、楕円の断面を有し得る）。いくつかの実施形態により、当該レーザービーム焦線は、中央スポットまたは中央ローブが軸対称の断面を有する、ガウス−ベッセルビームまたはベッセルビームによって形成される。いくつかの実施形態により、当該レーザービーム焦線は、中央スポットまたは中央ローブが非軸対称の断面を有する、ガウス−ベッセルビームまたはベッセルビームによって形成される。
いくつかの実施形態により、当該方法はさらに、当該ワークピースに向けられた当該レーザービーム焦線に当該パルスレーザービームを集束させるための少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用するステップを含む。いくつかの実施形態により、当該非球面状表面は、屈折素子または反射素子の曲面である。いくつかの実施形態により、当該光学システムは、少なくとも２つの非球面光学部品を含む。
いくつかの実施形態により、（ｉ）当該焦線は、焦線の当該長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％以上変動しない、例えば、３５％、さらには３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは１５％を超えて変動しない、より好ましくは１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有するか、あるいは、（ｉｉ）当該焦線は、当該焦線の長さＬにおける強度分布が、４０％以上変動しない、好ましくは３５％または３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、さらにより好ましくは１５％、さらには１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する。
いくつかの実施形態により、当該光学システムは、
（ｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該レーザービーム焦線の直径Ｄが、欠陥線の長さＬの少なくとも９０％に対する最大直径から１５％を超えて変動しないような、あるいは（ｉｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しないような、当該レーザービーム焦線を形成するように構築される。
いくつかの実施形態により、当該焦線は、単位長さあたりのエネルギー密度によって特徴付けられ、伝搬軸に沿った単位長さあたりの焦線の当該エネルギー密度は、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％において１５％を超えて変動せず、好ましくは、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％において１０％を超えて変動しない。
いくつかの実施形態により、光学システムは、任意の断面に対し、当該焦線に対して異なる高さにおいて当該光学システムを出る光ビームが、お互いに対して１０％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって収束するように構築される。
いくつかの実施形態により、透明材料をレーザー加工するための装置は、
ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
変形ガウス−ベッセルビーム（ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｇａｕｓｓ−Ｂｅｓｓｅｌ ｂｅａｍ）を形成する光学システムであって、少なくとも２つの非球面部品を含み、当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと、
を含み、
当該レーザービーム焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、（ｉ）総強度の７５％超、さらには８０％超が、伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大出力ポイントの間に含まれるように；および／または、（ｉｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する直径Ｄが、当該長さＬの少なくとも９０％において最大直径から２０％を超えて変動せず、好ましくは１０％以下しか変動しないように、伝搬軸に沿った領域内に閉じ込められる。
この装置のいくつかの実施形態により、当該装置の光学システムは、当該ワークピースに向けられた当該レーザービーム焦線に当該パルスレーザービームを集束させるための少なくとも１つの非球面状表面を含む。
いくつかの実施形態により、当該非球面状表面は、屈折素子または反射素子の曲面である。いくつかの実施形態により、当該光学システムは、少なくとも２つの非球面光学部品を含む。
いくつかの実施形態により、装置は、当該ビーム焦線が、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと、断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面を有し、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方が、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きいように、構築される。
いくつかの実施形態により、当該ビーム焦線が、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと、断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面を有し、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方が、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きい。
いくつかの実施形態により、当該方法は、ビーム光源と透明ワークピースとの間に位置決めされたデコヒーレンス化光学素子を使用して当該パルスレーザービームの第２ビーム部分から当該パルスレーザービームの第１ビーム部分をデコヒーレンス化するステップを含む。例えば、いくつかの実施形態により、第１ビーム部分を第１偏光へと偏光し、第２ビーム部分を第２ビーム部分に直交する第２偏光へと偏光するステップは、当該第２ビーム部分から当該第１ビーム部分をデコヒーレンス化する。いくつかの実施形態により、当該デコヒーレンス化光学素子は、少なくとも１つの波長板（例えば、スピリットクォーター波長板ＳＱＷ）を含む。
いくつかの実施形態により、当該方法はさらに、光学ブロッキング素子を越えて当該パルスレーザービームを向かわせるステップを含み、この場合、当該光学ブロッキング素子は、円錐波面を生成する光学素子と透明ワークピースとの間に位置決めされる。好ましくは、当該ビーム断面は、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面であり、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方は、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きい。
いくつかの実施形態により、当該方法はさらに、当該パルスレーザービームの第１部分に別の部分（当該パルスレーザービームの第２部分）と比べて特定の光遅延（リタデーション）を誘起するように構成された光遅延板（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｌａｙ ｐｌａｔｅ）の使用を含む。例えば、当該光遅延板は、当該パルスレーザービームの半分に対してπの光リタデーションを誘起し得（レーザー波長の１つの光周期は、光位相の２πラジアンに至ると考えられ、そのため、πの光リタデーションは、光周期の１／２の遅延である）、当該パルスレーザービームの半分に対して０．８７５πの光リタデーションを誘起し得、いくつかの実施形態では、当該レーザービームの半分に対して０．５πの光リタデーションを誘起し得る。好ましくは、当該ビーム断面は、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面であり、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方は、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きい。
いくつかの実施形態により、当該ワークピースは、（ａ）コーティングを含む少なくとも一部分と、（ｂ）コーティングを含まない少なくとも一部分とを含む。
本開示の一実施形態は、
ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ、
を含む、ワークピースをレーザー加工する方法であって、
当該焦線が、長さＬと、当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％以上変動しない（例えば、３５％以上変動しない、または３０％を超えて、または２５％を超えて、または２０％を超えて変動しない）ような、実質的に均一な強度プロファイルとを有する、
方法に関する。
別の実施形態は、
ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ
を含む、ワークピースをレーザー加工する方法であって、
長さＬを有する当該焦線が、ビーム伝搬の方向における、当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が、最大ピーク強度から２０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、
方法に関する。
別の実施形態は、
（ｉ）当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップと；
（ｉｉ）レーザービーム焦線をワークピース内に向かわせるステップであって、当該レーザービーム焦線が当該ワークピース材料内に誘起吸収を発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップと
を含む、ワークピースをレーザー加工する方法であって、
当該焦線が、長さＬと、ピーク軸上光出力プロファイルとを有し、当該出力の８０％が当該伝搬軸に沿った出力分布の半最大出力ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光出力が、伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
方法に関する。
本開示のさらなる実施形態は、
（ｉ）当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップと；
（ｉｉ）レーザービーム焦線をガラスワークピース内に向かわせるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップと
を含む、ガラスワークピースをレーザー加工する方法であって、
当該焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、かつ、総強度の＞７０％、好ましくは７５％超または＞８０％が当該伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大ピーク強度ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、当該伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
方法に関する。
本開示のさらなる実施形態は、
（ｉ）当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップと；
（ｉｉ）レーザービーム焦線をガラスワークピース内に向かわせるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップと
を含む、ガラスワークピースをレーザー加工する方法であって、
当該焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、かつ、総エネルギーの７５％、さらには＞８０％超（例えば、＞８５％、または９０％超）が当該伝搬軸に沿ったピーク強度分布における半最大ピーク強度ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが当該伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
方法に関する。
追加の実施形態は、
（ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
（ｉｉ）変形ガウス−ベッセルビームを形成する光学システムであって、少なくとも２つの非球面部品を含み、当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと
を含む、透明材料をレーザー加工する装置であって、
当該レーザービーム焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、かつ、総強度の８０％超が当該伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大ピーク強度ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、当該伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
装置を対象とする。
追加の実施形態は、
（ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
（ｉｉ）変形ガウス−ベッセルビームを形成する光学システムであって、少なくとも１つの非球面部品を含み、長さＬと直径Ｄとを有し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して当該焦線の最大直径から２０％を超えて変動しないような、当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと、
を含む、透明材料をレーザー加工する装置を対象とする。
さらなる特徴および利点について、以下の詳細な説明において述べ、ある程度、その説明から当業者には容易に明かとなるか、または記述された説明および本発明の特許請求の範囲ならびに添付の図面において説明されるような実施形態を実践することによって認識されるであろう。
上述の全般的説明および以下の詳細な説明の両方は、単なる例示であり、特許請求の範囲の本質および特質を理解するための概要または枠組みを提供することを意図していることは理解されたい。
添付の図面は、さらなる理解を提供するために含められており、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を成すものである。当該図面は、１つまたは複数の実施形態を例示するものであり、説明と共に、様々な実施形態の原理および作用を説明するのに役に立つ。
典型的なアキシコン部品に投射するコリメートされたガウスビームと当該アキシコン部品によって形成された焦線の概略断面図である。 ワークピースに欠陥線を形成するための焦線を形成する例示的光学システムの光学部品の概略図である。 例えば、図２の光学システムによって形成された、ガウス−ベッセルビームの横断面を示す。 光軸に沿った距離ｍｍの関数としての、焦線の長さに沿ったガウス−ベッセルビームにおけるモデル化されたピーク強度分布を示す。 光軸に沿った距離ｍｍの関数としての、焦線の長さに沿ったガウス−ベッセルビームにおける測定されたピーク強度分布を示す。 どの程度のガウス−ベッセルビーム強度プロファイル内の光エネルギーのかなりの部分が利用できないかを示す。 一実施形態による、変形ガウス−ベッセルビーム（ＭＧＢ）によって提供される、典型的なガウス−ベッセルビーム強度プロファイルおよび「トップハット」強度分布を示す。 図５Ａに示された強度閾値（ピークの％強度として表現される、ｘ軸）に対する、ＭＧＢビーム内およびガウス−ベッセルビーム内に含まれる総エネルギー（ｙ軸）のプロットを示す。 ガウス−ベッセルビームおよびＭＤＢの両方の、同じ領域に含まれるレーザー焦線の総エネルギーの割合に対する、光軸に沿ったレーザービーム焦線の％ピーク強度変動（同じ領域内の平均ピーク強度の％として）のプロット。 本発明の実施形態による、変形ガウス−ベッセルビーム（ＭＧＢ）の発生のための適切な光学面を計算する場合に考慮する、光学システムの特徴の概略図。 本発明の一実施形態による、光学部品（変形アキシコン）およびそれからの光線の軌跡を示す。 本発明のいくつかの実施形態による他の光学部品を示す。 ガラスおよび他の材料をレーザー加工または切断するための屈折光学システムの一実施形態を示す。当該光学システムは、当該光学システムによって形成された焦線が実質的に均一なピーク強度分布および実質的に一定な直径を有するような変形ガウス−ベッセルビームを形成するように構築される。 図９Ａの光学部品をより詳細に示す。 実質的に均一なピーク強度分布および実質的に一定な直径を有する焦線を形成する変形ガウス−ベッセルビームを提供するように構築された、ガラスおよび他の材料をレーザー加工または切断するための光学システムの他の実施形態を示す。 実質的に均一なピーク強度分布および実質的に一定な直径を有する焦線を形成する変形ガウス−ベッセルビームを提供するように構成された、ガラスおよび他の材料をレーザー加工または切断するための光学システムの他の実施形態を示す。 ガラスおよび他の材料をレーザー加工または切断するための光学システムの一実施形態によって形成された焦線内において測定されたピーク強度分布を示す。 図１１Ａに示されるピーク強度分布を有する焦線の中心および焦線の片端付近でのビーム断面を示す。 図１１Ａおよび１１Ｂに対応する実施形態における、焦線を形成するときの、当該光線が光軸と交差する位置に対する入力光線高さｈｉを示す。 別の実施形態における、焦線を形成するときの、当該光線が光軸と交差する位置に対する入力光線高さｈｉを示す。 さらなる別の実施形態における、焦線を形成するときの、当該光線が光軸と交差する位置に対する入力光線高さｈｉを示す。 一実施形態によるＭＧＢビームによって形成された、モデル化されたピーク強度分布および測定されたピーク強度分布を示す。 一実施形態によるＭＧＢビームによって形成された、測定されたピーク強度分布を示す。 同じ実施形態の光学システムで使用される３つの異なるサイズの入力ガウスビームにおける、光軸に沿った距離に対する正規化されたピーク強度分布（ＩＭＡＸ＝１）を示す。 改質ガラスの、等しく離間された欠陥線または損傷軌跡を有する断層線（または穿孔線）の図である。 改質ガラスの、等しく離間された欠陥線または損傷軌跡を有する断層線（または穿孔線）の図である。 本明細書において説明されるいくつかの実施形態による光学システムによって形成された焦線に沿った誘起吸収による材料加工の概略図である。 パルスバーストおよびパルスバースト内の多重パルスを示す。 パルスバーストおよびパルスバースト内の多重パルスを示す。
本明細書において説明される材料のレーザー加工の分野は、切断、開孔、微粉砕、溶接、溶融などの多種多様な用途および様々なタイプの材料を包含する。これらの材料は、例えば、化学強化されたガラス基板（例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ 社から入手可能なＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスなど）、またはアルカリ土類アルミノホウケイ酸ガラス組成ガラス、例えば、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）ガラス組成物、例えば、Ｅａｇｌｅ ＸＧ（登録商標）、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｌｏｔｕｓ（商標）、ソーダ石灰ガラスなど、熱的に強化された（焼き戻しされた）ガラス、溶融シリカ、または他のガラス基板であり得る。当該方法は、例えば、必要に応じて、より大きなガラス基板からガラス片を切断するため、ガラスに穿孔、欠陥線、貫通孔を作製するため、またはガラスの面取りを行うために使用することができる。本明細書において説明される方法は、ミクロンスケールの穴を形成するために用いることもでき、そのような穴は、例えば、高速電気信号をルーティングする際に有用なガラス「インタポーザ」を作製するために使用することができる。
例えば、より大きなガラス基板からガラス片を切断するために、当該プロセスは、所望の形状を描き、亀裂伝播のための、したがって、基板マトリックスからの所望の形状のガラスの分離および脱離のための最小の抵抗の経路を確立する、欠陥線、輪郭、または経路１１０を作製する（例えば、図１５Ａを参照されたい）。レーザー分離法は、元の基板からのガラス形状物の、手動または機械による分離、部分的なまたは完全な分離、を可能にするように調整および構成することができる。
加工される対象、例えば、下記において説明されるガラスワークピース７など、は、レーザー５によって提供されるパルスレーザービームを照射される。当該パルスレーザービームは、例えば、下記において説明される、実質的に均一な強度分布および高いエネルギー密度を有する高アスペクト比の線（焦線４’）に集光される超短（１００ピコ秒未満のパルス幅）パルスレーザービームであり得る。当該レーザービームの波長は、例えば、１０６４ｎｍ以下であり得る。焦線４’は、加工されるワークピース７の厚さを貫いて穿孔する。いくつかの実施形態において、当該ワークピース７は、ガラス基板である。当該ワークピース７の材料は、高エネルギー密度のこの体積内において、非線形効果によって改質される。この高い光強度が無ければ、非線形吸収は引き起こされないということに注目することは重要である。この強度閾値未満では、当該材料は、レーザー照射に対して透明であり、元の状態のままである。所望の線または経路の上に当該レーザービームによって形成される焦線をスキャンすることにより、本発明者らは、分離されるべき境界線または形状を画定するために使用することができる輪郭または経路に沿って複数の狭い欠陥線１２０（数マイクロメートル幅）を作製する。
焦線は、光ビームの集束スポットが、ガウスビームによって形成される同じサイズの単一の焦点スポットの典型的な回折特性によって予想されるより長い長さにわたって維持される領域である。あるポイント（または少なくとも非常に短い領域）に集束されるビームではなく、焦線に対応する当該ビームは、ビーム伝搬方向に沿って延在する領域に集束される。本明細書において言及される、焦線の「長さＬ」は、ピーク断面ビーム強度がその最大ピーク値の１／２に下がるポイントの間の距離（ビーム伝搬方向に沿った焦線内の距離）である。ガウスビームの場合、スポットサイズが平方根の倍率内に維持される当該典型的な長さは、典型的にはπ＊ｗ０２／λによって与えられるレイリー範囲であり、この場合、λは、当該光の波長であり、ｗ０は、ガウスビームスポットの１／ｅ２半径である。焦線を形成するための戦略の１つは、準非回折性ビームを形成することであり、これは、レーザーシステムにおいて一般的であるガウスビームプロファイルを用いる代わりに、ガウスビームよりはるかにゆっくりと効果的に回折する、ベッセルプロファイルまたはガウス−ベッセルプロファイルなどのより洗練されたビーム形状を使用することができる。準非回折性ビーム、レイリー範囲、およびこれらのより複雑なビームプロファイルのスポット直径をどのようにして測定するかについてのより詳細な説明は、本明細書において後で提示される。
焦線４’に含まれる光エネルギーは、実質的に透明な材料、例えば、ガラス複合材ワークピースなど、において、多光子吸収（ＭＰＡ）を生じさせることができる。ＭＰＡは、分子をある状態（通常、基底状態）からより高いエネルギー電子状態（イオン化）へと励起するための、同じまたは異なる周波数の２つ以上の光子の同時吸収である。
ＭＰＡの場合、当該分子における、関与するより低いエネルギー状態とより高いエネルギー状態の間のエネルギー差は、２つ以上の光子のエネルギーの合計に等しい。ＭＰＡは、誘起吸収とも呼ばれ、例えば、線形吸収より数桁弱い、２次または３次プロセス（またはより高次のプロセス）であり得る。それは、例えば、２次誘起吸収の強度が光強度の２乗に比例し得る点において、線形吸収とは異なっており、したがって、それは、非線形光学プロセスである。
任意の所望のパーツの形状を描く穿孔された領域を作り出すために、ガラス基板またはワークピース７は、当該レーザーミームによって形成された焦線４’に対して移動される（または、レーザービーム焦線は、当該ガラスに対して平行移動される）。例えば、少なくともいくつかの実施形態において、当該レーザービーム焦線４’は、例えば、およそ０．３〜１マイクロメートルの直径の内部開口部を有する、ガラスの深さ全体を貫通する穴状の欠陥ゾーン（または損傷軌跡、または欠陥線１２０）を作り出す。これらの穿孔、欠陥領域、損傷軌跡、または欠陥線は、概して、１マイクロメートルから５０マイクロメートル（例えば、１〜５０マイクロメートル、１〜２５マイクロメートル、５〜２５マイクロメートル、５〜３０マイクロメートル、８〜３０マイクロメートル、８〜４０マイクロメートル、１〜２０マイクロメートル、３〜１５マイクロメートル、または５〜１０マイクロメートル）において離間される。
欠陥または穿孔によるラインまたは輪郭が作製されると、１）固有材料応力（例えば、化学強化による）、手動により適用された応力、または他の機械的手段、これは、穿孔された断層線１１０上またはその周りに応力を生じさせ；当該応力または圧力は、穿孔された断層線の両側を引き離すように引っ張って、依然として一緒に結合していた領域を破壊する張力を生じさせるはずである；２）熱源の使用、これは、断層線１１０の周りに応力ゾーンを生じさせ、それにより、欠陥（本明細書において欠陥線１２０とも呼ばれる）または穿孔された断層線に張力を加え、部分的分離または完全分離を生じさせる、によって分離を行うことができる。どちらの場合も、分離は、いくつかのプロセスパラメータ、例えば、レーザースキャン速度、レーザー出力、レンズのパラメータ、パルス幅、繰り返し率など、に依存する。
本明細書において説明される少なくともいくつかの実施形態により、レーザー切断または穴形成プロセスは、焦線４’を発生させて様々なガラス組成物の本体を完全に穿孔する光学システムとの組み合わせにおいて、超短パルスレーザー５を使用する。本明細書において説明されるように、焦線４’は、当該焦線の長さＬ内における必要な距離に沿って、実質的に均一な光強度分布を提供する（例えば、図５ＡのＭＧＢ曲線などによって示されるように）。
いくつかの実施形態において、個々のパルスのパルス持続時間は、約１ピコ秒超から約１００ピコ秒未満の間の範囲、例えば、約５ピコ秒超から約２０ピコ秒未満の間など、であり、かつ個々のパルスの繰返し率は、約１ｋＨｚから４ＭＨｚの間の範囲、例えば、約１０ｋＨｚから６５０ｋＨｚの間の範囲など、であり得る。
前述の個々のパルスの繰返し率での単一のパルスの作動に加え、当該パルスは、約１ナノ秒から約５０ナノ秒の間、例えば、１０ナノ秒から３０ナノ秒の間、例えば、約２０ナノ秒など、であるバースト内での個々のパルスの間の持続時間によって分離される、２パルス以上（例えば、３パルス、４パルス、５パルス、１０パルス、１５パルス、２０パルス、またはそれ以上）のバーストにおいて生成することができ、ならびに当該バーストの繰り返し周波数は、約１ｋＨｚから約２００ｋＨｚの間の範囲であり得る（バースティングまたはパルスバーストの生成は、パルスの放出が、均一で一定の流れにおいてではなく、むしろ緊密なパルスのクラスターにおいてであるようなタイプのレーザー作動である）。当該パルスバーストレーザービームは、材料がその波長において実質的に透明であるように選択された作動波長λを有する。当該材料において測定されたバーストあたりの平均レーザー出力は、材料の厚さ１ｍｍあたり４０マイクロジュールを超え得、例えば、４０マイクロジュール／ｍｍから２５００マイクロジュール／ｍｍの間、または５００マイクロジュール／ｍｍから２２５０マイクロジュール／ｍｍの間、であり得る。例えば、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ厚のＣｏｒｎｉｎｇ Ｅａｇｌｅ ＸＧ（登録商標）ガラスの場合、２００μＪのパルスバーストを使用することにより、当該ガラスを切断し分離することができ、これは、１０００〜２０００μＪ／ｍｍの例示的範囲を与える。例えば、０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ厚のＣｏｒｎｉｎｇ Ｅａｇｌｅ ＸＧ（登録商標）ガラスの場合、４００〜７００μＪのパルスバーストを使用することにより、当該ガラスを切断し分離することができ、これは、５７０μＪ／ｍｍ（４００μＪ／０．７ｍｍ）から１４００μＪ／ｍｍ（７００μＪ／０．５ｍｍ）の例示的範囲に対応する。
本明細書において定義されるように、欠陥線１２０の直径または内径は、当該ガラスまたはワークピースにおける開口チャネルまたは通気孔の内径である。例えば、本明細書において説明されるいくつかの実施形態において、欠陥線１２０の内径は、＜５００ｎｍ、例えば、≦４００ｎｍ、または≦３００ｎｍである。さらに、欠陥線の内径は、例えば、レーザービーム焦線のスポット直径と同じ程度の大きさであり得る。当該レーザービーム焦線は、約０．１マイクロメートルから約５マイクロメートルの間の範囲、例えば、１．５マイクロメートルから３．５マイクロメートル、の平均スポット直径を有し得る。ガウス−ベッセルビームの場合、焦線直径Ｄ（Ｄ＝２Ｒ、例えば、図３Ａを参照されたい）は、中心強度ピークと、レーザービーム焦線が当該基板と相互作用する場合のレーザービーム焦線の断面プロファイルを近似するベッセル関数における第１Ｎｕｌｌ値との間の距離の２倍であると考えられ得る。ワークピースまたはガラスパーツが、断層線または輪郭１１０に沿って分離されると、切断面または分離面における欠陥線１２０は、可能性として、依然として見ることができ、かつ、例えば、欠陥線の内径に匹敵する幅を有し得る。したがって、本明細書において説明される実施形態の方法によって調製されたガラス物品の切断面における欠陥線１２０の幅は、例えば、約０．１マイクロメートルから約５マイクロメートルの間の幅を有し得る。
当該プロセスは、ガラスの単一のシートだけでなく、ガラスのスタックを切断するためにも使用することができ、単一のレーザー通過により数ｍｍの全高までガラススタックを完全に穿孔することができる。当該ガラススタックは、さらに、様々な位置において空気ギャップを有していてもよく；当該レーザープロセスは、依然として、単一の通過において、そのようなスタックの上側および下側のガラス層の両方を完全に穿孔するであろう。
ガラスが穿孔されると、当該ガラスが十分な内部応力を有する場合、亀裂が穿孔線に沿って伝播し、当該ガラス板は所望のパーツへと分離されるであろう。
本明細書において説明される方法および機器は、例えば、透明基板からの任意の形状の精密な切断および分離などのために利用することができ、より詳細には、端部強度および端部衝撃強度を保持し、ガラス端部の高レベルの信頼性を可能にする、パーツ端部への無視できる程度の破片および最小の損傷で、制御可能な方式により、ガラスに対して利用することができる。開発された当該レーザー法は、有利なことに、清浄で初期の状態の表面品質の維持、およびレーザー焦点の周りの高強度のエリアによって生じる表面下損傷の減少を可能にする。このプロセスの成功の鍵の１つは、超短パルスレーザーによって作り出された、下記によって説明されるような実質的に均一な強度分布を有する焦線４’によって作製された欠陥または欠陥線１２０の高アスペクト比である。それは、切断される材料の上面から底面まで延在する断層線１１０の作製を可能にする。原則として、この欠陥は、単一レーザーパルスまたは単一バーストパルスのいずれかによって作り出すことができる。
焦線の発生は、レーザー５によって提供されるガウスレーザービームを、変形ガウス−ベッセルビーム（ＭＧＢビーム）によって焦線４’を作り出す光学システム１２５（本明細書においてさらに詳細に説明される）へと送ることによって実施され得る。当該焦線４’は、約０．１ｍｍから約１００ｍｍの間、もしくは０．３ｍｍから１０ｍｍの間、もしくは約０．５ｍｍから約５ｍｍの間の範囲、例えば、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍ、約６ｍｍ、約７ｍｍ、約８ｍｍ、もしくは約９ｍｍなど、の長さＬ（すなわち、０．５最大強度ポイントの間の距離）、または約０．１ｍｍから約１ｍｍの間の範囲の長さを有する。焦線４’はさらに、約０．１マイクロメートルから約５マイクロメートルの間の範囲の平均スポット直径も有する。したがって、例えば、当該焦線４’は、０．３ｍｍから１０ｍｍの長さＬと、（その長さにおける）０．１マイクロメートルから約５マイクロメートルの間（例えば、０．２マイクロメートルから１または２マイクロメートル）の平均スポット直径とを有し得る。当該ガラスに作製された穴または欠陥線１２０は、それぞれ、０．１マイクロメートルから１０マイクロメートルの間、例えば、０．２５マイクロメートルから５マイクロメートル、例えば、０．２〜０．７５マイクロメートル、または０．３〜０．７５マイクロメートル、の直径を有する。
比較例−ガウス−ベッセルビームによる焦線の形成
標準的なレーザー機械加工システムは、一般的に、ガウスビーム（すなわち、ガウス強度分布を有するレーザービーム）を用いる。材料を改質させるのに十分なほど強力である十分に小さなスポットサイズへとビームが集束される場合、回折現象により、そのようなビームは、例えば、数マイクロメートル以下などの短い焦点深さを有する。対照的に、レーザー機械加工は、レーザービーム焦線を形成するガウス−ベッセルレーザービームによって実施することができ、そのようなビームは、ガウスビームによって形成される典型的な焦点に勝る利点を有しており、というのも、それらは、ガラス板に、当該ガラス板の深さを貫通して数ミリメートルに及び得るような、長い領域の材料改質を生じるためである。ガウス−ベッセルビームは、例えば、ガウス強度プロファイルを有する典型的なレーザービームを、屈折または反射アキシコンなどの光学部品、空間光変調器などの位相変更素子、またはＤａｍｍａｎｎ格子などの格子素子へと提供し、焦線を形成することにより、形成することができる。図１に表された比較例に示されるように、典型的なガウス強度分布を有する、コリメートされたレーザービーム２が、アキシコン３（すなわち、１つの円錐面３ａを有するレンズ部品）に提供され、これは、当該アキシコンの円錐面３ａに直接隣接して位置された延在する焦線４を作り出すガウス−ベッセルビームを形成する。図２は、当該延在する焦線４を、レーザービーム焦線４’（本明細書において焦線とも呼ばれる）としてワークピース７（例えば、ガラス基板）内に再結像（ｒｅｉｍａｇｅ）する再結像光学システム（ｒｅ−ｉｍａｇｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）６を示している。図２の再結像光学システム６は、２つの光学部品、すなわち、焦点長Ｆ１を有する光学部品６ａおよび焦点長Ｆ２を有する光学部品６ｂ、を含む。これらの部品は、距離Ｆ１＋Ｆ２によってお互いに離間され得る。当該再結像されたレーザービーム焦線４’は、当該焦線４’がレンズ部品６ｂに直接隣接して形成されないように、当該再結像光学システム６の裏面から離間される。
光学システム６のレンズ６ａおよび６ｂは、アキシコン３のすぐ後ろに作り出された焦線４を単純に拡大（または縮小）する。図３は、図２の光学システムによって形成されたガウス−ベッセルビーム（比較例において使用される光ビーム）の断面（半径方向プロファイル）を示している。図３に示された光学ビームの中央部分４ａ’（本明細書において中央スポットまたは中央ローブとも呼ばれる）は、焦線４’に対応しており、中央部分の周りのリングは、ガラス基板内へとさらに落ちる焦線の中央に向かって収束する光強度（ビーム）に対応している。焦線４’の中央部分４ａ’は、直径Ｄ（Ｄ＝２Ｒ）を有する。任意の所定の位置において、当該レーザービームエネルギーのほとんどは、中央部分４ａ’に集中し、ガウス−ベッセルビームの中央部分４ａ’は、ガラス基板７内に欠陥線１２０を作製するために利用されるものである。いくつかの実施形態において、直径Ｄが可能な限り小さいことは好ましい。
しかしながら、比較例の典型的なガウス−ベッセルビームによって形成される焦線４（および、結果として、焦線４’）は、光軸ＯＡ（すなわち、ビーム伝搬の方向）に沿って非常に不均一なピーク強度プロファイルを有する。ここで、用語「ピーク強度」は、レーザービームの断面（または横方向）プロファイルにおいて観察される最大強度を説明するために使用され、この場合、断面の平面は、ビーム伝搬方向に対して横方向であり、ビーム伝搬方向に沿った１つの所定の位置において評価される。当該ピーク強度は、典型的には、ビーム伝搬方向に沿ったある所定の位置でのガウス−ベッセルビームの中央スポット内に含まれるエネルギーの量に比例するであろう。焦線４に沿ってアキシコンの先端から距離ｚでのｘ−ｙ平面Ｐにおける比較のガウス−ベッセルビームの強度は、ガウス強度プロファイルを有する入力レーザービームを受け取るアキシコンによって形成される場合、以下の方程式：
Ｉ（ｒ，ｚ）＝Ｉ０（Ｒｚ）Ｒｚ２πｋ（ｓｉｎ（β）／ｃｏｓ２（β））Ｊ０ ２（ｋＲｓｉｎ（β） ） 方程式 １．１
によって与えられ、式中、Ｒｚは、投射ガウスビーム２の１／ｅ２ポイントにおいて測定された入力ビーム半径であり、Ｉ０（Ｒｚ）は、入力ビーム半径Ｒｚに対応したアキシコンに照射するライトビームの強度であり（すなわち、半径高さＲｚでのガウスビーム強度）、λは、当該レーザービームの波長であり、βは、当該レーザービームが焦線に向かって収束するときの当該レーザービームの収束角であり、Ｊ０は、第１種のゼロ次ベッセル関数であり（ベッセル微分方程式に対する解）、Ｒは、当該焦線の半径（すなわち、中央部分４ａ’の半径）であり、ｋ＝２π／λである。したがって、距離ｚにおける当該焦線の中央でのピーク強度は、以下：
Ｉｐ（ｚ）＝Ｉ０（Ｒｚ）Ｒｚ２πｋ（ｓｉｎ（β）／ｃｏｓ２（β）） 方程式１．２
によって与えられる。この方程式は、光軸（ｚ）に沿っての距離の関数として、ガウス−ベッセルビームの半径強度分布を説明するものであり、図４Ａ〜図４Ｃに示されるものに対応する。
図４Ａ〜図４Ｃに示されるように、（ビーム伝搬方向に沿った）典型的なガウス−ベッセルビームのピーク強度プロファイルは、図４Ａ〜図４Ｃに示されるように、非常に不均一である。焦線４の直径は、角度βに関連しており、当該焦線の直径Ｄは、角度β’に関連する。角度βは、焦線の小さなセクションに照射するかまたは作り出す光ビームの特定の一部分の開口数（ＮＡ）の指標であるとも見なすことができる。光物理学において知られるように、光ビームによって形成されるスポットの直径Ｄは、その光ビームの開口数に逆比例する。したがって、角度βが、焦線の長さに沿って変化する場合、これは、焦線の長さに沿ってそのＮＡが変化する、または焦線の長さに沿ってスポット直径が変化すると述べることに等しい。例えば、図４Ａに示されるように、屈折アキシコン、同じ機能を実施する位相素子、または回折性Ｄａｍｍａｎｎ格子が、入力ガウスビームから焦線４’を作り出すために利用される場合、ビーム伝搬軸（光軸ＯＡ）に沿った光ビーム強度（Ｉ）分布は、結果として、光軸ＯＡ（線ｚ）に沿ったいくつかの領域に存在する過剰なエネルギーを生じるが、ビームに沿った他の領域では十分ではない。ガウス−ベッセルビームのこの不均一な強度分布は、過剰なエネルギーを受け取るガラスワークピースのエリアにおいて望ましくない微小亀裂形成を生じ得、少なすぎるエネルギーを受ける領域では、材料の不十分な改質を生じ得る。ガウス−ベッセルビームの（光軸ＯＡに沿った）不均一なピーク強度分布は、断面サイズにおいて均一ではない穴の形成を生じ得、あるいは、ガラスワークピース７の一部分が、必要なサイズの穴を形成するには不十分な光出力を受け取る場合、不完全な穴を生じ得る。
より詳細には、図４Ａは、図２に示される比較の光学システムのガウス−ベッセルビームによって形成された、光軸ＯＡに沿った（および焦線４’の長さに沿った）距離ｚに対するモデル化されたピークビーム強度プロファイルのプロットである。図４Ａに示されるように、距離Ｌは、０．５Ｉｍａｘポイント（半最大ピーク強度ポイント、半最大出力にも対応する）の間のビーム伝搬方向に沿った距離である。図４Ａのピーク強度曲線は、例えば、比較の光ビーム（ガウス−ベッセルビーム）の中央において最後のレンズ部品６ｂから０．２５ｍｍの距離ｚが、当該レンズ部品６ｂから約０．８ｍｍ離れた位置において光軸ＯＡに沿って生じる最大強度Ｉｍａｘの約４０％であることを示している。しかしながら、ガウス−ベッセルビームのピーク強度Ｉ≦０．４Ｉｍａｘは、典型的なガラス基板を切断または改質するには十分ではあり得ず、結果として、基板内での欠陥線の不完全な形成を生じ得る。したがって、比較のガウス−ベッセルビームの末端に位置される光エネルギーは、典型的には、ガラス切断用途において使用可能ではない。
図４Ｂは、光軸ＡＯ上の異なる位置（最後のレンズ部品６ｂから異なる距離ｚ）において図２の例示的な比較の光学システムによって生成されたピーク強度Ｉの測定値のプロットを示している。より詳細には、図４Ｂは、光軸ＯＡに沿った距離の関数としての、焦線４’が位置される光軸ＯＡに沿って測定された光ビームのピーク強度のプロットである。図４Ｂのプロットに対応するガウス−ベッセルビームは、アキシコンレンズ３と、およそ２ｍｍの長さＬの焦線４’を作り出した２レンズシステム６とを使用して形成された。すなわち、この例において、図４Ｂに示されるように、最大強度の１／２（すなわち、０．５Ｉｍａｘ）に対応する強度のポイント（Ａ、Ａ’）は、約２ｍｍ離れている。図４Ｂに示されるように、測定されたガウス−ベッセルビームのピーク強度は、焦線４’の長さに沿って非常に不均一であり、図４Ａに示されるものと同様の形状を有する。
図４Ｃは、図４Ａおよび図４Ｂと同様であり、ガウス−ベッセルビームによって作り出された別の比較の焦線のピーク強度分布を、光軸に沿った距離ｚの関数として、０ｍｍから１２ｍｍの間のｚ値に対して示している（距離ｚは、再結像システム６の最後の光学部品の後ろの距離である）。図４Ｃにおいて、実線は、モデル化された結果に対応しており、円は、測定データに対応している。網掛け領域に対応する光強度は、ガラス基板の所定の厚さ内においてガラスを改質させるために（すなわち、欠陥線１２０、例えば、穴など、を作製するために）必要な強度である。この実施例において、ガラス基板７は、位置ｚ≒１．５ｍｍから位置ｚ≒６．７５ｍｍの光軸に沿って延在する厚さｔを有する。しかしながら、図４Ｃから分かるように、この比較例において、網掛け領域の外側の光出力は、効果的に浪費される。０＜ｚ＜１．５ｍｍおよび７ｍｍ＜ｚ＜１２ｍｍの領域では、当該光出力（したがって、強度）は、効果的にガラスを改質するほど十分には強くない。さらに、この実施形態において、ガラスを改質するのに必要とされる光出力を超える光出力（または強度）も、生産的には使用されないため、浪費される。例えば、図４Ｃの網掛けエリアの上方に位置される、０．６Ｉｍａｘを超えるピーク強度に対応する光エネルギーは、効果的にガラスを改質するために必要とされるより光エネルギーより過剰である。その上、当該領域の中央（すなわち、約３ｍｍの距離Ｚのから５ｍｍの距離Ｚの間）における光出力は、ガラス基板７を開孔または切断するために必要な出力量を大幅に超えるため、この過剰な出力は、過度の材料損傷、例えば、この領域における望ましくない微小亀裂形成など、を引き起こし得る。比較のガウス−ベッセルビームにおける測定されたピーク強度は、円によって示されており、図からわかるように、モデル化された結果によって得られるものと同様である。
出力密度に関して、ガラス材料の場合、レーザーエネルギー密度が、材料の凝集力より高くなる場合、当該材料は揮発し、高密度化、亀裂、損傷軌跡、または穴を形成することができる材料の改質を生じる。したがって、ワークピース７、例えば、ガラス基板など、を貫通する穴を作製するためには、焦線４’の長さに沿った各セグメントにおける出力密度が、所定の閾値Ｐ０（ワット／マイクロメートル３）より高いことが望ましい。図４Ｃに示される実施例において、光軸位置の周りの極小体積領域における出力強度に対応して、穴作製を可能にする、ビーム断面内の閾値強度は、強度閾値Ｉ０＝０．６Ｉｍａｘに対応し、０．６Ｐｍａｘ／μｍ３の出力強度は、ガラス内に所望の改質を生じさせる。この比較例において、光出力密度が、Ｉ０＜０．６Ｉｍａｘに相当するように低下する場合、焦線４’は、単一のレーザーパルスまたは単一のパルスバーストによって、信頼性高く、高密度化、亀裂、損傷軌跡、または穴を作り出さない。
以下を達成するもの以上に、ガラス分離またはガラス加工の方法を有することは望ましい：
Ｉ．）基板７内における材料深さの関数としての、レーザービームのより均一なピーク強度およびより均一な出力強度；および／または、
ＩＩ．）典型的なガウス−ベッセルビームによって作り出されるものよりも、ビーム伝搬方向に沿ってより良好なピーク強度均一性を有する焦線４’。
したがって、焦線における必要な長さの領域に対して、材料の所望の厚さ全体にわたってレーザーエネルギー密度は材料の凝集力より高いが、高密度化、亀裂、損傷軌跡、または穴を形成することができる材料の改質を生じさせるために必要な量よりはるかに多いエネルギーが当該焦線内において材料に投射することで大量のレーザー出力が浪費されるほどは高くないような、焦線４’を作り出すことが望ましい。下記においてより詳細に説明されるように、光学システム１２５の実施形態は、有利には、焦線４’における必要な長さに沿って実質的に均一な光強度分布を有する変形ガウスベッセルビーム（ＭＧＢビーム）を提供する。
したがって、本明細書において説明される光学システム１２５の実施形態は、実質的に一定なピーク強度、すなわち、方程式１．２によって説明される光ガウスベッセル強度分布よりも一定なピーク強度分布、を有する改良されたレーザービーム焦線４’を形成するように構成される。この改良されたピーク強度分布は、例えば、図５Ａに示されており、本明細書において、変形ガウスベッセル（ＭＧＢ）ビーム強度分布、または「トップハット」分布とも呼ばれる。本明細書において説明される実施形態のうちの少なくともいくつかにより、光学システム１２５によって形成される当該改良されたレーザービーム焦線４’は、有利には、実質的に一定なビーム直径Ｄを有する。
より詳細には、図５Ａは、典型的なガウス−ベッセル（ＧＢ）レーザービームのピーク強度分布（Ｗ／μｍ２）、ならびに本明細書において説明される少なくとも１つの実施形態による光ビーム（例えば、本明細書において説明されるＭＧＢ）の光軸に沿ったピーク強度分布を示しており、この場合、両方の強度分布は、同じエリアに対して正規化されている（各分布における総エネルギー＝１）。図５Ａは、ガウス−ベッセルビームによって提供される分布より、光軸に沿ってかなりより均一なピーク強度分布を有する焦線４’を提供するように構築された光学システム１２５（本明細書において、焦線強度マッピング光学システム（ＦＬＩＭＯＳ）とも呼ばれる）の実施形態を示している。図５Ａは、ガウス−ベッセルビームに含まれるよりも、レーザービームエネルギーの実質的により大きな部分が、ＭＧＢビーム内の０．５Ｉｍａｘポイントの間（ポイントＡとＡ’との間）に含まれることも示している。これは、ＭＧＢビームが、同等なガウス−ベッセルビームと比べて、レーザービームエネルギーのより大きな部分をガラス改質のために利用することができるということを示している。ＭＧＢの形成のための例示的実施形態について、本明細書の下記において説明する。
図５Ｂは、所定の強度閾値（ピークの％強度）に対する、図５Ａに対応するＭＧＢおよびガウス−ベッセル分布に含まれる総エネルギーのプロットを示している。図５Ｂに示されるように、任意の所定の出力閾値に対して、光学システム１２５によって生成される強度分布内に含まれる総エネルギーは、常に、より高い。
図５Ｂは、少なくとも初期において、上昇する強度閾値は、光学システム１２５により、当該改良されたピークエネルギー分布（例えば、ＭＧＢエネルギー分布）によって提供される％出力に対してほとんど影響しないことを示している。例えば、ガラス基板を改質させる閾値強度が、最大ピーク強度Ｉｍａｘの６０％であり、焦線がガウス−ベッセルビームによって形成される場合、０．６Ｉｍａｘのポイントの間において焦線に含まれる光エネルギーの量は、総エネルギーの約７０％である（すなわち、含まれるエネルギーの割合は０．７である）。対照的に、ＭＧＢビームを形成する例示的光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）によって形成された焦線のピーク強度が、最大ピーク強度の６０％である場合、０．６Ｉｍａｘの間において焦線に含まれる光エネルギーの量は、総エネルギーの約９５％である（すなわち、含まれるエネルギーの割合は０．９５である）。すなわち、ＭＧＢビームを利用する場合、出力またはパルスエネルギーの約５％のみが失われるが、対照的に、ガウス−ベッセルビームを用いる場合、出力の３０％が失われる。さらに、例えば、ガラス基板を改質させるための閾値出力が、最大ピーク強度Ｉｍａｘの８０％であり、当該焦線が、ガウス−ベッセルビームによって形成される場合、０．８Ｉｍａｘのポイントの間において焦線に含まれる光出力の量は、総光出力の約５０％のみである。対照的に、（ＭＧＢビームにより）例示的光システム１２５によって形成される焦線の場合、０．８Ｉｍａｘのポイントの間において焦線に含まれる光出力の量は、総出力の約９５％である。すなわち、ＭＧＢビームを利用した場合、エネルギーの約１０％のみが失われるが、対照的に、ガウス−ベッセル（ＧＢ）ビームを用いた場合、エネルギーの５０％が失われる。
図５Ａに示されるＭＧＢ強度プロファイルは、さらなる利点を有する。ポリマー層、黒色のマトリックスコーティング、金属トレースなど、基板上の扱いの難しいコーティングに近い領域において基板を切断しようとする場合、それ自体は基板には当たらない、焦線の一部分を形成するエネルギーは、浪費されるだけでなく、近くのコーティングを加熱または損傷するように働き得る。例えば、ＧＢビーム焦線のテール部分を形成する光線は、基板に当たるのだが、それらは、当該焦線のテール末端において強烈なコアを形成するように集束する前に、大きな環状のアパーチャ全体に当たる。同じ状態は、焦線のヘッド部分または先端においても生じ、その場合、光線は、最初、高密度のコアを形成するように集中し、ついで発散し、それらは、依然として基板上に衝突する環を形成する。したがって、基板自体を切断するのに十分な長さのみの分布にエネルギーを制限することによって、当該ＭＧＢビームは、有利には、近くのコーティングに対して最も少ない損傷で（または損傷なしに）、最適な切断を可能にし、その結果、ＧＢビームよりもコーティングにより近い近位において切断することを可能にする。したがって、本明細書において開示される装置および／または方法の実施形態のいくつかにより、当該ワークピースは、コーティング（例えば、ポリマー層、黒色のマトリックスコーティング、金属、または他のコーティング）を含む一部分と、コーティングを含まない一部分とを含む。いくつかの実施形態により、コーティングされていない部分は、厚さｄを有し、焦線の中心からコーティング（すなわち、焦線に隣接するコーティング）までの間の距離は、５００μｍ未満、好ましくは３５０μｍ未満、例えば、１０μｍから２５０μｍの間、または１０μｍから２００μｍの間、または例えば１０μｍから３００μｍの間、または１０μｍから５００μｍの間、または１５μｍから４００μｍの間、または２０μｍから５００μｍの間、または２０μｍから３５０μｍの間、または２０μｍから２５０μｍの間、または２５μｍから４００μｍの間、または２５μｍから２５０μｍの間である。いくつかの実施形態により、本明細書において説明される方法および／または装置は、コーティングを含まないワークピークの一部分内に（当該焦線により）複数の穿孔または欠陥を作製し、当該穿孔または欠陥は、当該ワークピースのコーティングされた部分からから距離Ｚｄに形成される。当該距離Ｚｄは、端部から端部まで、すなわち、穿孔または欠陥の端部から当該穿孔または欠陥に隣接するコーティングの端部までにおいて測定される。いくつかの実施形態により、Ｚｄ≦ｄ／３かつＺｄ＞５μｍであり、例えば、Ｚｄ＞１０μｍまたは＞１５μｍであり、この場合、ｄは、当該ワークピースにおけるコーティングされていない部分の厚さである。いくつかの実施形態により、Ｚｄ≦ｄ／４かつＺｄ＞５μｍであり、例えば、Ｚｄ＞１０μｍまたはＺｄ＞１５μｍ、Ｚｄ＞２５μｍであり、この場合、ｄは、当該ワークピースにおけるコーティングされていない部分の厚さである。
その上、図５ＣのＭＧＢによって示されるようなフラットトップエネルギー分布を有する場合、焦点を合わせるかまたは基板の高さを変えることに対する切断プロセスの影響は、最小限に抑えられるであろう。図５Ｃに示されるＧＢの場合、基板位置が光軸に沿って移動される場合、ＧＢ関数は、光軸に沿って強度が変化するため、基板の異なる深さにおいて、エネルギー密度が増加または減少するであろう。しかしながら、ＭＧＢにより、基板が、ＭＧＢ強度プロファイルの幅内に完全に含まれる限り、本明細書において説明される実施形態により、焦点における小さい変化は、それを受け取る基板のいずれの深さにおいても、強度の増減を生じないであろう。このことは、ＭＧＢビームが、有利には、より一貫した切断または開孔プロセスを提供すること、その場合、小さい焦点の変化（フラットトップエネルギー分布の範囲の変化または焦線の長さの変化）は、プロセスまたは、最終製品またはワークピースの品質に強い影響を及ぼさないことを意味している。
少なくともいくつかの実施形態により、ガラス基板内の焦線は、その光軸に沿ったレーザービーム焦線のピーク強度が、０．５Ｉｍａｘのポイントの間に位置された焦線４’の長さＬの少なくとも８０％に対してその最大ピーク強度Ｉｍａｘから３５％以上変動しない、または３０％を超えて、または２５％を超えて変動しない、好ましくは２０％以下しか変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する（長さＬは、ビーム伝搬方向において、焦線の中心に沿って０．５Ｉｍａｘのポイント（Ａ，Ａ’）の間の距離である）。いくつかの例示的実施形態により、その光軸に沿ったレーザービーム焦線４’のピーク強度は、当該焦線の長さの少なくとも８０％に対してその最大ピーク強度Ｉｍａｘから１０％以上変動しない。少なくともいくつかの実施形態により、ガラス基板内に形成される焦線は、その光軸に沿ったレーザービーム焦線のピーク強度が、焦線４’によって形成される欠陥線の少なくとも長さＬに対してその最大ピーク強度Ｉｍａｘから２５％以上変動しない（好ましくは１５％未満しか変動しない、例えば、１０％未満、または５％以下しか変動しない）ような、距離の関数として実質的に均一なプロファイルを有する。
少なくともいくつかの実施形態により、ガラス基板７内の焦線４’は、その光軸に沿った当該レーザービーム焦線のピーク強度が、当該焦線４’の長さＬの少なくとも８５％に対してその最大ピーク強度Ｉｍａｘに対して２５％以上変動しない（例えば、変動量は、≦２０％、≦１５％、≦１０％、≦５％、さらには≦３％である）ような、実質的に均一な強度プロファイルを有する。少なくともいくつかの実施形態により、ガラス基板内の焦線は、その光軸に沿ったレーザービーム焦線のピーク強度が、当該焦線４’の長さＬの少なくとも９０％に対してその最大ピーク強度Ｉｍａｘに対して２５％以上変動しない（例えば、変動量は、≦２０％、≦１５％、≦１０％、≦５％、さらには≦３％である）ような、実質的に均一な強度プロファイルを有する。
ガラスワークピースを加工する当該方法は、ガラスを切断するため、およびガラス片をお互いから分離するために使用することができる。当該レーザー切断プロセスは、ガラスパーツを、パーツの強度を維持しつつ、制御可能な方式において、無視できる破片および最小限の欠陥、および端部に対する少ない表面下損傷において、分離する。
本明細書において説明されるレーザー加工法は、選択されたレーザー波長に対して透明である材料に良く適している。この波長は、例えば、１０６４、１０３０、５３２、５３０、３５５、３４３、または２６６ナノメートルであり得る。当該ワークピースは、好ましくは、選択されたレーザー波長に対して実質的に透明である（すなわち、材料深さ１ｍｍあたり約２０％未満、好ましくは１０％未満、好ましくは約１％未満の吸光率）。本明細書において説明されるプロセスステップは、所望の形状を描き、亀裂伝播に対して最小の抵抗を有する経路を確立する、１つの断層線または輪郭１１０を作り出し、結果として、その基板マトリックスからの当該形状の分離および脱離を生じさせることである。当該レーザー分離法は、元の基板からのガラス形状物の、手動または機械による分離、熱的分離、および部分的なまたは完全な分離を可能にするように調整および構成することができる。
いくつかの実施形態により、例えば、図５Ｂに示されるように、変形ガウス−ベッセルビーム（ＭＧＢビーム）によって形成される焦線４’における総光出力の０．８５（または８５％）超が、（１／２）Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる（すなわち、強度閾値＝（１／２）Ｉｍａｘの場合）。いくつかの実施形態によれば、ＭＧＢビームによって形成される焦線４’における総出力の９０％超が、いくつかの実施形態では９５％超が、０．５Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる。例えば、いくつかの実施形態において、当該変形ガウス−ベッセル（ＭＧＢ）ビームによって形成される焦線４’における総エネルギーの８５％から９９％が、０．５Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる。対照的に、通常のガウス−ベッセルビームによって形成される焦線４’では、総出力の８０％のみが、０．５Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる。
いくつかの実施形態により、変形ガウス−ベッセル（ＭＧＢ）ビームによって形成される焦線４’における総光出力の６０％超が、０．８Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる（すなわち、強度閾値＝（０．８）Ｉｍａｘの場合）。対照的に、通常のガウス−ベッセルビームによって形成される焦線４’では、総出力の５５％未満が、０．８Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる。
いくつかの実施形態により、変形ガウス−ベッセルビームによって形成される焦線４’における総光出力の７０％超が、０．８Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる。いくつかの実施形態により、ＭＧＢビームによって形成される焦線４’における総出力の８０％超、いくつかの実施形態では８５％超が、０．８Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる。例えば、いくつかの実施形態では、ＭＧＢビームによって形成される焦線４’における総出力の７０％から９０％が、０．８Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる。さらに、例えば、図５Ｂに対応する実施形態において、ＭＧＢビームによって形成される焦線４’における総光出力の９０％超（例えば、≧９５％）（したがって、当該ビームエネルギーの９０％超（例えば、≧９５％））が、０．４Ｉｍａｘのポイントの間に含まれる（すなわち、強度閾値＝０．４Ｉｍａｘの場合）。
図６は、光軸に沿ったレーザービーム焦線の％ピーク強度変動量（同じ領域内の平均ピーク強度の％として）対その領域内に含まれる光強度の総％、のプロットである。本明細書において説明される変形ガウス−ベッセルビームの実施形態は、ガウス−ベッセルビームによって形成される焦線より小さい強度変動量（強度変動量のより小さい％）を有する焦線を常に形成するであろう。例えば、図６に示されるように、図５Ａに示される理想的なガウス−ベッセル（ＧＢ）ビームの場合、総光エネルギーの８０％を含む領域は、その領域内における平均ピーク強度に対して少なくとも６３％の強度変動量を有するであろう（平均ピーク強度は、例えば、少なくとも５点（例えば、５点から１０点、または５点から１５点）の等距離の位置において焦線のピーク強度を測定することにより、この場合、これらのポイントの間の総距離は、距離Ｌに沿って距離Ｌの少なくとも９０％を含み、かつ得られたピーク強度値を平均化することによって計算され得る）。同様に、同じガウス−ベッセル（ＧＢ）ビームの場合、総光エネルギーの９０％を含む領域は、その領域内において（平均（ｍｅａｎ）（平均（ａｖｅｒａｇｅ））ピーク強度に対して）少なくとも１００％の強度変動量を有するであろう。完璧なガウス−ベッセル（ＧＢ）ビームではないガウス−ベッセルビームは、図６のガウス−ベッセルに対して示されるよりさらに大きな％強度変動量を有し得る。すなわち、ガウス−ベッセルビームが理想から外れるほど、それが有するであろう変動量も大きく、その変動量曲線は、ガウス−ベッセルビーム曲線より上方の領域に位置されるであろう（例えば、図６に示される曲線Ａを参照されたい）。図６のガウス−ベッセル曲線Ａは、例えば、アキシコンが、完全に円錐な先端ではなく丸みを帯びた先端を有する場合に、または焦線を形成する光学格子における欠陥によって、形成され得る。
対照的に、本明細書において説明される実施形態による光ビーム（ＭＧＢビーム２’）によって形成されるレーザービーム焦線４’は、ガウス−ベッセル（ＧＢ）ビームの曲線の下方に位置される変動性曲線を有するであろう。これは、例えば、図６のＢ、Ｃ、およびＭＧＢで標識されたＭＧＢ曲線によって示される（図６においてＭＧＢに標識された曲線は、図５Ａの例示的ＭＧＢ曲線に対応している）。したがって、本明細書において説明される実施形態により、総光エネルギーの８０％を含む焦線４’の領域は、その領域内における平均ピーク強度に対して５５％未満、好ましくは５０％未満の強度変動量を有するであろうし、かつ、総光エネルギーの９０％を含む領域は、その領域内において（この領域内の平均ピーク強度に対して）約９０％未満（例えば、０％から８０％、または０％から７０％、または０％から６０％、または０％から５０％、０％から２５％）の強度変動量を有するであろう。したがって、実施形態により、ＭＧＢビームによって形成される焦線の強度変動量曲線は、ガウス−ベッセル（ＧＢ）ビームの曲線の下方に位置される。例えば、本明細書において説明される実施形態により、総光エネルギーの８０％を含む焦線４’の領域は、その領域内の平均ピーク強度に対して５０％未満（例えば、０％から５０％、または０％から４０％、さらには０％から２５％）の強度変動量を有するであろうし、かつ、総光エネルギーの９０％を含む領域は、その領域内において（この領域内の平均ピーク強度に対して）約７０％未満、いくつかの実施形態では５０％未満（例えば、０％から５０％、または０％から４０％）の強度変動量を有するであろう。本明細書において説明される実施形態の少なくともいくつかにより、総光エネルギーの６０％を含む焦線４’の領域は、その領域内の平均ピーク強度に対して０％から２５％の強度変動量を有するであろう。
例えば、焦線における改良されたエネルギー分布（例えば、図５Ａに示された、ほぼではあるが、全く完全にではない、トップハットエネルギー分布）に対して、図６のＭＧＢ曲線として示されたいくつかの実施形態により、総光エネルギーの８０％を含む領域は、その領域内の平均ピーク強度に対して約１％の強度変動量を有するであろうし、ならびに、総光エネルギーの９０％を含む領域は、その領域内において約３０％未満のピーク強度変動量を有するであろう。
本明細書において説明されるいくつかの実施形態において、当該焦線は、円形断面よりもむしろ非軸対称ビーム断面を有する。したがって、いくつかの実施形態において、透明ワークピース７内に向けられたパルスレーザービームの一部分は、波長λ、有効スポットサイズｗ０，ｅｆｆ、ならびに断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面を有し、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方が、
Figure 2019532908
を超え、式中、ＦＤは、無次元発散係数である。少なくともいくつかの実施形態において、ＦＤ≧１０、ＦＤ≧１０、または≧２０、さらには≧５０である。いくつかの実施形態において、ＦＤ≧７５、さらには≧１００である。例えば、本明細書において説明される例示的実施形態において、１００００≧ＦＤ≧１００である。例えば、本明細書において説明される例示的実施形態において、１０００≧ＦＤ≧１００である。少なくともいくつかの実施形態により、透明ワークピース内に向けられたパルスレーザービームの一部分の非軸対称ビーム断面は、長軸ｗ０，ｍａｘおよび短軸ｗ０，ｍｉｎを有し、この場合、長軸ｗ０，ｍａｘは、短軸ｗ０，ｍｉｎより長く、短軸ｗ０，ｍｉｎに対する長軸ｗ０，ｍａｘのアスペクト比は、１．１を超え、さらには１．３を超える。いくつかの実施形態において、短軸ｗ０，ｍｉｎに対する長軸ｗ０，ｍａｘのアスペクト比は、１．２から１５．０、または１．５から３．０である。いくつかの実施形態において、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方は、
Figure 2019532908
を超える。
例えば、焦線ビーム断面は、楕円形であってもよく、そのような実施形態において、焦線４’の中央部分４ａ’は、２つの直径：楕円の長径に沿った最大直径と当該楕円の短径に沿った最小直径、を有するであろう。少なくともいくつかの実施形態において、最小直径に対する最大直径の比は、１．１を超え、例えば、１．３を超える（例えば、１．２から１５．０、または１．５から３．０）。
準非回折性ビームまたは焦線が、非軸対称断面、例えば、楕円形断面など、を有する場合、当該焦線によって形成される非軸対称スポット内の光強度は、エネルギーが当該楕円または別の長楕円形断面形状の長軸によってさらに広げられるため、典型的には、軸対称焦線によって形成される円形スポット内の強度より低い。さらに、そのような非軸対称ビームを発生させるために使用することができる方法の多くは、ビームのあるセクションを別のセクションからデコヒーレンス化するステップを含む。これは、非軸対称ビームによって形成された２つのビームセグメントのインコヒーレントな追加により、強度のさらなる損失が生じ、結果として、一般的に軸対称スポットを形成する光のコヒーレントな追加によって生成したものより弱い平均強度を当該スポット内において生じることを意味している。これらの２つの効果は、非軸対称ビーム形成方法が、より対称な非回折性ビームと比較して、固有エネルギーの欠点があることを意味している。ＧＢビームの場合、そのようなエネルギー損失は、特定の材料を切断することができるかまたはできないか、エネルギーをより長いライン長に拡大しなければならないようなより厚い材料片を切断することができるかまたはできないか、または１つの設備の費用対効果を高めるために１つのレーザービームを２つに分けることができるかまたはできないか、の間の差を作り出し得る。しかしながら、ＧＢビームよりエネルギー効率が高いＭＧＢビームの使用は、ＭＧＢが非軸対称の準非回折性ビームである場合、特に有利であり得る。ＭＧＢビームプロファイルの使用は、非軸対称ビームの使用によって失われたエネルギー効率のいくらかを（焦線内において）回復することを可能にする。
本明細書において示されたプロットにおいて、ピーク強度の割合（ｙ軸）も、ピーク光出力の同じ割合に対応することに留意されたい。ピーク強度およびピーク出力の両方は、当該焦線の（典型的には、光軸に沿った）所定のビーム断面内において観察される最大値である。
上記において説明されるように、ガラス基板に穴を作製するため、またはガラスを切断するために、その長さＬの少なくとも８０％、８５％、または９０％に沿って実質的に均一なピーク強度プロファイルを有する焦線４’を利用することは、有利である。ＭＧＢビームによって、図５Ａに示される「トップハット」エネルギー分布を有する焦線４’を生成するために、例示的光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）に対して適切な光学面を計算するときに考慮すべき光学システムの特徴が、図７に概略的に示されている。この例示的実施例の光学システム（ＦＬＩＭＯＳ）は、入力ガウスベッセルビーム２をＭＧＢビーム２’に変換する。より詳細には、この実施例において、焦線４’の長さＬに沿って実質的に均一なピーク強度分布を有するように、ガウスビーム２の少なくとも１／ｅ２強度領域が、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）によって焦線４’へとマッピングされている。いくつかの実施形態において、当該光学システム１２５は、少なくとも入力ガウスビームの１／ｅ２の１．２倍の間に含まれるエネルギーを、焦線４’にマッピングする。いくつかの実施形態において、当該光学システム１２５は、少なくとも入力ガウスビーム２の１／ｅ２の１．３倍の領域を、焦線４’にマッピングする。いくつかの実施形態において、当該光学システム１２５は、少なくとも入力ガウスビームの１／ｅ２の１．５倍の領域の間に含まれるエネルギーを、焦線４’にマッピングする。いくつかの実施形態において、光学システム１２５は、少なくとも入力ガウスビームの１／ｅ２の１．７倍の領域の間に含まれるエネルギーを焦線４’にマッピングし、いくつかの実施形態では、当該光学システム１２５は、少なくとも入力ガウスビーム２の１／ｅ２の２倍の領域の間に含まれるエネルギーを、焦線４’へとマッピングする。当該光学システム１２５、マッピング、および上記において説明されるマッピング機能を実施する実施形態の光学システム１２５の例示的特徴、ならびに図７は、本明細書においてさらにより詳細に開示される。
いくつかの実施形態により、焦線４’は、光軸に沿った当該レーザービーム焦線のピーク強度が欠陥線１２０の長さＬの少なくとも９０％に対して、３５％、３０％、２５％、２０％、または１５％、または１０％を超えて、さらには５％を超えて変動しないような、均一な強度プロファイルを有する。
少なくともいくつかの実施形態により、焦線の直径Ｄは、長さＬに対応する焦線領域内のその平均直径から２０％を超えて変動しない。少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’の領域Ｌ内の直径Ｄは、この領域内のその最大直径から２０％を超えて変動しない。焦線４’が、非軸対称断面、例えば、楕円形断面など、を有する場合、上記の条件は、依然として、焦線の中央を含む、すなわち、当該焦線のピーク強度コア部分を含む、任意の焦線断面に対して満たされ得る。例えば、焦線４’の断面が、軸対称（例えば、楕円形）であり、当該焦線が、当該焦線の直径Ｄが当該長さＬに対応する焦線領域内のその平均直径から２０％を超えて変動しない、という条件を満たす場合、それは、１）当該焦線の最大直径Ｄｍａｘが、当該長さＬに対応する焦線領域内のその平均最大直径から２０％を超えて変動せず、かつ２）当該焦線の楕円形の最小直径も、当該長さＬに対応する焦線領域内のその平均最小直径から２０％を超えて変動しない、ということを意味している。同様に、焦線４’の断面が、楕円形であり、当該焦線が、当該焦線の直径Ｄが当該長さＬに対応する焦線領域内においてこの領域内の最大直径から２０％を超えて変動しないという条件を満たす場合、それは、１）当該焦線の最大直径Ｄｍａｘが、当該長さＬに対応する焦線領域内のその平均最大値から２０％を超えて変動せず、かつ２）当該焦線の楕円形の最小直径も、当該長さＬに対応する焦線領域内のその最大値から２０％を超えて変動しない、ことを意味している。
少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’の直径Ｄは、焦線４’を形成する光線の角度β’の変動性を制御することによって制御される。少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’を形成する光線の角度β’は、長さＬに対応する焦線領域内における当該光線の平均角度（平均β’）から１０％を超えて変動しない。少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’を形成する光線の角度β’は、焦線４’の長さＬに対応する焦線領域内における当該光線のその平均角度β’から５％を超えて変動しない。焦線４’が楕円形断面を有する場合、上記の条件は、任意の焦線断面に対して満たされる。例えば、楕円の最大直径に対応する焦線の断面において、焦線４’を形成する光線の角度β’は、当該長さＬに対応する焦線領域内における当該光線のその平均角度βから１５％を超えて変動せず、より好ましくは１０％を超えて変動しない。さらに、楕円の最大直径に対応する焦線の断面において、焦線４’を形成する光線の角度β’は、当該長さＬに対応する（この断面の）焦線領域内における当該光線のその平均角度βから１０％を超えて変動しない。
少なくともいくつかの実施形態により、光ビーム２’の任意の所定の断面（当該焦線の中心を含む）に対する、焦線４’を形成し、光線高さｈｉに対応する、当該光線の角度β’は、当該光ビーム２の１／ｅ２のポイント内に位置する任意の光線に対して、光線高さｈｉ−１に対応する収束角β’から１０％を超えて変動しない。少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’を形成し、光線高さｈｉに対応する、当該光線の角度β’は、Ｒｚ＝１．１Ｒｚである半径Ｒｚ’内に位置された光ビーム２の任意の光線の位置決めに対して、光線高さｈｉ−１に対応する光線の角度β’から１０％を超えて変動しない（例えば、７％未満、さらには５％未満、または３％以下しか変動しない）。少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’を形成し、光線高さｈｉに対応する、当該収束する光線の角度β’は、Ｒｚ＝１．２Ｒｚである半径Ｒｚ’内に位置する光ビーム２の任意の光線に対して、光線高さｈｉ−１に対応する光線の角度β’から１０％を超えて変動しない。少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’を形成し、光線高さｈｉに対応する、当該光線の収束角β’は、Ｒｚ＝１．３Ｒｚである半径Ｒｚ内に位置する光ビーム２の任意の光線に対して、光線高さｈｉ−１に対応する光線の角度β’から１０％を超えて変動しない（例えば、７％未満、さらには５％未満しか変動しない）。
図７は、本発明のいくつかの実施形態による一実施形態の光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）の概略図である。当該光学システム１２５は、レーザー光源５によって提供される入射ガウスビーム２から変形ガウス−ベッセル（ＭＧＢ）ビーム２’を発生させ、少なくとも、指定された距離ｚに対する欠陥線１２０の長さに沿って、光軸上において実質的に均一な光強度プロファイル（例えば、およそ「トップハット」強度分布）を有する焦線を作り出す。
光軸に沿って実質的に一定なピーク強度を有すると同時に焦線４’の各サブセクションにおいて実質的に一定なビーム直径Ｄを有する焦線４’を作り出すために、当該光学システム１２５は、好ましくは以下の２つの条件を満たす。
最初に、ビーム２内のエネルギーの同じ量の部分が、同じまたは実質的に同じ長さＸ’のセクションに沿って焦線領域４’内の光軸中に再結像されることが望ましい（条件１）。この条件は、焦線４’の一部分Ｌの少なくとも９０％以内において実質的に一定なピーク強度を生じる。
第２に、焦線４’を形成する収束光線の角度βも、お互いに実質的に等しくあるべきである（条件２）。この条件は、焦線４の一部分Ｌの少なくとも９０％以内に対して実質的に一定な直径Ｄを作り出す。
したがって、ビーム２のガウスエネルギー分布が、等しい出力の（しかし、必ずしも同じ幅ｗｉではない）環状リングへと細分される場合、光学システム１２５は、幅ｗｉの各リング内のエネルギーが、同じまたは実質的に同じ長さを有する焦線４’の領域内に含まれるように、各リング内に当該エネルギーを結像させる（Ｘｉ’≒Ｘ’、入射ガウスビーム２における同じ出力の異なるリングに対応する長さＸｉ’は、お互いに１５％以内、好ましくは１０％以内、より好ましくは０〜５％以内である）。例えば、図８Ａの実施形態において、光学部品３によって形成される焦線４内の距離Ｘｉは、全て、お互いに等しく、したがって、再結像光学システム６によって焦線４’へと再結像された後に、焦線４’に沿った対応する距離Ｘｉ’も、お互いに等しいであろう。
一実施形態により、これらの条件を満たすために、本発明者らは、以下のように進めた：
・入力ガウスビーム２を、それぞれが光線高さｈｉに対応する一連のリングへと離散化させ、この場合、ｉは、１から任意数Ｎであり、Ｎは、好ましくは１００未満であり（例えば、５≦Ｎ≦２０）、最大光線高さＲｚ’＝ｈｉＭａｘであり、この場合、Ｒｚ’≧０．９Ｒｚである。好ましくは、焦線４および／または焦線４’の末端において生じ得る望ましくないエネルギースパイクを最小限に抑えるために、半径距離Ｒｚ’は、少なくとも、ガウスビーム２の１／ｅ２半径に対応する半径に等しい（すなわち、Ｒｚ’≧Ｒｚ）。いくつかの実施形態により、Ｒｚ’は、ガウスエネルギー（強度）が１／ｅ２半径の少なくとも１．１倍である、ビーム２内での半径距離に対応する（すなわち、Ｒｚ’≧１．１Ｒｚ）。いくつかの実施形態により、Ｒｚ’≦１／ｅ２半径の２倍、である（すなわち、Ｒｚ’＝２Ｒｚ）。いくつかの実施形態により、Ｒｚ≦１．７×１／ｅ２である（すなわち、Ｒｚ’≦１．７Ｒｚ）。いくつかの実施形態により、Ｒｚ’は、１／ｅ２の１．１倍から１／ｅ２の１．５倍の間の強度のレベルに対応する、ビーム２内での半径距離である（すなわち，１．１Ｒｚ≦Ｒｚ’≦１．５Ｒｚ）。いくつかの実施形態により、Ｒｚ’は、１／ｅ２の１．１倍から１／ｅ２の１．３倍の間である、強度のレベルに対応する、ビーム２内での半径距離である（すなわち、１．１Ｒｚ≦Ｒｚ’≦１．３Ｒｚ）。
・上記において説明した各リングの高さｈｉ（例えば、図８Ａを参照されたい）は、２つの隣接するリングｈｉとｈｉ＋１との間における任意の環の内側に含まれる光出力または強度が一定となるように選択されるかまたは算出される。
・光学システム１２５内へと伝搬する場合、各リングｈｉに由来する光線は、当該光学システム１２５によって、焦線４’に沿って光軸ＯＡ上の位置ｘｉに結像される。焦線４’の長さに沿って実質的に均一な照射プロファイル（実質的に均一なピーク強度分布）を達成するために、第１条件は、光線の各セット［ｉ、ｉ＋１］に対する、光軸に交差するポイント［ｘｉ、ｘｉ＋１］によって画定される各サブセクションの長さが、実質的に同じ長さＸｉ’（例えば、±１５％、好ましくは±１０％の許容範囲まで、いくつかの実施形態により、±５％を超えない）を有することである。
第２に、当該焦線の各サブセクションにおけるビームの直径は、光線角度β’によって決定される。
したがって、当該焦線に沿って一定のビーム直径を確保するために、本明細書において説明される少なくともいくつかの例示的実施形態により、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）によって満たされる第２条件は、各光線［ｉ］に対する角度β’が、一定であること、例えば、±２０％、または±１５％まで、好ましくは±１０％、さらには±１０％、または±５％まで、またはそれ未満の許容範囲であることが必要でである。角度β’を実質的に一定に制限する条件が存在し、というのも、そのような制限がない場合、焦線４’の直径Ｄは変化することになるためである。直径Ｄの変化は、焦線のそのセクション内の光強度において、相応する変化を生じるであろう。直径Ｄの激しすぎる変化（大きな変化）は、結果として、ガラス領域のいくらかのガラス内に損傷を生じないか（例えば、穴形成が生じない）、またはガラスを損傷し得る多すぎる微小亀裂を生じるか、または一貫性のない損傷を生成する可能性がある。
図８Ａは、光学システム１２５の光学部品３’を示している。この実施例において、当該光学部品３’は、変形アキシコンである。図８Ａに示された実施形態において見られるように、光学部品３’は、一定の傾斜を有するアキシコンにおける典型的な円錐面ではないが、その代わりに、より複雑なプロファイル（例えば、表面の傾斜が表面全体で半径方向に８回変化するように形状化された非球面プロファイル）を有する表面である、表面３ａ’を有する。この実施形態において、図からわかるように、当該光学部品３’の表面３ａ’は、わずかな起伏（断面において見られる傾斜変化）を有し、これは、ライトビームのピーク強度を距離ｚに対して焦線４’内において実質的に均一に維持する。より詳細には、この実施形態において、光学部品３’の表面３ａ’は、可変半径の湾曲を有しており、すなわち、表面３ａ’の形状は、この表面に衝突する光線が、わずかに異なる表面形状に遭遇し、焦線に向かって収束するように曲げられ、それにより、当該焦線４の長さに沿って実質的に均一なピーク強度プロファイル、したがって、焦線４’の長さに沿って均一なピーク強度プロファイル、を実現するように変化する。しかしながら、図８Ｂに図式的に示されるように、さまざまな光学部品３’、例えば、変形ワキシコン（ｗａｘｉｃｏｎ）、変形逆アキシコン（屈折的または反射的のいずれか）など、または、この表面に衝突する光線が、わずかに異なる表面形状に遭遇し、焦線に向かって収束するように曲げられ、それにより、当該焦線の長さＬに沿って実質的に均一な照射プロファイル（したがって、実質的に均一なピーク強度プロファイル）を実現するように変化するように変化する、少なくとも１つの光学面３ａ’を有する非球面部品（円錐形または非円錐形）、も利用することができる。例えば、光学部品３’は、上記の２つの条件を満たす空間光変調器もしくは格子であり得る。
より詳細には、図８Ａの実施形態において、光学部品３’は、サブセクションあたり一定のエネルギー（結果として、一定のピーク強度）が存在するように、すなわち、光線の各セット［ｉ、ｉ＋１］に対する、光軸と交差するポイント［ｘｉ、ｘｉ＋１］によって画定される各サブセクションの長さが全て、約±１０％の許容範囲までの実質的に同じ長さＸｉ’を有するように、光線を折り重ねる。光学部品３’の表面３ａ’は、例えば、図１に示されたものと同様のアキシコン部品で開始し、指定された高さｈｉを有する特定の光線が、表面３ａ’を画定するためにどこで光軸と交差するべきかを指定しつつ、当該表面の非球面係数を変量することによって、当該部品の表面３ａを（市販のレンズ設計プログラムを使用した設計の使用により）最適化することによって、設計され得る。代替策は、後方においてポイントｘｉ、ｘｉ＋１と交差する光線を追跡し、これらの光線が、当該光学部品３’の入力面上において光線高さｈｉ、…ｈＮに対応するように、どこで光学面３ａ’と交差すべきかを計算することである。交差ポイントは、当該光学部品３’の表面３ａ’を画定するであろう。
図８Ａに示されるように、結果として得られる変形アキシコン３’に、それぞれが瞳高さｈｉ、ここで、ｉは１から任意数Ｎである、を有する一連のリングへと分割されたｉであるガウスビーム２が提供される場合（この場合、各リングの高さは、２つの隣接するリングｈｉとｈｉ＋１との間において任意の環の内側に含まれるエネルギー（出力）が一定となるように計算される）、光線の各セット［ｉ、ｉ＋１］に対して光軸が交差する点［ｘｉ、ｘｉ＋１］によって画定される各サブセクションの長さは、お互いに実質的に等しい（例えば、±１５％まで、好ましくは±１０％まで、±５％まで、またはそれ未満の許容範囲）。
しかしながら、図８Ａに見られるように、焦線４を形成する各光線［ｉ］に対する角度βは、当該光線が光学部品３’を出るとき、一定ではない。すなわち、図８Ａの変形アキシコンは、単独で使用される場合（適切に設計された再結像システム６を用いないで）、上記の２つの条件のうちの１つしか満たさない。焦線４において各単位長さから一定のエネルギー（一定のピーク強度）を実現することができるかもしれないが、当該光線は、わずかに異なる収束角βにおいて当該変形アキシコンの外に収束しており、これは、焦線４の直径に影響を及ぼすであろう。例えば、当該光線は、お互いに平行のままではなく、異なる角度において収束している。さらに、光学部品３’の先端に隣接する光線は発散する。この領域が比較的大きい場合、それは、光学部品の先端近くにおいてエネルギーの望ましくないスパイクを生じさせ得る。焦線が、焦線４を形成する収束光線における異なる光線角βを補正しない光学システム６によって再結像される場合、結果として得られる焦線４’は、実質的に一定の直径Ｄを有さないであろう。
したがって、上記において説明した第２条件を満たすために、すなわち、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）を出る各光線に対して実質的に同じ角度β’を有するために、非球面状表面を有する別の光学部品を用いることは有益であり得る。この部品は、例えば、再結像システム６’の非球面レンズであり得る。図９Ａは、再結像光学システム６’と、一方が非球面状表面を有するレンズである例示的光学部品６ａおよび６ｂとを示している。この部品は、例えば、ｎ個の非球面を有する反射部品であってもよい。
より詳細には、いくつかの実施形態（例えば、図９Ｂを参照されたい）において、変形アキシコン３’は、焦線４’を形成する半径距離Ｒｚ’内に含まれるビーム２における光線に対応する各光線［ｉ］に対して実質的に一定な角度β’（例えば、全ての角度β’は、お互いに±１５％以内である）を提供するために、再結像レンズシステム６’の少なくとも１つの部品と併用して使用することができる。好ましくは、本明細書において説明される実施形態に示されるように、焦線４’を形成するように収束する全ての光線は、お互いの±１０％以内、より好ましくは±５％以内である角度β’において収束する。これらの実施形態において、再結像レンズシステム６’は、光学部品６ａ’および６ｂ’を含み、当該光学部品６ａ’および６ｂ’は、図２に示されるものと同様であるが、光学部品６ａ’、６ｂ’のうちの少なくとも一方は、非球面状表面を有する。したがって、結像システム６’の光学部品６ａ’および６ｂ’は、拡張された焦点（すなわち、焦線）を、レーザービーム焦線４’として再結像し、それにより、光線が光学部品６ｂ’を出るとき、焦線４’を形成するように収束する各光線［ｉ］に対する角度β’は、実質的に一定である。いくつかの実施形態において、Ｒｚ’＝Ｒｚであり、いくつかの実施形態では、Ｒｚ’は、Ｒｚより大きいが、３Ｒｚより小さい。いくつかの実施形態において、Ｒｚ’は、Ｒｚより大きいが、２Ｒｚ以下である。いくつかの実施形態において、Ｒｚ’≦１．５Ｒｚである。いくつかの実施形態において、Ｒｚ’は、少なくとも１．２Ｒｚである。
好ましくは、いくつかの実施形態により、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）は、お互いに離間された少なくとも２つの非球面光学部品を利用し、当該光学システム設計の際、本発明者らは、両方の条件に見合うように、一方または両方の光学部品の１つまたは複数の非球面化係数（より高次の非球面係数または非球面係数ａ２〜ａ１２とも呼ばれ、以下において説明する）を調節する。例えば、当該光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）の少なくとも１つの光学部品は、例えば、実施例１の実施形態に示され、表１を参照しながら説明されるような、１つまたは複数の非ゼロ非球面係数ａ２〜ａ１２によって説明される非球面状表面を有し得る。
下記において説明される実施形態は、一対のそのような非球面部品を利用する。ただし、３つ以上の非球面部品も利用してもよく、光学システム１２５の当該非球面部品は、１つまたは２つの非球面状表面を有し得る。
以下の実施例により、様々な実施形態がさらに明確になるであろう。
実施例１の実施形態
図９Ａは、以下の特徴：（ｉ）少なくとも、距離Ｚ（または焦線の長さＬ）に対して実質的に均一な出力分布、および（ｉｉ）実質的に一定な直径Ｄ、を有する変形ガウス−ベッセルビームを形成するように構築された屈折光学システム１２５を示している。図９Ａは、当該光学システム１２５のこの実施形態が、非球面状表面３ａ’を有する変形アキシコン３’と、少なくとも２つの光学部品６ａ’および６ｂ’を含む再結像レンズシステム６’とを含むことを示している。光学部品６ａ’は、この実施形態において光学部品６ｂ’に面している非球面状表面（この図において、Ｌ１非球面として命名される）を含む。この実施形態において、第２光学部品６ｂ’は、非球面状表面を有さず、異なる焦点長の別のレンズ部品と容易に置き換えることができ、その結果、焦線の大きさを変えることができる。しかしながら、いくつかの実施形態において、それは、非球面状表面を有し得る。図９Ｂは、図９Ａの例示的光学部品の形状を示している。この図において、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、各ガラス素子の厚さであり、Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３は、光軸に沿った当該光学素子の間の空隙であり（これらは、実寸において示されていない）、Ｒ１〜Ｒ８は、各光学素子の曲率半径を示している。当該部品または素子は、「グループ」において位置されている。例えば、図９Ｂに示されるように、グループ「Ａ」は、変形アキシコン３’に対応し、グループ「Ｂ」は、レンズ部品６Ａに対応し、グループ「Ｃ」は、レンズ部品６Ｂ（２枚構造）に対応する。下記の表１は、図９Ａおよび図９Ｂに示された屈折光学システム１２５の実施形態に対する光学パラメータを提供する。
Figure 2019532908
この実施形態において、Ｆ１＝１２５ｍｍ；Ｆ２＝４０ｍｍ、およびＦ１＋Ｆ２＝１６５ｍｍである。表１の実施形態の半径Ｒ２およびＲ４に対応する表面についての円錐定数／非球面係数は、以下において提供され、方程式１．３によって説明される。
非球面状表面は、以下の方程式：
ｚ’＝（ｃｒ２／１＋（１−（１＋ｋ）ｃ２ｒ２）１／２）＋（ａ１ｒ＋ａ２ｒ２＋ａ３ｒ３＋ａ４ｒ４＋ａ５ｒ５＋ａ６ｒ６＋ａ７ｒ７＋ａ８ｒ８＋ａ９ｒ９＋ａ１０ｒ１０＋ａ１１ｒ１１＋ａ１２ｒ１２） 方程式１．３
［式中、ｚ’は、表面垂下であり、ｒは、半径方向における光軸からの表面の高さであり（例えば、表面断面に応じて、ｘまたはｙ高さ）、ｃは、表面曲率であり（すなわち、ｃｉ＝１／Ｒｉ）、ｋは、円錐定数であり、係数ａｉは、表面を説明する１次から１２次の非球面係数またはより高次の非球面係数（多項式非球面）である］によって説明される形状を有する表面である。
表１の実施形態において、光学部品３’は、以下の係数ａ１〜ａ７によって説明される表面３ａ’（表１のＲ２に対応する）を有し、係数ａ１〜ａ７は、それぞれ、−０．０８５２７４７８８；０．０６５７４８８４５；０．０７７５７４９９５；−０．０５４１４８６３６；０．０２２０７７０２１；−０．００５４９８７４７２；０．０００６６８２９５５、であり、非球面係数ａ８〜ａ１２は、０である。この実施形態において、この表面３ａ’は、円錐定数Ｋ＝０を有するが、ａ１係数は、非ゼロ値を有し、これは、非ゼロ値の円錐定数Ｋを有することに等しい。したがって、同等な表面は、非ゼロである円錐定数Ｋ、または当該係数ａ１係数に対して非ゼロゼロ値（または、非ゼロのＫとａ１との組み合わせ）、を指定することによって説明され得る。
表１の実施形態において、Ｒ４に対応する光学素子の表面は（グループＢの部品）、円錐定数Ｋ＝４．５１８０９６を有し、かつ係数ａ１〜ａ１２は０である。部品６ａの代替の実施形態において、表面の１つは、より高次の非球面係数ａ２からａ１２によって定義され、それらの係数の少なくとも１つは非ゼロ値を有する。
表１の実施形態において、少なくとも１つの表面は、非ゼロ値を有する少なくとも１つのより高次の非球面係数ａ２〜ａ１２（すなわち、ａ２、ａ３、…、ａ１２のうちの少なくとも１つ≠０）によって説明または定義され、少なくとも１つの別の表面は、非ゼロ円錐定数または少なくとも１つの非ゼロの、ａ２からａ１２から選択されるより高次の非球面係数のいずれか（すなわち、Ｋ≠０および／または少なくとも１つのａ２からａ１２は０ではない）によって説明される。
実施例２
図１０Ａおよび図１０Ｂは、以下の特徴：（ｉ）少なくとも、焦線４’の距離０．９Ｌに対して、実質的に均一なピーク強度分布；および（ｉｉ）実質的に一定な直径Ｄ、を有する変形ガウス−ベッセルビームを形成している反射性光学システム１２５の実施形態を示している。この実施形態において、当該直径Ｄは、少なくとも、焦線４’の距離０．９Ｌに対して、その最大値から２０％を超えて変動しない。図１０Ａは、当該光学システム１２５のこの実施形態が、反射非球面状表面３ａ’を有する変形反射アキシコン３’と、非球面状表面を有する単一の反射性部品６ａ’を含む再結像レンズシステム６’とを含むことを示している。図１０Ａおよび図１０Ｂの反射的実施形態は、図９Ａおよび図９Ｂに示される屈折的実施形態と光学的に同等であり、図５Ａに示されるものと同様の「トップハット」タイプの強度プロファイルを提供するように同じ方式において設計される。反射部品の少なくとも１つは、少なくとも１つのより高次の非球面係数（非ゼロであるａ２、ａ３、…、ａ１２）によって少なくとも部分的に定義される表面を有することに留意されたい。
上記において説明されるように、少なくともいくつかの例示的実施形態により、光学システム１２５の設計は、入射ガウスビーム２を一連のリングに分割または離散させるステップを含み、当該光線は、１）右側の位置に（すなわち、各リング内に含まれるビーム部分は、実質的に同じ長さ（すなわち、前のセクションの長さの±１５％以内、±１０％以内、好ましくは±５％以内、さらには±２％以内）を有する光軸のセクションに沿ってマッピングされる）；かつ２）適切な角度で（すなわち、実質的に同じ角度（β’）、例えば、±１５％以内、±１０％以内、好ましくは±５％以内、さらには±２％以内）、光軸に沿って結像される。すなわち、本発明者らは、少なくとも、Ｒｚ’≧１Ｒｚ（より好ましくは、Ｒｚ≦Ｒｚ’≦１．７Ｒｚ、例えば、１．１Ｒｚ≦Ｒｚ’≦１．３Ｒｚの場合）のガウスビーム２に対して、入射ガウスビーム２が、等しい量の光出力（または強度）がそれぞれのリングに位置されるように、当該光線がレーザービーム焦線を形成する一連のリングに分割される場合、当該光線は、各リング内に含まれる連続するビーム部分が実質的に同じ出口角β’を有する光軸のセクションに沿ってマッピングされるように、光軸に沿って光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）によって結像されることを特定した。
焦線４’の発生は、上記において説明されるように、ＭＧＢ（変形ガウスビーム）によって実施することができる。しかしながら、緩慢に回折するまたは準非回折性の変形ビームの他の形態、例えば、変形エアリービーム、または楕円形の中心スポットを有するように変形されたガウス−ベッセルビームなど、も使用することができる。したがって、他の実施形態により、当該光学部品３’は、必ずしも変形アキシコンでなければならないわけではないが、当該光学部品３’が、実質的に均一なピーク強度分布を提供するように構築され、それにより、入射する緩慢に回折するまたは準非回折性のビーム内の等しいエネルギーのリングが、同じまたは実質的に同じ長さＸｉ’（例えば、３０％以内、２５％以内、２０％以内、好ましくは１５％以内、またはそれ未満）を有するように、焦線４’に沿って当該光学部品３’（または当該光学部品３’を含む光学システム１２５）によって光軸に沿ってマッピングされる限り、当該光学部品３’は、緩慢に回折するまたは準非回折性の変形ビームを提供するように構築された任意の光学部品であってもよい。
下記の表２は、屈折性光学システム１２５の別の実施形態に対する光学パラメータを提供する。
Figure 2019532908
この実施形態において、Ｆ１＝１２０ｍｍ；Ｆ２＝２９．１１５ｍｍ、およびＦ１＋Ｆ２＝１４９．１１５ｍｍである。表２の例示的実施形態の円錐定数／非球面係数は、方程式１．３によって説明され、かつ以下の通りである：
グループＡの非球面条件（表２の半径２に対応する）は：
ｋ＝０およびａ１＝−０．０８５２７４７８８；ａ２＝−０．０６５７４８８４５；ａ３＝０．０７７５７４９９５；ａ４＝−０．０５４１４８６３６；ａ５＝０．０２２０７７０２１；ａ６＝−０．００５４９８７４７２；ａ７＝０．０００６６８２９５５
である。
Ｒ４に対応する光学素子の表面は（グループＢの部品）、円錐定数ｋ＝９．３３１３４６を有し、かつ係数ａ１〜ａ１２は０である。
実験結果
パラメータＲｚ’（パラメータＲｚ’は、焦線４’に沿った強度が実質的に一定になるようにマッピングされているビーム２の最大高さである）に対して様々な値を選択することによる、焦線の品質に対する影響を評価し、実験的に検証した。
光学部品３’の、およびレンズ部品６ａ’の非球面状表面３ａ’を形成するために、製造された光学システム１２５の実施形態が１５％の許容範囲内において２つの条件の両方を満たすように、ＢａＦ２材料をダイヤモンド旋削することによって、図９Ａにおける光学システムと同様のいくつかの屈折光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）を製造した。図９Ａの例示的実施形態において、当該表面３ａ’は、図８Ａの表面３ａ’と形状が同様であり、さらに、部品６ａ’の非球面状表面は、焦線４’を形成する収束光線がお互いに実質的に平行であるように当該光学部品６ｂ’を出る光線が再結像するのを助ける。ガウス強度プロファイルを有する、コリメートされた入射レーザービーム２を使用することによって、光学システム１２５を試験した。しかしながら、光学システム１２５の様々な実施形態において、当該ガウスビーム２を、調節可能な直径のアイリスを使用することによって、異なる半径高さＲｚ’において切頂した。上記において説明されるように、当該ガウスビーム２を、半径高さＲｚ’まで、等しい出力の複数のリングへと細分した。リング数Ｎは、例えば、４から１００であり得るが、好ましくは４から２０、例えば、５から１５、または５から１０であり得る。次いで、焦線４’を結像するために、ＣＣＤカメラおよび６０倍顕微鏡対物レンズを使用して、研究室において、当該光学システム１２５の性能を評価した。当該顕微鏡対物レンズおよびＣＣＤカメラを、光軸に沿ってスキャンさせることにより、焦線４’の一連の断面プロファイルをアセンブルし、当該光軸に沿った位置の関数としてピーク強度を算出した。
図１１Ａは、光学システム１２５の第１例示的実施形態によって生成された光軸ＯＡの距離の関数としての、焦線４’のピーク強度の測定結果を示している。光学システム１２５のこの実施形態において、Ｒｚ’＝Ｒｚ＝１．５ｍｍである。すなわち、１／ｅ２のポイント内に含まれる入力ビーム２の一部分に対して、１）各リング内に含まれる光出力（および各リング内の光出力が、１／ｅ２のポイントまで、他のリングのそれぞれの内の光出力に等しい）が、実質的に同じ長さ（例えば、±１５％以内）を有する光軸のセクションに対応し；かつ２）１／ｅ２のポイント内に含まれる全ての光線が、最後の再結像部品を出たときに、光学システムを出る各光線に対して実質的に同じ角度β’を有する（例えば、±１５％以内）、ように、入力ガウスビームを当該焦線へマッピングするように光学部品３’および６ａ’を設計した。したがって、光学システム１２５のこの製造された実施形態において、１／ｅ２における直径内に含まれるリングに対してのみ、２つの条件は満たされた。図１１Ａに示された実験結果は、焦線４’のほとんどが、当該焦線の長さのほとんどに対して実質的に均一な強度プロファイルを有することを示している。これは、例えば、図４Ａに示される、典型的なガウスベッセル強度分布プロファイルに対する改良である。しかしながら、図１１Ａは、約２３ｍｍから約２３．８ｍｍの間の距離において生じる最大ピーク強度を有する焦線の末端に高強度のスパイクが存在することを示している。この実施形態において、当該スパイクの幅は、焦線の長さの約１０％に相当し、この場合、当該焦線の残りの部分は、光軸に沿った距離ｚの関数として、実質的に均一な強度を有する。
図１１Ｂは、図１１Ａの焦線強度プロファイルにおける標識された位置に対応する、２つの異なる光軸位置（線Ｂ−ＢおよびＢ’−Ｂ’によって示される）において測定されたビーム断面プロファイルを示している。左側に示されたビーム断面プロファイルは、焦線の中央部分の周囲の位置、すなわち、ｚ≒２０ｍｍ、に対応している。中央スポットまたは中央ローブ４ａ’は、焦線４’に対応している。右側に示されたビーム断面プロファイルは、焦線の末端付近の位置、すなわち、エネルギースパイクの位置、に対応している。図１１Ｂに示されるように、焦線４’の末端付近の位置において、ビーム形状は、断面ビームプロファイルに影響を及ぼした、いくらかの干渉効果または縞模様を示している。その上、干渉効果である場合、これらの縞模様は、当該システムにおけるいかなるミスアラインメントに対しても非常に敏感であった。したがって、この光学システムは、ポイントｚ＝１６．１ｍｍおよびｚ＝２３ｍｍの間に位置される１つまたは複数のガラス基板７の切断にとって好適であり、一方、最適に望ましいエネルギーよりも多くのエネルギーが、ポイントｚ＝２３ｍｍおよびｚ＝２３．８ｍｍの間に存在した。しかしながら、このエネルギースパイクは、入力ガウスビームの最外半径からの光線を妨げる任意選択のアパーチャによって排除することができる。例えば、アパーチャ、例えば、アイリスダイアフラムなど、を、光学部品３’の上流（左側）に位置してもよい（例えば、図９Ｂに示されるグループＡ）。あるいは、スパイクに対応する光線のみに交差して過剰なエネルギーのみを除去する任意選択のニュートラルデンシティフィルターも使用してもよい。
設計によって、焦線の末端において形成されるスパイクを最小限に抑えるか排除することは望ましい。図１１Ａに示されたスパイクの源を理解するために、光学部品３’に入る光ビーム２の複数の光線に対して、入力光線高さｈｉ（光学部品３’に入る光線の半径）を、各光線が光軸と交差する位置（焦線４’に沿った位置ｚ）に対してプロットする。これは、図１１Ｃに示されており、当該図において、水平軸は、入射光線の高さｈｉを表しており、垂直軸は、この光線が光軸と交差する位置を表している。ｘ軸上の０．５ｍｍから１．５ｍｍの間に対応するセクションは、実質的に真っ直ぐな傾きを有しており、これは、光線が、一定のエネルギー密度に対応して、光軸に沿って離間されてほぼ均一に分配されることを示している。しかしながら、ｘ軸上の１．５ｍｍの上方の位置に、曲線の上部「ロールオーバー」部分が存在し、これは、光線のより高い密度が、光軸に沿った小さい範囲の位置に当たることを示しており、図１１Ａに見られるスパイクに対応する。
図１１Ｃは、約１．５ｍｍから約１．７５ｍｍの光線高さに対応する光線が、一緒により近くにおいて光軸と交差し、結果として、図１１Ａに見られるエネルギースパイクを生じることを示している。より詳細には、図１１Ｃで示される曲線の傾きは、光軸のセグメントまたはサブセクションのそれぞれがいかに大きいものであるかを示唆している。ｈ＝０の近くで、各環は非常にわずかなエリアを含み、ならびに非常に大きな半径において、入力ビームは非常に小さい強度を有するため、入射瞳の中心（ｈ＝０）の周りおよびガウス分布のテール部（１／ｅ２半径に近いｈｉ＝１．５ｍｍ）において、マッピング曲線の傾きは、当該曲線の他の領域より小さく維持されることを必要とする。したがって、各部分環（光学システムの入射瞳の半径ｗｉのリング）上に統合されたエネルギーはより低いであろうため、これらの低い半径領域および極めて高い半径領域では、光を、光軸に沿ったより小さいセグメントに集中させる必要がある。この特定の設計が、ビーム半径Ｒｚ’＝Ｒｚ＝ビーム強度の１／ｅ２＝１．５ｍｍに対応する入力ビーム内においてのみ最適化されていることに留意されたい。図１１Ｃも、曲線が、１．５ｍｍから約１．７５ｍｍの間の入射瞳に当たる光線が、焦線の末端に非常に近い同じ位置付近において結像されることを意味する、最大値に達することを示している。これは、その位置においてエネルギー密度を増加させ、このことは、図１１Ａの焦線４’の末端における明るいピーク（「ホットスポット」）を説明する。
焦線４’のビームエネルギーの全てまたはほとんどの使用を最大化しつつ、ホットスポットまたはスパイクを排除または最小化するための３つの異なる可能な解決法が存在することが発見された。当然のことながら、焦線４’の品質を高めるために、これらのアプローチまたは解決法の組み合わせも利用することができる。これらの解決策は、以下において説明される：
１）入力ビーム２を切頂するために、ダイアフラム（アイリス）を利用する。ダイアフラムまたはアイリスを利用することによって、所定の半径、例えば、１／ｅ２のポイントなど、の外側の光を除去することができ、その結果、ホットスポットおよび干渉縞の両方を発生させる原因の光を排除することができ、それにより、実質的に均一な強度プロファイルを作り出すことができる。
２）入力光線高さに対する光軸交差位置の曲線の傾きが常に正になるように光学システム１２５を設計／構築する。上記において説明されるように、当該ホットスポットおよび干渉縞は、先のプロットにおける傾きが負の傾きおよび／またはほぼゼロの傾きを有する、いくつかの部分を有するという事実に起因する。傾きが常に正であるように光学システムを構築することによって、スパイクは、本質的に排除されるはずである。そのようなシステムの設計は、最適化の前にエンドユーザーがメリット関数要件を設定できる市販のレンズ設計プログラムのいずれかにおいて、メリット関数要件の１つとして、傾きが正であるという要件を指定することによって達成することができる。図１２Ａは、そのような傾きの例を示している。図１２Ａに示されるように、光学システム１２５のこの実施形態において、入力光線高さ（ｈｉ）に対する光線位置（ｘｉ）は、常に正である。より詳細には、この実施形態において、光学システム１２５は、Ｒｚ’＝１．２Ｒｚまで上記の２つのマッピング条件を満たすように構築される（すなわち、当該光学システムは、１．２×１／ｅ２のポイント内に含まれるガウスビームの一部分に対してマッピング条件を満たすように、ならびに、曲線の傾きが焦線内のどこにおいても正であるような光線高さ（ｈｉ）を提供するように設計された）。
３）非常に大きな入射瞳直径（ＤＥＰ＝２Ｒｚ’≧１／ｅ２直径、好ましくは１．２×１／ｅ２直径）に対して、その直径の外側においてビーム２中に存在する光エネルギーを無視できるように、そのような直径において条件１および２が満たされるように光学システム１２５を設計する。図１２Ｂは、１．５×１／ｅ２直径の直径内において機能するように設計されている光学システム１２５の実施形態の場合の、光軸交差位置（ｘｉ）に対する入力光線高さ（ｈｉ）の傾きを示している。この図からわかるように、この図に対応する光学システム１２５の実施形態は、傾き（光軸交差位置に対する入力光線高さ（ｈｉ））はゼロに近づくが、依然として、ホットスポットを避けるのに十分に正のままであるような、焦線４’を形成する。
図１２Ｃは、光学システム１２５のさらなる別の実施形態から得られる、モデル化された結果および測定された結果を示している。当該モデル化された結果は、薄い灰色の曲線によって描かれており、測定結果は、暗い灰色の曲線で表されている。モデル化された結果は、焦線の末端において非常に細いスパイクの存在を予測していたが（これよりはるかに細いスパイクが、図１１Ａの右側に描かれている）、このスパイクは、実際のシステムの測定の際には検出されなかった。図１２Ｃのモデル化された曲線の左側は、焦線の「末端」（光学系から最も遠い）を表しており、右側は、焦線の始まり（光学系に最も近い）を表している。光学システム１２５のこの実施形態において、パラメータＲｚ’は、１．２Ｒｚとなるように選択し、光学システム１２５は、光軸交差位置に対する投射光高さの傾きが、焦線４’全体のどこにおいても正を維持するように組み立てた。
図１３は、光学システム１２５のさらに別の実施形態における、測定された結果（強度対光軸に沿った距離）を示している。この実施形態において、Ｒｚ’は１．５ｍｍであり、光の波長は１０６４ｎｍであり、形成される焦線４’の長さＬは約１．２ｍｍであった。図１３に示されるように、焦線の長さに沿ったピーク強度における変動は、ピーク強度Ｉｐの約２０％以内であり、平均ピーク強度から約±１５％以下であった。平均強度は、例えば、（焦線長さＬの少なくとも９０％に拡張された）焦線４’の長さＬに沿って少なくとも１０点、好ましくは少なくとも１５点の等距離のピーク強度測定を行い、平均（ｍｅａｎ）（平均（ａｖｅｒａｇｅ））ピーク強度を計算することによって、計算することができる。
最後に、トップハットビームプロファイルの長さを調節することが望ましくあり得る。一般的に、ガウスベッセルビームよって作り出される焦線の長さは、光学部品３’への入力ビーム直径に応じて決まる。しかしながら、光学部品３’は、非常に特定の入力ビーム１／ｅ２直径と特定のＲｚ’とに基づいてエネルギーを分配するように設計されるため、光学部品３’における入力ビーム直径が変化する場合、結果的に、結果として得られる焦線４’に対して不均一な出力または強度分布を生じるであろうことは留意されるべきである。すなわち、光学部品３’は、光学システム１２５に入ってくるガウスビームの特定のサイズに対して設計されるべきである。例えば、光学部品３’が、１．６ｍｍに１／ｅ２のポイントを有するガウスビームに対して設計され、そして当該入射ガウスビーム２が、１／ｅ２の強度ポイントがここで１．６５ｍｍに対応するように変化した場合、焦線４’の強度プロットは、図１４に示されるのと同様の強度スパイクを有するであろう。より詳細には、図１４は、同じ実施形態の光学システム１２５で使用される３つの異なるガウスビームにおける、光軸に沿った距離に対する、正規化された強度分布（Ｉｍａｘ＝１を有する）を示している。当該光学システム１２５の最大光線高さｈｉは、光学部品３’の透明なアパーチャによって特定され、したがって、同じままであった。唯一の違いは、ガウスビーム２はわずかに異なる１／ｅ２ポイント（すなわち、わずかに異なるＲｚ）を有しており、それは、ミリメートルの小数点以下によってのみ異なっていた（例えば、Ｒｚは、１．５ｍｍから１．８ｍｍであった）。図１４に示されるように、３つの異なるガウスビームにおいて同じ光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）を使用した場合、当該ガウスビームを、それらの１／ｅ２のポイント（Ｒｚ）が、当該光学システムを設計したその対象であるガウスビームのＲｚとは異なるように変えた場合、Ｒｚにおける差が増加するほど、焦線に沿ったピーク強度は減少し、結果として生じるスパイクは、焦線の平均ピーク強度に対してより高くなった。したがって、光学システム１２５は、入射ガウスビーム２の特定の直径Ｒｚに合わせて設計されるべきである。
トップハットビームピーク強度プロファイルの長さＬは、上記において説明したスパイク形成を避けるために、異なる１／ｅ２直径（異なるＲｚ）を有するガウスビームに適応するように部品３’を再設計することによって調節または変更することができる。しかしながら、本発明者らは、光学システムにおいて同じ光学部品３’を利用することができるようにして、図１４に示されたスパイク形成を生じることなく、必要であれば焦線の長さをさらに増加させる、より実用的な解決法を発見した。再結像システム６’に加えて、トップハット焦線４’を様々な位置において様々な倍率でリレーするために、追加の再結像光学システム、例えば、２次リレーテレスコープ（光学再結像システム６および６’と同様の再結像光学システム）など、を用いることができる。２次再結像システムの望遠鏡倍率Ｍ’は、光学部品３’によって形成された直径Ｄを倍率Ｍ’において拡大または縮小し、かつＭ’２のさらなる倍率において焦線４の長さを拡大または縮小する。しかし、入力ビームの１／ｅ２直径を変更する場合と異なり、トップハットエネルギー分布は、スケール変更されるのみであり、歪められず、同じ光学部品３’を利用しつつ、多くの異なる焦線長さを生じさせることができる、解決策であろう。例えば、そのようなリレーテレスコープは、焦点長Ｆ３およびＦ４の２つのレンズ６ａ’、６ｂ’をＦ３＋Ｆ４の距離において離間して配置することによって製造することができ、Ｆ４／Ｆ３の倍率Ｍ’を達成することができる。焦線４’の典型的な長さＬは、例えば、２７５μｍから１００ｍｍである。焦線４’の直径Ｄは、例えば、０．３μｍから５μｍ、例えば、０．５μｍから４μｍ、または１μｍから２．５μｍ、または０．３μｍから３μｍ、または０．３μｍから４μｍである。
図１５Ａ〜図１５Ｂに示されるように、透明材料、より詳細にはガラス組成物、を切断および分離する当該方法は、本質的に、超短パルスレーザー５と併用して使用される光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）によって作り出された焦線４’によって加工されるワークピーク７の材料１３０中に複数の垂直欠陥線１２０で形成される断層線１１０を作製するステップをベースとしている。欠陥線１２０は、例えば、当該ガラス板の厚さを通って延在し、当該ガラス板の主要（平坦な）表面７a、７bに対して実質的に直交している。「断層線」１１０は、本明細書において「輪郭」とも呼ばれる。欠陥線または輪郭は、図１５Ａに示された断層線１１０のように直線的であってもよいが、当該断層線また輪郭１１０は非直線的で、湾曲を有していてもよい。湾曲した断層線または輪郭は、例えば、１次元ではなく２次元においてワークピース７または焦線４’をお互いに対して平行移動させることによって生成することができる。材料特性（吸光度、ＣＴＥ、応力、組成など）および、ワークピース７の材料１３０を加工するために選択されたレーザーパラメータに応じて、断層線１１０の作製のみで、自己分離を引き起こさせるのに十分であり得る。この場合、２次分離プロセス、例えば、張力／曲げ力、あるいは、例えば、ＣＯ２レーザーなどによって生じさせた熱的応力を必要としない。図１５Ａに示されるように、複数の欠陥線で輪郭を画定することができる。欠陥線によって分離された端部または表面は、当該輪郭によって画定される。欠陥線を作製する誘起吸収は、当該分離された端部または表面上に、３マイクロメートル未満（例えば、０．３マイクロメートルから２マイクロメートル）の平均直径を有する粒子を生成することができ、結果として、非常にクリーンな切断プロセスをもたらし得る。
場合により、作製された欠陥線は、材料を自然に分離させるのに十分ではなく、２次ステップを必要とし得る。そのような場合、例えば、第２レーザーを使用することにより、輪郭に沿ってガラスを分離するために熱的応力を生じさせることができる。いくつかのガラス組成物の場合、分離は、断層線の作製の後に、機械的応力の適用によって、または熱源（例えば、赤外レーザー、例えば、ＣＯまたはＣＯ２レーザー）の使用により熱的応力を生じさせて当該材料を強制的に分離することによって、達成することができる。別の選択肢は、ＣＯ２レーザーのみで分離を開始し、次いで、手動によって分離を完了させることである。選択肢のＣＯ２レーザー分離は、例えば、１０．６マイクロメートルにおける焦点のぼやけた連続波（ＣＷ）レーザー放射およびそのデューティサイクルを制御することによって調節された出力によって達成される。焦点変化（すなわち、焦点ぼけの度合い、および集束スポットを含む度合い）を使用して、スポットサイズを変えることによって、誘起された熱応力を変える。焦点のぼやけたレーザービームは、レーザー波長のサイズのオーダーでの最小の回折限界のスポットサイズより大きいスポットサイズを生成するレーザービームを含む。例えば、１０．６μｍ波長のＣＯ２レーザーの場合、ＣＯ２レーザーのために、１ｍｍから２０ｍｍ、例えば、１ｍｍから１２ｍｍ、３ｍｍから８ｍｍ、あるいは約７ｍｍ、２ｍｍ、および２０ｍｍ、のＣＯ２レーザースポットサイズを使用することができる。放射波長がガラスによっても吸収される他のレーザー、例えば、９〜１１マイクロメートルの範囲において放射される波長のレーザーなど、も使用することができる。そのような場合、１００ワットと４００ワットの間の出力レベルのＣＯ２レーザーを使用することができ、当該ビームは、欠陥線に沿って、または隣接して、５０〜５００ｍｍ／秒の速度においてスキャンすることができ、これは、分離を誘発するのに十分な熱的応力を生じさせる。指定された範囲内で選択された、正確な出力レベル、スポットサイズ、およびスキャン速度は、使用される材料、その厚さ、熱膨張率（ＣＴＥ）、弾性率に応じて変わり得るが、それは、これらの因子の全てが、所定の空間位置におけるエネルギー蓄積の特定の率によって付与される熱応力の量に影響を及ぼすためである。スポットサイズが小さすぎる場合（すなわち、＜１ｍｍ）、またはＣＯ２レーザー出力が高すぎる場合（＞４００Ｗ）、またはスキャン速度が遅すぎる場合（１０ｍｍ／秒未満）、当該ガラスは、過剰加熱され得、当該ガラスにおいて、溶発、溶融、または熱的に発生した亀裂を生じさせるが、これは、分離されたパーツのエッジ強度を下げることになるために、望ましくない。好ましくは、効率的で信頼性高いパーツ分離を誘起するために、ＣＯ２レーザービームスキャン速度は＞５０ｍｍ／秒である。しかしながら、当該ＣＯ２レーザーによって生じたスポットサイズが大きすぎる場合（＞２０ｍｍ）、またはレーザー出力が低すぎる場合（＜１０Ｗ、または場合によっては＜３０Ｗ）、またはスキャン速度が速すぎる場合（＞５００ｍｍ／秒）、加熱が不十分になり、これは、結果として、熱応力が低すぎるために、信頼性高いパーツ分離を誘起できない。
例えば、いくつかの実施形態において、上記において言及したピコ秒レーザーで穿孔されている０．７ｍｍ厚のＣｏｒｎｉｎｇ Ｅａｇｌｅ ＸＧ（登録商標）ガラスの場合、およそ６ｍｍのガラス表面でのスポット直径および２５０ｍｍ／秒のスキャン速度において、２００ワットのＣＯ２レーザー出力を使用することにより、パーツ分離を誘起することができる。穿孔線に沿った分離は、ＣＯ２スポットが、例えば、１００ミリ秒以内、５０ミリ秒以内、または２５ミリ秒以内において、所定の場所を通過した後に、非常に迅速（１秒未満）に生じるであろう。
断層線１１０の方向に沿った、隣接する欠陥線１２０の間の距離または周期性は、例えば、いくつかの実施形態において、０．１マイクロメートルを超えかつ約２０マイクロメートル以下であり得る。例えば、いくつかの実施形態において、隣接する欠陥線１２０の間の周期性は、０．５マイクロメートルから１５マイクロメートルの間、または３マイクロメートルから１０マイクロメートルの間、または０．５マイクロメートルから３．０マイクロメートルの間であり得る。例えば、いくつかの実施形態において、隣接する欠陥線１２０の間の周期性は、０．５マイクロメートルから１．０マイクロメートルの間であり得る。
非線形光学効果により基板材料またはガラスワークピースの破壊を生じさせるために、焦点の領域において、基板材料の破壊を生じさせるために十分な光強度が達成される限り、異なるタイプのレーザー５（ピコ秒、フェムト秒など）および異なる波長（ＩＲ、可視（例えば、緑色、青色など、ＵＶなど）も、用いることができる。好ましくは、当該レーザーは、所定のバースト内のパルスの数を調節することによって時間経過におけるエネルギー蓄積の制御を可能にするパルスバーストレーザーである。
いくつかの実施形態において、光学システム１２５によって、ピーク強度の高い均一性を有する焦線４’を作り出すために、超短パルスレーザー光源５が使用される。この概念の変形例の１つは、超短（ピコ秒またはフェムト秒の持続期間）レーザービーム２’を使用して、高アスペクト比の領域、無テーパマイクロチャネルを作り出すために、光学レンズシステム１２５において変形アキシコンレンズ部品３’を使用することである。他の実施形態により、上記において説明した条件１を満たすように設計／構築された、変形ワキシコン、変形逆アキシコン、または他の非球面部品も、利用することができる。当該変形アキシコン３’または同様の光学部品３’は、レーザービームを焦線４’、すなわち、上記において説明されるような実質的に均一な強度分布も有する、円柱形で高アスペクト比（長い長さおよび小さい直径）の高強度領域へと集光させる。集光されたレーザービームによって作り出された高強度により、レーザーの電磁場と基板材料との非線形相互作用が生じ、レーザーエネルギーがワークピース７へと移されて、断層線の成分となる欠陥の形成に作用する。
再び図１６を参照すると、材料をレーザー加工する方法は、パルスレーザービーム２を、ビームの伝搬方向に沿って方向付けされたレーザービーム焦線４’に集束するステップを含む。図１６に示されているように、レーザー５（図示されず）は、レーザービーム２を放射し、これは、光学システム１２５（本明細書において、光学アセンブリとも呼ばれる）に入射する部分２ａを有する。当該光学システム１２５は、投射レーザービーム２を、アウトプット側において、ビーム方向に沿って画定された拡張範囲（焦線の長さＬ）にわたる幅広のレーザービーム焦線４’へと変換する。この例示的実施形態において、当該平坦な基板７は、レーザービーム２のレーザービーム焦線４’に少なくとも部分的に重なるようにビーム経路に位置決めされる。したがって、当該レーザービーム焦線は、当該基板中へと向けられる。それぞれ、符号７ａは、光学アセンブリ１２５またはレーザーに面している平坦な基板の表面を示しており、符号７ｂは、基板７の反対側の表面を示している。当該基板またはワークピースの厚さｄ（この実施形態では、平面７ａおよび７ｂに対して、すなわち、基板の平面に対して垂直に測定した）。当該基板またはワークピースは、材料とも呼ぶことができ、かつ、例えば、レーザービーム２の波長に対して実質的に透明なガラス物品であり得る。
図１６に表されているように、基板７（またはガラス複合材ワークピース）は、長手方向のビーム軸に対して垂直に配置され、したがって、光学アセンブリ１２５によって生成された同じ焦線４’の後方に配置される（当該基板は、図面の平面に対して垂直である）。焦線がビーム方向に沿って方向付けまたは配置されている場合、当該基板は、焦線４’が基板の表面７ａの前方から始まって基板の表面７ｂの前方または後方で終わるように、焦線４’に対して位置決めされている。図１６に示される実施形態において、焦線４’は、当該基板内において終端しており、表面７ｂを超えて延在しない。
基板またはガラス片を、長手方向のビーム軸に対して非垂直角、例えば、５度または１５度など、において提示することも可能であることに留意されたい。しかしながら、例えば、角度＞１５度、または特に角度＞２０度など、長手方向のビーム軸に対する基板の角度が増加するに従い、当該ビームに導入される逸脱も増加し、結果として、焦線の劣化および基板を改質する能力の低下の原因となる。切断または開孔を阻害するほどあまりに多くの劣化が生じる正確な角度は、最後の集束レンズの開口数、利用可能なレーザーパルス出力の量、基板の組成、および基板の厚さに依存する。
その上、焦線４’の長さＬは、それが、基板の厚さｄを超えるように調節することができる（例えば、２倍、３倍など）。基板７が焦線４’の中央に位置されている場合（長手方向のビーム方向から見て）、誘起吸収は、基板の厚さ全体にわたって発生する。レーザービーム焦線４’は、例えば、約０．０１ｍｍから約１００ｍｍの間の範囲、または約０．１ｍｍから約１０ｍｍの間の範囲、または０．５ｍｍから１０ｍｍの間の範囲の長さＬを有し得る。様々な実施形態は、例えば、約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍから５ｍｍ、例えば、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、または１０ｍｍの長さＬを有するように構成され得る。いくつかの実施形態において、長さＬは、０．２７５ｍｍから５０ｍｍであり、いくつかの実施形態では、長さＬは、０．３ｍｍから５０ｍｍであり、いくつかの実施形態では、０．３ｍｍから１００ｍｍ、およびいくつかの実施形態では、０．５ｍｍから１００ｍｍ、または０．７ｍｍから１００ｍｍである。
レーザービーム焦線４’と基板７とが重なっているエリアにおいて、すなわち、焦線４’によって覆われた基板材料において、幅広のレーザービーム焦線４’は、（長手方向のビーム方向に沿って揃えられた）幅広のセクション４’ｃを発生させ、それに沿って、基板材料に誘起吸収が発生する。誘起吸収は、セクション４’ｃに沿って、基板材料において欠陥線の形成を生成する。当該欠陥線は、複数のレーザーパルスの単一の高エネルギーバーストを使用することによって発生された、実質的に透明な材料、基板、またはワークピースにおける、微視的（例えば、＞１００ｎｍかつ＜５マイクロメートルの直径）な細長い「穴」（穿孔または欠陥線とも呼ばれる）である。個々の穿孔は、例えば、数百キロヘルツの率（１秒あたり数１０万の穿孔）において作製することができる。光源と材料の間の相対運動により、これらの穿孔は、お互いに隣接して位置され得る（所望の場合、空間分離は、サブマイクロメートルから数マイクロメートルまで変わる）。この空間分離（ピッチ）は、材料またはワークピースの分離を容易にするように選択することができる。いくつかの実施形態において、当該欠陥線は、「貫通孔」であり、これは、実質的に透明な材料の上部から底部まで延在する孔または開口チャネルである。当該欠陥線の形成は、局所のみではなく、誘起吸収の幅広のセクション４’ｃの長さ全体にわたる。セクション４’ｃの長さ（レーザービーム焦線４’と基板７とが重なる部分の長さに対応する）は、符号Ｌ’で標識されている。当該誘起吸収４’ｃのセクションの平均直径または範囲は、基本的に、焦線４’の平均直径Ｄ、すなわち、約０．１マイクロメートルから約５マイクロメートルの間の範囲の平均スポット直径、に対応する。
図１６に示されているように、基板材料（レーザービーム２の波長λに対して透明）は、焦線４’内でのレーザービームの高強度に関連する非線形効果から生じる、焦線４’に沿った誘起吸収によって加熱される。加熱された基板材料は、最終的には膨張して、それにより、対応する誘起張力が微小亀裂の形成を引き起こす。
レーザー光源３の選択は、透明材料において多光子吸収（ＭＰＡ）を生じさせる能力に基づいている。ＭＰＡは、分子をある状態（通常、基底状態）からより高いエネルギー電子状態（イオン化）へと励起するための、同じまたは異なる周波数の２つ以上の光子の同時吸収である。当該分子における関与するより低いエネルギー状態とより高いエネルギー状態との間のエネルギー差は、２つの光子のエネルギーの合計に等しくあり得る。ＭＰＡは、誘起吸収とも呼ばれ、例えば、線形吸収より数桁弱い、２次または３次プロセス、またはより高次のプロセスであり得る。ＭＰＡは、誘起吸収の強度がそれ自体の光度に比例するのではなく、光度の２乗または三乗（またはより高次のべき法則）に比例し得る点において、線形吸収とは異なる。したがって、ＭＰＡは、非線形光学プロセスである。
それに沿って分離が生じる、分離されたパーツの表面の高品質（破壊強度、幾何学的精度、粗度、および再機械加工要件の回避に関する）を確保するため、分離線に沿って基板表面上に位置決めされた個々の焦線は、以下において説明する光学アセンブリを使用して発生されるべきである（以下において、当該光学アセンブリは、択一的にレーザーオプティクスとも呼ばれる）。分離された表面（または切断エッジ）の粗度は、特に、焦線のスポットサイズまたはスポット直径の結果として生じる。分離（切断）された表面の粗度は、例えば、０．２５マイクロメートルから１マイクロメートルであり得、それらは、例えば、Ｒａ表面粗度統計量（サンプリングされた表面の高さの絶対値の粗度の算術平均であり、焦線のスポット直径に起因して生じた隆起の高さを含む）によって特徴付けることができる。レーザー５の所定の波長λの場合（基板１の材料との相互作用）、例えば、０．５マイクロメートルから２マイクロメートルなどの小さいスポットサイズを達成するため、通常は、光学アセンブリ１２５の開口数に対してある特定の要件が課せられなければならない。
当該スポットサイズは、焦線４’に沿った、光ビームとワークピース（例えば、ガラス基板）との均一な相互作用の目的のために、あまり大きく変動すべきではない。これは、例えば、上記において説明したように、直径Ｄを実質的に一定に維持することによって確保することができる。したがって、好ましくは、当該レーザービームは、上記において説明したビーム半径Ｒｚ’に対応する必要なアパーチャまで、光学システム１２５に照射されるべきである。
本明細書において説明されるそのようなピコ秒レーザーの典型的な作動は、パルス５００Ａの「バースト」５００を生じることに留意されたい（例えば、図１７Ａおよび図１７Ｂを参照されたい）。各「バースト」（本明細書において、「パルスバースト」５００とも呼ばれる）は、非常に短い持続時間の複数の個々のパルス５００Ａ（例えば、少なくとも２パルス、少なくとも３パルス、少なくとも４パルス、少なくとも５パルス、少なくとも１０パルス、少なくとも１５パルス、少なくとも２０パルス、またはそれ以上）を含む。すなわち、パルスバーストは、パルスの「ポケット」であり、バーストは、各バースト内での個々の隣接するパルスの分離より長い持続時間によってお互いに離間される。パルス５００Ａは、１００ピコ秒までのパルス持続時間Ｔｄ（例えば、０．１ピコ秒、５ピコ秒、１０ピコ秒、１５ピコ秒、１８ピコ秒、２０ピコ秒、２２ピコ秒、２５ピコ秒、３０ピコ秒、５０ピコ秒、７５ピコ秒、またはそれらの間）を有する。当該バースト内のそれぞれの個々のパルス５００Ａのエネルギーまたは強度は、当該バースト内の他のパルスと等しくはあり得ず、かつ、バースト５００内の複数のパルスの強度分布は、多くの場合、レーザー設計によって支配される時間において指数関数的減衰に従う。好ましくは、本明細書において説明される例示的実施形態のバースト５００内の各パルス５００Ａは、１ナノ秒から５０ナノ秒の持続時間Ｔｐ（例えば、１０〜５０ナノ秒、または１０〜３０ナノ秒であり、この場合、当該時間は、多くの場合、レーザーキャビティ設計によって支配される）によってバースト内の後続のパルスから、時間的に分離される。所定のレーザーに対して、バースト５００内の隣接するパルスの間の時間的間隔Ｔｐ（パルス・ツー・パルス間隔）は、比較的一定である（±１０％）。例えば、いくつかの実施形態において、バースト内の各パルスは、およそ２０ナノ秒（５０ＭＨｚ）によって後続のパルスから時間的に分離される。例えば、約２０ナノ秒のパルス間隔Ｔｐを生じるレーザーの場合、バースト内でのパルス・ツー・パルス間隔Ｔｐは、約±１０％以内、または約±２ナノ秒以内に維持される。パルスの各「バースト」の間の時間（すなわち、バーストの間の時間的間隔Ｔｂ）は、はるかに長いであろう（例えば、０．２５≦Ｔｂ≦１０００マイクロ秒、例えば、１〜１０マイクロ秒、または３〜８マイクロ秒）。本明細書において説明されるレーザーの例示的実施形態のいくつかにおいて、Ｔｂは、約２００ｋＨｚのバースト繰返し率または周波数を有するレーザーの場合、約５マイクロ秒である。レーザーバースト繰返し率は、あるバーストにおける第１パルスから、後続のバーストにおける第１パルスまでの間の時間Ｔｂに関連する（レーザーバースト繰返し率＝１／Ｔｂ）。いくつかの実施形態において、当該レーザーバースト繰返し周波数は、約１ｋＨｚから約４ＭＨｚの間の範囲であり得る。より好ましくは、当該レーザーバースト繰返し率は、例えば、約１０ｋＨｚから６５０ｋＨｚの間の範囲であり得る。各バースト内の最初のパルスと後続のバースト内の最初のパルスの間の時間Ｔｂは、０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚバーストの繰返し率）から１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰返し率）、例えば、０．５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰返し率）から４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰返し率）、または２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰返し率）から２０マイクロ秒（５０ｋＨｚのバースト繰返し率）であり得る。正確なタイミング、パルス持続時間、およびバースト繰返し率は、レーザー設計に応じて変えることができるが、高強度の短いパルス（Ｔｄ＜２０ピコ秒、好ましくはＴｄ≦１５ピコ秒）は、特に良好に機能することが示されている。
材料を改質させるために必要なエネルギーは、バーストエネルギー、すなわち、バースト内に含まれるエネルギー（各バースト５００は、一連のパルス５００Ａを含む））、の観点から、または単一のレーザーパルス内（その多くは、バーストを含み得る）に含まれるエネルギーの観点から、説明することができる。これらの適用のために、バーストあたりのエネルギーは、２５〜７５０μＪ、より好ましくは５０〜５００μＪ、または５０〜２５０μＪであり得る。いくつかの実施形態において、バーストあたりのエネルギーは、１００〜２５０μＪである。パルスバースト内の個々のパルスのエネルギーは少なく、正確な個々のレーザーパルスのエネルギーは、バースト５００内のパルス５００Ａの数、および時間経過におけるレーザーパルスの減衰率（例えば、指数関数的減衰率）に依存するであろう。例えば、一定のエネルギー／バーストでは、あるパルスバーストが１０の個々のレーザーパルス５００Ａを含む場合、個々のレーザーパルス５００Ａのそれぞれは、同じパルスバースト５００が２つしか個々のレーザーパルスを有さない場合よりも少ないエネルギーを含むであろう。
そのようなパルスバーストを発生させることができるレーザーの使用は、例えば、ガラスなどの透明材料の切断または改質にとって有利である。単一パルスレーザーの繰返し率によって時間的に離間された単一パルスの使用とは対照的に、レーザーエネルギーをバースト５００内のパルスの急速なシークエンスにわたって広げるパルスバーストシークエンスの使用は、単一パルスレーザーによって可能である時間スケールよりも、材料との高強度の相互作用によるより大きな時間スケールへのアクセスを可能にする。単一パルスを時間内に拡張させることはできるが、その場合、当該パルス内の強度は、パルス幅にわたっておよそ同じ程度に低下しなければならない。したがって、１０ピコ秒の単一パルスが１０ナノ秒のパルスに拡張される場合、強度は、およそ３桁低下する。そのような低下は、非線形吸収がもはや重要でなく、光−材料相互作用が、もはや切断を可能にするほど強くはない程度にまで光学強度を減少させることができる。対照的に、パルスバーストレーザーでは、バースト５００内の各パルス５００Ａの際の強度は、非常に高いままであり得、例えば、およそ１０ナノ秒で時間的に離間される３つの１０ピコ秒のパルス５００Ａは、依然として、各パルス内の強度を、１０ピコ秒の単一パルスの強度よりおよそ３倍高くすることが可能だが、その一方で、当該レーザーは、ここで３桁大きい時間スケールにわたって、材料と相互作用することが可能になる。したがって、バースト内の複数のパルス５００Ａのこの調節は、既存のプラズマプルームとのより大きなまたはより小さな光相互作用、初期のまたは以前のレーザーパルスによって予め励起されていた原子および分子とのより大きなまたははより小さな光−材料相互作用、および微小亀裂の制御された成長を促進することができる材料内でのより大きなまたはより小さな加熱効果、を容易にすることができるような方法において、レーザー−材料相互作用の時間スケールの操作を可能にする。材料を改質させるために必要なバーストエネルギーの量は、基板材料の組成および基板と相互作用するために使用した焦線の長さによって変わるであろう。相互作用領域が長いほど、より多くのエネルギーが広げられ、より高いエネルギーが必要とされるであろう。正確なタイミング、パルス持続時間、およびバースト繰返し率は、レーザー設計に応じて変えることができるが、高強度の短いパルス（＜１５ピコ秒、または≦１０ピコ秒）は、この技術を用いて良好に機能することが示されている。当該欠陥線もしくは穴は、パルスの単一バーストが、本質的にガラスの同じ位置に当たる場合に、当該材料に形成される。すなわち、単一バースト内の複数のレーザーパルスは、ガラスにおける単一の欠陥線または穴の位置に対応する。当然のことながら、当該ガラスは（例えば、一定速度で移動する台などによって）平行移動されるか、またはビームがガラスに対して移動されるので、バースト内の個々のパルスは、ガラス上の正確に同じ空間的位置にはあり得ない。しかしながら、それらは、適切にお互いの１μｍ以内であり、すなわち、それらは、本質的に同じ位置においてガラスに当たる。例えば、それらは、お互いから間隔ｓｐにおいてガラスに当たり得、この場合、０＜ｓｐ≦５００ｎｍである。例えば、ガラスのある位置が、２０パルスのバーストで打たれる場合、当該バースト内の個々のパルスは、お互いの２５０ｎｍ以内において当該ガラスに当たる。したがって、いくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜２５０ｎｍである。いくつかの実施形態において、１ｎｍ＜ｓｐ＜１００ｎｍである。
基板（ワークピース）７が十分な応力を有する場合（例えば、イオン交換されたガラスなど）、パーツは、レーザープロセスによって穿孔された損傷で描かれた経路に沿って、自然に割れて分離するであろう。ただし、当該基板に固有の応力があまり存在しない場合（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｅａｇｌｅ ＸＧ（登録商標）組成物の場合と同様に）、ピコ秒のレーザーは、当該ワークピースに損傷軌跡を簡単に形成するであろう。これらの損傷軌跡は、一般的に、約０．１〜１．５マイクロメートル、または０．２マイクロメートルから２マイクロメートル（例えば、いくつかの実施形態では、０．２マイクロメートルから０．７マイクロメートル、または０．３マイクロメートルから０．６マイクロメートル）の内径を有する穴の形態を取る。好ましくは、当該穴は、非常に小さい寸法である（１桁のマイクロメートル以下）。
当該穴または欠陥線は、材料の厚さ全体を穿孔することができ、かつ、材料の深さを貫通する連続した開口部であってもまたはそうでなくてもよい。
重ねられたガラスシートを穿孔することも可能である。この場合、焦線の長さは、スタックの高さより長い必要がある。
概して、利用可能なレーザーパワーが高いほど、上記のプロセスによって材料をより速く切断することができる。本明細書において開示されるプロセスは、０．４ｍ／秒以上の切断／穿孔速度においてガラスを切断することができる。切断／穿孔速度は、レーザービームが、複数の穴または改質された領域を作製しつつ、透明材料（例えば、ガラス）の表面に対して移動する速度である。高速の切断／穿孔速度、例えば、４００ｍｍ／秒、５００ｍｍ／秒、７５０ｍ／秒、１ｍ／秒、１．２ｍ／秒、１．５ｍ／秒、または２ｍ／秒、さらには３．４ｍ／秒から４ｍ／秒など、は、多くの場合、製造のための設備投資を最小限に抑えるため、かつ設備稼働率を最適化するために望ましい。レーザーパワーは、バーストエネルギーにレーザーのバースト繰返し周波数（率）を乗じたものに等しい。概して、そのようなガラス材料を速い切断速度において切断するためには、損傷軌跡は、典型的には、１〜２５マイクロメートル離間され、いくつかの実施形態では、当該間隔は、好ましくは３マイクロメートル以上、例えば、３〜１２マイクロメートル、または、例えば、５〜１０マイクロメートルである。
例えば、４μｍピッチ（欠陥線の歩調合せ、または損傷軌跡の間の間隔）および１００μＪ／バーストにおいて０．４ｍ／秒の切断／穿孔速度を達成するためには、少なくとも１０ワットのレーザーを必要とし、４μｍピッチおよび１００μＪ／バーストにおいて０．５ｍ／秒の切断速度を達成するためには、少なくとも１２ワットのレーザーを必要とするであろう。例えば、３μｍピッチおよび４０μＪ／バーストにおいて１ｍ／秒の切断／穿孔速度を達成するためには、少なくとも１３ワットのレーザーを必要とするであろう。さらに、例えば、４μｍピッチおよび４００μＪ／バーストにおいて１ｍ／秒の切断速度は、少なくとも１００ワットのレーザーを必要とするであろう。損傷軌跡の間の最適なピッチおよび正確なバーストエネルギーは、材料依存性であり、実験により決定することができる。しかしながら、レーザーパルスエネルギーを高めること、またはより近いピッチにおいて損傷軌跡を作製することは、基板材料の分離を常により良好にまたは向上したエッジ品質において行う条件ではない、ということに留意されたい。損傷軌跡の間の密すぎるピッチ（例えば、＜０．１マイクロメートル、いくつかの例示的実施形態では＜１μｍ、またはいくつかの例示的実施形態では、＜２μｍ）は、場合により、近くに後続の損傷軌跡を形成することを阻害し得、多くの場合、穿孔した輪郭の周りでの材料の分離を阻害し得、結果として、ガラス内での不必要な微小亀裂の増加を引き起こす可能性もある。長すぎるピッチ（＞５０μｍ、いくつかのガラスでは、＞２５μｍ、さらには＞２０μｍ）は、結果として、「制御されていない微小亀裂生成」を引き起こし得、すなわち、微小亀裂が、穴から穴へ伝播するのではなく、様々な経路に沿って伝播し、様々な（望ましくない）方向においてガラスに亀裂を生じさせる。このことは、残留する微小亀裂が、ガラスを脆弱化するキズとしての役割を果たすことになるために、最終的に、分離されたガラス部品の強度を低下させる可能性がある。各損傷軌跡を形成するために使用される、高すぎるバーストエネルギー（例えば、＞２５００μＪ／バースト、およびいくつかの実施形態では、＞５００μＪ／バースト）は、隣接する損傷軌跡における既に形成された微小亀裂の「修復」または再溶融を引き起こし得、これは、ガラスの分離を阻害するであろう。したがって、バーストエネルギーは、＜２５００μＪ／バースト、例えば、≦５００μＪ／バーストであることが好ましい。さらに、高すぎるバーストエネルギーの使用は、非常に大きく、かつ分離後の部品のエッジ強度を低下させるキズを生じる微小亀裂の形成の原因となり得る。低すぎるバーストエネルギー（＜４０μＪ／バースト）は、ガラス内に感知できるほどの損傷軌跡の形成を生じることができず、したがって、非常に高い分離強度または穿孔された輪郭に沿った完全な分離の不能を生じ得る。
このプロセスによって可能となる典型的な例示的切断／穿孔速度は、例えば、０．４ｍ／秒以上である。本明細書において説明されるいくつかの実施形態において、当該切断速度は、５００ｍｍ／秒から２０００ｍｍ／秒、またはそれ以上である（例えば、２ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓ）。いくつかの実施形態において、当該ピコ秒（ｐｓ）レーザーは、パルスバーストを利用することにより、０．５マイクロメートルから１３マイクロメートルの間、例えば、０．５マイクロメートルから３マイクロメートルの間の周期性を有する欠陥線を生成する。いくつかの実施形態において、当該パルスレーザーは、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し、ならびに材料および／またはレーザービームは、少なくとも０．２５ｍ／秒、例えば、０．２５ｍ／秒から０．３５ｍ／秒、または０．４ｍ／秒から５ｍ／秒、の速度においてお互いに対して平行移動される。好ましくは、当該パルスレーザービームの各パルスバーストは、ワークピースの厚さ１ｍｍあたりのバーストあたり４０マイクロジュールを超える、当該ワークピースにおいて測定された平均レーザーエネルギーを有する。好ましくは、パルスレーザービームの各パルスバーストは、ワークピースの厚さ１ｍｍあたりバーストあたり２５００マイクロジュール未満、好ましくは１ｍｍあたりのバーストあたり約２０００マイクロジュール未満、いくつかの実施形態ではワークピースの厚さ１ｍｍあたりのバーストあたり１５００マイクロジュール未満、例えば、ワークピースの厚さ１ｍｍあたりのバーストあたり５００マイクロジュール以下の、当該ワークピースにおいて測定された平均レーザーエネルギーを有する。
したがって、当該レーザーがバーストあたり少なくとも２パルスにおいてパルスバーストを生成することが好ましい。例えば、いくつかの実施形態において、当該パルスレーザーは、１０Ｗ〜１５０Ｗ（例えば、１０〜１００Ｗ）のレーザー出力を有し、ならびにバーストあたり少なくとも２パルスを有するパルスバーストを生じさせる（例えば、バーストあたり２〜２５パルス）。いくつかの実施形態において、当該パルスレーザーは、２５Ｗ〜６０Ｗの出力を有し、バーストあたり少なくとも２〜２５パルスのパルスバーストを生成し、当該レーザーバーストによって生成した隣接する欠陥線の間の周期性または距離は、２〜１０マイクロメートルである。いくつかの実施形態において、当該パルスレーザーは、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し、バーストあたり少なくとも２パルスのパルスバーストを生成し、ワークピースおよびレーザービームは、少なくとも０．２５ｍ／秒の速度において、お互いに対して平行移動される。いくつかの実施形態において、当該ワークピークおよび／またはレーザービームは、少なくとも０．４ｍ／秒の速度において、お互いに対して平行移動される。
当該ワークピークは、例えば、１００μｍ以上の厚さ、例えば、０．２ｍｍから１０ｍｍの厚さであり得る。重ねられたガラスシートを穿孔することも可能である。この場合、焦線の長さＬは、スタックの高さより長い必要がある。
穴または欠陥線の間の側方間隔（ピッチ）は、集束したレーザービームの下方において基板を平行移動させるときのレーザーのパルスレートによって決定される。穴全体を形成するためには、通常、単一のピコ秒レーザーパルスバーストのみが必要であるが、所望の場合には、複数のバーストを使用してもよい。異なるピッチにおいて穴を形成するために、当該レーザーは、より長いもしくはより短い間隔で、トリガして発射することもできる。切断作業のために、レーザートリガは、概して、ビームの下方におけるワークピースのステージ駆動運動と同期され、そのため、レーザーパルスバーストは、固定された間隔、例えば、１マイクロメートル毎、または５マイクロメートル毎など、においてトリガされる。断層線の方向に沿った、隣接する穿孔または欠陥線の間の距離または周期性は、例えば、いくつかの実施形態において、０．１マイクロメートルを超えかつ約２０マイクロメートル以下であり得る。例えば、隣接する穿孔または欠陥線の間の間隔または周期性は、０．５マイクロメートルから１５マイクロメートルの間、または３マイクロメートルから１０マイクロメートルの間、または０．５マイクロメートルから３．０マイクロメートルの間である。例えば、いくつかの実施形態において、当該周期性は、０．５マイクロメートルから１．０マイクロメートルの間であり得る。
いくつかの実施形態により、ガラスワークピース７をレーザー加工する方法は、
（ｉ）ビーム伝搬方向に沿って方向付けされ、ガラスワークピース７に向けられたレーザービーム焦線４’へとパルスレーザービーム２’を集束するステップであって、当該レーザービーム焦線４’は、当該材料内に誘起吸収を発生させ、当該誘起吸収は、ワークピース７内に、当該レーザービーム焦線４’に沿って欠陥線１２０を生成し、この場合、当該焦線４’は、実質的に均一な強度プロファイルを有し、それにより、その光軸に沿った当該レーザービーム焦線のピーク強度は、当該焦線の長さの少なくとも８５％、好ましくは９０％、さらには当該焦線の長さＬの９５％に対して、４０％を超えて変動せず、好ましくは、いくつかの実施形態により、３５％を超えて変動せず、好ましくは、３０％を超えて変動せず、さらにより好ましくは、２５％または２０％を超えて変動せず、または１０％以下しか変動しない、ステップと、
（ｉｉ）当該ワークピース７および／または当該集束されたレーザービーム２を、輪郭に沿ってお互いに対して平行移動させ、それにより、レーザーが、当該ワークピース７内に、当該輪郭に沿って複数の欠陥線１２０を形成する、ステップと
を含む。
いくつかの実施形態により、隣接する欠陥線１２０の間の周期性は、０．１マイクロメートルから２０マイクロメートルの間である。
ＭＧＢビームによりワークピース７内において輪郭に沿って複数の欠陥線１２０を形成するレーザーは、分離された表面を形成するための、当該輪郭線によって画定された表面に沿っての当該ワークピークの分離を容易にすることができる。当該誘起吸収は、約０．５マイクロメートル以下の、当該切断または分離された端部におけるＲａ表面粗度を生成得る。当該誘起吸収も、当該分離された表面上に、３マイクロメートル未満の平均直径を有する特徴部を生成することができる。
いくつかの実施形態により、焦線４’は、実質的に均一な強度プロファイルを有し、それにより、その光軸（またはビーム伝搬軸）に沿った当該レーザービーム焦線のピーク強度は、当該焦線の長さＬの少なくとも９０％に対して、１０％以上、さらには５％変動しない。さらに、いくつかの実施形態により、焦線４’の光エネルギー全体の総光エネルギーの６０％を含む、焦線４’の領域は、その領域内における平均ピーク強度に対する、０％から２５％の強度変動性によって特徴付けられる。さらに、少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’の直径Ｄは、長さＬに対応する焦線領域内におけるその平均直径から２０％を超えて変動しない。例えば、少なくともいくつかの実施形態により、焦線４’の直径Ｄは、焦線４’の長さＬに対応する焦線領域内におけるその平均直径から１５％または１０％を超えて変動しない。
一実施形態により、ガラスワークピース７（例えば、ガラス基板、サファイヤ基板、材料、または透明プラスチックなど）をレーザー加工する方法は、以下のステップ：
（ｉ）当該ビーム伝搬方向に沿って方向付けされ、ガラスワークピースに向けられたレーザービーム焦線４’へと、レーザー５によって提供されるパルスレーザービーム２を集光するステップであって、当該レーザービーム焦線４’は、当該ガラスワークピース７の材料内に誘起吸収を発生させ、当該誘起吸収は、ワークピース７内に、当該レーザービーム焦線４’に沿って欠陥線１２０を生成し、この場合、当該焦線４’が、少なくとも、欠陥線１２０の長さに沿って実質的に光出力分布を有する、ステップと；（ｉｉ）当該ワークピース７および当該レーザービーム２’を、輪郭に沿ってお互いに対して平行移動させ、それにより、レーザーが、当該ワークピース７内に、当該輪郭に沿って複数の欠陥線１２０を形成する、ステップと、を含む。いくつかの実施形態により、その光軸（またはビーム伝搬軸）に沿った当該レーザービーム焦線４’のピーク強度は、当該焦線の長さの少なくとも９０％に対して、その平均ピーク強度から２０％以上、または１５％を超えて、または１０％を超えて、さらに５％を超えて変動しない。
一実施形態により、少なくとも１つのワークピースまたはガラス物品７をレーザー切断する方法は、以下のステップ：
（Ｉ）レーザー光源５、例えば、フェムト秒またはピコ秒レーザー光源５により、ガウスレーザービーム２を生成するステップと、
（ＩＩ）準非回折性レーザービームが、少なくとも欠陥線１２０の長さに沿って、実質的に均一な強度プロファイル（例えば、欠陥線１２０の長さ内における最大強度に対して、変動量≦２０％、≦１５％、例えば、≦１０％、さらには≦５％）、またはｉｉ）焦線４’の距離Ｌの少なくとも８５％に対して実質的に均一な強度プロファイル（例えば、距離Ｌの少なくとも８５％に対して、焦線内における最大強度に対して、変動量≦２５％、≦２０％、例えば、≦１５％、さらには≦１０％）、を有するような、非回折性レーザービーム２’を生成するために、当該ガウスレーザービームを変形させるステップと；
（ＩＩＩ）当該スポットが当該ワークピースまたはガラス物品に少なくとも１つの欠陥線１２０、損傷エリア、または穿孔を実現するように変更されたビームスポットに、当該ワークピースまたはガラス物品を供給するステップと
を含む。
少なくとも１つの実施形態により、当該１つの実施形態の非回折性レーザービーム２’は、例えば、ＭＧＢビームまたはトップハット強度分布ビームである。少なくともいくつかの実施形態により、ガウスレーザービームの変形は、焦線４’の距離Ｌの少なくとも９０％に対して実質的に均一な強度プロファイル（例えば、いくつかの実施形態において、平均ピーク強度の２５％以内または２０％以内、いくつかの実施形態では、平均最大ピーク強度の２０％以内）を有するような、準非回折性レーザービーム２’を生成する。
少なくともいくつかの実施形態により、当該実質的に均一な強度プロファイルは、焦線４’の強度分布の１／２Ｉｍａｘのポイントの間に位置された、焦線の長さＬの少なくとも８５％（好ましくは、少なくとも９０％）に対して、Ｉｍａｘに対して４０％未満、３５％未満、３０％未満、２５％未満、さらには２０％未満の強度変動量を有する。少なくともいくつかの実施形態により、当該実質的に均一な強度プロファイルは、焦線４’の強度分布の１／２Ｉｍａｘのポイントの間に位置された、焦線の長さＬの少なくとも８５％（好ましくは、少なくとも９０％）に対して、焦線４’の強度分布の１／２Ｉｍａｘのポイントの間に位置されたピーク強度に対して、平均ピーク強度に対して１５％未満の強度変動量を有する。
一実施形態により、ガラス材料を加工するための装置１００は、
（ｉ）ガウス強度プロファイルを有するライトビーム２を発生させるレーザー光源５と、
（ｉｉ）当該ライトビーム２を、変形ガウス−ベッセルビーム２’へと変換し、以下の特徴：（ｉ）少なくとも当該焦線４’の距離（長さ）Ｌに対して、実質的に均一な出力および／またはピーク強度分布；および（ｉｉ）実質的に一定な直径Ｄ（すなわち、平均直径の±２５％以内、好ましくは、±２０％以内、±１５％以内、さらには±１０％以内）、を有する焦線４’を形成する光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）であって、１／ｅ２（半径）のポイントの間に位置された光ビーム２の少なくとも中央部分がそこを通って伝搬することを可能にする透明アパーチャを備える光学部品を有する、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）と、
を含む。少なくともいくつかの実施形態により、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）は、当該焦線４’の長さＬの少なくとも９０％に対して、実質的に一定な焦線直径Ｄ（すなわち、最大直径の±２５％以内、好ましくは、最大焦線直径の±２０％以内、±１５％以内、さらには±１０％以内または１０％以内、または５％以内、さらには２％以内）を提供するように構築される。
一実施形態により、ガラス材料を加工するための装置１００は、
（ｉ）ガウス強度プロファイルを有するライトビーム２を発生させるレーザー光源５と、
（ｉｉ）当該ライトビーム２を、変形ガウス−ベッセルビーム２’へと変換し、以下の特徴：（ｉ）少なくとも距離ｄ＝０．８５Ｌ（例えば、ｄ＝０．９Ｌ、またはｄ＝０．９Ｌ）において、実質的に均一な出力および／またはピーク強度分布；および（ｉｉ）少なくともこの距離ｄに沿って実質的に一定な直径Ｄ（すなわち、平均直径の±２５％以内、好ましくは、±２０％以内、±１５％以内、さらには±１０％以内）、を有する焦線４’を形成する、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）であって、１／ｅ２（半径）のポイントの間に位置された光ビーム２の少なくとも中央部分がそこを通って伝搬することを可能にする透明アパーチャを備える光学部品を有する、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）と、
を含む。
さらなる例示的実施形態について、以下のＡ１からＧ１７で標識されたパラグラフにおいて説明する。
Ａ１．ワークピースをレーザー加工する方法であって、
ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ
を含み、当該焦線が、長さＬと、焦線の当該長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％を超えて変動しない（好ましくは３５％を超えて変動しない、好ましくは３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、さらにより好ましくは１０％を超えて変動しない）ような、実質的に均一な強度プロファイルと、を有する、方法。
Ａ２．さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、パラグラフＡ１に記載の方法。
Ａ３．さらに、少なくとも２つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、パラグラフＡ１に記載の方法。
Ａ４．当該非球面状表面が、屈折素子または反射素子の曲面である、パラグラフＡ１またはＡ２に記載の方法。
Ａ５．当該焦線が、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％以上変動しない（または、３５％を超えて、または３０％を超えて、または２５％を超えて、または２０％を超えて、または１０％を超えて変動しない）ような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、パラグラフＡ１〜Ａ４のいずれか１つに記載の方法。
Ａ６．当該焦線が、当該焦線の長さＬにおける強度分布が平均ピーク強度から３０％を超えて変動しない（好ましくは２０％を超えて変動しない）ような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、パラグラフＡ１〜Ａ４のいずれか１つに記載の方法。
Ａ７．当該焦線が、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から１５％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、パラグラフＡ１〜Ａ４のいずれか１つに記載の方法。
Ａ８．上記焦線が、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から１０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、パラグラフＡ１〜Ａ４のいずれか１つに記載の方法。
Ａ９．当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該レーザービーム焦線の直径Ｄが欠陥線の長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないように、上記レーザービーム焦線を形成するように構築された、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）を利用する、Ａ１〜Ａ８に記載の方法。
Ａ１０．当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しない、パラグラフＡ９に記載の方法。
Ｂ１．ワークピースをレーザー加工する方法であって、
ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ
を含み、
長さＬを有する当該焦線が、ビーム伝搬の方向における、当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が、最大ピーク強度から２０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、
方法。
Ｂ２．ワークピース７がガラスワークピースである、パラグラフＡ１〜Ｂ１のいずれか１つに記載の方法。
Ｂ３．さらに、当該ワークピースおよび当該レーザービームを、輪郭に沿ってお互いに対して平行移動させ、それにより、レーザーが、当該ワークピース内に当該輪郭に沿って複数の欠陥線を形成するステップを含む、パラグラフＢ１〜Ｂ２のいずれか１つに記載の方法。
Ｂ４．当該焦線が、ビーム伝搬方向における当該焦線の長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が最大ピーク強度から２０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、パラグラフＢ１〜Ｂ３のいずれか１つに記載の方法。
Ｂ５．当該焦線が、ビーム伝搬方向における当該焦線の長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が最大ピーク強度から１０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、パラグラフＢ４に記載の方法。
Ｂ６．当該焦線が、ビーム伝搬方向における当該焦線の長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が最大ピーク強度から５％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、パラグラフＢ１〜Ｂ５のいずれか１つに記載の方法。
Ｂ７．さらに、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対して当該レーザービーム焦線が直径Ｄを有しかつ当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないように、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システムを利用する、パラグラフＢ１〜Ｂ６のいずれか１つに記載の方法。
Ｂ８．当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しない、パラグラフＢ７に記載の方法。
Ｂ９．当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から５％を超えて変動しない、パラグラフＢ８に記載の方法。
Ｂ７−２．さらに、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対して当該レーザービーム焦線が直径Ｄを有しかつ当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して中央値直径から１５％を超えて変動しないように、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システムを利用する、パラグラフＢ１〜Ｂ６のいずれか１つに記載の方法。
Ｂ８−２．当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して平均（ｍｅａｎ）（平均（ａｖｅｒａｇｅ））直径から１０％を超えて変動しない、パラグラフＢ７に記載の方法。
Ｂ９−２．当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して平均（ｍｅａｎ）（平均（ａｖｅｒａｇｅ））直径から５％を超えて変動しない、パラグラフＢ８に記載の方法。
Ｂ１０．当該光学システムが、少なくとも２つの非球面部品を含む、パラグラフＢ１〜Ｂ９、Ｂ７−２〜Ｂ９−２のいずれか１つに記載の方法。
Ｂ１０−１．当該光学システムが、少なくとも１つの曲面をそれぞれが有する少なくとも２つの非球面部品を含む、パラグラフＢ１〜Ｂ９、Ｂ７−２〜Ｂ９−２のいずれか１つに記載の方法。
Ｂ１０−２．当該光学システムが、曲面を有する少なくとも１つの非球面部品を含み、当該非球面部品が、少なくとも１つの非ゼロのより高次の非球面係数ａ２〜ａ１２によって定義される、パラグラフＡ１〜Ａ９、またはＢ１〜Ｂ９、またはＢ７〜Ｂ９−２のいずれか１つに記載の方法。
Ｃ１．ワークピースをレーザー加工する方法であって、
（ｉ）当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップと；
（ｉｉ）レーザービーム焦線をワークピース内に向かわせるステップであって、当該レーザービーム焦線が当該ワークピース材料内に誘起吸収を発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップと
を含み、
当該焦線が、Ｌと、ピーク軸上光出力プロファイルとを有し、当該出力の８０％が当該伝搬軸に沿った出力分布の半最大出力ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光出力が、伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
方法。
Ｃ２．当該焦線が、単位長さあたりのエネルギーギ密度によって特徴付けられ、伝搬軸に沿った単位長さあたりの当該焦線のエネルギー密度が、当該焦線の長さＬの少なくとも９０％において２０％を超えて変動しない、パラグラフＣ１に記載の、ワークピースをレーザー加工する方法。
Ｃ３．当該焦線が、単位長さあたりのエネルギーギ密度によって特徴付けられ、伝搬軸に沿った単位長さあたりの当該焦線のエネルギー密度が、当該焦線の長さＬの少なくとも９０％において１０％を超えて変動しない、パラグラフＣ１に記載の、ワークピースをレーザー加工する方法。
Ｃ４．さらに、当該レーザービーム焦線が長さＬおよび直径Ｄを有するような、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システムを利用し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する直径Ｄが、長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しない、パラグラフＣ１〜Ｃ３のいずれか１つに記載の、ガラスワークピースをレーザー加工する方法。
Ｃ５．当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しない、パラグラフＣ１、Ｃ２、Ｃ３、またはＣ４に記載の、ガラスワークピースをレーザー加工する方法。
Ｃ６．当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から５％を超えて変動しない、パラグラフＣ５に記載の、ガラスワークピースをレーザー加工する方法。
Ｃ７．当該光学システム１２５が、少なくとも２つの非球面光学部品を含む、パラグラフＣ１、Ｃ２、Ｃ３、またはＣ４に記載の方法。
Ｃ７−１．当該光学システム１２５が、曲面を有する少なくとも１つの非球面光学部品を含み、当該非球面部品が、少なくとも１つの非ゼロのより高次の非球面係数ａ2〜ａ１２によって定義される、パラグラフＣ１、Ｃ２、Ｃ３、またはＣ４に記載の方法。
Ｃ８．当該光学システム１２５の当該非球面部品が、少なくとも１つの非球面状表面を有する反射または屈折光学部品である、パラグラフＣ１〜Ｃ７のいずれか１つに記載の方法。
Ｃ９．任意の断面に対し、焦線に対して異なる高さにおいて当該光学システムを出る光ビームが、お互いに対して１０％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって収束するように、当該光学システム１２５が構築される、パラグラフＣ１〜Ｃ８またはＣ７−１のいずれか１つに記載の方法。
Ｄ０．ガラスワークピースをレーザー加工する方法であって、
（ｉ）当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップと；
（ｉｉ）レーザービーム焦線をガラスワークピース内に向かわせるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップと
を含み、
当該焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、かつ、総強度の＞８０％が当該伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大ピーク強度ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、当該伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、方法。
Ｄ０−１．ガラスワークピースをレーザー加工する方法であって、
（ｉ）当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップと；
（ｉｉ）レーザービーム焦線をガラスワークピース内に向かわせるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップと
を含み、
当該焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、かつ、総エネルギーの＞６０％、６５％超、７０％超、８０％超、または＞８５％（例えば、８５％超、または９０％超）が当該伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大ピーク強度ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが当該伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
方法。
Ｄ１．当該レーザービーム焦線が直径Ｄを有しかつ当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが当該欠陥線の長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないように、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システム１２５を利用する、請求項Ｄ０またはＤ０−１に記載の方法。
Ｄ２．当該光学システム１２５が、少なくとも２つの非球面部品を含み、当該非球面部品の少なくとも１つが、非球面係数ａ２〜ａ１２から選択される少なくとも１つの非ゼロの非球面係数によって定義される表面を有する、請求項Ｄ１に記載の方法。
Ｄ２Ａ．当該光学システム１２５が、非球面係数ａ２〜ａ１２から選択される少なくとも１つの非ゼロの非球面係数によって定義される非球面状表面を有する１つまたは複数の非球面部品を含む、請求項Ｄ１に記載の方法。
Ｄ２Ｂ．非球面状表面が曲面である、請求項Ｄ１Ａに記載の方法。
Ｄ３．さらに、任意の断面に対し、焦線に対して異なる高さにおいて当該光学システムを出る光ビームが、お互いに対して１０％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって収束するような光学システムを利用するステップを含む、Ｄ１、Ｄ２Ａ、Ｄ２Ｂ、またはＤ２に記載の方法。
Ｄ４．さらに、焦線に対して異なる高さにおいて当該光学システムを出る光ビームが、お互いに対して５％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって収束するような光学システムを利用するステップを含む、請求項Ｄ２Ａ、Ｄ２、またはＤ２Ｂに記載の方法。
Ｄ５．透明材料をレーザー加工する装置であって、
（ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
（ｉｉ）変形ガウス−ベッセルビームを形成する光学システム１２５であって、少なくとも２つの非球面部品を含み、ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと
を含み、
当該レーザービーム焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、かつ、総強度の８０％超が当該伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大出力強度ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、当該伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
装置。
Ｄ６．さらに、長さＬと直径Ｄとを有し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から２０％を超えて変動しないような、レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システム１２５を利用する、パラグラフＤ５に記載の装置。
Ｄ７．当該光学システム１２５が、少なくとも１つの非球面状表面を含む、パラグラフＤ５またはＤ６に記載の装置。
Ｄ７−１．当該光学システム１２５が、少なくとも２つの非球面状表面を含む、パラグラフＤ５〜Ｄ７に記載の装置。
Ｄ８．当該非球面状平面が、屈折素子または反射素子の曲面上に形成される、パラグラフＤ５〜Ｄ７のいずれか１つに記載の装置。好ましくは、当該光学システム１２５は、非球面係数ａ２〜ａ１２から選択される少なくとも１つの非ゼロの非球面係数によって定義される少なくとも１つの非球面を有する。
Ｄ９．レーザー光源が、フェムト秒またはピコ秒レーザーである、パラグラフＤ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ７−１、またはＤ８に記載の装置。
Ｄ１０．パルスレーザーが、１０Ｗ〜１５０Ｗのレーザー出力を有し、パルスバーストあたり少なくとも２パルスを有するパルスバーストを生成する、パラグラフＤ０〜Ｄ９に記載の装置。
Ｄ１１．当該パルスレーザーが、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し、パルスバーストあたり少なくとも２〜２５パルスを有するパルスバーストを生成する、請求項Ｄ０〜Ｄ１０に記載の装置。
Ｄ１２．（ｉ）当該パルスレーザーが、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し；かつ
（ｉｉ）当該ワークピースまたはレーザービームが、少なくとも０．４ｍ／秒の速度において、お互いに対して平行移動される、パラグラフＤ０〜Ｄ１１に記載の装置。
Ｅ０．透明材料をレーザー加工するための装置であって、
（ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
（ｉｉ）変形ガウス−ベッセルビームを形成する光学システム１２５であって、少なくとも１つの非球面部品を含み、レーザービーム焦線が長さＬと直径Ｄとを有し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが、長さＬの少なくとも９０％に対して当該焦線の最大直径から２０％を超えて変動しないように、当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされた当該レーザービーム焦線を提供するように構成される、光学システムと
を含む、装置。
Ｅ１．さらに、長さＬと直径Ｄとを有し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して当該焦線の最大直径から１０％を超えて変動しないような、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システム１２５を利用する、Ｅ０に記載の装置。
Ｅ２．さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システム１２５を利用する、Ｅ０またはＥ１に記載の装置。
Ｅ３．さらに、少なくとも２つの非球面状表面を含む光学システム１２５を利用する、請求項Ｅ０〜Ｅ２に記載の装置。
Ｅ５．上記非球面状表面が、光学システム１２５の屈折素子または反射素子の曲面上に形成される、請求項Ｅ２に記載の装置。
Ｅ６．当該光学システムが、曲面を有する少なくとも１つの非球面部品を含み、当該非球面部品が、少なくとも１つ（好ましくは、少なくとも２つ）の非ゼロのより高次の非球面係数ａ2〜ａ１２によって定義される、Ｅ１〜Ｅ５に記載の装置。
Ｅ７．当該パルスレーザービームが、パルスレーザー光源によって生成され、当該レーザー光源が、フェムト秒またはピコ秒レーザーである、パラグラフＡ１〜Ｃ９のいずれか１つに記載の方法。
Ｅ８．パルスレーザー光源（すなわち、パルスレーザー）が、１０Ｗ〜１５０Ｗのレーザー出力を有し、パルスバーストあたり少なくとも２パルスを有するパルスバーストを生成する、パラグラフＥ７に記載の方法。
Ｅ８．当該パルスレーザーが、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し、パルスバーストあたり少なくとも２〜２５パルスを有するパルスバーストを生成する、パラグラフＥ７に記載の装置。
Ｅ９．（ｉ）当該パルスレーザーが、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し；かつ（ｉｉ）当該ワークピースまたはレーザービームが、少なくとも０．４ｍ／秒の速度において、お互いに対して平行移動される、パラグラフＥ７に記載の装置。
Ｆ１．透明ワークピースをレーザー加工する方法であって、 当該透明ワークピースに輪郭線を形成するステップであって、当該輪郭線が、当該透明ワークピースにおける欠陥を含む、ステップを含み、当該輪郭線を形成するステップが、ビーム光源によって出力され、ビーム経路に沿って方向付けられたパルスレーザービームを、透明ワークピース中へと向かわせた当該パルスレーザービームの一部分が焦線を形成し、ならびに当該透明ワークピース内に誘起吸収を生じさせるように、円錐（例えば、アキシコン、ワキシコンなど）またはおよそ円錐（例えば、変形アキシコンまたは変形ワキシコン、または別の非球面素子、この場合、少なくとも１つの非球面状表面が、非ゼロのより高次の非球面係数ａ２〜ａ１２を有する）波面を発生させる光学素子を通って、透明ワークピース中へと向かわせるステップ
を含み、当該誘起吸収が、当該透明ワークピース内に欠陥を生成し、当該ワークピース中へと向けられた当該パルスレーザービームの当該一部分が、
波長λ；
有効スポットサイズｗ０，ｅｆｆ；および
断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと、断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面であって、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方が、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１０を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きく、当該焦線が、当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％を超えて変動しない（例えば、３５％を超えて、または３０％を超えて、または２５％を超えて、または２０％を超えて、または１０％を超えて変動しない）ような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、非軸対称ビーム断面
を含む、方法。
Ｆ２．当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該レーザービーム焦線の直径Ｄが、欠陥線の長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないような、パラグラフＦ１に記載の方法。
Ｆ３．円錐波面を発生させる光学素子が、ビーム経路から半径方向にオフセットされて位置決めされる（すなわち、ビームの中央を中心としない）、パラグラフＦ１またはＦ２に記載の方法。
Ｆ４．ビーム経路から半径方向にオフセットされて位置決めされた当該光学素子が、上記において説明した光学部品３’である、パラグラフＦ３またはＦ２に記載の方法。
Ｆ５．さらに、ビーム光源と透明ワークピースとの間に位置決めされたデコヒーレンス化光学素子を使用して当該パルスレーザービームの第２ビーム部分から当該パルスレーザービームの第１ビーム部分をデコヒーレンス化するステップを含む、パラグラフＦ１またはＦ２に記載の方法。例えば、いくつかの実施形態により、第１ビーム部分を第１偏光へと偏光し、第２ビーム部分を第２ビーム部分に直交する第２偏光へと偏光するステップは、当該第２ビーム部分から当該第１ビーム部分をデコヒーレンス化する。
Ｆ６．デコヒーレンス化光学素子が、少なくとも１つの波長板（例えば、スピリットクォーター波長板ＳＱＷ）を含み、第１ビーム部分を第２ビーム部分からデコヒーレンス化する（インコヒーレントにする）ステップが、
（ａ）パルスレーザービームの第１ビーム部分が透明ワークピースにおける第１偏光を含むように、パルスレーザービームの第１ビーム部分を偏光するステップと、
（ｂ）パルスレーザービームの第２ビーム部分が透明ワークピースにおいて第２偏光を含むように、パルスレーザービームの第２ビーム部分を偏光するステップであって、第１偏光が、第２偏光に直交する、ステップと
を含む、パラグラフＦ５に記載の方法。
例えば、当該ＳＱＷは、長楕円形（例えば、楕円形断面）を有するビーム焦線を作り出すために、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）と併用して用いてもよい。いくつかの実施形態において、ＳＱＷは、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）の前に位置される。いくつかの実施形態において、ＳＱＷは、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）の内側に位置され、あるいは、光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）と焦線との間に位置することもできる。この実施形態において、追加のクォーター波長板が、環状に偏光された光を生じさせるようにＳＱＷの上流に位置される。いくつかの実施形態において、スプリットクォーター波長板ＳＱＷは、第１速軸ＳＱＷ１ａと第１遅軸ＳＷＱ１ａ’とを有する第１プレート部分ＳＱＷ１を含む。当該スプリットクォーター波長板は、第２速軸ＳＱＷ２ｂと第２遅軸ＳＱＷ２ｂ’とを有する第２プレート部分ＳＱＷ２も含む。さらに、第１速軸ＱＷ１ａは、第２速軸ＳＱＷ２ｂに直交しており、第１遅軸ＳＷＱ１ａ’は、第２遅軸ＳＱＷ２ｂ’に直交している。パルスレーザービームが、スプリットクォーター波長板ＳＱＷを反転させる場合、第１速軸ＳＱＷ１ａと第１遅軸ＳＷＱ１ａ’とを有する第１プレート部分ＳＱＷ１は、当該パルスレーザービームの第１ビーム部分を、第１偏光（例えば、特定の水平、垂直、または環状の偏光）へと偏光し、第２速軸ＳＱＷ２ｂを有する第２プレート部分ＳＱＷ１は、当該パルスレーザービームの第２ビーム部分を第２偏光（例えば、別の特定の水平、垂直、または環状の偏光）へと偏光する。第１ビーム部分を第１偏光へと偏光し、第２ビーム部分を第２ビーム部分に直交する第２偏光へと偏光するステップは、当該第２ビーム部分から当該第１ビーム部分をデコヒーレンス化する。当該スプリットクォーター波長板ＳＱＷは、２つのプレート部分（例えば、第１および第２プレート部分ＳＱＷ１、ＳＱＷ２）を含むように表されているが、当該スプリットクォーター波長板ＳＱＷの別の実施形態は、任意の数のプレート部分を含み得る。ブロッキング素子について前に説明したように、当該スプリットクォーター波長板ＳＱＷのこれらの部分は、断面の弦部分、より好ましくは扇、の形態において作製され得る。これらの実施形態において、第１複数のプレート部分は、第１速軸ＳＱＷ１ａと第１遅軸 ＳＷＱ１ａ’とを含み、第２複数のプレート部分は、第２速軸ＳＱＷ２ｂと第２遅軸 ＳＱＷ２ｂ’とを含む。さらに、当該第１複数のプレート部分は、集合的に、当該スプリットクォーター波長板ＳＱＷの約５０％を含み得、当該第２複数のプレート部分は、集合的に、当該スプリットクォーター波長板ＳＱＷの別の５０％を含み得る。光ビームをデコヒーレンス化する他の部品（例えば、光ビームの一部分をブロックし、好ましくは光学システム１２５（ＦＬＩＭＯＳ）内に位置される、ブロッキング素子）を、ＳＱＷの代わりに利用してもよいことに留意されたい。非軸対称ビーム断面を作り出すために、あるビーム部分を残りのビームからデコヒーレント化する他の方法。好ましくは、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面であって、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方が、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きい、非軸対称ビーム断面。
Ｆ７．さらに、光学ブロッキング素子を越えて当該パルスレーザービームを向かわせるステップを含み、この場合、当該光学ブロッキング素子は、円錐波面を生じる光学素子と透明ワークピースとの間に位置決めされる、パラグラフＦ１またはＦ２またはＦ５に記載の方法。好ましくは、当該ビーム断面は、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面であり、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方は、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きい。
Ｆ８．さらに、当該パルスレーザービームの第１部分に、別の部分（当該パルスレーザービームの第２部分）と比べて、特定の光遅延（リタデーション）を誘起するように構成された光遅延板を利用する、パラグラフＦ１またはＦ２に記載の方法。例えば、当該光遅延板は、当該パルスレーザービームの半分に対してπの光リタデーションを誘起し得（レーザー波長の１つの光周期は、光位相の２πラジアンに至ると考えられ、そのため、πの光リタデーションは、光周期の１／２の遅延である）、当該パルスレーザービーム１１２の半分に対して０．８７５πの光リタデーションを誘起し得、いくつかの実施形態では、当該レーザービームの半分に対して０．５πの光リタデーションを誘起し得る。
好ましくは、当該ビーム断面は、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面であり、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方は、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きい。
Ｇ１．ワークピースをレーザー加工する方法であって、
ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ
を含み、
当該焦線が、長さＬと、当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％を超えて、または３５％を超えて、または３０％を超えて、または２５％を超えて、または２０％を超えて、または１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルとを有する、方法。
Ｇ２．さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、パラグラフＧ１に記載の方法。
Ｇ３．当該非球面状表面が、屈折素子または反射素子の曲面である、パラグラフＧ２に記載の方法。
Ｇ４．（ｉ）上記焦線が、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から２０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有し、それにより、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から１５％以上変動しない；または、（ｉｉ）当該焦線が、当該焦線の長さＬにおける強度分布が平均ピーク強度から４０％以上、または３５％を超えて、または３０％を超えて、または２５％を超えて、または２０％を超えて変動しない、好ましくは、平均ピーク強度から１５％以上、または１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、パラグラフＧ１に記載の方法。
Ｇ５．当該光学システムが、
（ｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該レーザービーム焦線の直径Ｄが、欠陥線の長さＬの少なくとも９０％に対する最大直径から１５％を超えて変動しないように；または（ｉｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しないように、レーザービーム焦線を形成するように構築される、パラグラフＧ１〜４のいずれか１つに記載の方法。
Ｇ６．当該焦線が、単位長さあたりのエネルギーギ密度によって特徴付けられ、伝搬軸に沿った単位長さあたりの焦線のエネルギー密度が、当該焦線の長さＬの少なくとも９０％において１５％を超えて変動せず、好ましくは、当該焦線の長さＬの少なくとも９０％において１０％を超えて（または５％以下しか）変動しない、パラグラフＧ１〜Ｇ５のいずれか１つに記載の、ワークピースをレーザー加工する方法。いくつかの実施形態により、伝搬軸に沿った単位長さあたりの焦線のエネルギー密度は、当該焦線の長さＬにおいて２５％を超えて変動しない。
いくつかの実施形態により、伝搬軸に沿った単位長さあたりの焦線のエネルギー密度は、当該焦線の長さＬにおいて２０％を超えて変動しない。いくつかの実施形態により、伝搬軸に沿った単位長さあたりの焦線のエネルギー密度は、当該焦線の長さＬにおいて１５％を超えて変動しない。いくつかの実施形態により、伝搬軸に沿った単位長さあたりの焦線のエネルギー密度は、当該焦線の長さＬにおいて１０％を超えて変動しない。
Ｇ７．当該光学システムが、少なくとも２つの非球面光学部品を含む、パラグラフＧ１〜Ｇ６のいずれか１つに記載の方法。
Ｇ８．任意の断面に対し、当該焦線に対して異なる高さにおいて光学システムを出る光ビームが、お互いに対して１０％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって収束するように、当該光学システムが構成される、パラグラフＧ１〜Ｇ７のいずれか１つに記載の方法。
Ｇ９．透明材料をレーザー加工する装置であって、
（ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、変形ガウス−ベッセルビームを形成する光学システムであって、少なくとも２つの非球面部品を含み、当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと
を含み、
当該レーザービーム焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、（ｉ）総強度の７５％超、さらには８０％超が、伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大出力ポイントの間に含まれるように；および／または（ｉｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する直径Ｄが、当該長さＬの少なくとも９０％において最大直径から２０％を超えて変動せず、好ましくは１０％以下しか変動しないように、伝搬軸に沿った領域内に閉じ込められる、
装置。
Ｇ１０．さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、パラグラフＧ９に記載の装置。
Ｇ１１．さらに、少なくとも２つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、パラグラフＧ８またはＧ１０に記載の装置。
Ｇ１１．当該非球面状表面が、屈折素子または反射素子の曲面上に形成される、パラグラフＧ１１に記載の方法。
Ｇ１２．レーザー光源が、フェムト秒またはピコ秒レーザーである、パラグラフＧ９〜１１に記載の装置。
Ｇ１３．パルスレーザーが、１０Ｗ〜１５０Ｗのレーザー出力を有し、パルスバーストあたり少なくとも２パルスを有するパルスバーストを生成する、パラグラフＧ１２に記載の装置。
Ｇ１４．当該ビーム焦線が、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと、断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面を有し、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方が、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きい、パラグラフＡ１〜Ｇ１３のいずれか１つに記載の装置または方法。
Ｇ１５．当該ワークピースが、コーティングを含む部分と、コーティングを含まない部分とを含む、パラグラフＡ１〜Ｇ１４のいずれか１つに記載の装置または方法。
Ｇ１６．当該コーティングされていないワークピース部分が、厚さｄを有し、焦線の中心からコーティング（すなわち、焦線に隣接するコーティング）までの間の距離が、５００μｍ未満、好ましくは３５０μｍ未満、例えば、１０μｍから２５０μｍの間、または１０μｍから２００μｍの間、２０μｍから５００μｍの間、または、から４００μｍの間、または２０μｍから３００μｍの間、または２０μｍから２５０μｍの間、または１５μｍから３００μｍの間、または１５μｍから４００μｍの間、または１５μｍから５００μｍの間である、パラグラフＧ１５に記載の装置または方法。
Ｇ１７．複数の穿孔または欠陥が、当該焦線により、コーティングを含まないワークピークの一部分内に形成され、当該複数の穿孔または欠陥が、コーティングされた部分から距離Ｚｄに形成され（当該距離Ｚｄは、端部から端部まで、すなわち、穿孔または欠陥の端部から当該穿孔または欠陥に隣接するコーティングの端部までにおいて測定される）、当該コーティングされていないワークピースの一部分が、厚さｄを有し、Ｚｄ≦ｄ／３およびＺｄ＞５μｍであり、例えば、Ｚｄ＞１０μｍまたは＞１５μｍである、パラグラフＧ１５またはＧ１６に記載の装置または方法。いくつかの実施形態によれば、Ｚｄ≦ｄ／４であり、いくつかの実施形態によれば、Ｚｄ≦ｄ／５である。
特に明記されない限り、本明細書において説明されるいずれの方法も、そのステップが特定の順序で実施されることを必要とすると解釈されることを全く意図していない。したがって、方法のクレームが、そのステップが従うべき順序を実際には列挙していない場合、あるいは、ステップが特定の順序に限定されるべきであると請求項または説明において特に明記されていない場合、任意の特定の順序も推察されることは意図されていない。
本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく様々な変更および変形を為すことができることは、当業者には明白であろう。本発明の趣旨および本質が組み込まれた、開示された実施形態の変更、組み合わせ、部分的組み合わせ、および変形は、当業者が気付き得るものであるため、本発明は、添付の特許請求の範囲内の全てとその同等物を含むと解釈されるべきである。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
ワークピースをレーザー加工する方法であって、
当該ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内に当該レーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ
を含み、
当該焦線が、長さＬと、当該焦線の当該長さＬの少なくとも８５％における当該ピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％以上変動しない（好ましくは３５％を超えて変動しない、好ましくは３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、さらにより好ましくは１０％を超えて変動しない）ような、実質的に均一な強度プロファイルと、を有する、
方法。
実施形態２
さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態１に記載の方法。
実施形態３
さらに、少なくとも２つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態１に記載の方法。
実施形態４
当該非球面状表面が、屈折素子または反射素子の曲面である、実施形態２に記載の方法。
実施形態５
上記焦線が、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％における当該ピーク強度分布が平均ピーク強度から２０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、実施形態１〜４のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６
上記焦線が、当該焦線の当該長さＬにおける当該強度分布が平均ピーク強度から２０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、実施形態１、２、３、または４に記載の方法。
実施形態７
上記焦線が、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％における当該ピーク強度分布が平均ピーク強度から１５％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、実施形態５に記載の方法。
実施形態８
上記焦線が、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％における当該ピーク強度分布が平均ピーク強度から１０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、実施形態５に記載の方法。
実施形態９
上記光学システムが、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対して当該レーザービーム焦線の直径Ｄが当該欠陥線の当該長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないように、上記レーザービーム焦線を形成するように構築される、実施形態１〜８のいずれか１つに記載の方法。
実施形態１０
当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該直径Ｄが、当該欠陥線の当該長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しない、実施形態９に記載の方法。
実施形態１１
ワークピースをレーザー加工する方法であって、
ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ
を含み、
長さＬを有する当該焦線が、ビーム伝搬の方向いにおける当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が最大ピーク強度から４０％以上変動しない、好ましくは３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、さらにより好ましくは１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、方法。
実施形態１２
上記ワークピースが、ガラスワークピースである、実施形態１または１１に記載の方法。
実施形態１３
さらに、当該ワークピースおよび当該レーザービームを、輪郭に沿ってお互いに対して平行移動させ、それにより、レーザーが、当該ワークピース内に当該輪郭に沿って複数の欠陥線を形成するステップを含む、実施形態１２に記載の方法。
実施形態１４
上記焦線が、ビーム伝搬方向における当該焦線の長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が最大ピーク強度から２０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、実施形態１１または１２に記載の方法。
実施形態１５
上記焦線が、ビーム伝搬方向における当該焦線の長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が最大ピーク強度から１０％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、実施形態１４に記載の方法。
実施形態１６
上記焦線が、ビーム伝搬方向における当該焦線の長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が最大ピーク強度から５％以上変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、実施形態１１に記載の方法。
実施形態１７
さらに、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対して上記レーザービーム焦線が直径Ｄを有しかつ当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないように、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システムを利用する、実施形態１１〜１６のいずれか１つに記載の方法。
実施形態１８
当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しない、実施形態１７に記載の方法。
実施形態１９
当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から５％を超えて変動しない、実施形態１８に記載の方法。
実施形態２０
当該光学システムが、少なくとも２つの非球面部品を含む、実施形態１７に記載の方法。
実施形態２１
ワークピースをレーザー加工する方法であって、
（ｉ）当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップと；
（ｉｉ）レーザービーム焦線をワークピース内に向かわせるステップであって、当該レーザービーム焦線が当該ワークピース材料内に誘起吸収を発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ
を含み、
当該焦線が、Ｌと、ピーク軸上光出力プロファイルとを有し、当該出力の８０％が当該伝搬軸に沿った出力分布の半最大出力ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光出力が、伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
方法。
実施形態２２
当該焦線が、単位長さあたりのエネルギー密度によって特徴付けられ、伝搬軸に沿った単位長さあたりの当該焦線のエネルギー密度が、当該焦線の長さＬの少なくとも９０％において３０％を超えて、さらには２０％を超えて変動しない、実施形態１〜２１のいずれか１つに記載の、ワークピースをレーザー加工する方法。
実施形態２３
当該焦線が、単位長さあたりのエネルギー密度によって特徴付けられ、伝搬軸に沿った単位長さあたりの当該焦線のエネルギー密度が、当該焦線の長さＬの少なくとも９０％において１０％を超えて変動しない、実施形態１〜２２のいずれか１つに記載の、ワークピースをレーザー加工する方法。
実施形態２４
さらに、長さＬと直径Ｄとを有し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないような、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システムを利用する、実施形態１〜２３のいずれか１つに記載の、ガラスワークピースをレーザー加工する方法。
実施形態２５
当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しない、実施形態２４に記載の、ガラスワークピースをレーザー加工する方法。
実施形態２６
当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から５％を超えて変動しない、実施形態２５に記載の、ガラスワークピースをレーザー加工する方法。
実施形態２７
当該光学システムが、少なくとも２つの非球面光学部品を含む、実施形態２４または２６に記載の方法。
実施形態２８
上記非球面部品が、反射または屈折光学部品であり、それぞれが、少なくとも１つの非球面状表面を有する、実施形態２７に記載の方法。
実施形態２９
任意の断面に対し、当該焦線に対して異なる高さにおいて当該光学システムを出る光ビームが、お互いに対して１０％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって集束するように、当該光学システムが構築される、実施形態１〜２８のいずれか１つに記載の方法。
実施形態３０
ガラスワークピースをレーザー加工する方法であって、
（ｉ）当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップと；
（ｉｉ）レーザービーム焦線をガラスワークピース内に向かわせるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップと
を含み、
当該焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、かつ、総強度の＞８０％が当該伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大ピーク強度ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、当該伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
方法。
実施形態３１
さらに、当該レーザービーム焦線が直径Ｄを有しかつ当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが当該欠陥線の長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないように、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システムを利用する、
実施形態３０に記載の方法。
実施形態３２
当該光学システムが、少なくとも２つの非球面部品を含む、実施形態３０または３１に記載の方法。
実施形態３３
さらに、任意の断面に対し、焦線に対して異なる高さにおいて当該光学システムを出る光ビームが、お互いに対して１０％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって収束するような光学システムを利用するステップを含む、実施形態３２に記載の方法。
実施形態３４
さらに、焦線に対して異なる高さにおいて当該光学システムを出る光ビームが、お互いに対して５％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって収束するような光学システムを利用するステップを含む、実施形態３２に記載の方法。
実施形態３５
透明材料をレーザー加工する装置であって、
（ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
（ｉｉ）変形ガウス−ベッセルビームを形成する光学システムであって、少なくとも２つの非球面部品を含み、当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと；
を含み、
当該レーザービーム焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、かつ、総強度の８０％超が当該伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大出力強度ポイントの間に含まれるように、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、当該伝搬軸に沿った領域に閉じ込められる、
装置。
実施形態３６
さらに、長さＬと直径Ｄとを有し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から２０％を超えて変動しないように、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システムを利用する、実施形態３５に記載の装置。
実施形態３７
さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態３５または３６に記載の装置。
実施形態３８
さらに、少なくとも２つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態３５または３６に記載の装置。
実施形態３９
当該非球面状平面が、屈折素子または反射素子の曲面上に形成される、実施形態３５または３６に記載の装置。
実施形態４０
レーザー光源が、フェムト秒またはピコ秒レーザーである、実施形態３５〜３９のいずれか１つに記載の装置。
実施形態４１
パルスレーザーが、１０Ｗ〜１５０Ｗのレーザー出力を有し、パルスバーストあたり少なくとも２パルスを有するパルスバーストを生成する、実施形態３５〜４０のいずれか１つに記載の装置。
実施形態４２
当該パルスレーザーが、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し、パルスバーストあたり少なくとも２〜２５パルスを有するパルスバーストを生成する、実施形態３５〜４１のいずれか１つに記載の装置。
実施形態４３
（ｉ）当該パルスレーザーが、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し；かつ（ｉｉ）当該ワークピースまたはレーザービームが、少なくとも０．４ｍ／秒の速度において、お互いに対して平行移動される、実施形態３５〜４２のいずれか１つに記載の装置。
実施形態４４
透明材料をレーザー加工する装置であって、
（ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
（ｉｉ）変形ガウス−ベッセルビームを形成する光学システムであって、少なくとも１つの非球面部品を含み、レーザービーム焦線が長さＬと直径Ｄとを有し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して当該焦線の最大直径から２０％を超えて変動しないように、当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと、
を含む、装置。
実施形態４５
さらに、長さＬと直径Ｄとを有し、当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する当該直径Ｄが長さＬの少なくとも９０％に対して当該焦線の最大直径から１０％を超えて変動しないような、当該レーザービーム焦線を形成するように構築された光学システムを利用する、実施形態３５に記載の装置。
実施形態４６
さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態４３または４４に記載の装置。
実施形態４７
さらに、少なくとも２つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態４３または４４に記載の装置。
実施形態４８
当該非球面状表面が、屈折素子または反射素子の曲面上に形成される、実施形態４３、４４、または４６に記載の装置。
実施形態４９
当該パルスレーザーが、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し、パルスバーストあたり少なくとも２〜２５パルスを有するパルスバーストを生成する、実施形態４４〜４６のいずれか１つに記載の装置。
実施形態５０
（ｉ）当該パルスレーザーが、１０Ｗ〜１００Ｗのレーザー出力を有し；かつ（ｉｉ）当該ワークピースまたはレーザービームが、少なくとも０．４ｍ／秒の速度において、お互いに対して平行移動される、実施形態４４〜４７のいずれか１つに記載の装置。
実施形態５１
ワークピースをレーザー加工する方法であって、
ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、当該レーザービーム焦線が、誘起吸収を材料内に発生させ、当該誘起吸収が、当該ワークピース内にレーザービーム焦線に沿って欠陥線を生成する、ステップ
を含み、
当該焦線が、長さＬと、当該焦線の長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％以上変動しない、好ましくは３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、さらにより好ましくは１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルとを有する、
方法。
実施形態５２
さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態５１に記載の方法。
実施形態５３
当該非球面状表面が、屈折素子または反射素子の曲面である、実施形態５２に記載の方法。
実施形態５４
（ｉ）当該焦線は、焦線の当該長さＬの少なくとも９０％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から４０％以上変動しない、例えば、３５％、さらには３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは１５％を超えて変動しない、より好ましくは１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有するか、あるいは（ｉｉ）当該焦線は、当該焦線の長さＬにおける強度分布が、４０％以上変動しない、好ましくは３５％または３０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、好ましくは２０％を超えて変動しない、さらにより好ましくは１５％、さらには１０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、実施形態５１に記載の方法。
実施形態５５
当該光学システムが、
（ｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該レーザービーム焦線の直径Ｄが、欠陥線の長さＬの少なくとも９０％に対する最大直径から１５％を超えて変動しないように、あるいは（ｉｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対し、当該直径Ｄが、欠陥線の長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しないように、レーザービーム焦線を形成するように構築される、実施形態５１〜５４のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５６
当該焦線が、単位長さあたりのエネルギー密度によって特徴付けられ、伝搬軸に沿った単位長さあたりの焦線の当該エネルギー密度は、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％において１５％を超えて変動せず、好ましくは、当該焦線の当該長さＬの少なくとも９０％において１０％を超えて変動しない、実施形態５１〜５５に記載の、ワークピースをレーザー加工する方法。
実施形態５７
当該光学システムが、少なくとも２つの非球面光学部品を含む、実施形態５１〜５６のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５８
任意の断面に対し、当該焦線に対して異なる高さにおいて当該光学システムを出る光ビームが、お互いに対して１０％以内の実質的に同じ角度β’において当該焦線に向かって収束するように、光学システムが構築される、実施形態５１〜５７のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５９
当該ビーム焦線が、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ、ｍｉｎと、断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ、ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面を有し、この場合、ＺＲｘ、ｍｉｎおよびＺＲｙ、ｍｉｎのうちの小さい方が、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きい、実施形態１〜３４または５１〜５８に記載の方法。
実施形態６０
透明材料をレーザー加工する装置であって、
（ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
変形ガウス−ベッセルビーム（ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｇａｕｓｓ−Ｂｅｓｓｅｌ ｂｅａｍ）を形成する光学システムであって、少なくとも２つの非球面部品を含み、当該ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと
を含み、
当該レーザービーム焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、当該レーザービーム焦線の光エネルギーが、（ｉ）総強度の７５％超、さらには８０％超が、伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大出力ポイントの間に含まれるように；および／または（ｉｉ）当該ビーム焦線の任意の所定の断面に対する直径Ｄが、当該長さＬの少なくとも９０％において最大直径から２０％を超えて変動せず、好ましくは１０％以下しか変動しないように、伝搬軸に沿った領域内に閉じ込められる、
装置。
実施形態６１
さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態６０に記載の装置。
実施形態６２
さらに、少なくとも２つの非球面状表面を含む光学システムを利用する、実施形態６０または６１に記載の装置。
実施形態６３
上記少なくとも１つの非球面状平面が、屈折素子または反射素子の曲面上に形成される、実施形態６１または６２に記載の装置。
実施形態６４
当該ビーム焦線が、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと、断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面を有し、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方が、
Figure 2019532908
［式中、ＦＤは、１５を超える、好ましくは５０を超える、少なくともいくつかの実施形態では、７５を超える、無次元発散係数である（例えば、１００≧ＦＤ≧１００００）］より大きいように構築される、実施形態３５〜５０、または６０〜６３に記載の装置。
実施形態６５
上記ワークピースが、（ａ）コーティングを含む少なくとも一部分と、（ｂ）コーティングを含まない少なくとも一部分とを含む、実施形態１〜６４のいずれか１つに記載の方法または装置。
実施形態６６
当該コーティングされていないワークピース部分が厚さｄを有し、当該焦線の中心と当該コーティングの間の距離が、５００μｍ未満、好ましくは３５０μｍ未満、例えば、１０μｍから２５０μｍの間、または１０μｍから２００μｍの間、または２０μｍから４００μｍの間である、実施形態６５に記載の方法または装置。
実施形態６７
当該コーティングされていないワークピース部分が厚さｄを有し、複数の穿孔または欠陥が、当該焦線により、コーティングを含まないワークピースの少なくとも一部分内に形成され、当該複数の穿孔または欠陥が、コーティングされた部分から距離Ｚｄに形成され、Ｚｄ≦ｄ／３およびＺｄ＞５μｍであり、例えば、Ｚｄ＞１０μｍまたは＞１５μｍである、実施形態６５または６６に記載の方法または装置。
２ レーザービーム
２’ ＭＧＢビーム
３ アキシコン
３’、６ａ’、６ｂ’ 光学部品
３ａ 円錐面
３ａ’表面
４、４’ 焦線
４ａ’中央部分
５ レーザー
６ 光学システム
６ａ、６ｂ レンズ
７ ワークピース
７ａ、７ｂ 表面
１１０ 輪郭
１２０ 欠陥線
１２５ 光学システム
１３０ 材料
５００ バースト
５００Ａ パルス

Claims (10)

  1. ワークピースをレーザー加工する方法であって、
    該ワークピースに向けられたレーザービーム焦線にパルスレーザービームを集束させるステップであって、該レーザービーム焦線が該ワークピースの材料内に誘起吸収を発生させ、該誘起吸収が、該ワークピース内に該レーザービーム焦線に沿って欠陥線を生じさせる、ステップ
    を含み、
    該レーザービーム焦線が、長さＬと、該レーザービーム焦線の該長さＬの少なくとも８５％におけるピーク強度分布が平均ピーク強度から２０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルとを有する、
    方法。
  2. さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムであって、該非球面状表面が、屈折素子または反射素子の曲面である、光学システムを利用する、請求項１記載の方法。
  3. （ｉ）前記レーザービーム焦線が、該レーザービーム焦線の前記長さＬの少なくとも９０％における前記ピーク強度分布が平均ピーク強度から２０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有するか；または（ｉｉ）該レーザービーム焦線が、該レーザービーム焦線の該長さＬの少なくとも９０％における該ピーク強度分布が平均ピーク強度から１５％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有するか；または（ｉｉｉ）該レーザービーム焦線が、該レーザービーム焦線の該長さＬにおける該ピーク強度分布が平均ピーク強度から２０％を超えて変動しないような、実質的に均一な強度プロファイルを有する、請求項１記載の方法。
  4. 前記光学システムが、（ｉ）前記レーザービーム焦線の任意の所定の断面に対し、該レーザービーム焦線の直径Ｄが、前記欠陥線の前記長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から１５％を超えて変動しないように；または（ｉｉ）該レーザービーム焦線の任意の所定の断面に対し、該直径Ｄが、該欠陥線の該長さＬに対して最大直径から１０％を超えて変動しないように、該レーザービーム焦線を形成するように構築される、請求項２〜３のいずれか一項記載の方法。
  5. 前記レーザービーム焦線が、単位長さあたりのエネルギー密度によって特徴付けられ、伝搬軸に沿った単位長さあたりの該レーザービーム焦線の該エネルギー密度が、該レーザービーム焦線の該長さＬの少なくとも９０％において１５％を超えて変動しない、請求項１〜４のいずれか一項記載の、ワークピースをレーザー加工する方法。
  6. 前記レーザービーム焦線が、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ，ｍｉｎと、断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ，ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面を有し、この場合、ＺＲｘ，ｍｉｎおよびＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方が、
    Figure 2019532908
    ［式中、ＦＤは、１５を超える無次元発散係数である］より大きい、請求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
  7. 前記ワークピースが、（ａ）コーティングを含む少なくとも一部分と、（ｂ）コーティングを含まない少なくとも一部分とを含み、該コーティングされていないワークピース部分が厚さｄを有し、該レーザービーム焦線の中心と該コーティングの間の距離が５００μｍ未満である、請求項１〜６のいずれか一項記載の方法。
  8. 透明材料のワークピースをレーザー加工するための装置であって、
    （ｉ）ガウス強度プロファイルビームを発生させるレーザー光源と、
    （ｉｉ）変形ガウス−ベッセルビーム（ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｇａｕｓｓ−Ｂｅｓｓｅｌ ｂｅａｍ）を形成する光学システムであって、少なくとも２つの非球面部品を含み、前記ビーム伝搬軸に沿って方向付けされたレーザービーム焦線を提供するように構成された光学システムと、
    を含み、
    該レーザービーム焦線が、軸上ピーク強度プロファイルを有し、該レーザービーム焦線の前記光エネルギーが、（ａ）総強度の８０％超が、該伝搬軸に沿ったピーク強度分布の半最大出力ポイントの間に含まれるように；および／または（ｂ）該レーザービーム焦線の任意の所定の断面に対する該直径Ｄが前記長さＬの少なくとも９０％に対して最大直径から２０％を超えて変動しないように、該伝搬軸に沿った領域内に閉じ込められる、装置。
  9. さらに、少なくとも１つの非球面状表面を含む光学システムであって、該非球面状表面が、屈折素子または反射素子の曲面である光学システムを利用する、請求項８記載の装置。
  10. 前記レーザービーム焦線が、断面Ｘ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｘ、ｍｉｎと、断面ｙ軸方向における最小レイリー範囲ＺＲｙ、ｍｉｎとを含む非軸対称ビーム断面を有し、この場合、ＺＲｘ、ｍｉｎおよびＺＲｙ、ｍｉｎのうちの小さい方が、
    Figure 2019532908
    ［式中、ＦＤは、１５を超える無次元発散係数である］より大きいように構築される、請求項８〜９のいずれか一項記載の装置。
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