TW201536461A - 邊緣去角方法 - Google Patents

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Abstract

在此敘述使用雷射對於任意形狀的玻璃或其他基材的邊緣，進行去角及/或使成斜角的處理。揭示三種在玻璃基材上產生去角的一般方法。第一方法與用超短脈衝雷射將該邊緣以需要的去角形狀切除有關。在以超短雷射處理之後，可以選擇性以二氧化碳(CO2)雷射進行完全的自動分離。第二方法係以一尖銳邊緣角的熱應力剝除為基礎，且其已被證明能與超短脈衝及/或CO2雷射的不同組合一起工作。第三方法依賴於離子交換所引致的應力，以沿著由超短雷射所產生之裂紋線，形成材料的分離，以形成所需要形狀的去角邊緣。

Description

邊緣去角方法
本發明與對於具有任意形狀之玻璃或其他基材的邊緣，進行去角及/或使成斜角的雷射處理有關。
【相關發明】
本申請主張2013年12月17日所提出之美國臨時申請案號61/917,213的權益，也主張2014年7月10日所提出之美國臨時申請案號62/022,885的權益和2014年10月31日所提出之美國申請案號14/530,410的權益，於此整合其全部公開內容作為參考。
在結構、自動車、消費性電子裝置的應用中，都存在切割玻璃平板的情況，而且以上所指只是部分的領域，切割將造成邊緣的存在，而這將是非常需要注意。有許多不同的方法在存在邊緣形狀時，用於玻璃的切割與分離。玻璃可以機械切割(電腦數值控制加工，磨料水射流，劃刻和斷開等等)、使用電磁輻射切割(雷射、放電、迴旋管等等)以及許多其他的方法。有更多傳統與一般的方法(劃刻和斷開或電腦數值控制加工)產生具有不同形式與缺陷尺寸充滿的 邊緣。也常常發現該等邊緣並非完美的與該等表面垂直。為了消除該等缺陷並給與該等邊緣具有改良強度的更平坦表面，通常進行研磨。研磨程序與邊緣材料的磨料移除有關，能夠給該邊緣需要的結果也同時塑形其形式(外圓角、去角、筆形等等)。為了進行研磨與拋光步驟，需要切割出比最終需求尺寸更大的部件。
雖然已經知道且瞭解消除缺陷將提高邊緣強度，但在形狀在邊緣強度上的影響，並沒有共識。這種混亂主要是因為大家都知道形狀有助於提高邊緣衝擊及處理的傷害抵抗。實際上為邊緣形狀實際上並不決定如對於撓曲(或彎曲)力的抵抗所決定的邊緣強度，但缺陷尺寸與分佈卻具有很大的影響。然而，塑形邊緣的確有助於改善因為產生較小橫斷面及含有缺陷所形成的衝擊抵抗。例如，具有垂直於兩表面的整齊面邊緣，係在這些直角角落處累積應力，當由另一物體衝擊時將會碎裂及破裂。因為累積的應力，缺陷尺寸可能十分的大，這便明顯地減小該邊緣強度。另一方面，由於其較平滑的形狀，磨圓的外圓角形狀邊緣將具有較低的累積應力及較小的橫斷面，這將有助於降低在該邊緣體積之中的缺陷尺寸及貫穿程度。因此，在衝擊之後，塑形邊緣應該比平坦邊緣具有更高的「彎曲」強度。
因為以上討論的理由，通常希望能具有經塑形的邊緣，而非平坦邊緣，並且與該等表面垂直。這些機械切割與邊緣塑形方法的一項重要態樣為機器的維修程度。對於切割與研磨兩者而言，老舊與磨損的切割頭或研磨輥可能產生顯 著影響邊緣強度的傷害，即使裸眼無法檢查其不同。其他與機械切割及研磨方法有關的議題為這些方法非常勞力密集，且直到最終想要的結果為止需要許多研磨與拋光步驟，其產生大量碎屑，並需要清洗步驟，以避免對該等表面引入傷害。
從程序發展與成本觀點而言，在玻璃基材邊緣的切割與去角中存在許多改良的機會。最令人感興趣的，是能相較於現今市場中目前所實作的，具有一種更快、更清潔、更便宜、更可重覆性與更可靠的塑形邊緣形成方法。在幾種替代技術中，雷射與其他熱源已經被嘗試且證實能形成塑形邊緣。
一般而言，燒蝕雷射技術由於低材料移除率而顯得過慢，且其也產生大量的碎屑及熱影響區域，形成殘餘應力與微裂隙。因為相同的理由，邊緣的熔蝕與再塑形也受到大量變形與累積熱應力的困擾，其可以剝除該處理區域。最後，對於熱剝除或裂隙傳播技術而言，所遇到的主要問題之一為剝除係為不連續的。
次表面傷害或是由任何切割處理所造成的小型微裂隙與材料改變，則是玻璃或其他易碎材料邊緣強度的一項考量。機械與燒蝕雷射處理對於次表面傷害而言特別存在問題。利用這些程序切割的邊緣一般而言需要大量的後切割研磨與拋光，以移除該次表面傷害層，藉此提高邊緣強度至像是在消費性電子裝置中的應用所需要的效能程度。
根據在此敘述之多數具體實施例，呈現使用雷射對 於任意形狀的玻璃基材的邊緣，進行去角及/或使成斜角的處理。一具體實施例與用超短脈衝雷射將該邊緣以需要的去角形狀切除有關，該超短脈衝雷射處理之後可以選擇性以二氧化碳(CO2)雷射進行完全的自動分離。另一具體實施例與利用超短脈衝及/或CO2雷射的不同組合，將一尖銳邊緣角進行熱應力剝除有關。另一具體實施例包含以任何切割方法切割該玻璃基材，像是使用超短脈衝雷射，並接著以使用CO2雷射的方式進行單獨的去角。
在一具體實施例中，一種雷射處理材料的方法包含將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中並引導該雷射光束聚焦線以對於該材料之一第一入射角度進入該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線。該方法也包含將該材料與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此以該第一角度於該材料中沿著一第一平面形成複數個缺陷線，並引導該雷射光束聚焦線以對於該材料之一第二入射角度進入該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線。該方法進一步包含將該材料或該雷射光束相對於彼此轉換，藉此以該第二角度於該材料中沿著一第二平面形成複數個缺陷線，該第二平面與該第一平面交叉。
根據另一具體實施例，一種雷射處理材料的方法包含將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中，並於該材料中沿著N個平面的每一個平面形成複數個缺陷線。該方 法也包含引導該雷射光束聚焦線以對於該材料之一對應入射角進入該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線。該方法進一步包含將該材料與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此沿著該N個平面的對應平面形成該複數個缺陷線。
仍根據另一具體實施例，一種雷射處理工作部件的方法包含將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中，該雷射光束聚焦線係經引導以對於該工作部件之一入射角度進入該工作部件之中，該角度與該工作部件之一邊緣交叉，該雷射光束聚焦線於該工作部件中產生一誘導性吸收，且該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該工作部件中製造一缺陷線。該方法也包含將該工作部件與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此以該角度於該材料中沿著一平面形成複數個缺陷線，並利用對該工作部件應用離子交換處理的方式沿著該平面分離該工作部件。
仍在另一具體實施例中，一種雷射處理材料的方法包含將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中，該雷射光束聚焦線係經引導至該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，而該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線。該方法也包含沿著一外形將該材料與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此於該材料中沿著該外形形成複數個缺陷線，以印痕出欲被分離的部分，並從該材料分離該部分。該方法進一步包含引導一聚焦紅外 線雷射沿著相鄰於該部分一第一表面處之一邊緣的線段至該部分之中，以剝除定義一第一去角邊緣的一第一狹條，並引導該聚焦紅外線雷射沿著相鄰於該部分一第二表面處之該邊緣的線段至該部分之中，以剝除定義一第二去角邊緣的一第二狹條。
本發明揭示內容延伸為：一種雷射處理的方法，該方法包括：將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中；引導該雷射光束聚焦線以對於一材料之一第一入射角度進入該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線；將該材料與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此以該第一角度於該材料中沿著一第一平面形成複數個缺陷線；引導該雷射光束聚焦線以對於該材料之一第二入射角度進入該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線；以及將該材料或該雷射光束相對於彼此轉換，藉此以該第二角度於該材料中沿著一第二平面形成複數個缺陷線，該第二平面與該第一平面交叉。
本發明揭示內容延伸為：一種雷射處理材料的方法，該方法包括：將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中； 於該材料中沿著N個平面的每一個平面形成複數個缺陷線，該形成的複數個缺陷線包含：(a)引導該雷射光束聚焦線以對於該材料之對應於該N個平面之一平面的入射角進入該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線；(b)將該材料與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此沿著該N個平面之該平面形成該複數個缺陷線；以及(c)對於該N個平面的每一個重覆(a)與(b)。
本發明揭示內容延伸為：一種雷射處理工作部件的方法，該方法包括：將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中；引導該雷射光束聚焦線以對於該工作部件之一入射角度進入該工作部件之中，該角度與該工作部件之一邊緣交叉，該雷射光束聚焦線於該工作部件中產生一誘導性吸收，且該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該工作部件中製造一缺陷線；將該工作部件與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此以該角度於該材料中沿著一平面形成複數個缺陷線；以及使該工作部件經受離子交換處理的方式沿著該平面分離該工作部件。
本發明揭示內容延伸為：一種雷射處理材料的方法，該方法包括：將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中； 引導該雷射光束聚焦線至該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，而該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線；沿著一外形將該材料與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此於該材料中沿著該外形形成複數個缺陷線，該外形則印痕出從該材料欲被分離的部分周圍；從該材料分離該部分；引導一聚焦紅外線雷射沿著相鄰於該部分一第一表面處之一邊緣的線段至該部分之中，以剝除定義一第一去角邊緣的一第一狹條；以及引導該聚焦紅外線雷射沿著相鄰於該部分一第二表面處之該邊緣的線段至該部分之中，以剝除定義一第二去角邊緣的一第二狹條。
本發明揭示內容延伸為：一種玻璃製品包含至少一去角邊緣，該去角邊緣具有複數個缺陷線，該等缺陷線延伸至少250微米(μm)，該等缺陷線的每一個都具有小於或等於大約5μm的直徑。
1‧‧‧基材
1a‧‧‧基材表面
1b‧‧‧基材反向表面
2‧‧‧雷射光束
2a‧‧‧光束束
2aR‧‧‧邊緣射線
2aZ‧‧‧中央光束
2b‧‧‧雷射光束聚焦線
2c‧‧‧誘導性吸收部分
3‧‧‧雷射
6‧‧‧光學組件
7‧‧‧雙凸透鏡
8‧‧‧孔徑
9‧‧‧旋轉三稜鏡
10‧‧‧旋轉三稜鏡
11‧‧‧平凸透鏡
12‧‧‧準直鏡
110‧‧‧裂紋線
120‧‧‧缺陷線
130‧‧‧材料
140‧‧‧超短脈衝雷射
500‧‧‧突發
500A‧‧‧脈衝
從以下對於本發明揭示內容示範具體實施例之更特定的敘述，將使前述內容更為顯而易見，當在該等伴隨圖式中描繪時，在該等不同圖式之中相同的參考符號意指相同的部分。該等圖式不一定按照比例繪製，而是將重點放在說明本發明揭示內容的具體實施例。
第1A圖至第1C圖為一裂紋線的描繪，其具有修正 玻璃的多數等間隔缺陷線。
第2A圖與第2B圖為該雷射光束聚焦線的定位描繪，也就是由於沿著該聚焦線的誘導性吸收，而使一材料對於該雷射波長為透明的處理。
第3A圖為根據用於雷射鑽除之一光學組件的描繪。
第3B-1圖至第3B-4圖為利用該雷射光束聚焦線相對於該基材的不同定位，而用以處理該基材之各種可能性的描繪。
第4圖為用於雷射鑽除之一第二光學組件的描繪。
第5A圖與第5B圖為用於雷射鑽除之一第三光學組件的描繪。
第6圖為用於雷射鑽除之一第四光學組件的示意描繪。
第7A圖為在本發明中所敘述用於形成一更強健邊緣之各種方法的流程圖-建立去角與犧牲邊緣。
第7B圖描繪利用多數缺陷線建立一去角邊緣的程序。
第7C圖描繪利用一聚焦與傾斜超短雷射進行的玻璃邊緣雷射去角，該超短雷射沿著多數預定平面產生多數缺陷線。上圖圖示使用3個缺陷線平面的範例，而下圖則只使用2個缺陷線平面。
第8A圖與第8B圖描繪一皮秒雷射以時間為函數所進行的雷射放射。每一放射都以一脈衝「突發」做為特徵，其可以包含一或多個次脈衝。對應於脈衝延時、脈衝之間分 離以及突發之間分離的時間也經描繪。
第9圖為利用聚焦雷射所建立之一熱梯度的描繪，該聚焦雷射係由該玻璃高度吸收。該裂紋線係位於該應變與軟化區之間。
第10圖描繪以熱剝除方式進行的邊緣去角。
第11A圖為利用多數缺陷線並接著進行熱剝除的邊緣去角程序描繪。首先，該皮秒雷射係以一角度聚焦，並在一傾斜平面上建立一缺陷線。接著在一受控制側向偏移下，於該缺陷線旁進行一聚焦二氧化碳(CO2)雷射掃瞄。一玻璃狹條係自該角落剝除，並形成一去角。
第11B圖描繪如在該邊緣側視圖中所圖示，以第11A圖中所示該程序所形成的玻璃狹條並不需要沿著該缺陷線平面完全剝除。
第12圖為只使用一聚焦CO2雷射，並在剝除速度改變時的邊緣去角描繪。而其他所有的CO2雷射參數都保持相同。
第13圖描繪使用在該切割部分之後保留之多數缺陷線被釋出以做為犧牲區域，而阻止因對該部分該等邊緣的衝擊所造成的裂隙傳播。
第14A圖為將具有多數內部缺陷線之切割部分放置於離子交換之中的描繪，其增加足夠的應力以移除該等貫穿邊緣，並形成所需要的邊緣去角。
第14B圖為離子交換(IOX)的使用以釋放去角角落，其與第14A圖所示的描繪類似，但只具有兩個缺陷線平 面。
第14C圖為具有許多角度(多於3個缺陷線平面)之一去角的描繪。
以下為多數示範具體實施例的敘述。
在此敘述之多數具體實施例，與利用雷射將具有任意形狀之玻璃基材與其他實際上為透明材料的邊緣，進行去角及/或使成斜角的處理有關。在本發明揭示內容的上下文中，當於一波長下的一材料的吸收情況於每毫米(mm)材料深度係小於大約10%時，便稱該材料實際上對該雷射波長為透明，較佳的是小於大約1%。一第一具體實施例與用超短脈衝雷射將該邊緣以需要的去角形狀切除有關，該超短脈衝雷射處理之後可以選擇性以二氧化碳(CO2)雷射進行完全的自動分離。一第二具體實施例與利用超短脈衝及/或CO2雷射的不同組合，將一尖銳邊緣角進行熱應力剝除有關。另一具體實施例包含以任何切割方法切割該玻璃基材，像是使用超短脈衝雷射，並接著以使用CO2雷射的方式進行單獨的去角，而以超短脈衝及/或CO2雷射的不同組合一起工作。
在該第一方法中，該處理的基本步驟為在描繪所需要之邊緣的多數交叉平面上形成多數裂紋線，並建立最小阻抗路徑以進行裂隙傳播，並因此自其基材底質進行該形狀的分離與脫離。此方法基本上間隙該成形邊緣，同時自該主要基材切割出該部分。該雷射分離方法可經調整及配置以能自該原始基材進行該等成形邊緣人工分離、部分分離或自我分 離。用於產生這些裂紋現的基本原則係於以下詳細敘述，且於2013年1月15日申請之美國申請案號61/752,489中敘述，在此其全部內容係以參考方式整合於本發明之中。
在該第一步驟中，以一超短脈衝雷射光束照射該欲被處理的物體，該超短脈衝雷射光束係經聚集於貫穿該基材厚度的一高長寬比線焦點中。在此高能量密度的體積之中，該材料係透過非線性影響而調整。重要的是注意在此高光學強度之外，並不觸發非線性吸收效果。在此強度門檻以下，該材料對於該雷射輻射係為透明，並保持於其原始狀態中。
該雷射來源的選擇係以該透明材料中引起多光子吸收(MPA)的能力為前提。多光子吸收為在相同或不同頻率下多數光子的同時吸收，以將一材料自一較低能量狀態(通常為接地狀態)激發成為較高能量狀態(激發狀態)。該激發狀態可為一激發電子狀態或一離子化狀態。該材料較高與較低能量狀態之間的能量差異則等於該二或多個光子的能量總和。多光子吸收為一種非線性程序，其一般而言比線性吸收弱上幾個數量級。它與線性吸收的差別在於多光子吸收的強度係與該光強度的平方或較高功率有關，因此形成為一種非線性光學程序。在一般的光強度下，可忽略多光子吸收。如果光強度(能量密度)極度的高，像是在一雷射來源(特別是一脈衝雷射來源)的聚焦區域內，多光子吸收將變得明顯，並在該材料中該光來源能量強度足夠高的區域之中，形成可測量的效果。在該聚焦區域中，該能量密度可能足夠高到形成離子化。
在該原子能階中，多數各別原子的離子化具有離散的能量需求。於玻璃中普遍使用的許多元素(例如，矽、鈉、鉀)，具有相對低的離子化能量(~5電子伏特)。在不存在多光子吸收的現象下，在~5電子伏特需要大約248奈米(nm)的波長形成線性離子化。在多光子吸收下，可以長於248nm的波長，完成多數狀態間的離子化或激發，該等狀態則以~5電子伏特能量間隔。例如，532nm波長的光子具有~2.33電子伏特的能量，所以532nm波長的兩光子於二光子吸收(TPA)中的狀態間轉換，係例如具有~4.66電子伏特能量間隔。因此，在該雷射光束能量密度係足夠高到引起非線性二光子吸收的材料區域中該原子與鍵結的經選擇性激發或離子化，該非線性二光子吸收則例如具有所需激發能量之半的雷射波長。
多光子吸收形成該受激發原子或鍵結與相鄰原子或鍵結之間的局部重配置及分離。在該鍵結或配置中所形成的調整，可以從在多光子吸收發生的材料區域中，形成物質的非熱燒蝕或分離。此物質的移除形成一種結構缺陷(例如，缺陷線、傷害線或「貫穿」)，其在力學上使該材料弱化，並使該材料更容易在施加機械或熱應力後產生裂隙或裂痕。藉由控制貫穿佈置，可以精確定義裂隙產生的外形或路徑，並可以達成該材料的精確微加工。由一連串貫穿所定義的外形可被視做為缺陷線，並與該材料結構弱化的區域對應。在一具體實施例中，微加工包含利用雷測自該經處理材料分離一部份，其中該部分具有精確定義的形狀或外圍，而該形狀或 外圍則由透過該雷射所引起之多光子吸收所形成的封閉貫穿外形的決定。當在此使用時，該用詞封閉外形意指一種由該雷射線所形成的貫穿路徑，其中該路徑於某處與其自身交叉。一內部外形為一種形成的路徑，其中該形成的形狀則完全由一材料的外側部分所環繞。
該雷射係為超短脈衝雷射(脈衝延時為數十皮秒(psec)大小或更短)，並可在脈衝模式與突發模式中操作。在脈衝模式中，自該雷射放射一連串標稱相同的單一脈衝，並將其引導至該工作部件。在脈衝模式中，該雷射的重覆率係以該等脈衝之間的時間間隔所決定。在突發模式中，自該雷射放射多數脈衝突發，其中每一突發都包含二或多個脈衝(具有相同或不同的振幅)。在突發模式中，在一突發中的多數脈衝係以一第一時間間隔(其定義該突發的一脈衝重覆率)分隔，且該等突發係以一第二時間間隔(其定義一突發重覆率)分隔，其中該第二時間間隔一般而言非常長於該第一時間間隔。當在此使用時(不管在脈衝或突發模式的上下文中)，時間間隔意指一脈衝或突發的多數對應部分之間的時間差異(例如，引導邊緣對應引導邊緣、峰值對應峰值或尾部邊緣對應尾部邊緣)。脈衝與突發重覆率則由該雷射設計所控制，一般而言可利用調整該雷射操作條件的方式進行有限制的調整。典型的脈衝與突發重覆率為千赫(kHz)到百萬赫(MHz)範圍之中。
該雷射脈衝延時(在脈衝模式中，或是在突發模式中一突發之中的多數脈衝)可為10-10秒或更小、或10-11秒或 更小、或10-12秒或更小、或10-13秒或更小。在此敘述的該等示範具體實施例中，該雷射脈衝延時大於10-15。
可由控制一基材或堆疊相對於該雷射的速度，將該等貫穿進行間隔並精確定位，其係透過控制該雷射及/或該基材或堆疊的移動方式。做為範例，在以每秒200mm移動，並暴露於100kHz脈衝串列(或脈衝突發)的薄透明基材中，該等各別脈衝係以2微秒(μsec)間隔，以形成利用2μm所分隔的一貫穿序列。此缺陷線(貫穿)間隔係足夠靠近，以允許沿著由該貫穿序列所定義之外形進行機械或熱分離。
第1A圖至第1C圖描述用於切割並分離一基材材料(例如，藍寶石或玻璃)的方法基本上可以以在該基材材料130中利用一超短脈衝雷射140建立複數個垂直缺陷線120所形成之一裂紋線110為基礎。根據該材料性質(吸收、熱膨脹、應力、組成等等)以及選擇用於處理該材料130的雷射參數，單獨建立一裂紋線110可能足夠誘導自我分離。在此情況中，不需要二次分離程序，像是張力/彎曲力、加熱或CO2雷射。沿著該等裂紋線110方向的相鄰缺陷線120之間的距離例如可為在0.25μm至50μm的範圍中，或是在0.50μm至大約20μm的範圍中，或是在0.50μm至大約15μm的範圍中，或是在0.50μm至大約10μm的範圍中，，或是在0.50μm至3μm的範圍中，或是在3μm至10μm的範圍中。
藉由在一特定路徑或外形上掃瞄該雷射，建議一貫穿序列(其具有數μm寬)，其定義欲自該基材分離之該部分的外圍或形狀。該貫串序列在此也可稱為裂紋線。所使用特 定雷射方法(於以下敘述)具有的優點為在一單一通過中，能建立穿過該材料且高度受控制的貫穿，其具有極小(<75μm，時常是小於50μm)的次表面傷害與碎屑產生。相較於典型使用光點聚焦雷射以燒蝕材料的方法，其中時常需要進行多次通過以完整的貫穿該玻璃厚度，並從該燒蝕處理形成大量的碎屑，且發生更強的次表面傷害(大於100μm)與邊緣剝除。當在此使用時，次表面傷害意指從經受本發明揭示內容之雷射處理的基材或材料所分離之部分的外圍表面中，結構缺陷最大尺寸(例如，長度、寬度、直徑)。因為該結構缺陷自該外圍表面延伸，因此次表面傷害也可被視為自該外圍表面的最大深度，其中從本發明揭示內容之雷射處理產生傷害。此分離部分的外圍表面在此也稱為該分離部分的邊緣或邊緣表面。該結構缺陷可能為裂隙或孔洞，並代表力學脆弱點，其促成自該基材或材料分離之部分的斷裂或失敗。藉由使該次表面傷害的尺寸最小化，本發明的方法改善該結構完整性與該等分離部分的力學強度。
在某些情況中，建立的裂紋線並不足以自該基材自發地分離該部分，而需要一二次步驟。如果需要的話，可以使用一第二雷射建立熱應力以使其分離。例如，在形成一裂紋線之後可以藉由施加機械力量或藉由使用熱來源(像是紅外線雷射，例如CO2雷射)以形成熱應力，並施力於該部分以自該基材分離的方式，達到分離的結果。另一選項是使該CO2雷射只開始該分離，並接著以手動方式結束該分離。該選擇性的CO2雷射分離方式係例如利用以10.6μm放射並具有以 控制工作循環而受調整之功率的散焦連續式雷射所達成。使用焦點改變(也就是最大散焦程度並包含聚焦的光點尺寸)，以利用變化該光點尺寸的方式改變所引致的熱應力。散焦雷射光束包含那些產生一種光點尺寸，其大於以該雷射波長尺寸大小為基礎的最小、受繞射限制的光點尺寸。例如，可以使用具有2至12mm或7mm、2mm與20mm之散焦光點尺寸(1/e2直徑)做為CO2雷射，例如，在10.6μm的放射波長下其受繞射限制的光點尺寸是更小的。該連續式雷射的功率密度係受控制或選擇，以提供相對低強度的光束，因此雷射光點加熱該基材材料的表面而建立熱應力，但不發生燒蝕，且不引起大致上從含有該缺陷線的平面偏離的裂隙形成。從該等缺陷線偏移的裂隙長度係小於20μm，或小於5μm，或小於1μm。
有許多建立缺陷線的方法。形成該線焦點的光學方法可以採用多重形式，使用環形雷射光束與球面透鏡、旋轉三稜鏡透鏡、衍射元件，或形成高強度線性區域的其他方法。該雷射(psec、飛秒(fsec)等等)與波長(紅外線、綠光、紫外線等等)形式可以變化，只要在該聚焦區域中達成足夠的光學強度，以透過非線性光學效果建立該基材材料的破裂。基材材料包含玻璃、玻璃壓層、玻璃複合材料、藍寶石、玻璃-藍寶石堆疊，與實質對該雷射波長為透明的其他材料。例如，可在一玻璃基材上黏合一藍寶石層。玻璃基材可以包含像是康寧Eagle X6®的高效能玻璃，或例如像是鈉鈣玻璃的便宜玻璃。
在本發明中，以一致、可控制及可重覆的方式，使用超短脈衝雷射建立高長寬比的垂直缺陷線。以下敘述能夠建立此垂直缺陷線的光學設定細節，且於2013年1月15日申請之美國申請案號61/752,489中敘述，在此其全部內容係以參考方式整合於本發明之中。此概念的基礎係在光學透鏡組件中使用旋轉三稜鏡元件，以利用超短(psec或fsec延時)貝塞爾光束(Bessel beams)形成高長寬比、無錐形的通道區域。換句話說，該旋轉三稜鏡使該雷射光束聚集於該基材材料中一圓柱形及高長寬比(長度長而直徑小)的高強度區域之中。由於以該聚光雷射光束形成高強度，因此發生該雷射的電磁場與該基材材料的非線性互動，而該雷射能量被轉移至該基材，以造成多數缺陷的形成，而其變成為該裂紋線的構成。然而，重要的是相信在該雷射強度不高的材料區域中(例如，基材表面、基材繞著該中央輻合線的體積)，該材料對該雷射為透明，且並不發生自該雷射轉移能量至該材料的機制。因此，當該雷射強度低於該非線性門檻時，該基材並不發生任何事情。
如以上敘述，可以利用一或多個高能量脈衝或一或多個多數高能量脈衝的突發，於一透明材料中形成多數微觀(例如，直徑小於0.5μm及大於100nm，或是直徑小於2μm並大於100nm)細長缺陷線(在此也稱為貫穿或傷害痕跡)。該等貫穿該基材材料由該雷射所調整的區域。該雷射引致的調整中斷該基材材料的結構，並構成力學脆弱的位置。結構中斷包含壓實、熔化、材料去除、重佈置與鍵結斷裂。該等 貫穿延伸至該基材材料內部，並具有與雷射橫斷面形狀一致的橫斷面形狀(一般而言為圓形)。該等貫穿的平均直徑可於0.1μm至50μm的範圍中，或1μm至20μm的範圍中，或2μm至10μm的範圍中，或0.1μm至5μm的範圍中。在某些具體實施例中，貫穿為一種「貫通孔」，其為自該基材材料頂部延伸至底部的孔洞或開放通道。在某些具體實施例中，貫穿可不為連續開放通道，並可以包含由該雷射引起而自該基材材料所去除的固體材料片段。該去除的材料阻擋或部分阻擋由該貫穿所定義的空間。一或多個開放通道(未受阻擋區域)可分散於多數去除材料片段之間。該等開放通道的直徑可為小於1000nm，或小於500nm，或小於400nm，或小於300nm，或在10nm至750nm的範圍中，或在100nm至500nm的範圍中。在此揭示之等具體實施例中，圍繞該等孔洞之該材料的中斷或調整區域(例如，壓實、熔化)或是其他改變，較佳的是具有小於50μm(例如小於10μm)的直徑。
該等各別貫穿可以數百kHz(例如，每秒數百個千次貫穿)的速率建立。因此，利用該雷射來源與該材料之間相對移動的方式，這些貫穿可以彼此相鄰設置(空間間隔依需要自μm以下至數μm或甚至數十μm間變化)。此空間間隔係經選擇以促成切割。
回到第2A圖與第2B圖，一種雷射鑽除材料的方法包含沿著該光束傳播方向檢視時，使一脈衝雷射光束2聚焦於一雷射光束聚焦線2b之中。雷射光束聚焦線2b可以許多方法建立，例如，貝塞爾光束、艾里光束(Airy beams)、韋 伯光束(Weber beams)與馬修光束(Mathieu beams)(也就是非繞射光束)，其場曲線一般而言係由特殊函數所給定，在橫方向中(也就是傳播方向)以相較於高斯函數為更緩慢的方式衰減。如第3A圖所示，雷射3(未圖示)放射雷射光束2，在標示為2a的光學組件6光束入射側，入射至該光學組件6上。該光學組件6使該入射光束轉向，沿著該光束方向(該聚焦線的長度l)經過一預定擴張範圍，至該輸出側上的一雷射光束聚焦線2b之中。在該光學組件與該雷射光束2之雷射光束聚焦線2b至少部分重疊之後，將欲被處理之該平面基材1放置於該光束路徑中。符號1a標示該平面基材分別面向該光學組件6或該雷射的表面，而符號1b標示該基材1的反向表面(遠端於，或進一步遠離該光學組件6或該雷射的表面)。該基材厚度(對該等平面1a與1b的垂直測量，也就是垂直於該基材表面)則標示為d。
如第2A圖描繪，該基材1係大致垂直對齊於該縱向光束軸，並因此位於由該光學組件6所(該基材係垂直於圖式平面)產生的相同聚焦線2b後方，而沿著該光束方向檢視時，其相對於該聚焦線2b的定位方式使得以在該光束方向中檢視時，該聚焦線2b於該基材該表面1a之前開始，並於該基材該表面1b之前結束，也就是仍然位於該基材之中。在該雷射光束聚焦線2b與該基材1的重疊區域中，也就是在以該聚焦線2b覆蓋的基質材料中，該雷射光束聚焦線2b係因此產生(在適宜的雷射強度情況中，沿著該雷射光束聚焦線2b產生，其強度係由於該雷射光束2聚焦於長度l的斷面上 而受到確保，也就是聚焦於長度l的線焦點上)與該縱向光束方向對齊的斷面2c，沿著該縱向光束方向便於該基材材料中產生一種誘導性非線性吸收。所述線焦點可以許多方式建立，例如貝塞爾光束、艾里光束、韋伯光束與馬修光束(也就是非繞射光束)，其場曲線一般而言係由特殊函數所給定，在橫方向中(也就是傳播方向)以相較於高斯函數為更緩慢的方式衰減。該誘導性非線性吸收引起在該基材材料中沿著斷面2c的缺陷線形成。該缺陷線形成不僅是局部的，也延伸跨及該誘導性吸收斷面2c的完整長度。該斷面2c的長度(其對應於該雷射光束聚焦線2b與該基材1的重疊長度)則以符號L標示。該誘導性吸收斷面的平均直徑或範圍(或是在該基材1材料中形成該缺陷線的範圍)則以符號D標示。該平均延伸D基本上與該雷射光束聚焦線2b的平均直徑δ對應，也就是說，與介於大約0.1μm至大約5μm範圍中的平均光點直徑對應。
如第2A圖所示，該基材材料(其對於雷射光束2的波長λ為透明)係由於沿著該聚焦線2b的誘導性吸收而加熱。第2B圖描繪該經加熱基材材料最終將膨脹，因此一對應的引致張力便造成微裂隙形成，而該張力在表面1a處為最高。
以下敘述可被應用以產生該聚焦線2b的代表性光學組件6，以及可以應用這些光學組件的光學系統。所有組件或系統都是以以上敘述為基礎，因此相同的參考符號代表相同的元件或特徵，或是於功能上相等的元件或特徵。因此，以下只敘述其差異處。
為了確保沿著分離發生的分離部分表面具有高品質(對於破裂強度、幾何精確性、粗糙度及避免再加工的需要)，位於該基材表面上，沿著該分離線(裂紋線)的該等各別聚焦線應該使用以下所敘述的光學組件產生(此後，該光學組件也替代的意指為雷射光學元件)。該分離表面(該分離部分的外圍表面)形成的粗糙基本上由該聚焦線的光點尺寸或光點直徑所決定。表面的粗糙度可以Ra表面粗糙度參數給予其特徵，Ra表面粗糙度參數則由ASME B46.1標準所定義。如ASME B46.1中所敘述，Ra為在評估長度之中所記錄之該表面剖面高度偏離該平均線的絕對數值算術平均值。在其他方面，Ra為該表面多數各別特徵(峰處及谷處)相對於該平均值的一組絕對高度偏離的平均。
對於與該基材1材料互動的雷射3而言，為了達到在給定波長λ下具有例如0.5μm至2μm的小光點尺寸，通常必須對該雷射光學元件6的數值孔徑施加某些要求。這些要求必須由以下敘述的雷射光學元件6所滿足。為了達到所需要的數值孔徑，該光學元件一方面必須根據已知的Abbé方程式在給定焦長下設置所需開口(N.A.=n*sin(theta)，n：欲被處理之玻璃的折射率；theta：該孔徑角度支半；且theta=arctan(DL/2f)；DL：孔徑直徑，f：焦長)。另一方面，該雷射光束必須照明該光學元件達到所需要的孔徑，其一般而言在該雷射與聚焦光學元件使用擴大望遠鏡的擴大光束方式達成。
為了沿著該聚焦線具有一均勻互動的目的，該光點尺寸不應該太過強烈變化。這可以例如藉由只在一小的圓形 區域中照射該聚焦光學元件的方式獲得確保(參考以下具體實施例)，因此該光束開口即因此該數值孔徑的百分比只輕微變化。
根據第3A圖(在該雷射輻射2的雷射光束束中，在該中央光束層級處垂直於該基材平面的部分；在此，該雷射光束2(在進入光學組件6之前)也垂直入射至該基材平板，也就是其入射角度θ為0°，因此該聚焦線2b或該誘導性吸收部分2c平行於該基材法線)，由該雷射3放射的雷射輻射2a首先被引導至一圓形孔徑8上，該圓形孔徑對於所使用的雷射輻射而言為完全的不透明。該孔徑8垂直定向於該縱向光束軸，並集中於所描繪之光束束2a的中央光束上。該孔徑8的直徑係經選擇為靠近該光束束2a中央的該等光束束或該中央光束(在此標示為2aZ)打擊該孔徑，並完全由其吸收。由於與該光束直徑相比之下減小的孔徑尺寸，因此只有在該光束束2a範圍之外側周圍的光束(邊緣射線，在此標示為2aR)不被吸收，但其側向通過該孔徑8，並打擊該光學組件6的該等聚焦光學元件的邊緣區域，在此具體實施例中，該光學組件6係經設計為一球面切割的雙凸透鏡7。
以該中央光束為中心的透鏡7係被故意設計為一種非校正、雙凸聚焦透鏡，其具有普遍的球面切割透鏡形式。在此設計具體實施例中，故意使用所述透鏡的球面色差。做為替代，也可以使用與理想校正系統偏差的非球面或多透鏡系統，其不形成一理想焦點，但是形成具有定義長度的明確、細長聚焦線(也就是不具有一單一焦點的透鏡或系統)。該透 鏡的區域因此沿著一聚焦線2b聚焦，其規線於相離該透鏡中心的距離。該孔徑8跨及該光束方向的直徑係大約為該光束束直徑的90%(光束束直徑則以減少至1/e2的範圍所定義)，並大約為該光學組件6的該透鏡7直徑的75%。因此使用一非色差校正球面透鏡7的聚焦線2b，其利用阻擋中心處該等光束束的方式產生。第3A圖顯示在一平面中穿過該中央光束的部分，當該等描繪光束繞著該聚焦線2b旋轉時，便可看到完整的三維光束束。
由第3A圖所示之透鏡7與系統所形成之此形式聚焦線的一項潛在優勢為，沿著該聚焦線的該等條件變化(光點尺寸、雷射強度)，及因此沿著該材料中所需深度的條件變化，以及因此所需要的互動形式(不熔化、誘導性吸收、熱塑形變達到裂隙形成)便可能只在該聚焦線的選擇部分中發生。此意謂接著可能只有該入射雷射光線的一部分係以所需要的方式吸收。在此方式中，一方面該處理(對於需要的分離速度而言所要求的平均雷射功率)的效率受損，而另一方面該雷射光線可能被傳輸至不想要的較深位置之中(黏附於該基材或該基材夾具的部分或層)，並在該處以不想要的方式互動(加熱、擴散、吸收、不想要的調整)。
第3B-1圖至第3B-4圖顯示(不只對於第3A圖中該光學組件而言，基本上也對於任何其他可應用的光學組件6)可以藉由將該光學組件6相對於該基材1適宜的定位及/或對準，以及藉由適宜的選擇該光學組件6的該等參數的方式，使該雷射光束聚焦線2b進行不同的定位。如第3B-1圖 描繪，該聚焦線2b的長度l可經調整為其超過該基材厚度d(在此係為倍數2)。如果該基材1係被放置集中於該聚焦線2b(於縱軸光束方向中檢視)，便跨及該完整基材厚度產生誘導性吸收部分2c。該雷射光束聚焦線2b具有的長度l係例如於大約0.1mm至大約100mm之間的範圍中，或於大約0.1mm至大約10mm之間的範圍中，或於大約0.1mm至大約1mm之間的範圍中。各種具體實施例例如可經配置為具有大約為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm。
在第3B-2圖所示的情況中，產生具有長度l的聚焦線2b，其或多或少對應於該基材範圍d。當該基材1相對於線段2定位為該聚焦線2b於之前的一點，也就是該基材外側開始時，該誘導性吸收部分2c(在此其從該基材表面延伸至一定義的基材深度，但不延伸到該反向表面1b)的長度L係小於該聚焦線2b的長度l。第3B-3圖顯示該基材1係定位於該聚焦線2b該開始點上方的情況(沿著該光束方向檢視)，因此如第3B-2圖，該聚焦線2b的長度l係大於該基材1中該誘導性吸收部分2c的長度L。該聚焦線因此於該基材之中開始，並延伸跨及該反向(遠端)表面1b而超越該基材。第3B-4圖顯示該聚焦線長度l係小於該基材厚度d的情況，因此-在於入射方向中檢視時，該基材相對於該聚焦線定位於中央的情況-該聚焦線於該基材之中靠近該表面1a開始，並於該基材之中靠近該表面1b結束(l=0.75．d)。
特別有利的是使該聚焦線定位實作為由該聚焦線覆 蓋至少一表面1a、1b，也就是該誘導性吸收部分2c於至少一表面上開始。在此方法中，其可能達到實質上理想的鑽除或避免燒蝕的切割、表面處的羽化與霧化。
第4圖描繪另一可應用的光學組件6。該基本建構遵循第3A圖中敘述的組件，因此以下只敘述其差異處。所描繪的光學組件係以使用具有一非球面自由表面的光學元件為基礎，以產生該聚焦線2b，該聚焦線2b係經塑形為形成具有定義長度l的聚焦線。為此目的，可以使用非球面做為該光學組件6的光學元件。在第4圖中，使用例如一種所謂的錐形稜鏡，其也常被稱為旋轉三稜鏡。一旋轉三稜鏡為一種特殊的錐形切割透鏡，其沿著該光學軸於一線上形成一光點來源(或將一雷射光束轉換成為環形)。所述旋轉三稜鏡的配置原則上係為該領域技術人員知悉；在該範例中的該錐角度為10°。該旋轉三稜鏡的頂點在此以符號9標示，係經引導朝向該入射方向，並集中在該光束中心上。當該旋轉三稜鏡9的聚焦線2b已經於其內部開始時，可將基材1(在此係垂直對準該主要光束軸)定位於該光束路徑中直接在該旋轉三稜鏡9後方。如第4圖圖示，由於該旋轉三稜鏡9的光學特徵，也可能沿著該光束分向偏移該基材1，並仍然維持在該聚焦線2b的範圍之中。在該基材1材料中該誘導性吸收部分2c便因此延伸跨及該完整的基材深度d。
然而，所描繪的配置受到下述限制：因為以該旋轉三稜鏡9形成的聚焦線2b區域係以該旋轉三稜鏡9開始，因此該雷射能量的一顯著部分並未聚焦於該聚焦線2b之誘導性 吸收部分2c之中，該誘導性吸收部分2c係位於該材料之中，處於在該旋轉三稜鏡9與該欲被處理材料之間存在分隔的狀態。此外，該聚焦線2b的長度l與該折射率的光束直徑以及該旋轉三稜鏡9的錐角度有關。這也是為何在相對薄(數mm)的材料情況中，如果該雷射能像的效果同樣不特定聚焦至該材料之中時，該總聚焦線相較於該基材厚度便相當的長。
為此理由，便可能希望使用一種光學組件6，其包含一旋轉三稜鏡與一聚焦透鏡兩者。第5A圖描繪所述光學組件6，其中具有非球面自由表面的一第一光學元件(沿著該光束方向檢視)係經設計以形成定位於該雷射3光束路徑中的一雷射光束聚焦線2b。在第5A圖所示的情況中，此第一光學元件為具有錐角度5°的旋轉三稜鏡10，其垂直於該光束方向定位，並集中在該雷射光束3上。該旋轉三稜鏡的頂點係朝著該光束方向取向。一第二聚焦光學元件，在此為該平凸透鏡11(其曲面係朝向該旋轉三稜鏡取向)，則定位於光束方向中相距該旋轉三稜鏡10的距離Z1處。在此情況中，該距離Z1大約300mm，係經選擇為以該旋轉三稜鏡10所形成的雷射輻射係以圓形方式入射至該透鏡11的外部徑向部分上。該透鏡11使該圓形輻射聚焦於該輸出側上於具有定義長度之一聚焦線2b上的一距離Z2處，在此情況中該定義長度為1.5mm，該距離Z2為相距該透鏡11大約20mm。在此具體實施例中，該透鏡11的有效焦長為25mm。以該旋轉三稜鏡10所進行的雷射光束圓形轉換則標示為符號SR。
第5B圖詳細描繪根據第5A圖於該基材1材料中， 該聚焦線2b或該誘導性吸收2c的形成。兩者元件10、11的光學特性以及其位置係經選擇為在該光束方向中該聚焦線2b的延伸範圍1係精確的與該基材1的厚度d相同。因此，需要沿著該光束方向對該基材1的精確定位，以如第5B圖所示使該聚焦線2b精確位於該基材1兩表面1a與1b之間。
如果該聚焦線係於相距該雷射光學元件一特定距離處形成，且如果使該雷射輻射的較大部分聚焦達到該聚焦線的所想要的端部時，其因此係為有利的。如同所敘述，各可以藉由在所需要的區域上只以圓形(環形)照明一主要聚焦元件11(透鏡)的方式達成，一方面，其也能夠實現所需要的數值孔徑以及因此實現所需要的光點尺寸，然而另一方面，當形成基本上為圓形的光點時，於該光點中心中在所需要的聚焦線2b之後經過一非常短的距離時，該擴散圓的強度將隨之消減。在此方法中，該缺陷線的形成便停止於該需要的基材深度中的短距離之中。旋轉三稜鏡10與聚焦透鏡11的組合則滿足此要求。該旋轉三稜鏡以兩個不同方式作用：由於該旋轉三稜鏡10，因此以環狀形式傳送一種通常為圓形的雷射光點至該聚焦透鏡11，而該旋轉三稜鏡10的非球面性質具有的效果為在該透鏡聚焦平面外形成一聚焦線，而非在該聚焦平面中一焦點處形成。該聚焦線2b的長度l可透過該旋轉三稜鏡的光束直徑調整。另一方面，沿著該聚焦線的數值孔徑可以透過該距離Z1(旋轉三稜鏡-透鏡間分隔距離)與透過該旋轉三稜鏡的錐角度調整。在此方法中，可將完整的雷射能量集中於該聚焦線中。
如果該缺陷線形成應該持續到該基材的背側時，該圓形(環形)照射仍舊具有以下的優點，(1)該雷射功率係被最佳使用，在此意義上為該大多數的雷射光保持集中於該聚焦線的所需長度中，以及(2)由於該圓形照射區域結合以該等其他光學功能所設定的所需色差，因此可以沿著該聚焦線達到一種均勻的光點尺寸-並因此沿著該聚焦線達到一種均勻的分離處理。
取代第5A圖中描繪的平凸透鏡，也可以使用一種凹凸透鏡或另一較高校正的聚焦透鏡(非球面、多透鏡系統)。
為了利用第5A圖中描繪之旋轉三稜鏡與透鏡的組合產生非常短的聚焦線2b，入射至該旋轉三稜鏡上的雷射光束必須經選擇為具有非常小的光束直徑。這在實務上的缺點為該光束集中於該旋轉三稜鏡的頂點上時必須非常精準，而因此該結果對於該雷射的方向變化(光束漂移穩定性)非常敏感。此外，緊密準直的雷射光束則為非常發散，也就是由於光線偏轉而使該光束束在非常短距離變得模糊。
回到第6圖，藉由在該光學組件6中插入另一透鏡，準直鏡12的方式可以避免兩者影響。該額外的正透鏡12用以將該聚焦透鏡11的圓形照明調整的非常緊密。該準直鏡12的焦長f’係經選擇為自該旋轉三稜鏡至該準直鏡12的距離Z1a所形成的所需圓直徑dr，係等於f’。該環形的所需寬度br則可透過距離Z1b(準直鏡12至聚焦透鏡11)調整。由於純粹的幾何形狀，該圓形照明的小寬度將形成短的聚焦線。可以在距離f’處達到一最小量。
第6圖中描繪的光學組件6係因此以第5A圖所描繪的組件為基礎，因此以下只敘述其差異處。該準直鏡12在此也被設計為一平凸透鏡(其曲面係朝向該光束方向)，係被額外集中放置於該光束路徑中介於在一側上的旋轉三稜鏡10(其頂點朝向該光束方向)，以及在另一側上的平凸透鏡11之間。該準直鏡12自該旋轉三稜鏡10的距離標示為Z1a，該聚焦透鏡11自該準直鏡12的距離為Z1b，而該聚焦線2b自該聚焦透鏡11的距離則為Z2(都於光束方向中檢視)。如第6圖中所示，基於該準直鏡12上圓直徑dr發散入射而由該旋轉三稜鏡10形成的圓形輻射SR，係為了在該聚焦透鏡11處至少大約固定的圓直徑dr，而沿著該距離Z1b調整為寬度為br的所需圓形。在所示的情況中，預期將產生非常短的聚焦線2b，因此在準直鏡12處大約為4mm的圓寬度br將由於該準直鏡12(在此範例中圓直徑dr為22mm)的聚焦性質而在透鏡11處降低為大約0.5mm。
在所描繪範例中，利用典型的2mm雷射光束直徑、焦長f為25mm的聚焦透鏡11以及焦長f’為150mm的準直鏡，並選擇Z1a等於Z1b等於140mm以及Z2為15mm時，可以達成小於0.5mm的聚焦線長度l。
一旦形成該裂紋線，可以透過以下方式進行分離：1)在該裂紋線上或繞著該裂紋線施加人為或機械應力；該應力或壓力應該產生在拉開該裂紋線兩側的張力，以使該仍然黏結在一起的該等區域破裂；2)使用熱源繞著該裂紋線建立熱應力區域，以使該裂紋線承受張力，並沿著該裂紋線引起部分 或完全的分離；以及3)使用離子交換處理，以在繞著該裂紋線的區域中引入應力。此外，以下敘述對於具有「犧牲」區域以控制由邊緣衝擊造成之傷害的非去角邊緣或不完全去角邊緣的皮秒雷射處理使用。
該第二方法採用一現存邊緣建立去角的優點，此方法利用非常靠近該邊緣與基材表面交叉處施加一聚焦(一般為CO2)雷射的方式進行。該雷射光束必須由該基材材料高度吸收，以建立跨及自該材料熔化溫度下至其應變點所延伸間隔的溫度梯度。此熱梯度產生一應力剖面，其造成非常薄的狹條材料分離或剝除。此薄狹條材料彎曲，並自該材料本體剝除，並具有由該應力與軟化區域之間所定義之區域深度所決定的維度。此方法可以與先前的方法結合，以在該等裂紋線所指定的平面處剝除薄狹條材料。在此具體實施例中，該熱梯度係於該裂紋線周圍建立。熱梯度與裂紋線的組合，相較於單純使用熱處理方式下，可以造成該去角邊緣形狀與表面紋理的較佳控制。
第7A圖給予本發明所述該等處理的概述。
一方法係基於誘導性非線性吸收，以如以上方式形成多數裂紋線，用以使用一短脈衝雷射形成所需形狀的部分與邊緣。該處理倚賴在該線性域(低雷射強度)中該材料對該雷射波長的透明度，其提供高度表面與邊緣品質，並具有因繞著該雷射聚焦的高強度區域所產生的減低次表面傷害。此處理的一項主要推動因素為該超短脈衝雷射所形成的高度長寬比缺陷線。此處理允許利用長且深的缺陷線形成一裂紋 線，其可以自該欲被切割及去角的材料頂部延伸至該底部表面。原則上，每一缺陷線(貫穿)都可由一單一脈衝所建立，而且如果需要的話，可以使用其他脈衝增加該受影響區域的延伸範圍(深度與寬度)。
使用第1A圖至第1C圖描繪的相同原則分離具有多數平坦邊緣的玻璃基材，用於產生多數去角邊緣的處理則可如第7B圖描繪般修改。為了分離及形成一去角邊緣，可以在該材料中形成三個缺陷線分離平面，其交叉並定義所需邊緣形狀的該等邊界。可如第7C圖描繪只使用兩個交叉缺陷線平面建立不同的形狀，但該邊緣的內部平坦部分可能需要在不利用任何缺陷線的情況下進行斷裂及分離(例如，透過機械或熱處理方式)。
雷射與光學系統
為了切割玻璃或其他透明易碎材料的目的，發展一種使用1064nm皮秒雷射結合線焦點光束成形光學元件的處理，以在基材中形成多數缺陷線。放置具有厚度為0.7mm，代碼為2320的Corning® Gorilla® Glass樣本基材，因此該基材係位於該線焦點之中。利用具有大約1mm延伸範圍的線焦點，以及在200kHz重覆率下產生輸出功率大於大約30瓦特皮秒雷射(大約為每脈衝150微焦耳(μJ))，在該線區域中的光學強度可以容易的夠高到在該材料中產生非線性吸收。大致在該強度的線性區域之後便形成受傷害、燒蝕、蒸發或是進行其他調整的材料區域。
注意，所述皮秒雷射的一般操作將形成具有多數脈 衝的「突發」。每一「突發」都可以包含多數個非常短延時(大約10psec)的次脈衝。每一次脈衝於時間上都以大約20奈秒(nsec)(50MHz)分隔，此時間通常由雷射腔室設計所控制。介於每一「突發」之間的時間將長的多，對於大約200kHz的雷射重覆率而言，通常大約為5μsec。該精確計時、脈衝延時與重覆率可以根據雷射設計而變化。但是已經證實此技術可利用具有高強度的短脈衝(小於15psec)良好工作。
更具體的，如第8A圖與第8B圖所描繪，根據在此敘述的選擇具體實施例，該皮秒雷射建立具有多數脈衝500A的「突發」500，有時也稱為「突發脈衝」。突發為一種典型的雷射操作，其中不以均勻且穩定的串流方式進行多數脈衝的放射，而是以多數脈衝的緊密叢集放射(檢閱參考文獻)。每一「突發」500都可以包含非常短延時Td的多數脈衝500A(例如2次脈衝、3次脈衝、4次脈衝、5次脈衝、10、15、20或更多)，Td最大為100psec(例如，0.1psec、5psec、10psec、15psec、18psec、20psec、22psec、25psec、30psec、50psec、75psec或其之間的數值)。該脈衝延時一般而言於大約1psec至大約1000psec的範圍中，或於大約1psec至大約100psec的範圍中，於大約2psec至大約50psec的範圍中，於大約5psec至大約20psec的範圍中。在一單一突發500之中的這些各別脈衝500A也可被稱為「次脈衝」，其簡單地表示實際上為在具有多數脈衝的單一突發之中發生。在該突發之中每一雷射脈衝500A的能量或強度可能不與該突發中的其他脈衝相同，且在一突發500之中該等多數脈衝的強度分佈於時間上 則遵循該雷射設計所控制的指數遞減。較佳的是，在此敘述之該等示範具體實施例中該突發500中的每一脈衝500A，於時間上都與該突發中的後續脈衝以一延時Tp間隔，Tp則從1nsec至50nsec(例如，10至50nsec、10至40nsec或10至30nsec，此時間通常由雷射腔室設計所控制)。對於已知雷射而言，一突發500之中每一脈衝之間的分隔時間Tp(脈衝至脈衝間的間隔)則相對均勻(±10%)。例如在某些具體實施例中，每一脈衝在時間上與後續脈衝係以20nsec(50MHz的脈衝重覆率)間隔。例如，對於產生脈衝至脈衝間的間隔Tp大約為20nsec的雷射而言，一突發中的脈衝至脈衝間的間隔Tp可被維持在大約±10%，或大約±2nsec。每一「突發」之間的時間(也就是突發之間的分隔時間Tb)則長的多(例如，0.25Tb 1000μsec，例如1至10μsec或3至8μsec)。例如，在此敘述的某些雷射的示範具體實施例中，雷射重覆率大約為5μsec，或其頻率大約為200kHz。在此該雷射重覆率也稱為突發重覆頻率或突發重覆率，並定義為在一突發中該第一脈衝與該後續突發中該第一脈衝之間的時間。在多數其他具體實施例中，該突發重覆頻序係於大約1kHz及大約4MHz之間的範圍，或於大約1kHz及大約2MHz之間的範圍，或於大約1kHz及大約650kHz之間的範圍，或於大約10kHz及大約650kHz之間的範圍。每一突發中該第一脈衝至該後續突發中該第一脈衝之間的時間Tb可為0.25μsec(4MHz突發重覆率)至1000μsec(1kHz突發重覆率)，例如0.5μsec(2MHz突發重覆率)至40μsec(24kHz突發重覆率)，或2μsec(500kHz 突發重覆率)至20μsec(50kHz突發重覆率)。該精確計時、脈衝延時與重覆率可以根據雷射設計與使用者可控制的操作參數而變化。已經證實具有高強度的短脈衝(Td小於20psec，且較佳的是小於等於15psec)能良好工作。
所需用於調整該材料的能量，可以敘述為該突發能量-一突發之中包含的能量(每一突發500包含一連串的脈衝500A)，或敘述為一單一雷射脈衝之中包含的能量(許多脈衝則構成一突發)。對於這些應用而言，每突發能量(對於每毫米的欲被切割材料而言)可為10至2500μJ、或20至1500μJ、或25至750μJ、或40至2500μJ、或100至1500μJ、或200至1250μJ、或250至1500μJ、或250至750μJ。在該突發中一各別脈衝的能量將較小，而該精確的各別雷射脈衝能量則與該突發500之中該脈衝500A的數量，以及該等雷射脈衝隨時間的衰減率(例如，指數衰減率)有關，如第8A圖與第8B圖中所示。例如，對於一固定的能量/突發而言，如果一脈衝突發包含10個各別雷射脈衝500A，那麼每一各別雷射脈衝500A將比起只具有2個各別雷射脈衝的相同突發脈衝500而言，具有較少的能量。
對於切割與調整透明材料，例如玻璃而言，使用能夠產生所述脈衝突發的雷射係為有利的。與使用利用單一脈衝雷射重覆率而於時間上分隔的多數單一脈衝而言相比之下，使用一突發脈衝序列相較於多數單一雷射脈衝而言，能夠允許與該材料進行較長時間規模的高強度互動，該突發脈衝則將雷射能量散佈於該突發500中的快速脈衝序列。雖然 一單一脈衝能於時間上擴展，但能量的守恆性質使得如果在時間上擴展單一脈衝時，該脈衝之中的強度大致上必定下降為一除以該脈衝寬度。因此，如果將10psec的單一脈衝擴展為10nsec脈衝時，該強度將大約下降三個數量級。所述下降可能降對該點的光學強度，其中非線性吸收情況便不再顯著，且光與材料之間的互動將不再足夠強到進行切割。相反的，利用一突發脈衝雷射，於該突發500之中每一脈衝或次脈衝500A間的強度可以維持的非常高-例如具有脈衝延時Td為10psec的三個脈衝500A，係於時間上以大約10nsec的分隔時間Tp分隔，仍能使每一脈衝之中的強度大約為一單一10psec脈衝的三倍高，同時該雷射係能與該材料進行時間規模為三個數量級大的互動。這種對於一突發之中多數脈衝500A的調整便因此能夠操縱該雷射與材料互動的時間規模，以此方式促成與一先前存在的電漿捲流進行較大或較小光互動、與因為一初始或先前雷射脈衝而已經預先激發的原子及分子進行較大或較小的光與材料間的互動、於該材料之中進行較大或較小的熱影響，而這些可以促進缺陷線(貫穿)的控制生長。需要用於調整該材料的突發總能量則與基材材料組成及用於與該基材互動的線焦點長度有關。越長的互動區域，需要散佈越多的能量，因而將需要越高的突發能量。
當具有多數脈衝的單一突發基本上打擊該玻璃上的相同位置時，將於該材料中形成一缺陷線或孔洞。也就是說，一單一突發之中的多數雷射脈衝可以在該玻璃中產生一單一缺陷線或孔洞。當然，如果該玻璃被移動(例如由一固定的 移動工作台移動)或該光束相對於該玻璃移動，該突發之中的該等各別脈衝便無法精確的位於該玻璃上的相同空間位置。然而，其彼此之間也良好的位於1μm之中，換言之，該等脈衝基本上打擊該玻璃的相同位置。例如，該等脈衝可能以彼此之間間隔sp打擊該玻璃，其中0<sp500nm。例如，當以具有20個脈衝的突發打擊一玻璃位置時，該突發之中的該等各別脈衝將以彼此之間於250nm之中打擊該玻璃。因此，在某些具體實施例中，1nm<sp<250nm。而在某些具體實施例中，1nm<sp<100nm。
孔洞或傷害痕跡形成
如果該基材具有足夠的應力(例如，利用離子交換處理的玻璃)，那麼該部分將自動沿著由該雷射處理形成的裂紋線痕跡自動分離。然而，如果該基材本質上並不具有大量的應力時，那麼該皮秒雷射將簡單地在該基材中形成多數缺陷線。這些缺陷線可以採用多數孔洞的形式，具有0.5至1.5μm的內部尺寸(直徑)。
該等孔洞或薛彥獻可以貫穿或可以不貫穿該材料的完整厚度，並可以或可以不為穿過該材料深度的一連續開口。第1C圖顯示所述痕跡貫穿一部件完整厚度的範例，該部件為具有700μm厚度的未強化Gorilla® Glass基材。該等貫穿或傷害痕跡則透過一黏著邊緣側部觀察。穿過該材料的該等痕跡並不需要為貫通孔洞-可能存在有玻璃塞住該等孔洞的區域，但其一般而言尺寸都很小。
注意，一旦在該裂紋線進行分離之後，便沿著該等 缺陷線產生裂隙，以提供一種具有具備從該等缺陷線衍生之多數特徵之表面的部分或邊緣。在分離之前該等缺陷線的形狀一般為柱狀。一旦分離之後，該等缺陷線分裂，而該等缺陷線的餘留物便在該經分離部分或邊緣的表面輪廓中變得明顯。在一理想模型中，該等缺陷線在分離之後將黏合一半，因此該經分離部分或邊緣的表面包含對應於該半柱形的多數鋸齒狀部分。實際上，分離情況可能與理想模型間距有差異，而該表面的鋸齒狀部分可為該原始缺陷線形狀的任意小部分。在不考慮特定形式下，該經分離表面的特徵將被稱為缺陷線，以指示該等特徵存在的起源。
該等缺陷線之間的側向間隔(間距)則由當該基材於該聚焦雷射光束下方移動時，該雷射的脈衝率所決定。雖然如果需要時也可以使用多數脈衝或多數突發，但只需要一單一皮秒雷射脈衝或突發便能形成一完整孔洞。為了在多數不同間距處形成多數缺陷線，可以在較長或較短間隔下觸發該雷射進行點火。為了切割操作，該雷射觸發一般而言與該光束下方由工作台驅動的部分移動同步，所以可以固定間隔觸發多數雷射脈衝，像是每1μm或是每5μm。相鄰缺陷線之間的精確間隔則在給定該基材中應力程度時，由促成貫穿至貫穿間裂隙傳播的該等材料所決定。取代切割一基材，也可以使用相同的方式只貫穿該材料。在此情況中，該等缺陷線可以較大的間隔(例如5μm或更大的間距)分隔。
該雷射功率與透鏡焦長(其決定該聚焦線長度而因此決定該功率密度)對於確保該玻璃的完整貫穿以及降低表 面與次表面傷害方面特別重要。
一般而言，越高的可利用雷射功率，可以利用以上處理越快的切割材料。在此揭示之(該等)處理可以以每秒0.25m(m/sec)或更快的切割速度切割玻璃。切割速度(或切割速率)為雷射光束相對於該基材材料(例如玻璃)表面移動，同時建立多數缺陷線孔洞的速率。時常需要例如像是400mm/sec、500mm/sec、750mm/sec、1m/sec、1.2m/sec、1.5m/sec、2m/sec或甚至3.4m/sec至4m/sec的高切割速度，以使生產的資本投資最小化，並使設備利用率最佳化。該雷射功率等於該突發能量乘以該雷射的突發重覆頻率(重覆率)。一般而言，為了以高切割速度切割玻璃材料，在某些具體實施例中該等缺陷線一般而言係以1至25μm分隔，該間隔較佳的為3μm或更大，例如3至12μm或例如5至10μm。
例如，為了達成300mm/sec的線性切割速度，係以3μm孔洞間距對應於至少100kHz突發重覆率的脈衝突發雷射。為了達成600mm/sec的切割速度，係以3μm間距對應於至少200kHz突發重覆率的脈衝突發雷射。在200kHz下產生每突發為至少40μJ(μJ/burst)並以切割速度為600mm/s進行切割的脈衝突發雷射，則需要具有至少為8瓦(W)的雷射功率。較高的切割速度需要對應的較高雷射功率。
例如，在3μm間距與40μJ/burst下以0.4m/ec的切割速度，將需要至少5W的雷射，在3μm間距與40μJ/burst下以0.5m/ec的切割速度，則需要至少6W的雷射。因此，較佳的是該脈衝突發雷射的雷射功率ps為6W或更高，更佳的 是為8W或更高，甚至更佳的是為10W或更高。例如，為了達成4μm間距(缺陷線間隔或是傷害痕跡間隔)及100μJ/burst下0.4m/sec的切割速度，需要至少10W的雷射，而為了達成4μm間距及100μJ/burst下0.5m/sec的切割速度，則需要至少12W的雷射。例如，為了達成3μm間距及40μJ/burst下1m/sec的切割速度，需要至少13W的雷射。同樣的，4μm間距及400μJ/burst下1m/sec的切割速度，將需要至少100W的雷射。
該等缺陷線(傷害痕跡)之間的最佳間距以及該精確的突發能量係與材料相關，並可由實驗決定。然而，應該注意提高該雷射脈衝能量或使該等傷害痕跡位於較緊密的間距，並非總是讓該基質材料較好分離或具有改良邊緣品質的條件。多數缺陷線(傷害痕跡)之間的過小間距(例如，小於0.1μm，或在某些示範具體實施例中小於1μm，或在其他具體實施例中小於2μm)有時候可能抑制相鄰後續缺陷線(傷害痕跡)的形成，並常常可能抑制該材料繞著該貫穿輪廓的分離情形。如果該間距過小，也可能在該玻璃中造成不想要的微裂隙增加。過長的間距(例如大於50μm，在某些玻璃中大於25μm或甚至大於20μm)可能形成「不受控制的微裂隙發生」-也就是取代沿著該預期輪廓從缺陷線至缺陷線的傳播方式，該等微裂隙將沿著一不同路徑傳播，並造成該玻璃在不同(不想要)的方向中，遠離該預期輪廓斷裂。這最終將降低該經分離部分的強度，因為殘留的微裂隙將構成缺陷，而使玻璃弱化。過高的缺陷線形成突發能量(例如，大於2500μJ/burst，而在某些具體實施例中大於500μJ/burst)可 能造成先前形成之缺陷線的「恢復」或重新熔化，這可能抑制該玻璃的分離。據此，較佳的是該突發能量小於2500μJ/burst，例如小於等於500μJ/burst。同樣的，使用過高的突發能量可能造成極端大型的微裂隙形成，並產生結構性缺陷，這可能降低分離之後該部分的邊緣強度。過低的突發能量(例如小於40μJ/burst)可能在該玻璃中造成不是用的缺陷線形成，並因此可能需要特別高的分離力量，或造成無法沿著該貫穿輪廓完全分離。
能夠達成此處理的典型示例切割率(速度)例如為0.25m/sec或更高。在某些具體實施例中，該切割率至少為300mm/sec。在某些具體實施例中，該切割率至少為400mm/sec，例如，500mm/sec至2000mm/sec或更高。在某些具體實施例中，該皮秒(ps)雷射使用多數脈衝突發以利用介於0.5μm及13μm之間的週期性產生多數缺陷線，例如介於0.5μm與3μm之間。在某些具體實施例中，該脈衝雷射具有10W至100W的雷射功率，而該材料及/或該雷射光束相對於彼此以至少0.25m/sec的速率移動；例如至少為0.25m/sec至0.35m/sec的速率，或0.4m/sec至5m/sec的速率。較佳的是，該脈衝雷射光束的每一脈衝突發，都具有在該工作部件處測量時對於每mm厚度工作部件而言為大於40μJ/burst的平均雷射能量。較佳的是，該脈衝雷射光束的每一脈衝突發，都具有在該工作部件處測量時對於每mm厚度工作部件而言為小於2500μJ/burst的較大平均雷射能量，而較佳的是對於每mm厚度工作部件而言為小於大約2000μJ/burst的平均雷射 能量，而在某些具體實施例中，對於每mm厚度工作部件而言係小於1500μJ/burst；例如對於每mm厚度工作部件而言係不大於500μJ/burst。
我們發現為了貫穿具有低或不具有鹼含量的鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃而言，需要更高(5至10倍高)的體積脈衝能量密度(μJ/μm3)。例如，這可以利用脈衝突發雷射達成，較佳的是每突發具有至少兩個脈衝，並於該(具有低或不具有鹼含量的)鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃之中提供大約0.05μJ/μm3或更高的體積能量密度，例如至少0.1μJ/μm3，例如0.1至0.5μJ/μm3。
據此，較佳的是該雷射產生每突發具有至少兩脈衝的脈衝突發。例如在某些具體實施例中，該脈衝雷射具有10W至150W(例如，10W至100W)的功率，並產生每突發具有至少兩脈衝的脈衝突發(例如，每突發2至25個脈衝)。在某些具體實施例中，該脈衝雷射具有25W至60W的功率，並產生每突發至少2至25個脈衝，而由該等雷射突發所產生於相鄰缺陷線之間的週期或距離為2至10μm。在某些具體實施例中，該脈衝雷射具有10W至100W的功率，並產生每突發具有至少兩脈衝的脈衝突發，而該工作部件與該雷射光束相對於彼此以至少0.25m/sec的速率移動。在某些具體實施例中，該工作部件及/或該雷射光束相對於彼此係以至少0.4m/sec的速率移動。
例如，為了切割0.7mm厚度非離子交換代碼為2319的Corning玻璃或代碼為2320的Gorilla®玻璃，已觀察到3 至7μm的間距，以大約150至250μJ/burst的脈衝突發能量，以及2至15的突發脈衝數量時可以良好工作，較佳的是具有3至5μm的間距，且突發脈衝數量(每突發的脈衝數量)為2至5。
在1m/sec切割速度下，Eagle XG®玻璃的切割典型上需要使用15至84W的雷射功率，30至45W通常便足夠。一般而言，在各種玻璃與其他透明材料中，申請人發現介於10W至100W的雷射功率系能較佳地達成0.2至1m/sec的切割速度，而對於許多玻璃而言25至60W的雷射功率係為足夠(或為最佳)。對於0.4m/sec至5m/sec的切割速度而言，雷射功率較佳的應為10W至150W，並具有40至750μJ/burst的突發能量，每突發具有2至25個脈衝(與被切割的材料相關)，以及3至15μm，或3至10μm的缺陷線分隔(間距)。皮秒脈衝突發雷射的使用對於這些切割速度而言係較佳的，因為能產生高功率以及所需要的每突發脈衝數量。因此，根據某些示範具體實施例，該脈衝雷射產生10W至100W的功率，例如25W至60W，並產生至少每突發2至25個脈衝的脈衝突發，而該等缺陷線之間的距離為2至15μm；且該雷射光束及/或工作部件相對於彼此以至少0.25m/sec的速率移動，在某些具體實施例中至少為0.4m/sec，例如0.5m/sec至5m/sec或更快。
切割與分離去角邊緣 去角方法1：
發現許多能夠使用未強化Gorilla® Glass，特別是 Corning代碼2320的玻璃進行去角邊緣分離的不同條件。該第一方法為使用該皮秒雷射建立多數缺陷線，以形成與所需形狀(在此情況中為一去角邊緣)一致的裂紋線。在此步驟之後，可以藉由使用斷裂鉗、人工彎曲該部分，或是任何形成張力的方法達成機械分離，這些方法起始並沿著該裂紋線傳播分離。為了在700μm厚的未強化Gorilla® Glass中建立具有多數缺陷線的去角邊緣，並以機械方式分離該等部分，已經發現下述光學元件與雷射參數的最佳結果：
皮秒雷射(1064nm)
輸入至旋轉三稜鏡的光束直徑大約2mm
旋轉三稜鏡等於10°
初始準直鏡焦長等於125mm
最終物透鏡焦長等於40mm
焦點設置在Z等於0.7mm處(也就是線焦點關於該玻璃厚度集中設置)
雷射功率為完全功率的100%(大約40W)
雷射的突發重覆率等於200kHz
每突發能量等於200μJ(40W/200kHz)
間距等於5μm
每突發3個脈衝
每一缺陷線進行單一通過
一種達成分離的替代方法為在該皮秒雷射已經完成所需輪廓的痕跡之後，於該皮秒雷射步驟後使用相對散焦的CO2雷射光束(大約2mm的光點直徑)。由該CO2雷射引致 的熱應力係足以起始並傳播該分離，或沿著所需輪廓進行該邊緣的成形。對於此情況而言，已經發現下述光學元件與雷射參數的最佳結果：
皮秒雷射(1064nm)
輸入至旋轉三稜鏡的光束直徑大約2mm
旋轉三稜鏡等於10°
初始準直鏡焦長等於125mm
最終物透鏡焦長等於40mm
焦點設置在Z等於0.7mm處(也就是線焦點關於該玻璃厚度集中設置)
雷射功率為完全功率的75%(大約30W)
雷射的突發重覆率等於200kHz
每突發3個脈衝
每突發能量等於150μJ(30W/200kHz)
間距等於5μm
單一通過
CO 2 雷射
雷射為200W的完全功率雷射
雷射移動速度：10m/min
雷射功率等於100%
脈衝延時為17μs
雷射調變頻率為20kHz
雷射工作循環為17/50μs，等於34%的工作(大約68W輸出)
雷射光束散焦(相對於該玻璃的入射表面)等於20mm去角方法2：
方法2A：
一第二具角方法採用一現存邊緣建立去角的優點，此方法利用非常靠近該邊緣與基材表面交叉處施加一高度聚焦CO2雷射的方式進行。相對於以上敘述的CO2雷射條件下，在此情況中於該基材表面處的聚焦CO2光束的尺寸為直徑大約100μm，其相較於方法1中敘述的散焦光束而言，允許該光束將該玻璃局部加熱至十分高的溫度。該雷射必須由該基材材料高度吸收，以建立跨及自該材料熔化溫度下至該材料應變點範圍溫度的強力熱梯度。該熱梯度產生一應力剖面，其造成非常薄的狹條材料分離或剝除，此薄狹條材料彎曲，並自該材料本體剝除。該薄狹條的維度由該材料中具有介於該應變與軟化點之間溫度的區域深度所決定
此方法可以與先前的方法結合，以在該等裂紋線所指定的平面處剝除薄狹條材料。換句話說，可以使用如以上敘述的皮秒雷射，以形成具有與所需形狀或該邊緣輪廓一致織形狀的裂紋線，並可以在該裂紋線附近建立一熱梯度，以驅使該材料薄狹條的釋放。在此具體實施例中，由該皮秒雷射產生的該等裂紋線引導該材料薄狹條的彎曲或剝除方向，並可以達成該形狀或該邊緣輪廓的精細控制。
如第9圖描繪，該第二方法依賴由該基材對該雷射波長(例如，在10.6μm下的CO2)的吸收。由該材料的雷射吸收導致熱梯度的建立，其涵蓋自至少該材料應變點至至少 該材料軟化點間延伸的溫度。如第10圖所示，一玻璃狹條自該基材本體分離，以在所述熱梯度建立時形成彎曲剝除。當該雷射如第9圖所示靠近該邊緣(例如相離該邊緣小於100μm之中)緊密聚焦時，彎曲玻璃的狹條便從該直角角落剝除，並形成如第10圖中所示一般為凹形的去角。為了將兩者角落去角，可以翻轉該樣本並對該第二角落重覆該處理。如第10圖所示，該邊緣平坦部分的該等缺陷線顯現一種與第1C圖中利用貫通孔貫穿所形成之平坦邊緣所示為一致的紋理。第12圖顯示藉由改變該去角速度(定義為CO2光束掃瞄速度)的方式，可以改變該等去角邊緣的性質：去角角度、該平坦面的寬度(A)或高度/寬度(B/C)。藉由改變CO2雷射掃瞄速度，沈積至該材料上的雷射能量速率便改變，而該熱梯度的特性(例如，空間延伸範圍、溫度範圍)也被改變。藉由較快的一度雷射，該裂紋線變得較淺，且剝除的材料狹條也變得較窄及較淺。在第12圖所示的範例中該去角速度係自3m/min至10m/min的變化。該CO2雷射具有的峰值功率為200W，並被設定為30kHz的重覆率，具有2.9μs的脈衝寬度，其產生由大約9%工作循環，大約18W所控制的CO2輸出功率。
用於剝除的CO 2 雷射條件
雷射為200W的完全功率雷射
雷射移動速度：3m/min(50mm/sec)
雷射功率等於100%
脈衝延時為2.9μs
雷射調變頻率為30kHz
雷射工作循環為2.9/33μs，等於9%的工作(大約18W輸出)
雷射光束散焦等於0.7mm
方法2B：
在此範例中，去角方法1的皮秒貫穿部分係與去角方法2A的熱剝除結合，以建立一種由該等缺陷線平面所引導具有分離效果的控制剝除。如第11A圖與第11B圖所示，發生直角角落的剝除。然而，剝除與脫離可能不會沿著該缺陷平面完全進行，因為該軟化區域中的熱梯度提供一種次要驅動力，其可能影響脫離路徑。根據該缺陷平面與由該熱梯度所定義之裂隙線之間的相對位置，可以沿著該裂紋線發生較大或較小範圍的分離。第11B圖描繪一範例，其中該剝除路徑的一部分自該等缺陷線所定義的路徑偏離。該偏離沿著該邊緣的平坦部分最為突出。然而，應該可以在該等缺陷線平面處以適宜的缺陷線特徵及利用該CO2雷射進行適宜加熱的方式，分離該角落。
犧牲邊緣：
甚至如果該剝除剝離並不完全依循著該缺陷線平面時，於該剝離內側的殘餘缺陷線的存在也可能是有益的，因為其可以在該邊緣受衝擊時制動該形成裂隙的傳播。在此情況中，該等殘餘內部缺陷線平面可用做為傷害制動位置，效果為建立該基材材料該區域的「犧牲」邊緣部分，其位於該等殘餘內部缺陷線的表面側上。實際上，犧牲邊緣包含在該 分離邊緣內部側上的殘餘內部缺陷線(或為交叉而在該實際邊緣內側形成一種更複雜內部斜角的一組殘餘內部缺陷線)，其建立可為一種改良該去角部分可靠度的方法，而不需要再該部分外側邊緣上產生一實體去角特徵，也不需要進行用於建立該特徵的機械研磨及拋光。第13圖中圖示此形式犧牲邊緣的某些選擇。因為上述的皮秒雷射處理以最高為1m/s的速度於一單一通過中產生一缺陷線，其非常容易且符合成本效益的建立多數額外的「傷害終止」線。當遭受應力時，例如遭受一衝擊力時，該玻璃將沿著該犧牲邊緣分離，並避免自該衝擊產生的裂隙傳播至該部分的內部，因此使該部分能完美平衡。
去角方法3：
最後，由該等缺陷線形成之外設玻璃邊緣部件的分離，必需要利用應用該CO2雷射或應用機械力量的方式完成。在許多情況中，自一玻璃基材所分離的玻璃部分係被傳送至一離子交換處理中進行化學強化。離子交換本身可以形成足夠的應力，以在該部分的去角區域或角落處驅使剝除或分離。將新離子引入至該玻璃表面之中可以產生足夠的應力，以造成該外側角落部件剝除或分離。此外，在離子交換處理中使用的高溫度鹽浴可以提供足夠的熱應力，以引致沿著該裂紋線的剝除或分離，以提供一種去角或是成形的邊緣。在任一情況中，該最終結果係為一邊緣將更緊密的依循該等內部缺陷線，以營成所需要的去角形狀(參考第14圖)。
此外或替代的，在酸溶液(例如，1.5M的氟化氫與 0.9M的硫酸溶液)中進行該部分的蝕刻可以形成足夠的應力，以使該外側角落部件剝除或分離。
如同在標題為Laser Cutting of Display Glass Compositions(美國臨時專利申請序列案號62/023471)的申請案中敘述，在此敘述的該等去角方法也可應用於Corning® Eagle XG®(除了包含離子交換的方法以外)玻璃。
以上敘述的該等方法提供下述優點，其可以解釋為強化雷射處理能力及成本節省，並因此降低製造成本。在目前的具體實施例中，該等切割與去角處理提供：將具有多數去角邊緣的部分去角或完全切割：本發明揭示方法能夠以乾淨及受控制的形式，完全的分離/切割Gorilla® Glass及其他形式的透明玻璃(強化或未強化)。完全分離及/或邊緣去角則可使用許多方法論證。利用去角方法1，該部分係切割為所需尺寸，或以一去角邊緣自該玻璃基質分離，原則上不需要其他的後處理。利用去角方法2，該部分已經利用先前存在的平坦邊緣切割為所需尺寸，而該雷射係用於將該等邊緣去角。
降低次表面缺陷：利用去角方法1，由於雷射與材料之間的超短脈衝互動，因此只存在極少的熱互動，並因此存在一最小的熱影響區域，此熱影響區域可能形成不想要的應力與微裂隙的發生。此外，使該雷射光束聚焦至該玻璃之中的光學元件，於該部分的表面上形成直徑一般為2至5μm的多數缺陷線。在分離之後，該次表面傷害可降低至小於30μm。這對於該部分的邊緣強度有極大的影響，並降低進一 步研磨及拋光該等邊緣的需要，當該部分遭受張力應力時，這些次表面傷害可能生長並演變成為微裂隙，並減弱該邊緣的強度。
處理清潔性：去角方法1能以乾淨及受控制的形成將玻璃去角。使用傳統燒蝕處理進行去角係非常有問題的，因為產生的大量的碎屑。所述燒蝕產生碎屑具有問題，因為即使利用各種清潔與清洗協定也可能難以移除。任何的黏著微粒都可能造成後續處理的缺陷，其中該玻璃係經塗佈或金屬化以產生薄膜電晶體等等。本發明揭示方法中該雷射脈衝的特性以及與該材料之間的誘導性互動則可避免此問題，因為其在一非常短的時間規模中發生，而該材料對該雷射輻射的透明度使該引致的熱效果最小化。因為該缺陷線係被建立於該物體之中，在切割步驟期間碎屑與黏著顆粒的存在則能實質消除。如果存在任何由該建立缺陷線所形成的微粒，將被保留至該部分被分離為止。
處理步驟的消減
從來源玻璃平板將玻璃板製成為最終尺寸與形狀的處理，涉及到許多步驟，其包含切割該平板、切割成為所需尺寸、完工與邊緣成形、使該等部分薄化成為目標厚度、拋光，以及在甚至某些情況中需要進行化學強化。任何這消步驟的消減在處理時間與資本支出方面都能改進製造成本。本發明的方法可以減少步驟數量，例如： 減少碎屑與邊緣缺陷的產生-潛在的消除了清理與乾燥工作台 直接將該樣本切割成為具有成形邊緣、形狀與厚度的最終尺寸-降低或消除了機械完工產線的需要，以及與產線相關的大量且無法提高價值的成本。
所有專利的相關教導、公開申請與在此印用的參考文獻，於此整合其全部公開內容作為參考。
雖然在此已經敘述多數示例具體實施例，但該領域技術人員將可瞭解在不背離由該等申請專利範圍所涵蓋之本發明觀點下，可在其中進行形式與細節的各種變化。

Claims (10)

  1. 一種雷射處理的方法，該方法包括以下步驟：將一脈衝雷射光束聚焦於一雷射光束聚焦線之中；引導該雷射光束聚焦線以對於一材料之一第一入射角度進入該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線；將該材料與該雷射光束相對於彼此轉換，藉此以該第一角度於該材料中沿著一第一平面形成複數個缺陷線；引導該雷射光束聚焦線以對於該材料之一第二入射角度進入該材料之中，該雷射光束聚焦線於該材料中產生一誘導性吸收，該誘導性吸收沿著該雷射光束聚焦線於該材料中製造一缺陷線；以及將該材料或該雷射光束相對於彼此轉換，藉此以該第二角度於該材料中沿著一第二平面形成複數個缺陷線，該第二平面與該第一平面交叉。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該材料沿著該第一平面與該第二平面分離，以定義一去角邊緣。
  3. 如請求項1或2所述之方法，進一步包括以下步驟：利用建立熱應力的方式沿著該第一平面與該第二平面分離該材料，其利用以下方式建立熱應力：沿著在該材料中該第一角度處的該第一平面，引導一紅 外線(IR)雷射光束覆蓋該複數個缺陷線；以及沿著在該材料中該第二角度處的該第二平面，引導該紅外線雷射光束覆蓋該複數個缺陷線。
  4. 如請求項1或2所述之方法，進一步包括以下步驟：利用對該材料加一離子交換處理的方式，沿著該第一平面與第二平面分離該材料。
  5. 如請求項1或2所述之方法，其中該脈衝雷射光束的脈衝延時係於介在大於大約1皮秒及小於大約100皮秒之間的範圍中。
  6. 如請求項1或2所述之方法，其中該雷射光束聚焦線具有的平均光點直徑係於介在大約0.1微米及大約5微米之間的範圍中。
  7. 如請求項1或2所述之方法，其中該脈衝雷射光束具有經選擇的波長，因此該材料在此波長時基本上為透明的。
  8. 如請求項1或2所述之方法，其中該雷射光束聚焦線具有的長度係於介在大約0.1毫米及大約100毫米之範圍中。
  9. 一種玻璃製品包含至少一去角邊緣，該去角邊緣具有複數個缺陷線，該等缺陷線延伸至少250微米，該等缺陷線的 每一個都具有小於或等於大約5微米的直徑。
  10. 如請求項9之玻璃製品，其中該去角邊緣具有深度最多為小於或等於大約75微米的次表面傷害。
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