JP2020500810A5

JP2020500810A5 -

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Publication number: JP2020500810A5
Application number: JP2019524886A
Authority: JP
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2037-11-13

Description

本発明は、入射面と、出射面とを有する脆性材料の切断を対象とする。本発明によるレーザ装置は、パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するレーザ源を備える。パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有し、コリメートビームは、第１の直径を有する。光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズが、提供される。レーザ源と非球面集束レンズとの間に位置する無限焦点ビーム拡大器が、提供される。無限焦点ビーム拡大器は、コリメートビームを第１の直径から第２の直径まで拡大するように配列される。第２の直径は、拡大されたコリメートビームの一部のみが有効開口の内側に存在するように、非球面集束レンズの有効開口より大きい。非球面集束レンズは、パルスレーザ放射のビームの一部を有効開口の内側に集束させる。集束されたビームは、光学軸と同軸である伸長焦点を有する。伸長焦点は、光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有する。伸長焦点は、入射面と出射面との間の脆性材料に重複する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
脆性材料を切断するためのレーザ装置であって、前記脆性材料は、入射面と、出射面とを有し、前記装置は、
パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有し、前記コリメートビームは、第１の直径を有する、レーザ源と、
光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズと、
前記レーザ源と前記非球面集束レンズとの間に位置する無限焦点ビーム拡大器であって、前記無限焦点ビーム拡大器は、前記コリメートビームを前記第１の直径から第２の直径まで拡大するように配列され、前記第２の直径は、前記拡大されたコリメートビームの一部のみが前記有効開口の内側に存在するように、前記非球面集束レンズの有効開口より大きい、無限焦点ビーム拡大器と
を備え、
前記非球面集束レンズは、パルスレーザ放射の前記ビームの一部を前記有効開口の内側に集束させ、前記集束されたビームは、前記光学軸と同軸である伸長焦点を有し、前記伸長焦点は、前記光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有し、
前記伸長焦点は、前記入射面と前記出射面との間の前記脆性材料に重複する、装置。
（項目２）
前記有効開口の内側の前記拡大されたコリメートビームの一部は、約８５％〜約９５％である、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目３）
前記有効開口の内側の前記拡大されたコリメートビームの一部は、約９０％である、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目４）
前記ほぼ一様な強度分布は、複数のピークを含み、前記ピーク強度は、平均ピーク強度から約２０％未満変動する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目５）
ほぼ一様な強度分布を有する前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目６）
前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点に送達される前記パルスレーザ放射のパルスエネルギーを最大限にし、前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目７）
前記有効開口は、前記無限焦点ビーム拡大器と前記非球面集束レンズとの間に位置する離散開口によって画定される、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目８）
前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目９）
前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目１０）
前記非球面集束レンズは、前記拡大されたコリメートビームが前記凸面形の非球面表面上に入射するように配向される、項目９に記載のレーザ切断装置。
（項目１１）
前記非球面集束レンズは、前記拡大されたコリメートビームが前記平坦表面上に入射するように配向される、項目９に記載のレーザ切断装置。
（項目１２）
前記ワークピースは、平行移動され、切断線に沿って前記光学軸をトレースしながら、パルスレーザ放射の前記集束されたビームを印加する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目１３）
パルスレーザ放射の前記コリメートビームは、横方向のガウス強度分布を有する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目１４）
パルスレーザ放射の前記ビームは、一連のバーストを備え、各バーストは、複数の個々のパルスを含む、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目１５）
各バーストは、２〜１０個の個々のパルスを含む、項目１４に記載のレーザ切断装置。
（項目１６）
各バーストは、５個の個々のパルスを含む、項目１５に記載のレーザ切断装置。
（項目１７）
パルス繰り返し数は、約４０メガヘルツ〜約５０メガヘルツである、項目１４に記載のレーザ切断装置。
（項目１８）
バースト周波数は、約５０キロヘルツ〜約１メガヘルツである、項目１４に記載のレーザ切断装置。
（項目１９）
前記バースト周波数は、約１００キロヘルツ〜約４００キロヘルツである、項目１８に記載のレーザ切断装置。
（項目２０）
前記ワークピースは、ガラスから作製される、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目２１）
前記ワークピースは、化学強化ガラスから作製される、項目２０に記載のレーザ切断装置。
（項目２２）
脆性材料を切断するためのレーザ装置であって、前記脆性材料は、入射面と、出射面とを有し、前記装置は、
パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するためのレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有する、レーザ源と、
光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズと、
前記レーザ源と前記非球面集束レンズとの間のパルスレーザ放射の前記コリメートビームの中に位置するビーム拡大要素であって、前記ビーム拡大要素は、パルスレーザ放射の前記コリメートビームをパルスレーザ放射の拡大されたビームへと形成し、パルスレーザ放射の前記拡大されたビームは、パルスレーザ放射の前記拡大されたビームの一部のみが前記有効開口の内側に存在するように、前記非球面集束レンズの有効開口を過充填する、ビーム拡大要素と
を備え、
前記有効開口の内側のパルスレーザ放射の前記拡大されたビームの一部は、前記非球面集束レンズによってパルスレーザ放射の集束ビームへと形成され、パルスレーザ放射の前記集束ビームは、伸長焦点を有し、前記伸長焦点は、前記光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有し、
前記伸長焦点は、前記入射面と前記出射面との間の前記脆性材料に重複する、レーザ装置。
（項目２３）
前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２４）
前記非球面集束レンズは、球状集束レンズと、非球面位相板とを含む、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２５）
前記非球面位相板は、回折光学素子である、項目２４に記載のレーザ切断装置。
（項目２６）
前記ビーム拡大要素は、無限焦点ビーム拡大器である、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２７）
前記ビーム拡大要素は、凹面レンズである、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２８）
前記有効開口は、前記ビーム拡大要素と前記非球面集束レンズとの間のパルスレーザ放射の前記拡大されたビームの中に位置する離散開口によって画定される、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２９）
前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目３０）
前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在するほぼ一様な強度分布を有する、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目３１）
前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点に送達される前記パルスレーザ放射のパルスエネルギーを最大限にし、前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、項目２２に記載のレーザ切断装置。

Claims

脆性材料を切断するためのレーザ装置であって、前記脆性材料は、入射面と、出射面とを有し、前記装置は、
パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有し、前記コリメートビームは、第１の直径を有する、レーザ源と、
光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズと、
前記レーザ源と前記非球面集束レンズとの間に位置する無限焦点ビーム拡大器であって、前記無限焦点ビーム拡大器は、前記コリメートビームを前記第１の直径から第２の直径まで拡大するように配列され、前記第２の直径は、前記拡大されたコリメートビームの一部のみが前記有効開口の内側に存在しかつ前記有効開口を充填するように、前記非球面集束レンズの前記有効開口より大きい、無限焦点ビーム拡大器と
を備え、
前記非球面集束レンズは、パルスレーザ放射の前記ビームの前記一部を前記有効開口の内側に集束させ、前記集束は、前記有効開口の縁での回折と組み合わせて、前記光学軸と同軸である伸長焦点を形成し、前記伸長焦点は、前記光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有し、
前記伸長焦点は、前記入射面と前記出射面との間の前記脆性材料に重複する、装置。
前記有効開口の内側の前記拡大されたコリメートビームの前記一部は、約８５％〜約９５％である、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記有効開口の内側の前記拡大されたコリメートビームの前記一部は、約９０％である、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記ほぼ一様な強度分布は、複数のピークを含み、前記ピーク強度は、平均ピーク強度から約２０％未満変動する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
ほぼ一様な強度分布を有する前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点に送達される前記パルスレーザ放射のパルスエネルギーを最大限にし、前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記有効開口は、前記無限焦点ビーム拡大器と前記非球面集束レンズとの間に位置する離散開口によって画定される、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記非球面集束レンズは、前記拡大されたコリメートビームが前記凸面形の非球面表面上に入射するように配向される、請求項９に記載のレーザ切断装置。
前記非球面集束レンズは、前記拡大されたコリメートビームが前記平坦表面上に入射するように配向される、請求項９に記載のレーザ切断装置。
前記脆性材料は、平行移動され、切断線に沿って前記光学軸をトレースしながら、パルスレーザ放射の前記集束されたビームを印加する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
パルスレーザ放射の前記コリメートビームは、横方向のガウス強度分布を有する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
パルスレーザ放射の前記ビームは、一連のバーストを備え、各バーストは、複数の個々のパルスを含む、請求項１に記載のレーザ切断装置。
各バーストは、２〜１０個の個々のパルスを含む、請求項１４に記載のレーザ切断装置。
各バーストは、５個の個々のパルスを含む、請求項１５に記載のレーザ切断装置。
パルス繰り返し数は、約４０メガヘルツ〜約５０メガヘルツである、請求項１４に記載のレーザ切断装置。
バースト周波数は、約５０キロヘルツ〜約１メガヘルツである、請求項１４に記載のレーザ切断装置。
前記バースト周波数は、約１００キロヘルツ〜約４００キロヘルツである、請求項１８に記載のレーザ切断装置。
前記脆性材料は、ガラスから作製される、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記ワークピースは、化学強化ガラスから作製される、請求項２０に記載のレーザ切断装置。
脆性材料を切断するためのレーザ装置であって、前記脆性材料は、入射面と、出射面とを有し、前記装置は、
パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するためのレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有する、レーザ源と、
光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズと、
前記レーザ源と前記非球面集束レンズとの間のパルスレーザ放射の前記コリメートビームの中に位置するビーム拡大要素であって、前記ビーム拡大要素は、パルスレーザ放射の前記コリメートビームをパルスレーザ放射の拡大されたビームへと形成し、パルスレーザ放射の前記拡大されたビームは、パルスレーザ放射の前記拡大されたビームの一部のみが前記有効開口の内側に存在しかつ前記有効開口を充填するように、前記非球面集束レンズの前記有効開口を過充填する、ビーム拡大要素と
を備え、
前記有効開口の内側のパルスレーザ放射の前記拡大されたビームの前記一部の前記非球面集束レンズによる集束は、前記有効開口の有効縁での回折と組み合わせて、伸長焦点を有するパルスレーザ放射の集束ビームを形成し、前記伸長焦点は、前記光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有し、
前記伸長焦点は、前記入射面と前記出射面との間の前記脆性材料に重複する、レーザ装置。
前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
前記非球面集束レンズは、球状集束レンズと、非球面位相板とを含む、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
前記非球面位相板は、回折光学素子である、請求項２４に記載のレーザ切断装置。
前記ビーム拡大要素は、無限焦点ビーム拡大器である、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
前記ビーム拡大要素は、凹面レンズである、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
前記有効開口は、前記ビーム拡大要素と前記非球面集束レンズとの間のパルスレーザ放射の前記拡大されたビームの中に位置する離散開口によって画定される、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
ほぼ一様な強度分布を有する前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点に送達される前記パルスレーザ放射のパルスエネルギーを最大限にし、前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
脆性材料から作製されるワークピースを切断線に沿って切断するための方法であって、前記方法は、
レーザ放射のビームを送達するステップであって、前記レーザ放射は、パルス化され、かつ約２０ピコ秒未満のパルス持続時間を有する、ステップと、
レーザ放射の拡大されたビームの一部のみが有効開口の内側に存在しかつ前記有効開口を充填し、非球面集束レンズを通して伝送されるように、前記非球面集束レンズの前記有効開口を過充填するためにレーザ放射の前記ビームを拡大するステップと、
前記有効開口の縁でレーザ放射の前記ビームを回折させることと組み合わせて、レーザ放射の前記伝送されたビームを集束させることによって、伸長焦点を有するレーザ放射の集束ビームを形成するステップであって、前記伸長焦点は、前記非球面集束レンズの光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有する、ステップと、
前記伸長焦点が前記ワークピースの入射面と出射面との間で前記ワークピースに重複しかつ前記光学軸が前記切断線を捕捉するように、前記ワークピースを位置付けるステップと、
前記切断線に沿って前記光学軸をトレースするステップと
を備える、方法。
前記有効開口の内側のレーザ放射の前記拡大されたビームの前記一部は、約８５％〜約９５％である、請求項３２に記載の切断方法。
前記ほぼ一様な強度分布は、複数のピークを含み、前記ピーク強度は、平均ピーク強度から約２０％未満変動する、請求項３２に記載の切断方法。
前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項３２に記載の切断方法。
レーザ放射の前記送達されたビームは、パルスエネルギーを有し、前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点内の前記パルスエネルギーの割合を最大限にする、請求項３２に記載の切断方法。
前記有効開口は、レーザ放射の前記拡大ビームに位置する離散開口によって画定される、請求項３２に記載の切断方法。
前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、請求項３２に記載の切断方法。
前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、請求項３２に記載の切断方法。
前記非球面集束レンズは、レーザ放射の前記拡大されたビームが前記凸面形の非球面表面上に入射するように配向される、請求項３９に記載の切断方法。
前記非球面集束レンズは、レーザ放射の前記拡大されたビームが前記平坦表面上に入射するように配向される、請求項３９に記載の切断方法。
前記非球面集束レンズは、球状集束レンズと、非球面位相板とを含む、請求項３２に記載の切断方法。
前記非球面位相板は、回折光学素子である、請求項４２に記載の切断方法。
レーザ放射の前記ビームは、無限焦点ビーム拡大器によって拡大される、請求項３２に記載の切断方法。
レーザ放射の前記ビームは、凹面レンズによって拡大される、請求項３２に記載の切断方法。
前記光学軸は、前記ワークピースを平行移動させることによって切断線に沿ってトレースされる、請求項３２に記載の切断方法。
レーザ放射の前記送達されるビームは、パルスのバーストを有し、各バーストは、複数の個々のパルスを含む、請求項３２に記載の切断方法。
前記脆弱材料は、ガラスである、請求項３２に記載の切断方法。
前記ガラスは、化学強化される、請求項４８に記載の切断方法。
拡張される欠陥が、前記伸長焦点内の前記レーザ放射によってワークピース内に作成される、請求項３２に記載の切断方法。
各拡張される欠陥は、自己誘導フィラメントによって作成される、請求項５０に記載の切断方法。