JP2024507845A - パルスレーザビーム焦線を使用して透明材料をレーザ処理する方法 - Google Patents

パルスレーザビーム焦線を使用して透明材料をレーザ処理する方法 Download PDF

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Abstract

透明なワークピースを処理する方法は、第１の複数の欠陥を含む第１の輪郭線を透明なワークピース内に形成する工程と、第２の複数の欠陥を含む第２の輪郭線を透明なワークピース内に形成する工程とを含み、ここで、第２の輪郭線が、第１の輪郭線と交点で交差する第２の輪郭を画成し、第２のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーは、交点から第１の距離で第１のレーザパルスエネルギーから第２のレーザパルスエネルギーまで増加し、第２のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーは、交点から第２の距離で第２のレーザパルスエネルギーから第１のレーザパルスエネルギーまで減少している。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その内容が依拠され、その全体がここに参照することによって本願に援用される、２０２１年２月２６日出願の米国仮特許出願第６３／１５４，１７３号の米国法典第３５編特許法１２０条に基づく優先権の利益を主張する。
本明細書は、概して、透明なワークピースをレーザ処理するための装置及び方法に関し、より詳細には、透明なワークピースにおけるクロスカット穿孔に関する。
材料のレーザ処理の分野には、さまざまなタイプの材料の切断、穴あけ、フライス加工、溶接、溶融などを包含する幅広い用途が含まれる。これらのプロセスの中でも特に興味深いのは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）又は電子デバイスのディスプレイ材料用のガラス、サファイア、又は溶融シリカなどの材料の製造に利用することができるプロセスにおける、透明基板の切断又は分離である。
プロセス開発及びコストの観点から、ガラス基板の切断及び分離には数多くの改善の余地がある。現在市場で実施されている方法よりも、より速く、よりクリーンで、より安価で、より再現性があり、かつより信頼性の高いガラス基板の分離方法を得ることは、非常に興味深いことである。したがって、ガラス基板を分離するための代替となる改良された方法が必要とされている。
本開示の第１の実施形態は、透明なワークピースを処理する方法を含み、該方法は、透明なワークピース内に第１の輪郭線を形成する工程であって、第１の輪郭線が第１の輪郭を画成するように第１の輪郭線が透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含み、ここで、第１の輪郭線を形成する工程が、透明なワークピース内に誘導される第１のパルスレーザビームの部分が透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される第１のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して透明なワークピース内に誘導する工程であって、誘導吸収により透明なワークピースに欠陥が生じる、工程と、透明なワークピースと第１のパルスレーザビームとを第１の輪郭線に沿って互いに対して並進させ、それによって透明なワークピース内で第１の輪郭線に沿って第１の複数の欠陥をレーザ形成する工程と、を含む、第１の輪郭線を形成する工程；透明なワークピース内に第２の輪郭線を形成する工程であって、第２の輪郭線が第１の輪郭線と交点で交差する第２の輪郭を画成するように、第２の輪郭線が透明なワークピース内に第２の複数の欠陥を含み、ここで、第２の輪郭線を形成する工程が、透明なワークピース内に誘導される第２のパルスレーザビームの部分が透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される第２のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して透明なワークピースに誘導する工程であって、誘導吸収により第２の輪郭線に沿って透明なワークピースに変化が生じ、透明なワークピース内に欠陥を生成する、工程と、第２の輪郭線に沿って透明なワークピースと第２のパルスレーザビームとを互いに対して並進させ、それによって透明なワークピース内の輪郭線に沿って第２の複数の欠陥をレーザ形成する工程とを含む、第２の輪郭線を形成する工程、を含み、ここで、第２のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーは、第２のパルスレーザビームの光学領域が第１の輪郭線の光学領域と相互作用する交点からの第１の距離で、第１のレーザパルスエネルギーから第２のレーザパルスエネルギーまで増加し；かつ、第２のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーは、第２のパルスレーザビームの光学領域が第１の輪郭線の光学領域と相互作用しない交点からの第２の距離で、第２のレーザパルスエネルギーから第１のレーザパルスエネルギーまで減少する。
本開示の第２の実施形態は、透明なワークピース内に誘導される第１のパルスレーザビームの一部が、波長λ；スポットサイズｗ０；及び、
Figure 2024507845000002
より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面を含み、ここで、ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、第１の実施形態を含みうる。
本開示の第３の実施形態は、透明なワークピース内に誘導される第２のパルスレーザビームの一部が、波長λ；スポットサイズｗ０；及び、
Figure 2024507845000003
より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面を含み、ここで、ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、第１又は第２の実施形態を含みうる。
本開示の第４の実施形態は、第２のレーザパルスエネルギーが第１のレーザパルスエネルギーの２倍である、第１から第３の実施形態を含みうる。
本開示の第５の実施形態は、第１の距離が約１００μｍから約５００μｍである、第１から第４の実施形態を含みうる。
本開示の第６の実施形態は、第１の距離が約１００μｍから約３００μｍである、第１から第４の実施形態を含みうる。
本開示の第７の実施形態は、第２の距離が約１００μｍから約５００μｍである、第１から第６の実施形態を含みうる。
本開示の第８の実施形態は、第２の距離が約１００μｍから約３００μｍである、第１から第６の実施形態を含みうる。
本開示の第９の実施形態は、第１のパルスレーザビーム及び第２のパルスレーザビームが波長λを有し、透明なワークピースが、ビーム伝播方向において、２０％／ｍｍ未満の線形吸収及び散乱による総合損失を有する、第１から第８の実施形態を含みうる。
本開示の第１０の実施形態は、第１のビーム源及び第２のビーム源が、それぞれ、パルスバーストあたり約２サブパルスからパルスバーストあたり約３０サブパルスまでのパルスバーストを生成する第１のパルスビーム源及び第２のパルスビーム源を含み、パルスバーストエネルギーが、パルスバーストあたり約１００μＪから約６００μＪまでである、第１から第９の実施形態を含みうる。
本開示の第１１の実施形態は、透明なワークピースにおいて、該透明なワークピース内の第１の輪郭線であって、透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含む、第１の輪郭線と、透明なワークピース内の第２の輪郭線であって、第２の輪郭線が第１の輪郭線と交点で交差する第２の輪郭を画成するように、透明なワークピース内に第２の複数の欠陥を含む、第２の輪郭線とを含み、第２の複数の欠陥が交点前の第１の距離から交点後の第２の距離まで透明なワークピースの厚さを少なくとも部分的に通って延びる、透明なワークピースを含む。
本開示の第１２の実施形態は、第２の複数の欠陥が、交点において、透明なワークピースの厚さを完全に貫通して延びる、第１１の実施形態を含みうる。
本開示の第１３の実施形態は、第１の距離が約１００μｍから約５００μｍである、第１１又は第１２の実施形態の実施形態を含みうる。
本開示の第１４の実施形態は、第１の距離が約１００μｍから約３００μｍである、第１１又は第１２の実施形態の実施形態を含みうる。
本開示の第１５の実施形態は、第２の距離が約１００μｍから約５００μｍである、第１１から第１４の実施形態の実施形態を含みうる。
本開示の第１６の実施形態は、透明なワークピースを処理する方法を含むことができ、該方法は、透明なワークピース内に第１の輪郭線を形成する工程を含み、該第１の輪郭線は第１の輪郭を画成するように第１の輪郭線が透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含み、ここで、第１の輪郭線を形成する工程は、透明なワークピース内に誘導される第１のパルスレーザビームの部分が透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される第１のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して透明なワークピース内に誘導する工程であって、誘導吸収により第１の輪郭線に沿って透明なワークピースに変化が生じ、透明なワークピース内に欠陥を生成する、工程と、透明なワークピースと第１のパルスレーザビームとを第１の輪郭線に沿って互いに対して並進させ、それによって透明なワークピース内で第１の輪郭線に沿って第１の複数の欠陥をレーザ形成する工程とを含み、ここで、第１のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーは、第１のパルスレーザビームの光学領域が透明な材料のエッジの光学領域と相互作用する透明な材料のエッジまでの第１の距離で、第１のレーザパルスエネルギーから第２のレーザパルスエネルギーまで増加する。
本開示の第１７の実施形態は、透明なワークピース内に誘導される第１のパルスレーザビームの一部が、波長λ；スポットサイズｗ０；及び、
Figure 2024507845000004
より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面を含み、ここで、ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、第１６の実施形態を含みうる。
本開示の第１８の実施形態は、第２のレーザパルスエネルギーが第１のレーザパルスエネルギーの２倍である、第１６又は第１７の実施形態を含みうる。
本開示の第１９の実施形態は、第１のパルスレーザビーム及び第２のパルスレーザビームが波長λを有し、透明なワークピースが、ビーム伝播方向において、２０％／ｍｍ未満の線形吸収及び散乱による総合損失を有する、第１６から第１８の実施形態を含みうる。
本開示の第２０の実施形態は、第１のビーム源及び第２のビーム源が、それぞれ、パルスバーストあたり約２サブパルスからパルスバーストあたり約３０サブパルスまでのパルスバーストを生成する第１のパルスビーム源及び第２のパルスビーム源を含み、パルスバーストエネルギーが、パルスバーストあたり約１００μＪから約６００μＪまでである、第１６から第１９の実施形態を含みうる。
図面に記載される実施形態は、本質的に例証的かつ例示的なものであり、特許請求の範囲によって定義される主題を限定することは意図していない。例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと理解することができる。
本明細書に記載される１つ以上の実施形態による、透明なワークピースにおける欠陥の第１の輪郭線の形成を示す概略図 本明細書に記載される１つ以上の実施形態による、透明ワークピースの処理中の例となるパルスレーザビーム焦線を示す概略図 本明細書に記載される１つ以上の実施形態による、透明なワークピースにおける欠陥の第２の輪郭線の形成を示す概略図 本明細書に記載される１つ以上の実施形態による、欠陥の第１の輪郭線と欠陥の第２の輪郭線とが内部に形成された透明なワークピースの断面図 本明細書に記載される１つ以上の実施形態による、パルスレーザ処理用の光学アセンブリの概略図
これより、その例が添付の図面に示されている、ガラスワークピースなどの透明なワークピースをレーザ処理するためのプロセスの実施形態を詳細に参照する。可能な場合はいつでも、同一又は類似した部分についての言及には、図面全体を通して同じ参照番号が用いられる。本明細書に記載される１つ以上の実施形態によれば、透明なワークピースをレーザ処理して、透明なワークピースを通る１つ以上の開口の所望の周囲を画定する一連の欠陥を含む透明なワークピース内に輪郭線を形成することができる。一実施形態によれば、パルスレーザは、パルスレーザビームが透明なワークピース内に誘導されるパルスレーザビーム焦線を投影するように、非球面光学素子を介してパルスレーザビームを出力する。パルスレーザビームの焦線を利用して、透明なワークピースに一連の欠陥を生成し、それによって輪郭線を画成することができる。これらの欠陥は、本明細書のさまざまな実施形態において、ワークピースの線欠陥、穿孔、又はナノ穿孔と呼ばれることがある。透明なワークピースを処理するための方法及び装置のさまざまな実施形態が、添付の図面を特に参照しつつ、本明細書に記載される。
本明細書で用いられる「透明なワークピース」という語句は、透明なガラス又はガラスセラミックから形成されたワークピースを意味し、ここで、「透明」という用語は、本明細書で用いられる場合、材料が、該材料の深さ１ｍｍあたり約２０％未満、例えば指定されたパルスレーザ波長について材料の深さ１ｍｍあたり約１０％未満、又は例えば指定されたパルスレーザ波長について材料の深さ１ｍｍあたり約１％未満の光吸収を有することを意味する。１つ以上の実施形態によれば、透明なワークピースは、約５０マイクロメートル（μｍ）から約１０ｍｍ、例えば、約１００μｍから約５ｍｍ、約０．５ｍｍから約３ｍｍの厚さ、又は約１００μｍから約２ｍｍ、例えば、１００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍなどの厚さを有しうる。
１つ以上の実施形態によれば、本開示はワークピースを処理する方法を提供する。本明細書で用いられる場合、「レーザ処理」は、透明なワークピースに輪郭線を形成すること、透明なワークピースを分離すること、又はそれらの組合せを含みうる。透明なワークピースは、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、アルミノケイ酸ガラス、アルカリアルミノケイ酸ガラス、アルカリ土類アルミノケイ酸ガラス、アルカリ土類ホウアルミノケイ酸ガラス、溶融シリカなどのガラス組成物、又はサファイア、ケイ素、ガリウムヒ素、若しくはそれらの組合せなどの結晶材料から形成されたガラスのワークピースを含みうる。実施形態では、ガラスは、透明なワークピースのレーザ処理前又は後、及び透明なワークピースの化学エッチングの前又は後に、ガラス組成物が機械的強化のためにイオン交換を受けることができるように、イオン交換可能でありうる。例えば、透明なワークピースは、米国ニューヨーク州コーニング所在のＣｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社から入手可能なＣｏｒｎｉｎｇ Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス（例えば、コード２３１８、コード２３１９、及びコード２３２０）などのイオン交換された、又はイオン交換可能なガラスを含みうる。さらには、これらのイオン交換されたガラスは、約６ｐｐｍ／℃から約１０ｐｐｍ／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有しうる。実施形態では、透明なワークピースのガラス組成は、約１．０モル％を超えるホウ素、及び／又はＢ２Ｏ３を含むがこれに限定されないホウ素を含む化合物を含みうる。別の実施形態では、透明なワークピースが形成されるガラス組成物は、約１．０モル％以下のホウ素の酸化物、及び／又はホウ素を含む化合物を含む。実施形態では、透明なワークピースが形成されるガラス組成物は、約９２．５質量％以上のシリカを含む。さらには、透明なワークピースは、レーザの波長に対して透明な他の成分、例えば、サファイア又はセレン化亜鉛などの結晶を含みうる。
一部の透明なワークピースは、ディスプレイ及び／又はＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板として利用することができる。ディスプレイ又はＴＦＴの使用に適したこのようなガラス又はガラス組成物の幾つかの例としては、米国ニューヨーク州コーニング所在のＣｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社から入手可能なＥＡＧＬＥ ＸＧ（登録商標）、ＣＯＮＴＥＧＯ、及びＣＯＲＮＩＮＧ ＬＯＴＵＳ（商標）が挙げられる。アルカリ土類ホウアルミノケイ酸ガラス組成物は、限定はしないが、ＴＦＴ用の基板を含む電子用途の基板としての使用に適するように配合することができる。ＴＦＴと組み合わせて用いられるガラス組成物は、通常、ケイ素のＣＴＥと同様のＣＴＥ（例えば、５×１０－６／Ｋ未満、又はさらには４×１０－６／Ｋ未満、例えば、約３×１０－６／Ｋ、又は約２．５×１０－６／Ｋから約３．５×１０－６／Ｋ）を有しており、ガラス内のアルカリ濃度は低レベルである。条件によっては、アルカリドーパントがガラスから浸出し、ＴＦＴを汚染又は「有毒化」し、ＴＦＴが動作不能になる可能性があるため、低レベルのアルカリ（例えば、約０質量％から２質量％、例えば１質量％未満、例えば０．５質量％未満の微量）がＴＦＴ用途に用いられる場合がある。幾つかの実施形態によれば、本明細書に記載されるレーザ切断プロセスは、破片が無視でき、欠陥が最小限に抑えられ、かつエッジへの表面下の損傷が少なく、ワークピースの完全性及び強度を維持しつつ、制御された方法で透明なワークピース内に開口を形成するために使用することができる。
本明細書で用いられる「輪郭線」という語句は、透明なワークピースの表面に沿って延びる輪郭に沿って形成される線（例えば、直線、曲線など）を指す。輪郭線は、概して、さまざまな技法を使用して透明なワークピースに導入された１つ以上の欠陥からなる。本明細書で用いられる場合、「欠陥」には、（バルク材料と比較して）変化した材料の領域、空隙、引っかき傷、ひび、穴、又は透明なワークピースに化学エッチング溶液を適用することによって輪郭線に沿って透明なワークピースの材料を分離することができる透明なワークピース内の他の変形が含まれうる。理論によって制限されることを意図するものではないが、化学エッチング溶液は、各欠陥の位置及びそのすぐ周囲にある透明なワークピースの材料を除去することができ、それによって隣接する欠陥から形成された空隙が重なるように各欠陥が拡大し、最終的に輪郭線に沿って透明なワークピースの分離をもたらす。
次に、例として図１Ａ、１Ｂ、及び２Ａ、２Ｂを参照すると、ガラスのワークピース又はガラスセラミックのワークピースなどの透明なワークピース１６０が、本明細書に記載される方法に従って処理を受けている様子が概略的に示されている。図１Ａ及び１Ｂは、透明なワークピース１６０における第１の輪郭線１７０の形成を示しており、これは、パルスレーザビーム１１２が透明なワークピース１６０に対して並進方向１０１に並進するように、パルスレーザビーム１１２と透明ワークピース１６０とを相互に並進させることによって形成することができる。図２Ａは、透明なワークピース１６０における第２の輪郭線１８０の形成を示しており、これは、パルスレーザビーム１１２が透明なワークピース１６０に対して、第２の輪郭線１８０が交点１８２で第１の輪郭線１７０と交差する並進方向に並進するように、パルスレーザビーム１１２と透明ワークピース１６０とを相互に並進させることによって形成することができる。実施形態では、パルスレーザビーム１１２が、透明なワークピース１６０に対して、第２の輪郭線１８０が交点１８２で第１の輪郭線１７０と直交する並進方向に並進する。
第２の輪郭線１８０の形成中、第１の輪郭線１７０の位置に近接して生じるパルスレーザビーム１１２からのレーザ出力の少なくとも一部の吸収を考慮するために、パルスレーザビームのレーザパルスエネルギー１１２は、交点から第１の距離で第１のレーザパルスエネルギーから第２のレーザパルスエネルギーまで増加される。第１の輪郭線１７０までの距離が減少するにつれて、パルスレーザビームからのレーザ出力の少なくとも一部の吸収が増加する結果として、第２の輪郭線１８０は、第１の輪郭線１７０に近接した領域で変更され、したがって、第２の輪郭線１８０は透明材料内に完全欠陥を形成しないが、レーザパルスエネルギーの増加により、第２の輪郭線１８０は透明材料内に完全欠陥を形成することができる。第１の距離とは、パルスレーザビームの光学領域（すなわち、透明なワークピース内の誘導吸収の領域）が、第１の輪郭線の光学領域１７０と相互作用し、その結果、パルスレーザビーム１１２からのレーザ出力の少なくとも一部が吸収される距離である。この距離は、レーザパラメータ、透明な材料の組成、及び透明な材料の厚さに応じて決まる。例えば、本明細書に記載される実施形態を限定するものではないが、厚さ０．７ｍｍの透明な材料の場合、レーザパルスエネルギーは、第１の輪郭線１７０の交点に達する約１００μｍから約５００μｍ手前まで増加する。実施形態では、厚さ０．７ｍｍの透明な材料の場合、レーザパルスエネルギーは、第１の輪郭線１７０の交点に達する約１００μｍから約４００μｍ手前、又は実施形態では約１００μｍから約３００μｍ手前、又は実施形態では約１００μｍから約２００μｍ手前、約１００μｍから約１５０μｍ手前まで増加する。
図２Ｂは、透明な材料の２つの断面を示している。「（ａ）」とラベル付けされた左側の断面は、交点から第１の距離でレーザパルスエネルギーを増加させることなく形成された穿孔を有する透明な材料を示している。図２Ｂの断面（ａ）は、第１の輪郭線１７０の位置に近接したパルスレーザビーム１１２からのレーザ出力の少なくとも一部が吸収されることにより、透明材料内に完全欠陥が形成されることが妨げられる、第１の輪郭線１７０に近接した「影の領域」２００を示している。「完全欠陥」とは、透明材料の表面又は内部の最初の点から始まり、かつ、パルスレーザビームのレーザパルスエネルギー１１２を第１のレーザパルスエネルギーから第２のレーザパルスエネルギーまで増加させることによって影の領域を越えて広がる欠陥である。実施形態では、完全欠陥とは、透明材料の厚さ全体を完全に貫通して延びる欠陥である。実施形態では、完全欠陥は影の領域を越えて広がるが、透明材料の厚さ全体には及ばない。「（ｂ）」とラベル付けされた図２Ｂの右側の断面図は、第１の輪郭線１７０に近接してレーザパルスエネルギーを増加させることを伴って形成された穿孔を有する透明な材料を示している。図２Ｂの断面（ｂ）に示されるように、レーザパルスエネルギーを増大させると、透明材料内に完全欠陥が形成された。第１の輪郭線１７０及び第２の輪郭線１８０の形成のさらなる詳細は、以下に説明される。
実施形態では、「影の領域」は、透明なワークピースのエッジに近接して発生する可能性があり、そこで、エッジに近接したパルスレーザビーム１１２からのレーザ出力の少なくとも一部が吸収されることにより、透明材料内での完全欠陥の形成が妨げられる。したがって、パルスレーザビームのレーザパルスエネルギーは、パルスレーザビームの光学領域が透明な材料のエッジの光学領域と相互作用する透明な材料のエッジまでの第１の距離で、第１のレーザパルスエネルギーから第２のレーザパルスエネルギーまで増加する。実施形態では、厚さ０．７ｍｍの透明な材料の場合、レーザパルスエネルギーは、透明なワークピースのエッジに到達する約１００μｍから約４００μｍ手前、又は実施形態では約１００μｍから約３００μｍ手前、又は実施形態では約１００μｍから約２００μｍ手前、約１００μｍから約１５０μｍ手前まで増加する。実施形態では、レーザパルスエネルギーは、パルスレーザビームの光学領域が透明なワークピースのエッジの光学領域と相互作用しないエッジからの第２の距離で、第２のレーザパルスエネルギーから第１のレーザパルスエネルギーまで減少する。
図１Ａ、１Ｂ、及び２Ａは、ビーム経路１１１に沿ったパルスレーザビーム１１２であって、非球面光学素子１２０（図３）、例えばアキシコンと１つ以上のレンズ（例えば、以下に説明され、かつ図３に示される、第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２）を使用して、パルスレーザビーム１１２が透明なワークピース１６０内のパルスレーザビーム焦線１１３に集束できるように配向されている、該パルスレーザビーム１１２を示している。さらには、パルスレーザビーム焦線１１３は、以下により詳細に定義されるように、準非回折ビームの一部である。
図１Ａ、１Ｂ、及び２Ａは、パルスレーザビーム１１２が、ビーム伝播方向に配向され、複数のビームスポットから構成されるレーザビーム焦線１１３を形成することを示している。レーザビーム焦線１１３のビームスポット１１４は、透明なワークピース１６０の結像面１６２上に投影される。本明細書で用いられる場合、透明なワークピース１６０の「結像面」１６２は、パルスレーザビーム１１２が透明なワークピース１６０に最初に接触する透明なワークピース１６０の表面である。また、本明細書で用いられる場合、「ビームスポット」とは、ワークピース（例えば、透明なワークピース１６０）における、又はワークピース内にある、焦点におけるレーザビーム（例えば、パルスレーザビーム１１２）の断面を指す。実施形態では、パルスレーザビーム焦線１１３は、ビーム経路１１１に垂直な方向の軸対称断面（例えば、軸対称ビームスポット）を含んでよく、他の実施形態では、パルスレーザビーム焦線１１３は、ビーム経路１１１に垂直な方向の非軸対称断面（例えば、非軸対称ビームスポット）を含みうる。本明細書で用いられる場合、軸対称とは、中心軸を中心とした任意の回転角度に対して対称である、又は同じに見える形状を指し、「非軸対称」とは、中心軸を中心とした任意の回転角度に対して対称ではない形状を指す。円形のビームスポットは軸対称ビームスポットの一例であり、楕円形のビームスポットは非軸対称ビームスポットの一例である。回転軸（例えば、中心軸）は、ほとんどの場合、レーザビームの伝播軸（例えば、ビーム経路１１１）であるとみなされる。非軸対称ビーム断面を含むパルスレーザビームの例は、その全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、「Apparatus and Methods for Laser Processing Transparent Workpieces Using Non-Axisymmetric Beam Spots」と題された、米国仮特許出願第６２／４０２，３３７号明細書にさらに詳細に記載されている。
輪郭線１７０、１８０は、透明なワークピース１６０における意図された分離の線を描く輪郭１６５、１８６に沿って延びる。第１の輪郭線１７０は、透明なワークピース１６０の表面内へと延在し、例えば、化学エッチング溶液を透明なワークピース１６０に適用することによって、残りの透明なワークピース１６０から透明なワークピース１６０の材料を分離するための経路を確立する、複数の欠陥１７２を含む。同様に、第２の輪郭線１８０は、透明なワークピース１６０の表面内へと延在し、残りの透明なワークピース１６０から透明なワークピース１６０の材料を分離するための経路を確立する、複数の欠陥１８４を含む。
図１Ａ、１Ｂ、及び２Ａを参照すると、本明細書に記載される実施形態では、透明なワークピース１６０上に投影されるパルスレーザビーム１１２（ビームスポット１１４を伴う）は、透明なワークピース１６０上に誘導されうる（例えば、透明なワークピース１６０の厚さの少なくとも一部を貫通する高アスペクト比の線焦点へと凝縮される）。これにより、パルスレーザビーム焦線１１３が形成される。一実施形態では、レーザビーム焦線１１３は、該パルスレーザビーム焦線１１３の第１のビームスポット１１４が透明なワークピース１６０内（すなわち、透明なワークピース１６０の上面の下、及び透明なワークピース１６０の上面と底面との間）にあるように配向される。パルスレーザビーム焦線１１３は、透明なワークピース１６０の少なくとも一部を貫通する。
さらには、パルスレーザビーム１１２は、透明なワークピース１６０に対して（例えば、並進方向１０１に）並進されて、各輪郭線１７０、１８０の複数の欠陥１７２、１８４を形成することができる。パルスレーザビーム１１２を透明なワークピース１６０内に向けるか、又は局所化すると、透明なワークピース１６０内に誘導吸収が発生し、透明なワークピース１６０内の間隔をあけた位置で化学結合を切断して欠陥１７２、１８４を形成するのに十分なエネルギーが堆積される。１つ以上の実施形態によれば、パルスレーザビーム１１２は、透明なワークピース１６０の動き（例えば、透明なワークピース１６０に連結された並進ステージの動き）、パルスレーザビーム１１２の動き（例えば、パルスレーザビーム焦線１１３の動き）、又は透明なワークピース１６０とパルスレーザビーム焦線１１３の両方の動きによって、透明なワークピース１６０を横切って並進させることができる。パルスレーザビーム焦線１１３を透明ワークピース１６０に対して並進させることによって、複数の欠陥１７２、１８４が透明なワークピース１６０内に形成されうる。
図１Ａ、１Ｂ、及び２Ａを再び参照すると、欠陥１７２を形成するために用いられるパルスレーザビーム１１２は、強度分布Ｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をさらに有し、ここで、Ｚはパルスレーザビーム１１２のビーム伝播方向であり、Ｘ及びＹは、図に示されるように、伝播方向に直交する方向である。Ｘ方向及びＹ方向は断面方向と呼ばれることがあり、Ｘ－Ｙ平面は断面平面と呼ばれることもある。断面平面におけるパルスレーザビーム１１２の強度分布は、断面強度分布と呼ばれることがある。
パルスレーザビーム１１２は、図３に示される光学アセンブリ１００に関して以下でより詳細に説明するように、パルスレーザビーム１１２を、非球面光学素子１２０を通して伝播させることによって（例えば、ビーム源１１０を使用して、ガウスビームなどのパルスレーザビーム１１２を出力する）、準非回折ビーム、例えば、以下に数学的に定義されるような低いビーム発散を有するビームを含むことができる。ビーム発散とは、ビームの伝播方向（すなわち、Ｚ方向）におけるビーム断面の拡大率を指す。本明細書で用いられる場合、「ビーム断面」という語句は、パルスレーザビーム１１２のビーム伝播方向に垂直な平面に沿った、例えばＸ－Ｙ平面に沿った、パルスレーザビーム１１２の断面を指す。準非回折ビームの例としては、ガウスベッセルビーム及びベッセルビームが挙げられる。
回折は、パルスレーザビーム１１２の発散につながる要因の１つである。他の要因としては、パルスレーザビーム１１２を形成する光学システムによって生じる集束若しくは焦点ぼけ、又はインターフェースでの屈折及び散乱が挙げられる。輪郭線１７０の欠陥１７２を形成するためのパルスレーザビーム１１２は、発散が低く、回折が弱いビームスポット１１４を有しうる。パルスレーザビーム１１２の発散は、パルスレーザビーム１１２の強度分布の分散σ２及びビーム伝播係数Ｍ２に関係するレイリー範囲ＺＲによって特徴付けられる。以下の論述では、式は、デカルト座標系を使用して提示される。他の座標系の対応する式は、当業者に知られている数学的手法を使用して取得することが可能である。ビーム発散に関する追加情報は、これらの開示の全体がここに参照することによって本明細書に組み込まれる、SPIE Symposium Series Vol. 1224, p. 2 (1990)のA.E. Siegmanによる「New Developments in Laser Resonators」と題された記事、及びOptics Letters, Vol. 22(5), 262 (1997のR. Borghi及びM. Santarsieroによる「M2 factor of Bessel-Gauss beams」と題された記事に記載されている。追加情報は、国際規格ＩＳＯ １１１４６－１：２００５（Ｅ）「レーザおよびレーザ関連機器－レーザビーム幅、発散角、およびビーム伝搬比のテスト方法－パート１：非点収差および単純非点収差ビーム（Lasers and laser-related equipment-Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios-Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams）」、ＩＳＯ １１１４６－２：２００５（Ｅ）「レーザおよびレーザ関連機器－レーザビーム幅、発散角、およびビーム伝搬比のテスト方法－パート２：一般的な非点収差ビーム（Lasers and laser-related equipment-Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios-Part 2: General astigmatic beams）」、及びＩＳＯ １１１４６－３：２００４（Ｅ）「レーザおよびレーザ関連機器 － レーザビーム幅、発散角、およびビーム伝搬比のテスト方法－パート３：固有および幾何学的なレーザビームの分類、伝搬、およびテスト方法の詳細（Lasers and laser-related equipment-Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios-Part 3: Intrinsic and geometrical laser beam classification, propagation and details of test methods）」にも記載されており、これらの開示は、その全体がここに参照することによって本明細書に組み込まれる。
時間平均強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を有するパルスレーザビーム１１２の強度プロファイルの重心の空間座標は、次式によって与えられる：
Figure 2024507845000005
Figure 2024507845000006
これらは、ウィグナー分布の第一モーメントとしても知られており、ＩＳＯ１１１４６－２：２００５（Ｅ）のセクション３．５に記載されている。それらの測定は、ＩＳＯ１１１４６－２：２００５（Ｅ）のセクション７に記載されている。
分散は、ビーム伝播方向の位置ｚの関数としての、パルスレーザビーム１１２の強度分布の断面（Ｘ－Ｙ）平面における幅の尺度である。任意のレーザビームでは、Ｘ方向の分散はＹ方向の分散とは異なりうる。ここで、
Figure 2024507845000007
は、それぞれ、Ｘ方向及びＹ方向における分散を表すものとする。特に興味深いのは、近接場限界及び遠方場限界における分散である。ここで、
Figure 2024507845000008
は、それぞれ、近接場限界でのＸ方向及びＹ方向における分散を表すものとし、
Figure 2024507845000009
は、それぞれ、遠方場限界でのＸ方向及びＹ方向における分散を表すものとする。フーリエ変換による時間平均強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を有するレーザビームでは
Figure 2024507845000010
（ここで、νｘ及びνｙは、それぞれＸ方向及びＹ方向の空間周波数である）、Ｘ方向及びＹ方向における近接場及び遠方場の分散は、次式によって与えられる：
Figure 2024507845000011
Figure 2024507845000012
Figure 2024507845000013
Figure 2024507845000014
分散量
Figure 2024507845000015
は、ウィグナー分布の対角要素としても知られている（ＩＳＯ１１１４６－２：２００５（Ｅ）参照）。これらの分散は、ＩＳＯ１１１４６－２：２００５（Ｅ）のセクション７に記載される測定技法を使用して、実験用のレーザビームについて定量化することができる。簡単に言えば、この測定では、線形不飽和ピクセル化検出器を使用して、分散と重心座標を定義する積分方程式の無限積分領域を近似する有限空間領域にわたってＩ（ｘ，ｙ）を測定する。測定領域の適切な範囲、背景の減算、及び検出器のピクセル解像度は、ＩＳＯ１１１４６－２：２００５（Ｅ）のセクション７に記載される反復測定手順の収束によって決定される。式１～６によって与えられる式の数値は、ピクセル化検出器によって測定された強度値の配列から数値的に計算される。
フーリエ変換により、任意の光ビームの横振幅プロファイル間の関係
Figure 2024507845000016
（ここで、
Figure 2024507845000017
及び任意の光ビームの空間周波数分布
Figure 2024507845000018
（ここで、
Figure 2024507845000019
から、次のことが示される：
Figure 2024507845000020
Figure 2024507845000021
式（７）及び（８）において、
Figure 2024507845000022
は、
Figure 2024507845000023
の最小値であり、これらは、それぞれ、ｘ方向及びｙ方向のウエスト位置ｚ０ｘ及びｚ０ｙで発生し、λはパルスレーザビーム１１２の波長である。式（７）及び（８）は、
Figure 2024507845000024
が、パルスレーザビーム１１２のウエスト位置（例えば、パルスレーザビーム焦線１１３のウエスト部分）に関連する最小値からいずれかの方向にｚとともに二次関数的に増加することを示している。さらには、軸対称であり、それによって軸対称強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を含むビームスポット１１４を含む本明細書に記載される実施形態では、
Figure 2024507845000025
である。非軸対称であり、それによって非軸対称強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を含むビームスポット１１４を含む本明細書に記載される実施形態では、
Figure 2024507845000026
すなわち、
Figure 2024507845000027
である。
式（７）及び（８）はビーム伝播係数Ｍ２に関して書き換えることができ、ここで、ｘ方向及びｙ方向についての個別のビーム伝播係数
Figure 2024507845000028
は、次のように定義される：
Figure 2024507845000029
Figure 2024507845000030
式（９）及び（１０）を整理し、式（７）及び（８）に代入すると、次のようになる：
Figure 2024507845000031
Figure 2024507845000032
これは次のように書き換えることができる：
Figure 2024507845000033
Figure 2024507845000034
ここで、ｘ方向及びｙ方向のレイリー範囲ＺＲｘ及びＺＲｙは、それぞれ、次式によって与えられる：
Figure 2024507845000035
Figure 2024507845000036
レイリー範囲は、レーザビームの分散が（ビームウエストの位置での分散に対して）２倍になる距離（ＩＳＯ１１１４６－１：２００５（Ｅ）のセクション３．１２で定義されているビームウエストの位置を基準としたもの）に対応し、レーザビームの断面積の発散の尺度となる。さらには、軸対称であり、それによって軸対称強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を含むビームスポット１１４を含む本明細書に記載される実施形態では、ＺＲｘ＝ＺＲｙである。非軸対称であり、それによって非軸対称強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を含むビームスポット１１４を含む本明細書に記載される実施形態では、ＺＲｘ≠ＺＲｙ、すなわち、ＺＲｘ＜ＺＲｙ又はＺＲｘ＞ＺＲｙである。レイリー範囲は、光強度がビームウエスト位置（最大強度の位置）で観察される値の半分に減衰するビーム軸に沿った距離としても観察することができる。レイリー範囲が大きいレーザビームは低い発散を有し、レイリー範囲が小さいレーザビームよりもビーム伝播方向の距離に応じてゆっくりと広がる。
上記の式は、レーザビームを記述する強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を使用することにより、任意のレーザビーム（ガウスビームだけでなく）に適用することができる。ガウスビームのＴＥＭ００モードの場合、強度プロファイルは次式によって与えられる：
Figure 2024507845000037
ここで、ｗ０は半径である（ビーム強度がビームウエスト位置ｚ０におけるビームのピークビーム強度の１／ｅ２に減少する半径として定義される）。式（１７）及び上記の式から、ＴＥＭ００ガウスビームについて次の結果が得られる：
Figure 2024507845000038
Figure 2024507845000039
Figure 2024507845000040
Figure 2024507845000041
Figure 2024507845000042
Figure 2024507845000043
Figure 2024507845000044
ここで、ＺＲ＝ＺＲｘ＝ＺＲｙである。ガウスビームの場合、
Figure 2024507845000045
であることに留意されたい。
ビーム断面は形状及び寸法によって特徴付けられる。ビーム断面の寸法は、ビームのスポットサイズによって特徴付けられる。ガウスビームの場合、スポットサイズは、ビームの強度が最大値の１／ｅ２まで減少する半径範囲として定義されることがよくあり、式（１７）ではｗ０で示されている。ガウスビームの最大強度は、強度分布の中心（ｘ＝０及びｙ＝０（デカルト）又はｒ＝０（円筒））で発生し、スポットサイズを決定するために用いられる半径範囲は中心に対して測定される。
軸対称（すなわち、ビーム伝播軸Ｚの周りで回転対称）断面を有するビームは、ＩＳＯ１１１４６－１：２００５（Ｅ）のセクション３．１２で指定されているように、ビームウエスト位置で測定される単一の寸法又はスポットサイズによって特徴付けることができる。ガウスビームの場合、式（１７）はスポットサイズがｗ０に等しいことを示しており、式（１８）からこれは、２σ０ｘ又は２σ０ｙに対応する。円形の断面など、軸対称断面を有する軸対称ビームの場合、σ０ｘ＝σ０ｙである。したがって、軸対称ビームの場合、断面寸法は単一のスポットサイズパラメータで特徴付けることができ、ここで、ｗ０＝２σ０である。スポットサイズは、軸対称ビームとは異なり、σ０ｘ≠σ０ｙである非軸対称ビーム断面でも同様に定義することができる。したがって、ビームのスポットサイズが非軸対称の場合、２つのスポットサイズパラメータ（それぞれ、ｘ方向及びｙ方向でｗ０ｘ及びｗ０ｙ）を使用して、非軸対称ビームの断面寸法を特徴付ける必要があり、ここで、
Figure 2024507845000046
Figure 2024507845000047
である。
さらには、非軸対称ビームには軸対称性（すなわち、任意の回転角）がないということは、σ０ｘ及びσ０ｙの値の計算結果がＸ軸及びＹ軸の配向の選択に依存することを意味する。ＩＳＯ１１１４６－１：２００５（Ｅ）では、これらの基準軸を電力密度分布の主軸と呼んでおり（セクション３．３～３．５）、以下の論述では、Ｘ軸及びＹ軸がこれらの主軸と一致していると仮定する。さらには、Ｘ軸及びＹ軸が断面平面内で回転することができる角度φ（例えば、それぞれＸ軸及びＹ軸の基準位置に対するＸ軸及びＹ軸の角度）を使用して、非軸対称ビームのスポットサイズパラメータの最小値（ｗ０，ｍｉｎ）及び最大値（ｗ０，ｍａｘ）を定義することができる：
Figure 2024507845000048
Figure 2024507845000049
ここで、２σ０，ｍｉｎ＝２σ０ｘ（φｍｉｎ，ｘ）＝２σ０ｙ（φｍｉｎ，ｙ）及び２σ０，ｍａｘ＝２σ０ｘ（φｍａｘ，ｘ）＝２σ０ｙ（φｍａｘ，ｙ）である。ビーム断面の軸非対称の大きさはアスペクト比によって定量化することができ、ここで、アスペクト比は、ｗ０，ｍａｘのｗ０，ｍｉｎに対する比として定義される。軸対称ビーム断面は１．０のアスペクト比を有し、一方、楕円形及び他の非軸対称ビーム断面は、１．０超、例えば、１．１超、１．２超、１．３超、１．４超、１．５超、１．６超、１．７超、１．８超、１．９超、２．０超、超、５．０超、１０．０超などのアスペクト比を有する。
ビーム伝播方向における欠陥１７２、１８４の均一性（例えば、透明なワークピース１６０の深さ寸法）を促進するために、低い発散を有するパルスレーザビーム１１２を使用してもよい。１つ以上の実施形態では、低発散を有するパルスレーザビーム１１２を、欠陥１７２、１８４を形成するために利用することができる。上で述べたように、発散はレイリー範囲によって特徴付けることができる。非軸対称ビームの場合、主軸Ｘ及びＹのレイリー範囲は、Ｘ方向及びＹ方向について、それぞれ、式（１５）及び（１６）によって定義され、ここで、実際のビームについては、
Figure 2024507845000050
であることが示され、ここで、
Figure 2024507845000051
は、レーザビームの強度分布によって決定される。対称ビームの場合、レイリー範囲は Ｘ方向及びＹ方向で同じであり、式（２２）又は式（２３）で表される。低い発散は、レイリー範囲の大きい値とレーザビームの弱い回折に相関する。
ガウス強度プロファイルを有するビームは、利用可能なレーザパルスエネルギーがガラスなどの材料を変更するのに十分に小さいスポットサイズ（マイクロメートル範囲、例えば約１～５μｍ、又は約１～１０μｍのスポットサイズなど）に集束すると、それらは回折性が高く、短い伝播距離で大幅に発散することから、欠陥１７２、１８４を形成するためのレーザ処理にはあまり好ましくない可能性がある。低発散を達成するには、パルスレーザビームの強度分布を制御又は最適化して回折を低減することが望ましい。パルスレーザビームは非回折の場合もあれば、弱く回折する場合もある。弱回折レーザビームには、準非回折レーザビームが含まれる。代表的な弱回折レーザビームとしては、ベッセルビーム、ガウスベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム、マシュービームなどが挙げられる。
非軸対称ビームの場合、レイリー範囲ＺＲｘとＺＲｙは等しくない。式（１５）及び（１６）は、ＺＲｘ及びＺＲｙがそれぞれσ０ｘ及びσ０ｙに依存することを示しており、上でσ０ｘ及びσ０ｙの値がＸ軸及びＹ軸の方向に依存することに留意した。したがって、ＺＲｘ及びＺＲｙの値はそれに応じて変化し、各々が主軸に対応する最小値と最大値を有し、任意のビームプロファイルＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙ，ｍｉｎについて、ＺＲｘ，ｍｉｎで示されるＺＲｘの最小値及びＺＲｙ，ｍｉｎで示されるＺＲｙの最大値は、次式によって与えられることがわかる：
Figure 2024507845000052
及び
Figure 2024507845000053
レーザビームの発散は、最も小さいレイリー範囲を有する方向においてより短い距離にわたって生じるため、欠陥１７２を形成するために用いられるパルスレーザビーム１１２の強度分布は、ＺＲｘ及びＺＲｙの最小値（又は軸対称ビームでは、ＺＲの値）が可能な限り大きくなるように制御されうる。非軸対称ビームでは、ＺＲｘの最小値ＺＲｘ，ｍｉｎとＺＲｙの最小値ＺＲｙ，ｍｉｎは異なることから、パルスレーザビーム１１２は、損傷領域を形成する際に、ＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙ，ｍｉｎのうちの小さい方をできるだけ大きくする強度分布で用いられうる。
異なる実施形態では、ＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙ，ｍｉｎの小さい方（又は軸対称ビームでは、ＺＲの値）は、５０μｍ以上、１００μｍ以上、２００μｍ以上、３００μｍ以上、５００μｍ以上、１ｍｍ以上、２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、５ｍｍ以上、５０μｍから１０ｍｍの範囲、１００μｍから５ｍｍの範囲、２００μｍから４ｍｍの範囲、３００μｍから２ｍｍの範囲などである。
本明細書で指定されるＺＲｘ，ｍｉｎ及びＺＲｙ，ｍｉｎの小さい方の値及び範囲（又は軸対称ビームでは、ＺＲの値）は、式（２７）で定義されたスポットサイズパラメータｗ０，ｍｉｎ調整することにより、それに対してワークピースが透明である、さまざまな波長で達成可能である。異なる実施形態では、スポットサイズパラメータｗ０，ｍｉｎは、０．２５μｍ以上、０．５０μｍ以上、０．７５μｍ以上、１．０μｍ以上、２．０μｍ以上、３．０μｍ以上、５．０μｍ以上、０．２５μｍから１０μｍの範囲、０．２５μｍから５．０μｍの範囲、０．２５μｍから２．５μｍの範囲、０．５０μｍから１０μｍの範囲、０．５０μｍから５．０μｍの範囲、０．５０μｍから２．５μｍの範囲、０．７５μｍから１０μｍの範囲、０．７５μｍから５．０μｍの範囲、０．７５μｍから２．５μｍの範囲などである。
非回折又は準非回折ビームは、概して、半径に対して非単調に減少するものなど、複雑な強度プロファイルを有する。ガウスビームから類推すると、非軸対称ビームの場合、有効スポットサイズｗ０，ｅｆｆは、強度が最大強度の１／ｅ２に減少する最大強度（ｒ＝０）の半径位置から任意の方向での最短半径距離として定義することができる。さらには、軸対称ビームの場合、ｗ０，ｅｆｆは、強度が最大強度の１／ｅ２に減少する最大強度（ｒ＝０）の半径位置からの半径距離である。非軸対称ビームの有効スポットサイズｗ０，ｅｆｆ又は軸対称ビームのスポットサイズｗ０に基づくレイリー範囲の基準は、以下の非軸対称ビームには式（３１）、軸対称ビームには式（３２）を使用して、損傷領域を形成するための非回折ビーム又は準非回折ビームとして指定することができる：
Figure 2024507845000054
Figure 2024507845000055
ここで、ＦＤは、少なくとも１０、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも２５０、少なくとも５００、少なくとも１０００、１０から２０００の範囲、５０から１５００の範囲、１００から１０００の範囲の値を有する無次元発散係数である。式（３１）を式（２２）又は（２３）と比較することにより、非回折又は準非回折ビームの場合、有効ビームサイズが２倍になる式（３１）の距離「ＺＲｘ，ｍｉｎ、ＺＲｙ，ｍｉｎの小さい方」は、典型的なガウスビームプロファイルが用いられた場合に予想される距離のＦＤ倍であることがわかる。無次元発散係数ＦＤは、レーザビームが準非回折であるかどうかを判断するための基準を提供する。本明細書で用いられる場合、パルスレーザビーム１１２は、レーザビームの特性が式（３１）又は式（３２）をＦＤ≧１０の値で満たす場合に、準非回折であるとみなされる。ＦＤの値が増加するにつれて、パルスレーザビーム１１２はより完全に近い非回折状態へと近づく。さらには、式（３２）は、単に式（３１）を単純化したものであり、したがって、式（３１）は、軸対称及び非軸対称パルスレーザビーム１１２の両方についての無次元発散係数ＦＤを数学的に説明するものであるものと理解されたい。
次に図３を参照すると、準非回折であり、非球面光学素子１２０（例えば、アキシコン１２２）を使用して透明なワークピース１６０にパルスレーザビーム焦線１１３を形成するパルスレーザビーム１１２を生成するための光学アセンブリ１００が概略的に示されている。光学アセンブリ１００は、パルスレーザビーム１１２を出力するビーム源１１０、並びに第１及び第２のレンズ１３０、１３２を含む。
さらには、透明なワークピース１６０は、ビーム源１１０によって出力されたパルスレーザビーム１１２が、例えば、非球面光学素子１２０を横断した後、及びその後に第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２の両方を通過した後に、透明なワークピース１６０を照射するように位置づけることができる。ビーム源１１０がパルスレーザビーム１１２を出力するとパルスレーザビーム１１２のビーム経路１１１が光軸１０２に沿って延びるように、光軸１０２が、ビーム源１１０と透明なワークピース１６０との間にＺ軸に沿って延びる。本明細書で用いられる場合、「上流」及び「下流」は、ビーム源１１０に関してビーム経路１１１に沿った２つの位置又は構成要素の相対位置を指す。例えば、パルスレーザビーム１１２が第２の構成要素を横切る前に第１の構成要素を横切る場合、第１の構成要素は第２の構成要素の上流にある。さらには、パルスレーザビーム１１２が第１の構成要素を横切る前に第２の構成要素を横切る場合、第１の構成要素は第２の構成要素の下流にある。
図３をさらに参照すると、ビーム源１１０は、パルスレーザビーム１１２を出力するように構成された任意の既知のビーム源１１０、又は今後開発されるビーム源１１０を含みうる。動作中、それぞれの輪郭線１７０、１８０（図１Ａ及び２Ａ）の欠陥１７２、１８４は、透明なワークピース１６０とビーム源１１０によって出力されるパルスレーザビーム１１２との相互作用によって生成される。実施形態では、ビーム源１１０は、例えば、１０６４ｎｍ、１０３０ｎｍ、５３２ｎｍ、５３０ｎｍ、３５５ｎｍ、３４３ｎｍ、又は２６６ｎｍ、又は２１５ｎｍの波長を含むパルスレーザビーム１１２を出力することができる。さらには、透明なワークピース１６０に欠陥１７２、１８４を形成するために用いられるパルスレーザビーム１１２は、選択されたパルスレーザ波長に対して透明である材料によく適しうる。
欠陥１７２、１８４を形成するのに適したレーザ波長は、透明なワークピース１６０による線形吸収及び散乱の総合損失が十分に低い波長である。実施形態では、当該波長における透明なワークピース１６０による線形吸収及び散乱による総合損失は、２０％／ｍｍ未満、又は１５％／ｍｍ未満、又は１０％／ｍｍ未満、又は５％／ｍｍ未満、又は１％／ｍｍ未満であり、ここで、寸法「／ｍｍ」は、パルスレーザビーム１１２のビーム伝播方向（例えば、Ｚ方向）における透明ワークピース１６０内の距離１ミリメートル当たりを意味する。多くのガラスワークピースについての代表的な波長には、Ｎｄ３＋の基本波長及び高調波波長が含まれる（例えば、１０６４ｎｍの付近の基本波長、並びに５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、及び２６６ｎｍ付近のより高次の高調波波長を有する、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ、又はＮｄ３＋：ＹＶＯ４）。所与の基板材料についての線形吸収及び散乱損失の組合せ要件を満たす、スペクトルの紫外、可視、及び赤外部分の他の波長もまた、使用することができる。
動作中、ビーム源１１０によって出力されるパルスレーザビーム１１２は、透明なワークピース１６０内に多光子吸収（ＭＰＡ）を生成しうる。ＭＰＡとは、分子をある状態（通常は基底状態）からより高エネルギーの電子状態へと励起（すなわち、イオン化）する、同一又は異なる周波数の２つ以上の光子の同時吸収である。分子の関与する下位状態と上位状態との間のエネルギー差は、関与する光子のエネルギーの合計に等しくなる。ＭＰＡは誘導吸収とも呼ばれ、例えば、線形吸収よりも数桁弱い、二次又は三次（又はさらに高次）のプロセスでありうる。これは、例えば二次誘導吸収の強度が光強度の二乗に比例する可能性があり、したがって非線形光学プロセスであるという点で、線形吸収とは異なる。
輪郭線１７０、１８０（図１Ａ及び２Ａ）を生成する穿孔工程は、ビーム源１１０（例えば、超短パルスレーザ）を、非球面光学素子１２０、第１のレンズ１３０、及び第２のレンズ１３２と組み合わせて利用して、ビームスポット１１４を透明なワークピース１６０上に投影し、パルスレーザビーム焦線１１３を生成することができる。パルスレーザビーム焦線１１３は、上で定義したガウスベッセルビーム又ベッセルビームなどの準非回折ビームを含み、透明なワークピース１６０を完全に穿孔して、透明なワークピース１６０に、それぞれの輪郭線１７０、１８０を形成することができる欠陥１７２、１８４を形成することができる。実施形態では、個々のパルスのパルス持続時間は、約１フェムト秒から約２００ピコ秒、例えば、約１ピコ秒から約１００ピコ秒、５ピコ秒から約２０ピコ秒などの範囲にあり、個々のパルスの繰り返し率は、約１ｋＨｚから４ＭＨｚの範囲、例えば、約１０ｋＨｚから約３ＭＨｚ、又は約１０ｋＨｚから約６５０ｋＨｚの範囲にありうる。
図３を再び参照すると、非球面光学素子１２０は、ビーム源１１０と透明なワークピース１６０との間のビーム経路１１１内に位置づけられる。上述したように、動作中、パルスレーザビーム１１２、例えば入射ガウスビームを、非球面光学素子１２０を通って伝播させることにより、非球面光学素子１２０を越えて伝播するパルスレーザビーム１１２の部分が準非回折となるようにパルスレーザビーム１１２を変化させることができる。非球面光学素子１２０は、非球面形状を含む任意の光学素子を含みうる。実施形態では、非球面光学素子１２０は、アキシコンレンズ、例えば、負の屈折アキシコンレンズ、正の屈折アキシコンレンズ、反射アキシコンレンズ、回折アキシコンレンズ、プログラマブル空間光変調器アキシコンレンズ（例えば位相アキシコン）などの光学素子を生成する円錐波面を含みうる。
実施形態では、非球面光学素子１２０は、その形状が数学的に次のように記述される少なくとも１つの非球面を含む：
Figure 2024507845000056
ここで、ｚ’は非球面の面垂れであり、ｒは非球面と半径方向（例えば、Ｘ方向又はＹ方向）の光軸１０２との間の距離であり、ｃは非球面の表面曲率（すなわち、ｃｉ＝１／Ｒｉ、ここでＲは非球面の面半径である）であり、ｋは円錐定数であり、係数ａｉは、非球面を説明する１次から１２次の非球面係数、又はより高次の非球面係数（多項式非球面）である。１つの例示的な実施形態では、非球面光学素子１２０の少なくとも１つの非球面は、それぞれ以下の係数ａ１～ａ７：－０．０８５２７４７８８；０．０６５７４８８４５；０．０７７５７４９９５；－０．０５４１４８６３６；０．０２２０７７０２１；－０．００５４９８７４７２；０．０００６６８２９５５；を含み、非球面係数ａ８～ａ１２は０である。この実施形態では、少なくとも１つの非球面は円錐定数ｋ＝０を有する。しかしながら、係数ａ１はゼロ以外の値を有するため、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、等価面は、非ゼロａ２である円錐定数ｋ、非ゼロである係数ａ１、又は非ゼロｋと非ゼロ係数ａ１との組合せを指定することによって説明されうる。さらには、実施形態では、少なくとも１つの非球面は、ゼロ以外の値（すなわち、ａ２、ａ３…、ａ１２≠０のうちの少なくとも１つ）を有する少なくとも１つの高次の非球面係数ａ２～ａ１２によって説明又は定義される。例示的な一実施形態では、非球面光学素子１２０は、非ゼロの係数ａ３を含む立方体形状の光学素子などの三次非球面光学素子を含む。
実施形態では、非球面光学素子１２０がアキシコン１２２（図３に示される）を含む場合、アキシコン１２２は、約１．２°、例えば約０．５°から約５°、又は約１°から約１．５°、又はさらには約０．５°から約２０°の角度を有するレーザ出力面１２６（例えば、円錐面）を有することができ、該角度は、パルスレーザビーム１１２がアキシコン１２２に入射するレーザ入力面１２４（例えば、平坦な面）に対して測定される。さらには、レーザ出力面１２６は円錐形の先端で終わっている。さらには、非球面光学素子１２０は、レーザ入力面１２４からレーザ出力面１２６まで延び、円錐形の先端で終端する中心軸１２５を含む。他の実施形態では、非球面光学素子１２０は、アキシコン、空間光変調器などの空間位相変調器、又は回折光学格子を含みうる。動作中、非球面光学素子１２０は、入射パルスレーザビーム１１２（例えば、入射ガウスビーム）を準非回折ビームへと整形し、このビームは、第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２を通って誘導される。
図３をさらに参照すると、第１のレンズ１３０は、第２のレンズ１３２の上流に位置づけられ、第１のレンズ１３０と第２のレンズ１３２との間のコリメート空間１３４内でパルスレーザビーム１１２をコリメートすることができる。さらには、第２のレンズ１３２は、パルスレーザビーム１１２を、結像面１０４に位置づけられうる透明なワークピース１６０内に集束させることができる。実施形態では、第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２は各々平凸レンズを含む。第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２の各々が平凸レンズを含む場合、第１のレンズ１３０及び第２のレンズ１３２の曲率はそれぞれ、コリメート空間１３４に誘導されうる。他の実施形態では、第１のレンズ１３０は他のコリメートレンズを含んでよく、第２のレンズ１３２はメニスカスレンズ、非球面レンズ、又は別の高次の補正集束レンズを含んでもよい。
図１Ａ～３を再び参照すると、透明なワークピース１６０に向けられるパルスレーザビーム１１２の部分が透明なワークピース内で誘導吸収を生成し、その誘導吸収により透明なワークピース１６０内に欠陥１７２、１８４が生成されるように、パルスレーザビーム１１２がビーム経路１１１に沿って配向されるように導かれ、ビーム源１１０によって透明なワークピース１６０に出力される。例えば、パルスレーザビーム１１２は、透明なワークピース１６０の損傷閾値を超えるのに十分なパルスエネルギー及びパルス持続時間を含みうる。実施形態では、パルスレーザビーム１１２を透明なワークピース１６０内に導くことは、ビーム源１１０によって出力されたパルスレーザビーム１１２をビーム伝播方向（例えば、Ｚ軸）に沿って配向されたパルスレーザビーム焦線１１３に集束させることを含む。透明なワークピース１６０は、パルスレーザビーム１１２のパルスレーザビーム焦線１１３と少なくとも部分的に重なるようにビーム経路１１１内に位置づけられる。したがって、パルスレーザビーム焦線１１３は透明なワークピース１６０に向けられる。パルスレーザビーム１１２、例えば、パルスレーザビーム焦線１１３は透明なワークピース１６０内に誘導吸収を生成し、透明なワークピース１６０内に欠陥１７２、１８４を生成する。実施形態では、個々の欠陥は、数百キロヘルツの速度で生成することができる（すなわち、１秒あたり数十万の欠陥）。
実施形態では、非球面光学素子１２０は、パルスレーザビーム１１２をパルスレーザビーム焦線１１３に集束させることができる。動作中、パルスレーザビーム焦線１１３の位置は、透明ワークピース１６０に対してパルスレーザビーム１１２を適切に位置決め及び／又は位置合わせすることによって、並びに光学アセンブリ１００のパラメータを適切に選択することによって、制御することができる。例えば、パルスレーザビーム焦線１１３の位置は、Ｚ軸に沿って、及びＺ軸の周りで制御することができる。さらには、パルスレーザビーム焦線１１３は、約０．１ｍｍから約１００ｍｍの範囲、又は約０．１ｍｍから約１０ｍｍの範囲の長さを有しうる。さまざまな実施形態は、長さｌが約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．５ｍｍ、約０．７ｍｍ、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、又は約５ｍｍ、例えば約０．５ｍｍから約５ｍｍのパルスレーザビーム焦線１１３を有するように構成されうる。
図１Ａ～２Ａをさらに参照すると、欠陥１７２、１８４を含む輪郭線１７０、１８０を形成する方法は、パルスレーザビーム１１２に対して透明なワークピース１６０を並進させることを含みうる（あるいは、パルスレーザビーム１１２は、例えば、図１Ａ及び２Ａに示される並進方向１０１に、透明なワークピース１６０に対して並進することができる）。欠陥１７２、１８４はガラスの深さ全体を貫通する。ときに「穴」又は「穴状」と表現されることもあるが、本明細書に開示される欠陥１７２は、概して空隙ではなく、むしろ本明細書に記載されるレーザ処理によって変更された透明なワークピース１６０の部分であるものと理解されたい。
実施形態では、欠陥１７２、１８４は、概して、輪郭線１７０、１８０に沿って、約０．１μｍから約５００μｍ、例えば、約１μｍから約２００μｍ、約２μｍから約１００μｍ、約５μｍから約２０μｍなどの距離だけ互いに離間しうる。例えば、欠陥間の適切な間隔は、ＴＦＴ／ディスプレイガラス組成物では、約０．１μｍから約５０μｍ、例えば約５μｍから約１５μｍ、約５μｍから約１２μｍ、約７μｍから約１５μｍ、又は約７μｍから約１２μｍでありうる。実施形態では、隣接する欠陥間の間隔は、約５０μｍ以下、４５μｍ以下、４０μｍ以下、３５μｍ以下、３０μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下などでありうる。さらには、パルスレーザビーム１１２に対する透明なワークピース１６０の並進は、１つ以上の並進ステージ１９０を使用して透明なワークピース１６０及び／又はビーム源１１０を移動させることによって実施することができる。
単一の透明なワークピース１６０の穿孔を越えて、このプロセスは、ガラスシートのスタックなどの透明なワークピース１６０のスタックの穿孔にも使用することができ、単一のレーザパスで全高が最大で数ｍｍのガラススタックに完全に穿孔することができる。単一のガラススタックは、スタック内のさまざまなガラスタイプ、例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇコード２３１８ガラスの１つ以上の層を積層したソーダ石灰ガラスの１つ以上の層で構成されうる。加えて、ガラススタックは、さまざまな場所にエアギャップを有することができる。別の実施形態によれば、接着剤などの延性層をガラススタック間に配置することができる。しかしながら、本明細書に記載されるパルスレーザプロセスは、依然として、単一パスで、このようなスタックの上部ガラス層及び下部ガラス層の両方を完全に穿孔する。
特許請求の範囲に記載の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される実施形態にさまざまな修正及び変更を加えることができることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、本明細書は、このような修正及び変更が添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内に入る限り、本明細書、に記載されるさまざまな実施形態の修正及び変更に及ぶことが意図されている。
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
透明なワークピースを処理する方法において、該方法が、
前記透明なワークピース内に第１の輪郭線を形成する工程であって、前記第１の輪郭線が第１の輪郭を画成するように前記第１の輪郭線が前記透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含み、ここで、前記第１の輪郭線を形成する工程が、
前記透明なワークピース内に誘導される第１のパルスレーザビームの一部が前記透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される前記第１のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して前記透明なワークピース内に誘導する工程であって、前記誘導吸収が、前記透明なワークピース内に欠陥を生成する、工程と、
前記第１の輪郭線に沿って前記透明なワークピースと前記第１のパルスレーザビームとを互いに対して並進させ、それによって前記透明なワークピース内で前記第１の輪郭線に沿って前記第１の複数の欠陥をレーザ形成する工程と
を含む、第１の輪郭線を形成する工程、
前記透明なワークピース内に第２の輪郭線を形成する工程であって、前記第２の輪郭線が前記第１の輪郭線と交点で交差する第２の輪郭を画成するように前記第２の輪郭線が前記透明なワークピース内に第２の複数の欠陥を含み、ここで、前記第２の輪郭線を形成する工程が、
前記透明なワークピース内に誘導される第２のパルスレーザビームの一部が前記透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される前記第２のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して前記透明なワークピース内に誘導する工程であって、前記誘導吸収が、前記第２の輪郭線に沿って前記透明なワークピースに変化を生じさせ、前記透明なワークピース内に欠陥を生成する、工程と、
前記第２の輪郭線に沿って前記透明なワークピースと前記第２のパルスレーザビームとを互いに対して並進させ、それによって前記透明なワークピース内で前記輪郭線に沿って前記第２の複数の欠陥をレーザ形成する工程と
を含む、第２の輪郭線を形成する工程
を含み、ここで、
前記第２のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーが、前記第２のパルスレーザビームの光学領域が前記第１の輪郭線の光学領域と相互作用する前記交点から第１の距離で、第１のレーザパルスエネルギーから第２のレーザパルスエネルギーまで増加され、かつ
前記第２のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーが、前記第２のパルスレーザビームの前記光学領域が前記第１の輪郭線の前記光学領域と相互作用しない前記交点から第２の距離で、前記第２のレーザパルスエネルギーから前記第１のレーザパルスエネルギーまで減少する、
透明なワークピースを処理する方法。
実施形態２
前記透明なワークピース内に誘導される前記第１のパルスレーザビームの前記部分が、
波長λ、
スポットサイズｗ０、及び
Figure 2024507845000057
より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面
を含み、ここで、
ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、
実施形態１に記載の方法。
実施形態３
前記透明なワークピース内に誘導される前記第２のパルスレーザビームの前記部分が、
波長λ、
スポットサイズｗ０、及び
Figure 2024507845000058
より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面
を含み、ここで、
ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、
実施形態１に記載の方法。
実施形態４
前記第２のレーザパルスエネルギーが、前記第１のレーザパルスエネルギーの２倍である、実施形態１に記載の方法。
実施形態５
前記第１の距離が約１００μｍから約５００μｍである、実施形態１に記載の方法。
実施形態６
前記第１の距離が約１００μｍから約３００μｍである、実施形態１に記載の方法。
実施形態７
前記第２の距離が約１００μｍから約５００μｍである、実施形態１に記載の方法。
実施形態８
前記第２の距離が約１００μｍから約３００μｍである、実施形態１に記載の方法。
実施形態９
前記第１のパルスレーザビーム及び第２のパルスレーザビームが波長λを有し、前記透明なワークピースが、ビーム伝播方向において２０％／ｍｍ未満の線形吸収及び散乱による総合損失を有する、実施形態１に記載の方法。
実施形態１０
前記第１のビーム源及び第２のビーム源が、それぞれ、パルスバーストあたり約２サブパルスからパルスバーストあたり約３０サブパルスまでのパルスバーストを生成する第１のパルスビーム源及び第２のパルスビーム源を含み、パルスバーストエネルギーが、パルスバーストあたり約１００μＪから約６００μＪまでである、実施形態１に記載の方法。
実施形態１１
透明なワークピースにおいて、
前記透明なワークピース内の第１の輪郭線であって、前記透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含む、第１の輪郭線と、
前記透明なワークピース内の第２の輪郭線であって、前記第２の輪郭線が前記第１の輪郭線と交点で交差する第２の輪郭を画成するように前記透明なワークピース内に第２の複数の欠陥を含み、前記第２の複数の欠陥が、前記交点前の第１の距離から前記交点後の第２の距離まで前記透明ワークピースの厚さを少なくとも部分的に通って延びる、第２の輪郭線と
を含む、透明なワークピース。
実施形態１２
前記第２の複数の欠陥が、前記交点において、前記透明なワークピースの厚さを完全に貫通して延びる、実施形態１１に記載の透明なワークピース。
実施形態１３
前記第１の距離が約１００μｍから約５００μｍである、実施形態１１に記載の透明なワークピース。
実施形態１４
前記第１の距離が約１００μｍから約３００μｍである、実施形態１１に記載の透明なワークピース。
実施形態１５
前記第２の距離が約１００μｍから約５００μｍである、実施形態１１に記載の透明なワークピース。
実施形態１６
透明なワークピースを処理する方法において、該方法が、
前記透明なワークピース内に第１の輪郭線を形成する工程であって、前記第１の輪郭線が、該第１の輪郭線が第１の輪郭を画成するように前記透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含み、ここで、前記第１の輪郭線を形成する工程が、
前記透明なワークピース内に誘導される前記第１のパルスレーザビームの部分が前記透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される第１のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して前記透明なワークピース内に誘導する工程であって、前記誘導吸収が、前記第１の輪郭線に沿って前記透明なワークピースに変化を生じさせ、前記透明なワークピース内に欠陥を生成する、工程と、
前記第１の輪郭線に沿って前記透明なワークピースと前記第１のパルスレーザビームとを互いに対して並進させ、それによって前記透明なワークピース内で前記第１の輪郭線に沿って前記第１の複数の欠陥をレーザ形成する工程と
を含む、第１の輪郭線を形成する工程
を含み、ここで、
前記第１のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーが、前記第１のパルスレーザビームの光学領域が前記透明な材料の前記エッジの光学領域と相互作用する前記透明な材料のエッジまでの第１の距離で、前記第１のレーザパルスエネルギーから前記第２のレーザパルスエネルギーまで増加する、
透明なワークピースを処理する方法。
実施形態１７
前記透明なワークピース内に誘導される前記第１のパルスレーザビームの前記部分が、
波長λ、
スポットサイズｗ０、及び
Figure 2024507845000059
より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面
を含み、ここで、
ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、
実施形態１６に記載の方法。
実施形態１８
前記第２のレーザパルスエネルギーが、前記第１のレーザパルスエネルギーの２倍である、実施形態１６に記載の方法。
実施形態１９
前記第１のパルスレーザビーム及び第２のパルスレーザビームが波長λを有し、前記透明なワークピースが、前記ビーム伝播方向において２０％／ｍｍ未満の線形吸収及び散乱による総合損失を有する、実施形態１６に記載の方法。
実施形態２０
前記第１のビーム源及び第２のビーム源が、それぞれ、パルスバーストあたり約２サブパルスからパルスバーストあたり約３０サブパルスまでのパルスバーストを生成する第１のパルスビーム源及び第２のパルスビーム源を含み、パルスバーストエネルギーが、パルスバーストあたり約１００μＪから約６００μＪまでである、実施形態１６に記載の方法。
１００ 光学アセンブリ
１０２ 光軸
１０４ 結像面
１１１ ビーム経路
１１２ パルスレーザビーム
１１３ パルスレーザビーム焦線
１１４ ビームスポット
１２０ 非球面光学素子
１２２ アキシコン
１２４ レーザ入力面
１２５ 中心軸
１２６ レーザ出力面
１３０ 第１のレンズ
１３２ 第２のレンズ
１６０ 透明なワークピース
１６２ 結像面
１６５ 輪郭
１７０ 第１の輪郭線
１７２ 複数の欠陥
１８０ 第２の輪郭線
１８２ 交点
１８４ 複数の欠陥
１８６ 輪郭
１９０ 並進ステージ
２００ 影の領域

Claims (14)

  1. 透明なワークピースを処理する方法において、該方法が、
    前記透明なワークピース内に第１の輪郭線を形成する工程であって、前記第１の輪郭線が第１の輪郭を画成するように前記第１の輪郭線が前記透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含み、ここで、前記第１の輪郭線を形成する工程が、
    前記透明なワークピース内に誘導される第１のパルスレーザビームの一部が前記透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される前記第１のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して前記透明なワークピース内に誘導する工程であって、前記誘導吸収が、前記透明なワークピース内に欠陥を生成する、工程と、
    前記第１の輪郭線に沿って前記透明なワークピースと前記第１のパルスレーザビームとを互いに対して並進させ、それによって前記透明なワークピース内で前記第１の輪郭線に沿って前記第１の複数の欠陥をレーザ形成する工程と
    を含む、第１の輪郭線を形成する工程、
    前記透明なワークピース内に第２の輪郭線を形成する工程であって、前記第２の輪郭線が前記第１の輪郭線と交点で交差する第２の輪郭を画成するように前記第２の輪郭線が前記透明なワークピース内に第２の複数の欠陥を含み、ここで、前記第２の輪郭線を形成する工程が、
    前記透明なワークピース内に誘導される第２のパルスレーザビームの一部が前記透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される前記第２のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して前記透明なワークピース内に誘導する工程であって、前記誘導吸収が、前記第２の輪郭線に沿って前記透明なワークピースに変化を生じさせ、前記透明なワークピース内に欠陥を生成する、工程と、
    前記第２の輪郭線に沿って前記透明なワークピースと前記第２のパルスレーザビームとを互いに対して並進させ、それによって前記透明なワークピース内で前記輪郭線に沿って前記第２の複数の欠陥をレーザ形成する工程と
    を含む、第２の輪郭線を形成する工程
    を含み、ここで、
    前記第２のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーが、前記第２のパルスレーザビームの光学領域が前記第１の輪郭線の光学領域と相互作用する前記交点から第１の距離で、第１のレーザパルスエネルギーから第２のレーザパルスエネルギーまで増加され；かつ
    前記第２のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーが、前記第２のパルスレーザビームの前記光学領域が前記第１の輪郭線の前記光学領域と相互作用しない前記交点から第２の距離で、前記第２のレーザパルスエネルギーから前記第１のレーザパルスエネルギーまで減少する、
    透明なワークピースを処理する方法。
  2. 前記透明なワークピース内に誘導される前記第１のパルスレーザビームの前記部分が、
    波長λ、
    スポットサイズｗ０、及び
    Figure 2024507845000060
    より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面
    を備えており、ここで、
    ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記透明なワークピース内に誘導される前記第２のパルスレーザビームの前記部分が、
    波長λ、
    スポットサイズｗ０、及び
    Figure 2024507845000061
    より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面
    を備えており、ここで、
    ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、
    請求項１又は請求項２に記載の方法。
  4. 前記第２のレーザパルスエネルギーが、前記第１のレーザパルスエネルギーの２倍である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記第１の距離が約１００μｍから約５００μｍである、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記第２の距離が約１００μｍから約５００μｍである、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記第１のパルスレーザビーム及び第２のパルスレーザビームが波長λを有し、前記透明なワークピースが、ビーム伝播方向において２０％／ｍｍ未満の線形吸収及び散乱による総合損失を有する、請求項１に記載の方法。
  8. 前記第１のビーム源及び第２のビーム源が、それぞれ、パルスバーストあたり約２サブパルスからパルスバーストあたり約３０サブパルスまでのパルスバーストを生成する第１のパルスビーム源及び第２のパルスビーム源を含み、パルスバーストエネルギーが、パルスバーストあたり約１００μＪから約６００μＪまでである、請求項１に記載の方法。
  9. 透明なワークピースにおいて、
    前記透明なワークピース内の第１の輪郭線であって、前記透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含む、第１の輪郭線と、
    前記透明なワークピース内の第２の輪郭線であって、前記第２の輪郭線が前記第１の輪郭線と交点で交差する第２の輪郭を画成するように前記透明なワークピース内に第２の複数の欠陥を含み、前記第２の複数の欠陥が、前記交点前の第１の距離から前記交点後の第２の距離まで前記透明ワークピースの厚さを少なくとも部分的に通って延びる、第２の輪郭線と
    を含む、透明なワークピース。
  10. 透明なワークピースを処理する方法において、該方法が、
    前記透明なワークピース内に第１の輪郭線を形成する工程であって、前記第１の輪郭線が、該第１の輪郭線が第１の輪郭を画成するように前記透明なワークピース内に第１の複数の欠陥を含み、ここで、前記第１の輪郭線を形成する工程が、
    前記透明なワークピース内に誘導される前記第１のパルスレーザビームの部分が前記透明なワークピース内に誘導吸収を生成するように、ビーム経路に沿って配向され、ビーム源によって出力される第１のパルスレーザビームを、非球面光学素子を介して前記透明なワークピース内に誘導する工程であって、前記誘導吸収が、前記第１の輪郭線に沿って前記透明なワークピースに変化を生じさせ、前記透明なワークピース内に欠陥を生成する、工程と、
    前記第１の輪郭線に沿って前記透明なワークピースと前記第１のパルスレーザビームとを互いに対して並進させ、それによって前記透明なワークピース内で前記第１の輪郭線に沿って前記第１の複数の欠陥をレーザ形成する工程と
    を含む、第１の輪郭線を形成する工程
    を含み、ここで、
    前記第１のパルスレーザビームのレーザパルスエネルギーが、前記第１のパルスレーザビームの光学領域が前記透明な材料の前記エッジの光学領域と相互作用する前記透明な材料のエッジまでの第１の距離で、前記第１のレーザパルスエネルギーから前記第２のレーザパルスエネルギーまで増加する、
    透明なワークピースを処理する方法。
  11. 前記透明なワークピース内に誘導される前記第１のパルスレーザビームの前記部分が、
    波長λ、
    スポットサイズｗ０、及び
    Figure 2024507845000062
    より大きいレイリー範囲ＺＲを含む断面
    を含み、ここで、
    ＦＤは、１０以上の値を含む無次元発散係数である、
    請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第２のレーザパルスエネルギーが、前記第１のレーザパルスエネルギーの２倍である、請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１のパルスレーザビーム及び第２のパルスレーザビームが波長λを有し、前記透明なワークピースが、ビーム伝播方向において２０％／ｍｍ未満の線形吸収及び散乱による総合損失を有する、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記第１のビーム源及び第２のビーム源が、それぞれ、パルスバーストあたり約２サブパルスからパルスバーストあたり約３０サブパルスまでのパルスバーストを生成する第１のパルスビーム源及び第２のパルスビーム源を含み、パルスバーストエネルギーが、パルスバーストあたり約１００μＪから約６００μＪまでである、請求項１０に記載の方法。
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