KR20170093882A - 비-회절 레이저 빔을 사용하는 유리 절단 시스템 및 방법 - Google Patents

비-회절 레이저 빔을 사용하는 유리 절단 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

실시예들은 펄스 레이저 조립체, 및 상기 펄스 레이저 조립체 내에서 레이저 절단 중에 상기 유리 물품을 지지하도록 구성된 유리 지지 조립체를 포함하는 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 시스템에 관한 것이며, 상기 펄스 레이저 조립체는 입력 빔을 준-NDB 빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 비-회절 빔 (NDB) 형성 광학 요소; 및 상기 준-NDB 빔을, 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 거리가 이격된 다수의 준-NDB 서브-빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 빔 변환 요소를 포함하며, 상기 펄스 레이저 조립체는 다수의 준-NDB 서브-빔의 하나 이상의 펄스를 상기 유리 물품의 표면 상으로 전달하기 위해 배향되고, 다수의 준-NDB 서브-빔 각각의 펄스는 상기 유리 물품에서 복수의 천공을 절단하도록 동작 가능하다.

Description

비-회절 레이저 빔을 사용하는 유리 절단 시스템 및 방법{GLASS CUTTING SYSTEMS AND METHODS USING NON-DIFFRACTING LASER BEAMS}
본 출원은 35 U.S.C.§ 119 하에 2014년 12월 4일 자로 출원된, 미국 가출원 제62/087,406호의 우선권 주장 출원이며, 이때 상기 가출원의 내용은 전반적으로 참조로 본 명세서에 병합된다.
본 개시 내용의 실시예들은 일반적으로 유리 절단 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 다중 비-회절 서브-빔을 이용하는 유리 절단 시스템 및 방법에 관한 것이다.
집속된 (focused) 단-펄스 레이저 빔은 다중-광 이온화 및 후속 절제 (subsequent ablation)를 통한 비선형 흡수 과정을 통해, 유리와 같은 투명 기판을 절단 및 변형하는데 사용된다. 이로써, 그러한 레이저 시스템은 상당한 속도로 재료를 가공하기 위해 매우 작은 스팟 크기를 제공하고 높은 반복율을 제공해야 한다. 통상적으로 레이저 가공은 가우스 레이저 빔을 사용한다. 가우시안 세기 프로파일 (Gaussian intensity profile)을 갖는 레이저 빔의 엄격한 초점 (tight focus)은 다음과 같은 레일리 범위 (Rayleigh range, ZR)를 가진다:
Figure pct00001
레일리 범위는 파장 λ0에서 굴절률 no의 재료에서 빔의 스팟 크기 wo가 √2만큼 증가하는 거리를 나타낸다. 이러한 제한은 회절에 의해 부과된다. 상기의 식 1에 도시된 바와 같이, 레일리 범위는 스팟 크기에 직접 관련되고, 이로써 엄격한 초점 (즉, 작은 스팟 크기)은 긴 레일리 범위를 가질 수 없다. 이로써, 작은 스팟 크기는 부적합한 근거리에 대해 유지된다. 그러한 빔이 초점 영역의 깊이를 변화시켜 재료를 통해 드릴링하는데 사용되는 경우, 초점 양 측면 상의 스팟의 급속한 확장은 빔의 초점 속성을 제한할 수 있는 광학 왜곡이 없는 넓은 영역을 필요로 할 것이다. 그러한 짧은 레일리 범위는 또한 두꺼운 샘플을 절단하기 위해 다수의 펄스를 필요로 한다.
재료에서 엄격하게 집속된 빔을 유지하는 또 다른 접근법은, 자기-집속 현상 (self-focusing phenomenon)을 만들어 내는 Kerr 효과를 통해 비선형 필라멘트 (filamentation)를 사용하는 것이다. 이러한 과정에서, 비선형 Kerr 효과는 빔의 중앙에 있는 인덱스를 증가시키며, 그에 따라 전술한 회절 효과를 방해하는 도파관을 생성한다. 빔 크기는 상기의 식 1에서 주어진 것보다 훨씬 더 긴 길이에 걸쳐 유지될 수 있으며, 그리고 더 이상 표면 위상 왜곡을 일으키지 않는데, 이는 초점이 표면에 정의되기 때문이다. 충분한 Kerr 효과를 생성하기 위해, 입사 레이저 빔의 파워는 아래의 식 2에 주어진 임계 값을 초과해야 한다:
Figure pct00002
여기서, n2는 2 차 (second-order) 비선형 굴절률이다.
이렇게 연장된 초점 범위의 이점에도 불구하고, Kerr 효과에 따라 빔을 생성하는 것은 전술한 가우시안 빔 접근보다 훨씬 더 많은 파워를 바람직하지 않게 요구한다.
이에 따라서, 파워 요건을 최소화하고 가공 속도를 증가시키면서, 제어된 스팟 크기, 더 긴 초점 길이를 가진 빔(들)을 달성하는 레이저 절단 시스템에서 빔 생성 방법에 대한 계속적인 필요성이 존재한다.
본 개시 내용의 실시예들은 유리 물품 광학 비-회절 빔 (NDB), 특히 다수의-NDB 서브-빔을 가진 "복합" NDB 빔을 절단하는 유리 절단 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이 접근법은 다중 광자 (multi-photon) 흡수를 유지하는데 필요한 높은 세기를 유지하며, 그리고 회절 효과가 필연적으로 빔 초점을 제한하기 전에 상당한 거리에 대해 빔 전파를 달성한다. 추가적으로, 빔의 중앙 로브 (central lobe)는 반경이 매우 작을 수 있고, 이로써, 제어된 스팟 크기로 높은 세기의 빔을 생성한다. NDB를 사용하는 접근법은 가우시안 빔 접근과 연관된 저 파워의 이점 및 필라멘트 가공 (Kerr 효과)에 의해 달성된 긴 초점 범위를 결합시킨다.
게다가, 본 NDB 실시예들은 기판을 통해 절단하는 펄스의 수를 최소화하기 때문에 가공 속도를 유리하게 높이고 동작 비용을 낮출 수 있다. 본 광학 시스템은 단일 입력 빔 펄스로부터 다수의 동시적인 서브-빔을 생성하고, 이에 의해 각각의 펄스로부터 유리 물품에 다수의 손상 스팟 또는 홀을 생성한다. 펄스당 하나의 손상 스팟만 전달하는 단일 빔 방법과 비교할 시에 절단 속도가 크게 향상될 수 있다 (상기의 도 11 참조).
일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 펄스 레이저 조립체 및 상기 펄스 레이저 조립체 내의 레이저 절단 중에 상기 유리 물품을 지지하도록 구성된 유리 지지 조립체를 포함한다. 상기 펄스 레이저 조립체는 입력 빔을 준-NDB 빔 (quasi-NDB beam)으로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 준-NDB 빔 형성 광학 요소, 및 상기 준-NDB 빔을, 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 만큼 거리가 이격된 다수의 준-NDB 서브-빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 빔 변환 요소를 포함한다. 펄스 레이저 조립체는 유리 물품의 표면 상에 다수의 준-NDB 서브-빔의 하나 이상의 펄스를 전달하도록 배향되고, 다수의 준-NDB 서브-빔의 각각의 펄스는 유리 물품 내의 복수의 천공을 절단하도록 동작 가능하다.
또 다른 실시예에 따르면, 유리 물품을 레이저 절단하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 적어도 하나의 유리 물품을, 매 펄스에 대해 거리가 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛로 이격된 다수의 준-비-회절 빔 (NDB)을 만들어 내는 펄스 레이저 시스템으로 공급하는 단계, 상기 유리 물품에 복수의 천공을 달성하기 위해 다수의 준-NDB 빔을 사용하여 상기 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 단계, 및 레이저 절단 유리 물품을 만들어내기 위해 상기 천공을 따라 상기 유리 물품을 분리하는 단계를 포함한다.
여전히 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 또 다른 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 펄스 레이저 조립체, 및 상기 펄스 레이저 조립체 내에서 레이저 절단 중에 상기 유리 물품을 지지하도록 구성된 유리 지지 조립체를 포함한다. 상기 펄스 레이저 조립체는, 입력 빔 (예컨대, 가우시안 빔)을 베셀 빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 액시콘 (axicon), 상기 액시콘의 하류 방향에 배치된 제 1 및 제 2 시준 렌즈, 및 상기 제 1 시준 렌즈와 상기 제 2 시준 렌즈 사이에 배향된 적어도 하나의 빔 변환 요소를 포함한다. 상기 적어도 하나의 빔 변환 요소는, 상기 베셀 빔을, 평행하고 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 거리로 이격된 다수의 서브-베셀 빔으로 변환시키도록 구성된다. 상기 펄스 레이저 조립체는 다수의 서브-베셀 빔의 하나 이상의 펄스를 상기 유리 물품의 표면 상으로 전달하기 위해 배향되고, 다수의 서브-베셀 빔의 각각의 펄스는 상기 유리 물품에서 복수의 천공을 절단하도록 동작 가능하다. 하나 이상의 실시예에서, 빔 변환 요소는 상기 제 1 시준 렌즈에 의해 생성되거나 상기 제 2 시준 렌즈의 초점 길이 내에 배향된 푸리에-변환 평면에 근접하여 배치될 수 있다.
본 개시 내용의 특정 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명은 본 명세서에 첨부된 도면과 함께 읽을 시에 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 준-NDB 베셀 빔을 만들어 내기 위해 액시콘을 통과하는 가우시안 빔의 개략도이다.
도 2a는 본 개시 내용의 하나 이상의 실시예를 따른 유리 절단 시스템의 개략도이다.
도 2b는 본 개시 내용의 하나 이상의 실시예를 따른 유리 물품의 레이저 절달을 도시한 도 2a의 세부도이다.
도 3a는 5.84 ㎛만큼 분리된 두 개의 베셀 서브-빔의 중앙에 걸친 단일 축 스캔을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션의 그래픽 도시이다.
도 3b는 도 3a의 두 개의 베셀 서브-빔의 2 차원 단면을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션의 그래픽 도시이다.
도 4a는 3.23 ㎛만큼 분리된 두 개의 베셀 서브-빔의 중앙에 걸친 단일 축 스캔을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션의 그래픽 도시이고, 이때 π 위상 시프트가 하나의 빔에 추가된다.
도 4b는 도 4a의 두 개의 베셀 서브-빔의 2 차원 단면을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션의 그래픽 도시이다.
도 5a는 5.85 ㎛만큼 분리된 세 개의 베셀 서브-빔의 중앙에 걸친 단일 축 스캔을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션의 그래픽 도시이다.
도 5b는 도 5a의 세 개의 베셀 서브-빔의 2 차원 단면을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션의 그래픽 도시이다.
도 6a는 3.23 ㎛만큼 분리된 세 개의 베셀 서브-빔의 중앙에 걸친 단일 축 스캔을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션의 그래픽 도시이고, 이때 π 위상 시프트가 하나의 빔에 추가된다.
도 6b는 도 6a의 3 개의 베셀 서브-빔의 2 차원 단면을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션의 그래픽 도시이다.
도 7은 펄스 레이저 조립체에 사용된 광학 조립체의 개략도로서, 빔 변환 요소가 본 개시 내용의 하나 이상의 실시예에 따른 상류 방향의 시준 렌즈의 푸리에-변환 평면에 근접하여 배향되는 것을 도시한다.
도 8은 펄스 레이저 조립체에 사용된 광학 조립체의 개략도로서, 빔 변환 요소가 본 개시 내용의 하나 이상의 실시예에 따른 하류 방향의 시준 렌즈의 초점 길이 내에 배향되는 것을 도시한다.
도 9는 본 개시 내용의 하나 이상의 실시예에 따른 소형 광학 요소들을 갖는 대안적인 광학 조립체의 개략도이다.
도 10은 본 개시 내용의 하나 이상의 실시예에 따른 반사 광학 요소를 갖는 여전히 또 다른 광학 조립체의 개략도이다.
도 11은 한 개, 두 개 및 세 개의 빔 시스템에 의해 만들어진 손상 스팟들에 비교한 개략도이다.
도면들에 설명된 실시예들은 본질적으로 예시적인 것이며 청구 범위에 의해 정의된 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 게다가, 도면의 개별 특징들은 상세한 설명의 관점에서 더욱 완전히 명백하고 이해될 것이다.
도 2a 및 도 2b의 실시예들을 참조하면, 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 시스템 (1)이 도시된다. 시스템 (1)은 펄스 레이저 조립체 (10), 및 상기 펄스 레이저 조립체 (10)에 의한 레이저 절단 중에 유리 물품 (5)을 지지하는 유리 지지 조립체 (50)를 포함한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저 조립체 (10)는 다수의 준-NDB 서브-빔 (18A, 18B)의 하나 이상의 펄스를 유리 물품 (5)의 표면 상으로 전달한다. 도 2b를 참조하면, 다수의 준-NDB 서브-빔들 (18A, 18B)의 펄스 (또는 복합 빔) (18)는 복수의 천공 (6A, 6B)을 절단하거나 유리 물품 (5)을 절단할 수 있다. 도 2a의 실시예에 도시된 바와 같이, 유리 지지 조립체 (50)는 단지 컨베이어로서 도시된다; 그러나, 스핀들 척 (spindle chuck), 로봇 팔 (robotic arm) 등과 같은 다양한 다른 구성 요소가 본 명세서에서 적합하게 고려된다. 고려된 이들 실시예들은 펄스 레이저 조립체 (10) 및 유리 지지 조립체 (50)가 레이저 절단 가공 동안 서로에 대해 이동 가능하게 할 수 있다.
도 7을 참조하면, 펄스 레이저 조립체 (10)는 입력 빔 (7) (예컨대, 가우시안 빔)을 준-NDB 빔 (12)으로 변환하는 적어도 하나의 NDB 형성 광학 요소 (20) (도 1 참조), 및 준-NDB 빔 (12)을, 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 간격으로 이격된 다수의 준-NDB 서브-빔 (18A, 18B, 18C)로 변환하는 적어도 하나의 빔 변환 요소 (40)를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "준-NDB 빔"은 생성된 비-회절 빔, 통상적으로 입력 빔 (예컨대, 가우시안 빔)을 비-회절 빔으로 변환하여 생성된 비-회절 빔을 의미한다. 준-NDB 빔은 많은 빔 유형을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "입력 빔"은 실질적으로 균일한 광학 위상을 가진 임의의 빔을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 입력 빔은 가우시안 빔이다. 예를 들어, 준-NDB은 베셀 (Bessel) 빔, 에어리 (Airy) 빔, 웨버 (Weber) 빔 또는 마티유 (Mathieu) 빔을 포함할 수 있다. 후술하는 실시예에서, 준-NDB 빔은 베셀 빔이다. 액시콘 NDB 형성 광학 요소 (20)에 의한 가우시안 빔 (7)의 베셀 준-NDB 빔 (12)으로의 변환이 도 1에 도시된다. 도 1은 단일 펄스 가우스 빔을 도시한다; 그러나, 가우시안 빔 소스는 또한 가우스 빔을 다수의 펄스로 전달할 수 있다. 액시콘 (axicon)뿐만 아니라, 다양한 다른 NDB 형성 광학 요소, 예를 들어, 공간 광 변조기, 타원형 렌즈, 또는 이들의 조합이 고려된다. 베셀 빔은 액시콘에 의해 쉽게 생성될 수 있다; 그러나, 다른 준-NDB 빔들은 다른 NDB 형성 요소들 (20)로 생성된다.
더욱이, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "다수의 준-NDB 서브-빔"은 별도의 NDB 레이저 빔을 의미하지 않는다. "다수의 준-NDB 서브-빔"은 복수의 스팟을 가진 복합 빔을 의미한다. 도 3a를 참조하면, 2 개의 피크 (18A 및 18B)는 그에 도시된 복합 베셀 빔에서의 2 개의 준-NDB 서브-빔이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 베셀 빔은 빔 스팟을 구성하는, 제로에 중앙 피크를 가지는 경향이 있다. 그러나, 본 실시예들에 따르면, 단일 스팟을 갖는 베셀 빔이 피크 (18A 및 18B)에 대응하는 2 개의 스팟을 가진 변형된 베셀 빔으로 변환되도록, 빔 변환 요소 (40)에서 베셀 빔이 변환된다. 이들 2 개의 스팟 또는 2 개의 준-NDB 서브-빔은 도 3b에 단면으로 도시된다. 도 4a 및 도 4b는 2 개의 준-NDB 서브-빔을 가진 또 다른 실시예를 도시하며, 그리고 도 5a 내지 도 6b는 3 개의 준-NDB 서브-빔들 (18A, 18B 및 18C)을 가진 실시예들을 도시한다. 도시되지는 않았지만, "다수의 준-NDB 서브-빔"은 2 개 또는 3 개 초과의 준-NDB 서브-빔을 가진 복합 빔을 포함한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 빔 변환 요소 (40)는 준-NDB 빔 (12)을 다수의 준-NDB 서브-빔 (18A, 18B 및 18C)으로 변환한다. 빔 변환은 본질적으로 고 세기 단일 준-NDB 빔을 다수의 저 세기 서브-빔으로 재구성하며, 이는 대부분의 실시예에서 서로 이격된다. 도 3a 내지 도 6b에 도시된 바와 같이, 다수의 준-NDB 서브-빔은 병렬로 도시된다; 그러나, 다수의 준-NDB 서브-빔 (18)은 서로 겹쳐지도록 경사질 수 있는 것이 고려된다. 빔 변환 요소 (40)는 다수의 준-NDB 서브-빔을 생성하는 것과 더불어, 빔들 간의 공간을 최적화할 수 있고, 옵션으로 다수의 준-NDB 서브-빔 중 하나 이상의 위상을 시프트할 수 있다. 다수의 준-NDB 서브-빔들 중 적어도 하나의 위상을 위상 시프팅함으로써, 다수의 준-NDB 서브-빔의 세기가 간섭성 있게 (coherently) 추가될 수 있다. 유리 절단 응용에 따라, 서브-빔 사이의 다양한 간격이 요구될 수 있다. 예를 들어, 간격은 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 또는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 일 수 있다. 유사하게, 위상 시프트의 정도는 고려되는 바와 같이, 약 π/4 내지 약 2π, 또는 약 π/2 내지 약 π 범위의 위상 시프트에 따라 변할 수 있다.
빔 변환 요소 (40)는 다양한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어 비제한적으로, 빔 변환 요소들은 위상 격자 (phase grating) 또는 위상 판, 진폭 격자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 위상 요소 및 진폭 요소의 조합인 빔 변환 요소 (40)를 포함하는 것이 유익할 수 있다. 이들 격자들은 구형파 또는 정현파 (sinusoidal) 일 수 있다; 그러나, 다른 복잡한 형상들이 본 명세서에서 고려된다. 빔 변환 요소들 (40)에 대한 추가 논의는 이하에 제공된다.
진폭-전용 격자 (amplitude-only grating)는 다음 식에 의해 정의될 수 있다:
Figure pct00003
물리적으로, 이는 위상 시프트가 필요 없기 때문에 격자를 훨씬 쉽게 만들 수 있다; 그러나, 그러한 격자는 많은 차수의 빔, 예를 들어, 0 차 빔 (zeroth-order beam) 및 2 개의 1 차 빔을 생성할 수 있다. 이로써, 일부 실시예들에서, 빔을 단일 차수 실질적으로 제한하기 위해 위상 시프트가 이용될 수 있다.
위상-전용 격자들은 유리 내의 두께 또는 인덱스 격자 또는 프로그램 가능한 공간 광 변조기를 사용하여 형성될 수 있다. 정사각형 위상-전용 격자는 광을 서브-빔에 보다 효율적으로 결합시킬 수 있다. 두 개의 빔에 대해 가장 효율적인 위상-전용 격자는 다음과 같이 정의할 수 있다:
Figure pct00004
여기서
Figure pct00005
Figure pct00006
는 T 주기 동안 -1과 +1 사이를 발진하는 u의 구형파 함수이다. 정사각형 격자의 경우, 추가 회절 차수들이 있을 수 있지만, 위상 진폭을 정확하게 선택하면 최소화될 수 있다. 정현파 진폭 격자의 경우, 2 개의 1 차 빔만 있다.
제 3 빔을 생성하기 위하여,
Figure pct00007
라디안을 사용하여 다음을 제공할 수 있다:
Figure pct00008
결과적으로 3 개의 빔이 초래된다.
하나 이상의 실시예에서, 정적 위상 요소들은 다양한 스케일로 만들어질 수 있다. 그러나, 음향-광학 변조기 (acousto-optic modulators, AOM), 전기-광학 변조기 (electro-optic modulators, EOM), 공간 광 변조기 (spatial light modulators, SLM) 및 디지털 마이크로-미러 어레이 (digital micro-mirror ar광선s, DMA)와 같은 프로그램 가능한 위상 요소들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
이론에 구애됨이 없이, 입력 빔 (7)의 특성을 보존하는 서브-빔 간격이 유리하다. 예로서, 두 개의 0 차 베셀 빔들을 결합하는 것에 대한 논의가 아래에 제공된다. 이 접근법은 다른 준-NBD 서브-빔들에 대한 최적의 간격을 찾는데 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 베셀 함수 J0(x)는 제로에 대한 발진 함수 (양 및 음)이다. 두 개의 Bessel 함수가 측 방향 오프셋과 간섭성 있게 추가되는 경우, 이들은 제 1 함수의 양의 피크가 제 2 함수의 음의 피크와 겹칠 시에, 파괴적으로 간섭할 것이다. 유사하게, 두 개의 양의 피크가 추가될 시에 빔은 건설적으로 추가될 것이다. 함수 J0(x)의 양의 최대값 및 음의 최소값의 위치는 고차 베셀 함수 J1(x)의 제로로 주어진다 (dJ0(x)/dx=-J1(x)의 공지된 관계를 통하여). 이들 제로 βj은 잘 알려져 있고 처음 몇 가지는 아래의 표 1에 주어진다. 표 1에 표시된 것 이외의 다른 루트들 (roots) 대해서, 루트들은 ~π만큼 동일하게 이격되고, 이로써 π = 3.14159의 배수를 7 번째 루트에 간단히 추가한다.
서브-빔들의 피크 세기를 최적화하는 최적의 Δxopt에 대한 식은 다음과 같이 정의될 수 있다:
Figure pct00009
여기서:
Figure pct00010
개구수 (NA)=0.2 (또는 β=11.5 °)인 대기에서의 λ0=1.06 ㎛에 대해, kr=1.1855 ㎛-1을 찾고 최종 최적의 간격은 표 1의 4 번째 열에 주어지는 반면, NA=0.1 (좁은 원뿔 각도 β=5.7 °)에 대한 간격은 5 번째 열에 주어진다. 빔들이 이들 사이에서 위상 시프트 없이 추가될 시, 홀수 루트 j=3, 5 등을 사용한다.
두 개의 빔을 생성하기 위한 대안적인 접근법은 두 개의 간섭성 (coherent) 빔을 그들 사이의 위상 시프트와 함께 추가하는 것이다. 상대적인 광학 위상에 π 시프트를 추가하는 경우, 이는 빔들 중 하나에 마이너스 부호를 곱한 것과 같다. 이로써 제 1 빔의 양의 피크는 제 2 빔의 음의 피크에 간섭성 있게 추가될 것이다. 이는 표 1의 3 번째 열에서 "N"이라고 표시된 간격에서 효율적인 빔 분리를 허용하며, 이는 짝수 루트 j=2, 4 등에 대응된다.
Figure pct00011
예시를 위해, 도 3a는 2 개의 이격된 준-NDB 서브-빔을 도시하고, 도 4a는 2 개의 이격된 준-NDB 서브-빔을 도시하지만, 빔 중 하나에 π 위상이 시프트되어 추가된 것을 도시한다. 도 3a 및 도 4a 둘 다는 서브-빔 세기가 국부적으로 최대화되는 최적의 분리를 보여준다. 도 4a의 역 위상 (out-of-phase) 빔은 매우 가깝게 함께 위치될 수 있다 (~ 3 미크론). 이는 거의 연속적인 손상 존들을 생성하기 위해 투명 기판들의 절단에서 중요하다. 유사하게, 도 5a는 3 개의 이격된 준-NDB 서브-빔 (18A, 18B 및 18C)을 도시하고, 도 6a는 3 개의 이격된 준-NDB 서브-빔을 도시하지만, 중앙 빔 (18B)에 추가된 π 위상이 시프트된 것을 도시한다.
최적화되지 않은 간격의 경우, 피크 세기는 최대화되지 않지만, 비선형 재료 손상을 달성하기에 충분한 레이저 파워가 이용 가능한 한, 그러한 간격은 여전히 허용 가능한 절단 거동을 생성할 수 있다.
도 7 내지 도 10의 실시예들을 참조하면, 펄스 레이저 조립체 (10)를위한 특정 광학 조립체 (11) 배치가 도시된다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 광학 조립체 (11)는 적어도 하나의 NDB 형성 광학 요소 (20)로부터 준-NDB 빔 (12)을 좁히도록 구성된 적어도 하나의 시준 렌즈 (31)를 포함할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 빔 변환 요소 (40)는 시준 렌즈 (31)의 하류 방향으로 배향될 수 있다. 추가 실시예에서, 빔 변환 요소 (40)는 시준 렌즈 (31)에 의해 생성된 푸리에-변환 평면 (41)에 근접하게 배향될 수 있다. 또한, 빔 변환 요소 (40)를 푸리에-변환 평면 (41)에 근접하지 않은 장소 또는 상기 푸리에-변환 평면 내를 벗어난 장소에 위치하는 것이 고려된다. 게다가, 도 7에 도시된 바와 같이, 광학 조립체 (11)는 다수의 준-NDB 서브-빔 (18A, 18B 및 18C)을 집속시키는 빔 변환 요소 (40)의 하류 방향에 적어도 하나의 추가적인 시준 렌즈 (32)를 더 포함할 수 있다.
다시, 도 7의 실시예를 참조하면, 빔 변환 요소 (40)가 시준 렌즈 (31)의 푸리에-변환 평면 (41)의 뒤에 배향될 시에, 푸리에-변환 평면 (41)에서의 필드 A(u, v)는 전달 함수 P(u,v)와 곱해져서, 2 개의 새로운 각도 성분들을 갖는 새로운 필드 A'(u, v)를 생성하고, 그 후에, 이미지 평면 (17)에 시준 렌즈 (32)에 의해 이미지화되어, 3 개의 준-NDB 서브-빔 (18A, 18B 및 18C)을 생성한다. 빔 변환 요소 (40) 이후의 광선은 점선으로 도시되어 이 영역의 광학 필드가 함수 빔 변환 요소 (40) 임을 나타낸다.
도 7의 실시예에 도시된 바와 같이, 입력 빔 (7)의 초점 (8)은 제 1 시준 렌즈 31의 앞에서 거리 f1으로 위치되고, f1은 제 1 시준 렌즈 (31)의 초점 길이이다. 제 2 초점 길이 f2를 갖는 제 2 렌즈 (32)는 제 1 렌즈 (31)의 뒤에 f1 + f2의 거리에 위치된다. 제 1 렌즈 (31)의 뒤에서 f1의 거리에 있는 푸리에-변환 평면 (41)은 제 1 렌즈 (31)의 푸리에-변환 평면이며, 그리고 이러한 평면에서 광학 필드는 제 1 시준 렌즈 (31) 앞에서 거리 f1에 있는 입력 필드 a (x,y)의 광학 푸리에 변환 A(u, v)로 알려져 있다:
Figure pct00012
제 2 렌즈 (32)의 목적은 푸리에-변환 평면 (41)에서 광학 필드 A(u, v)의 역 푸리에-변환을 취하여 이미지 평면 (17)에서 입력 빔의 이미지 b(x, y)를 형성하는 것이다. 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure pct00013
f1≠f2인 경우, 이미지의 배율은 M≠1일 것이며, 준-NDB 서브-빔은 평행하지 않을 수 있다. f1=f2인 경우, 이미지의 배율은 M=1이고 준-NDB 서브-빔은 평행할 것이다.
푸리에-변환 평면 (41)에서 빔 변환 요소 (40)를 도입하는 것은 입력 필드의 푸리에-변환에 이러한 요소의 전달 함수를 곱하는 효과를 가진다:
Figure pct00014
알려져 있는 바와 같이, 소정의 광학 요소들은 입력 빔을 임의의 방향으로 시프트할 수 있고, 초점 영역에 기울기 (tilt)를 부여할 수 있으며, 그리고 출력 빔의 진폭을 스케일링할 수 있다. 다른 요소들 및 어퍼처들 (apertures)은 광학 빔에 대한 손상을 완화 또는 생성시키기 위해 빔으로부터 원치 않는 공간 주파수를 필터링하는데 사용될 수 있다. 이러한 개시 내용에서, 다수의 준-NDB 서브-빔을 생성하기 위해 준-NDB 서브-빔의 측 방향 시프트 상에 초점을 맞출 것이다.
측 방향 시프트 (Δx, Δy)를 달성하기 위한 위상 변환은 다음과 같다:
Figure pct00015
위로부터 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure pct00016
이로써, 이미지 평면 (17)의 출력 필드 b'(x', y')는 입력 필드 a (x, y)의 스케일링 및 시프트된 버전이다.
또한, 다수의 준-NDB 서브-빔이 서로 다른 위상 시프트들을 합산함으로써 생성될 수 있음이 공지된다:
Figure pct00017
두 개의 같은 빔들의 특수한 경우에 대해 N=2는 xo만큼 이격된다:
Figure pct00018
여기서,
Figure pct00019
이다. 이러한 예에서, Ptot (u, v)는 단순히 주기 T의 코사인 형태의 진폭 회절 격자이다. 위상 시프트가 두 빔들 사이에 도입될 시에, 다음을 발견했다:
Figure pct00020
서브-빔들 사이의 φ=π의 위상 시프트가 φ/2의 위상을, 사인 함수가 되는 코사인에 추가하도록 한다. 실질적으로, 이는 주기의 1/4 또는 T/4에 의한 격자의 측 방향 시프트에 대응한다.
도 7의 구성에 더하여, NBD 형성 광학 요소 (20) (예컨대, 액시콘)는 렌즈 (31)의 초점 길이 f1보다 크거나 작을 수 있는 거리에 있을 수 있다. 이는 시준 렌즈들 (31 및 32) 사이의 비-시준된 영역을 유도할 수 있고, 이로써, 빔 변환 요소 (40)의 선택에 영향을 줄 수 있다. 추가적으로, 시준 렌즈들 (31 및 32) 사이에는 다양한 거리가 고려된다. 예를 들어, 시준 렌즈 (31 및 32) 사이의 거리는 f1 + f2보다 크거나 작을 수 있다.
대안적으로, 상기의 실시예들은 렌즈 (31) 뒤의 빔 변환 요소 (40)의 위치 선정을 기술하지만; 그러나, 다양한 다른 위치도 고려된다. 예를 들어, 제한한 없이, 빔 변환 요소 (40)는 시준 렌즈 (31) 앞에 또는 시준 렌즈 (32) 뒤에 위치될 수 있다.
다양한 추가적인 광학 조립체들이 또한 본 명세서에서 고려된다. 도 8의 실시예에서, 광학 조립체는 또한, 빔 변환 요소 (40)의 하류 방향에 있는 시준 렌즈 (32)의 초점 길이 (f2) 내에 빔 변환 요소 (40)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 이는 빔 변환 요소 (40)의 상류 방향에 있는 시준 렌즈 (31)에 초 근접하게 (in close proximity) 빔 변환 요소 (40)를 위치시킴으로써 달성될 수 있다.
도 9에 도시된 추가적인 실시예에서, 광학 조립체 (11)는 다수의 시준 영역 (30, 35)을 포함할 수 있다. 도 9의 실시예에서, 다수의 시준 영역 (30 및 35)은 대형 시준 영역 (30), 및 대형 시준 영역의 하류 방향에 있는 소형 시준 영역 (35)을 포함한다. 대형 시준 영역 (30)은 적어도 하나의 NDB 형성 광학 요소 (20)로부터 NDB 빔을 좁히는 하나 또는 다수의 시준 렌즈 (31, 32)를 포함할 수 있다. 게다가, 광학 조립체 (11)는 빔 변환 요소 (40)에서 분할되기에 앞서 준-NDB 빔을 좁히는 대형 시준 영역 (30)의 하류 방향의 소형 시준 영역 (35)을 포함할 수 있다. 소형 시준 영역 (35)은 하나 또는 복수의 시준 렌즈 (36 및 37)를 포함한다. 빔 변환 요소 (40)가 도 9의 실시예에서 소형 시준 영역 (35)에 배치되지만, 빔 변환 요소 (40)는 대형 시준 영역 (30)에 배치될 수 있음이 고려된다.
이론에 구애됨 없이, 도 9에 도시된 바와 같이 2 개의 시준 영역 (30 및 35)을 가짐은 큰 개구수를 갖는 대형 직경 빔에 최적화된 베셀 빔 레일리 범위를 수용하는데 유용하다. 예를 들어, 시준 렌즈 (31)와 시준 렌즈 (32) 사이의 빔의 직경은 크고, 예컨대, 10-30 mm이다. 이로써, 작은 초점의 스팟들을 제공하기 위해, 직경이 작은 소형 시준 영역 (35)을 포함할 필요가 있을 수 있다.
도 10을 참조하면, 대안적인 광학 조립체는 반사 빔 변환 요소 (40)를 포함할 수 있다. 이 경우에, 입력 빔 (7)이 액시콘 (20)에 의해 준-NDB 빔 (12)으로 변환된 이후, 이는 선형 편광되고, 시준 렌즈 (31, 32) 사이의 시준 영역에서의 편광 빔 스플리터 (48)를 통과한다. 그 후에, 준-NDB 빔 (12)은 1/4 파장 판 (46)을 통과하여 렌즈 (32 및 33)를 시준 함으로써 축소로 재시준되기 이전에 원형으로 편광된다. 준-NDB 빔 (12)은 다수의 준-NDB 빔으로 변환되고, 그 후에 반사 빔 변환 요소 (40)로 역반사되고, 시준 렌즈 (33 및 32)를 통해 다시 진행된다. 다수의 준-NDB-빔은 1/4 파장 판 (46)에 의해 편광 시 더 회전되고, 이로 인해, 입력 빔 (7)과 반대의 선형 편광을 달성한다. 이러한 새로운 편광은 빔 스플리터 (48)에 의해 반사되고, 빔은 렌즈 (38)를 시준함으로써 최종 크기로 집속된다.
전술한 바와 같이, 또한 바람직하지 않은 광이 이미지 평면 (17)에 도달하는 것을 차단하는 어퍼처들을 광학 조립체가 가질 수도 있다고 예상된다. 이는 고차 회절 패턴을 가진 위상-전용 격자의 경우일 수 있다. 최종 이미지의 배율은 초점 길이의 선택에 따라 달라진다. 이론에 구애됨 없이, 타깃 빔 간격은 이미지 평면에서 특정되며, 이로써 격자 및 광학 배율 둘다에 의해 튜닝될 수 있다.
이제 유리 절단 적용에 대해 살펴보면, 본 실시예들은 단일 라인의 손상 (즉, 천공)의 개선된 형성 및 손상 부위들의 어레이를 형성하기 위한 다수의 라인의 형성 개선을 가져올 수 있다.
단일 손상 라인의 경우에, 다수의 서브-빔은 레이저의 스캔 방향과 정렬된다. 예를 들어, 100 kHz 레이저 시스템을 사용하여 3 미크론 간격으로 손상 부위들을 생성하는 경우, 단일 빔 광학 시스템은 10 마이크로 초당 3 미크론으로 0.5m/s의 절단 속도로 스캔될 수 있다. 그러나 3 개의 서브-빔을 이용하면, 동일한 시스템은 동일한 10-마이크로 초 시간 간격으로, 9 미크론만큼 복합 빔 스팟을 이동시킴으로써 1.5 m/s로 실행될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같은 어레이 적용을 위한 다수의 손상 라인의 경우에, 다수의 서브-빔은 레이저의 스캔 방향에 대해 직각으로 정렬된다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 100 ㎑ 레이저 시스템을 사용하여 10 미크론 간격의 10,000 × 10,000 손상 부위들을 생성하는 경우, 단일 빔 광학 시스템은 어레이를 생성하는데 1000 초가 필요할 수 있다. 3 개의 서브-빔 시스템은 334 초 내에 동일한 작업을 완료할 수 있다.
기술 분야의 통상의 기술자에게 정통할 수 있는 바와 같이, 다양한 다른 구성 요소들이 레이저 절단 조립체를 위해 고려된다. 예를 들어, 레이저 절단 조립체는 레이저 절단 유리 물품을 만들어 내기 위해 천공들을 따라 유리 물품을 분리하기 위한 일부 메커니즘을 포함할 수 있다. 이는 열 충격 디바이스들, 크래킹 빔 (cracking beams) 등을 포함할 수 있다.
"바람직하게", "일반적으로", "보통" 및 "통상적으로"와 같은 용어는 청구된 발명의 권리범위를 제한하거나, 소정의 특징이 청구된 발명의 구조체 또는 기능에 대해 중대하거나 필수적이거나 또는 심지어 중요하다는 것을 암시하기 위해 본 명세서에서 이용되지 않는다는 점을 더 유의해야 한다. 오히려, 이들 용어는 단지 본 개시 내용의 특정 실시예에서 이용될 수 있거나 또는 이용되지 않을 수도 있는 대안적인 또는 추가적인 특징들을 강조하기 위한 것이다.
첨부된 청구 범위에서 정의된 개시 내용의 권리 범위로부터 벗어남 없이 변형 및 변화가 가능함이 명백할 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시 내용의 일부 양태들이 본 명세서에서 바람직하거나 특히 유리한 것으로서 식별되었지만, 본 개시 내용이 이들 양태들에 반드시 제한될 필요성이 없음을 고려한다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 시스템에 있어서,
    펄스 레이저 조립체, 및 상기 펄스 레이저 조립체 내에서 레이저 절단 중에 상기 유리 물품을 지지하도록 구성된 유리 지지 조립체를 포함하고,
    상기 펄스 레이저 조립체는,
    입력 빔을 준 (quasi)-NDB 빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 비-회절 빔 (non-diffracting beam, NDB) 형성 광학 요소; 및
    상기 준-NDB 빔을, 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 거리가 이격된 다수의 준-NDB 서브-빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 빔 변환 요소;를 포함하며,
    상기 펄스 레이저 조립체는 다수의 준-NDB 서브-빔의 하나 이상의 펄스를 상기 유리 물품의 표면 상으로 전달하기 위해 배향되고, 다수의 준-NDB 서브-빔 각각의 펄스는 상기 유리 물품에서 복수의 천공을 절단하도록 동작 가능하는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 NDB 형성 광학 요소로부터 나온 상기 준-NDB 빔을 좁히도록 구성된 적어도 하나의 시준 렌즈를 더 포함하는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 상기 시준 렌즈의 하류 방향으로 배향되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 상기 시준 렌즈에 의해 만들어진 푸리에-변환 평면에 근접하여 배향되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔 변환 요소의 하류 방향에 위치되고 상기 다수의 준-NDB 서브-빔을 집속하도록 (focus) 구성된 적어도 하나의 추가 시준 렌즈를 더 포함하는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 상기 추가 시준 렌즈의 초점 길이 내에 배향되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 빔은 가우시안 빔 (Gaussian beam)인, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 준-NDB 서브-빔은 서로 평행하며, 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 거리로 이격되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 위상 격자, 진폭 격자, 또는 이들의 조합으로부터 선택되며, 그리고 상기 NDB 형성 광학 요소는 액시콘 (axicon), 공간 광 변조기, 타원형 렌즈, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 약 π/4 내지 약 2π의 다수의 준-NDB 서브-빔 중 적어도 하나의 위상을 시프트하도록 구성되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 준-NDB 빔은 베셀 (Bessel) 빔, 에어리 (Airy) 빔, 웨버 (Weber) 빔 또는 마티유 (Mathieu) 빔인, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  12. 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유리 물품을, 매 펄스에 대해 거리가 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛로 이격된 다수의 준-비-회절 빔 (NDB)을 만들어 내는 펄스 레이저 시스템으로 공급하는 단계;
    상기 유리 물품에 복수의 천공을 달성하기 위해 상기 다수의 준-NDB 서브-빔을 사용하여 상기 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 단계; 및
    레이저 절단 유리 물품을 만들어내기 위해 상기 복수의 천공을 따라 상기 유리 물품을 분리하는 단계;를 포함하는, 유리 물품 레이저 절단 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 펄스 레이저 시스템은, 입력 빔을 준-NDB 빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 NDB 형성 광학 요소, 및 상기 준-NDB 빔을 상기 다수의 준-NDB 서브-빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 빔 변환 요소를 포함하는, 유리 물품 레이저 절단 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 위상 격자, 진폭 격자, 또는 이들의 조합으로부터 선택되며, 그리고 상기 NDB 형성 광학 요소는 액시콘, 공간 광 변조기, 타원형 렌즈, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 유리 물품 레이저 절단 방법.
  15. 청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 준-NDB 서브-빔 중 적어도 하나의 위상은 약 π/4 내지 약 2π 시프트되는, 유리 물품 레이저 절단 방법.
  16. 적어도 하나의 유리 물품을 레이저 절단하는 시스템에 있어서,
    펄스 레이저 조립체, 및 상기 펄스 레이저 조립체 내에서 레이저 절단 중에 상기 유리 물품을 지지하도록 구성된 유리 지지 조립체를 포함하고,
    상기 펄스 레이저 조립체는,
    가우시안 빔을 베셀 빔으로 변환시키도록 구성된 적어도 하나의 액시콘;
    상기 액시콘의 하류 방향에 배치된 제 1 및 제 2 시준 렌즈; 및
    상기 제 1 시준 렌즈와 상기 제 2 시준 렌즈 사이에 배향된 적어도 하나의 빔 변환 요소 - 상기 적어도 하나의 빔 변환 요소는 상기 베셀 빔을, 평행하고 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 거리로 이격된 다수의 서브-베셀 빔으로 변환시키도록 구성됨;을 포함하며,
    상기 펄스 레이저 조립체는 다수의 서브-베셀 빔의 하나 이상의 펄스를 상기 유리 물품의 표면 상으로 전달하기 위해 배향되고, 다수의 서브-베셀 빔의 각각의 펄스는 상기 유리 물품에서 복수의 천공을 절단하도록 동작 가능하는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 위상 격자, 진폭 격자, 또는 이들의 조합인, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  18. 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
    상기 다수의 준-NDB 서브-빔은 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 거리로 이격되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  19. 청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 상기 제 1 시준 렌즈에 의해 만들어진 푸리에-변환 평면에 근접하여 배향되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
  20. 청구항 16 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 변환 요소는 상기 제 2 시준 렌즈의 초점 길이 내에 배향되는, 유리 물품 레이저 절단 시스템.
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