TW201919807A - 用於同步多雷射處理透明工件的設備及方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於雷射處理透明工件的方法，該方法包括將由脈衝雷射束源所輸出的脈衝雷射束聚焦到導向透明工件中的脈衝雷射束焦線中，從而在透明工件上形成脈衝雷射束點，並且在透明工件內產生缺陷，將紅外雷射束輸出導向透明工件上，以形成環形紅外光束點，該環形紅外光束點在成像表面處環繞脈衝雷射束點並且加熱透明工件。此外，該方法包括將透明工件和脈衝雷射束焦線沿著分離路徑相對於彼此平移，並且同步於透明工件和脈衝雷射束焦線相對於彼此的平移，來將透明工件和環形紅外光束點沿著分離路徑相對於彼此平移。

Description

用於同步多雷射處理透明工件的設備及方法
本案根據35 U.S.C第119節主張2017年8月11日所提交的美國臨時申請案第62/544,208號的優先權權益，該美國臨時申請案的內容作為本案基礎並且以引用方式整體併入本文。
本說明書大體係關於用於雷射處理透明工件的設備和方法，而更特定言之係關於分離透明工件。
雷射處理材料的領域包括涉及不同類型的材料的切割、鑽孔、銑削、焊接、熔化等的各種應用。在該等處理中，特別受關注的是在處理中切割或分離不同類型的透明基板，該處理可用於產生用於薄膜電晶體(TFT)的諸如玻璃、藍寶石或熔融石英的材料或用於電子裝置的顯示材料。
從處理發展和成本的角度來看，對於切割和分離玻璃基板存在許多改進的機會。與目前在市場上實踐的方法相比，具有更快、更清潔、更便宜、更可重複且更可靠的分離玻璃基板的方法是非常有意義的。因此，需要用於分離玻璃基板的替代改進方法。
根據一個實施例，一種用於雷射處理透明工件的方法包括以下步驟：將由脈衝雷射束源所輸出的脈衝雷射束聚焦到脈衝雷射束焦線中，將該脈衝雷射束焦線沿著束傳播方向定向以及導向到該透明工件中，從而在該透明工件的成像表面上形成脈衝雷射束點。該脈衝雷射束焦線在該透明工件內產生誘導吸收，並且該誘導吸收在該透明工件內沿著該脈衝雷射束焦線產生缺陷。該方法亦包括以下步驟：將由紅外光束源所輸出的紅外雷射束導向到該透明工件上，使得該紅外雷射束在該成像表面上形成環形紅外光束點。該環形紅外光束點環繞在該成像表面處的該脈衝雷射束點，並且該紅外雷射束加熱該透明工件。進一步，該方法包括以下步驟：沿著分離路徑將該透明工件和該脈衝雷射束焦線相對於彼此平移，從而雷射形成複數個缺陷，該複數個缺陷沿著該分離路徑在該透明工件內界定輪廓線，並且同步於該透明工件和該脈衝雷射束焦線相對於彼此的平移，沿著該分離路徑將該透明工件和該環形紅外光束點相對於彼此平移，使得該環形紅外光束點在該透明工件和該脈衝雷射束焦線的相對運動期間環繞該脈衝雷射束點，並且沿著該輪廓線或在該輪廓線附近照射該透明工件，以沿著該輪廓線分離該透明工件
在另一實施例中，一種用於雷射處理透明工件的方法包括以下步驟：將由脈衝雷射束源所輸出的脈衝雷射束聚焦到脈衝雷射束焦線中，將該脈衝雷射束焦線沿著束傳播方向定向以及導向到該透明工件中，從而在該透明工件的成像表面上形成脈衝雷射束點。該脈衝雷射束焦線在該透明工件內產生誘導吸收，並且該誘導吸收在該透明工件內沿著該脈衝雷射束焦線產生缺陷。該方法亦包括以下步驟：將由紅外光束源所輸出的紅外雷射束導向到該透明工件上，使得該紅外雷射束在該成像表面上形成紅外光束點。將該紅外光束點與該成像表面處的該脈衝雷射束點隔開間隔距離，並且該紅外雷射束加熱該透明工件。進一步，該方法包括以下步驟：沿著分離路徑將該透明工件和該脈衝雷射束焦線相對於彼此平移，從而雷射形成複數個缺陷，該複數個缺陷沿著該分離路徑在該透明工件內界定輪廓線，並且同步於該透明工件相對於該脈衝雷射束焦線的平移，沿著該分離路徑將該透明工件和該紅外光束點相對於彼此平移，使得該脈衝雷射束點在該透明工件和該脈衝雷射束焦線的相對運動期間保持與該紅外光束點隔開該間隔距離，並且沿著該輪廓線或在該輪廓線附近照射該透明工件，以沿著該輪廓線分離該透明工件。
本文所述的處理和系統的額外特徵和優點將在下面的詳細描述中闡述，並且部分對於本領域具有通常知識者而言從該描述將是顯而易見的，或藉由實踐本文所述的實施例來認識，包括下面的詳細描述、申請專利範圍及附圖。
要理解的是，前面的一般描述和下面的詳細描述都描述了各種實施例，並且意圖提供用於理解所主張標的之本質和特性的概述或架構。包括附圖，以提供對各種實施例的進一步理解，並且併入和構成本說明書的一部分。附圖圖示了本文所述的各種實施例，並且與說明書一起用於解釋所主張標的之原理和操作。
現在將詳細參考用於雷射處理透明工件(諸如，玻璃工件)的處理的實施例，該等實施例的實例在附圖中圖示。只要有可能，在整個附圖中將使用相同的元件符號來表示相同或相似的部分。根據本文所述的一個或多個實施例，可雷射處理透明工件，以將透明工件分離成兩個或更多個部分。通常，該處理涉及至少形成包括透明工件中的缺陷的輪廓線，並且藉由使透明工件在輪廓線處或輪廓線附近經受紅外雷射束，來沿著輪廓線分離透明工件。例如，脈衝雷射束可用於在透明工件中產生一系列缺陷，從而界定輪廓線。該等缺陷在本文中可稱為透明工件中的穿孔或奈米穿孔。
隨後可利用紅外光雷射，來加熱鄰近及/或沿著輪廓線的透明工件的區域，以在輪廓線處分離透明工件。沿著輪廓線的分離可能是由透明工件中的機械應力來引起，該機械應力是由透明工件在其不同部分處的溫度差異來引起，該等溫度差異是由來自紅外雷射束的加熱來引起。此外，在本文所述的實施例中，雷射形成複數個缺陷以及用紅外雷射束加熱該等缺陷可在單一而同步的步驟中發生。在一些實施例中，紅外雷射束可在透明工件上形成紅外光束點(其在一些實施例中可為環形紅外光束點)，並且可將脈衝雷射束導向透明工件中，使得紅外光束點(例如，環形紅外光束點)圍繞(例如，環繞)在透明工件的成像表面上的由脈衝雷射束所形成的脈衝雷射束點。在其他實施例中，紅外雷射束可在透明工件上形成紅外光束點，並且可將脈衝雷射束導向透明工件中，使得由脈衝雷射束所形成的脈衝雷射束點與紅外雷射束隔開間隔距離。在該等實施例的每一者中，缺陷線是由脈衝雷射束來形成以及由紅外雷射束來分離，並且透明工件是由透明工件與脈衝雷射束和紅外雷射束兩者之間的同步相對運動而沿著缺陷線來分離。本文將特別參考附圖來描述用於分離透明工件的方法和設備的各種實施例。
根據一個或多個實施例，本揭示提供了用於處理透明工件的方法。如本文所用，「雷射處理」可包括在透明工件中形成輪廓線、分離透明工件或其組合。如本文所用的用語「透明工件」意味著由透明的玻璃、玻璃陶瓷或半導體材料所形成的工件，其中如本文所用的術語「透明」意謂材料具有每毫米材料深度是小於約10%的光學吸收，諸如針於特定的脈衝雷射波長的每毫米材料深度是小於約1%。根據一些實施例，透明工件的至少一部分(諸如分離的部分)具有小於約5×10-6 /K的熱膨脹係數，諸如小於約4×10-6 /K或小於約3.5×10-6 /K。例如，透明工件可具有約3.2×10-6 /K的熱膨脹係數。透明工件可具有自約50微米至約10毫米(諸如自約100微米至約5毫米或自約0.5毫米至約3毫米)的厚度。
透明工件可包括由玻璃組合物所形成的玻璃工件，諸如硼矽酸鹽玻璃、鈉鈣玻璃、鋁矽酸鹽玻璃、鹼金鋁矽酸鹽、鹼土鋁矽酸鹽玻璃、鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃、熔融石英或晶體材料(諸如，藍寶石、矽、砷化鎵或其組合)。在一些實施例中，玻璃可以是可離子交換的，使得玻璃組合物可在雷射處理透明工件之前或之後進行離子交換以用於機械強化。例如，透明工件可包括已離子交換和可離子交換的玻璃，諸如可從紐約州的康寧公司獲得的Corning Gorilla® Glass (例如，代碼2318、代碼2319及代碼2320)。此外，該等可離子交換的玻璃可具有自約6ppm/℃至約10ppm/℃的熱膨脹係數(CTE)。在一些實施例中，透明工件的玻璃組合物可包括大於約1.0摩耳%的硼及/或含硼的化合物，包括但不限於B2 O3 。在另一實施例中，形成透明工件的玻璃組合物包括小於或等於約1.0摩耳%的硼氧化物及/或含硼的化合物。此外，透明工件可包括對雷射的波長為透明的其他部件，例如，諸如藍寶石或硒化鋅的晶體。
一些透明工件可用作顯示器及/或TFT(薄膜電晶體)基板。適用於顯示器或TFT使用的此種玻璃或玻璃組合物的一些實例是可從紐約州的康寧公司獲得的EAGLE XG®、CONTEGO和CORNING LOTUSTM 。可將鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃組合物配製成適用作電子應用的基板，包括但不限於TFT的基板。與TFT結合使用的玻璃組合物典型地具有與矽的CTE類似的CTE(諸如，小於5×10-6 /K或甚至小於4×10-6 /K，例如約3×10-6 /K或約2.5×10-6 /K至約3.5×10-6 /K)，並且在玻璃內具有低鹼度。低鹼度(例如，痕量，為約0wt.%至2wt.%，諸如小於1wt.%，例如小於0.5wt.%)可用於TFT應用，因為鹼性摻雜劑(在某些條件下)從玻璃中浸出以及污染或「毒化」TFT，可能使TFT無法操作。根據實施例，本文所述的雷射切割處理可用於以受控方式分離透明工件，而具有可忽略的碎屑、最小缺陷及對邊緣的低子表面的損害，保持工件完整性和強度。
本文所用的用語「輪廓線」表示在透明工件的表面上的預期分離的線(例如，線、曲線等)，在暴露於適當的處理條件下，透明工件將沿著該線分離成多個部分。輪廓線通常由使用各種技術來引入透明工件中的一個或多個缺陷組成。如本文所用，「缺陷」可包括在透明工件中的修改材料(相對於散裝材料)的區域、空隙空間、划痕、裂紋、孔洞或其他變形，其可藉由用脈衝雷射束對透明工件進行照射來形成。輪廓線的缺陷使得透明工件能夠藉由額外的熱處理(諸如，藉由紅外光雷射處理(如本文所述)、機械應力或在沒有進一步加熱或機械分離步驟的情況下發生的自發斷裂)沿著輪廓線分離透明工件，此是由於透明工件160中存在的應力，該應力取決於透明工件160的類型、厚度及結構(例如，具有高CTE的透明工件160可能在形成輪廓線之後經歷自發斷裂)。此外，亦如本文所用，透明工件的「成像表面」是透明工件的表面，脈衝雷射束在該表面處最初接觸該透明工件。
可藉由在透明工件的表面上形成輪廓線以及隨後沿著輪廓線加熱透明工件的表面以產生在透明工件中的熱應力，將諸如玻璃基板等的透明工件分離成多個部分。應力最終導致透明工件沿著輪廓線的分離(例如，自發分離)。加熱透明工件的表面可例如使用紅外光雷射進行。此外，形成包括缺陷的輪廓線以及沿著輪廓線加熱透明工件的表面可以是藉由透明工件與脈衝雷射束和紅外雷射束兩者之間的同步相對運動。可藉由將輪廓線的形成與輪廓線的後續加熱同步，來減少用於分離透明工件的雷射處理時間(例如，節拍時間)，例如減半。
現在參照圖1A和圖1B，舉例而言，示意性地描繪了根據本文所述的方法經歷同步缺陷形成和分離的透明工件160(諸如，玻璃工件或玻璃陶瓷工件)。如所繪，將輪廓線170沿著分離路徑165形成在透明工件160中，分離路徑165是預期分離線，將透明工件160圍繞該預定分離線分離成兩個或更多個部分。輪廓線170包括在透明工件160中的一系列缺陷172，並且每個缺陷172可藉由將脈衝雷射束焦線113(圖2和圖3)導向透明工件160中來形成。脈衝雷射束焦線113包括脈衝雷射束112的一部分(圖2和圖3)，該部分在透明工件160的成像表面162上形成脈衝雷射束點114。在2015年12月17日所公開的美國專利申請公開第2015/0360991號中揭示了用於形成「穿孔」輪廓線的一些示例性方法和設備(例如，在透明工件160中形成輪廓線170)，藉由引用方式將其整體併入本文。儘管將輪廓線170在圖1A和圖1B中描繪為基本上線性的，但應理解的是，可想到其他的配置以及可能包括但不限於曲線、圖案、規則幾何形狀、不規則形狀等。如本文所指出，可由紅外雷射束212(圖2A、圖2B及圖3)加熱輪廓線170的缺陷172，以誘導透明工件160沿著輪廓線170的分離。如圖1A和圖1B所繪，紅外雷射束212在透明工件160的成像表面162上形成紅外光束點214。
輪廓線170可包括在透明工件160內延伸的線形缺陷(例如，缺陷172)，例如，從成像表面162延伸到透明工件160中，並且勾畫分離的工件的所需的形狀以及建立用於裂縫傳播的路徑，並且因此將透明工件160分離成沿著輪廓線170的分離部分。為了形成輪廓線170，可用脈衝雷射束112照射透明工件160(圖2A、圖2B及圖3)，脈衝雷射束112可包括在波長為1064nm或低於1064nm的超短脈衝雷射束(亦即，具有小於100psec的脈衝寬度)，將超短脈衝雷射束會聚成高縱橫比的線聚焦(亦即，圖2A、圖2B及圖3的脈衝雷射束焦線113)，該線焦點穿透透明工件160的至少一部分厚度。在該高能量密度的體積內，經由非線性效應(例如，藉由雙光子吸收)來修改沿著輪廓線170的透明工件160的材料，特定而言是在透明工件160的材料中產生缺陷172。可藉由在所需的線或路徑(亦即，分離路徑165)上方掃描脈衝雷射束112，來形成界定輪廓線170的窄線缺陷(例如，數微米寬)。該輪廓線170可界定在後續加熱步驟中與透明工件160分離的周邊或形狀。
現在參照圖1A至圖3，同步於透明工件160中的輪廓線170的形成，可利用諸如紅外雷射束212的熱源，來沿著輪廓線170分離透明工件160。根據實施例，熱源可用於產生熱應力，並且從而在輪廓線170處分離透明工件160。如下文更詳細所述，可將紅外雷射束212沿著輪廓線170的相對移動與脈衝雷射束112沿著分離路徑165的相對移動進行同步，使得輪廓線170的形成和分離可發生在單次經過(亦即，將脈衝雷射束112與紅外雷射束212沿著分離路徑165進行單次同步穿過)。
紅外雷射束212包括由紅外雷射束源210所產生的雷射束，諸如二氧化碳雷射(「CO2 雷射」)、一氧化碳雷射(「CO雷射」)、固態雷射、雷射二極體或其組合，是受控熱源，該受控熱源在輪廓線170處或輪廓線170附近快速增加透明工件160的溫度。此快速加熱可在透明工件160中在輪廓線170上或相鄰於輪廓線170建立壓縮應力。因為被加熱的玻璃表面的區域比透明工件160的總表面區域相對較小，所以被加熱區域相對快速地冷卻。所得溫度梯度在透明工件160中誘導拉伸應力，所述拉伸應力足以沿著輪廓線170和穿過透明工件160的厚度傳播裂縫，導致透明工件160沿著輪廓線170的完全分離。不受理論束縛，據信，拉伸應力可由透明工件160的部分玻璃在較高的局部溫度下的膨脹(亦即，密度改變)來引起。
仍然參照圖1A至圖3，在本文所述的實施例中，可將紅外雷射束212導向透明工件160上(從而將紅外光束點214投射到透明工件160上)以及在處理方向10上沿著輪廓線170相對於透明工件160平移。在操作中，藉由用紅外雷射束212加熱輪廓線170(例如，藉由穿過紅外光束點214)，來形成輪廓線170的分離部分164，從而引起裂縫沿著輪廓線170傳播以及穿過其厚度，引起分離發生。當其在處理方向10上移動時，輪廓線170的分離部分164落後紅外光束點214。根據一個或多個實施例，紅外雷射束212可藉由透明工件160的運動、紅外雷射束212的運動(亦即，紅外光束點214的運動)或透明工件160和紅外雷射束212兩者的運動來跨透明工件160平移。可藉由相對於透明工件160平移紅外光束點214，將透明工件160沿著輪廓線170分離。
儘管不意圖受限於理論，但是在輪廓線170的兩側上加熱透明工件160產生熱應力，以促進透明工件160沿著輪廓線170的分離。然而，儘管被賦予到透明工件160以促進沿著輪廓線170的分離的總能量可以與彷彿紅外雷射束212以最大強度被直接聚焦在輪廓線170上(例如，高斯束輪廓)相同，但是在輪廓線170的兩側上加熱透明工件(而不是直接在輪廓線170上以最大強度)將總熱能量擴散到更大的區域，從而減輕了由於過熱而橫向於輪廓線170的裂縫的形成，並且亦減少或甚至減輕了相鄰於輪廓線170或在輪廓線170處的透明工件160的材料的熔化。實際上，在輪廓線170的兩側上以最大強度來加熱透明工件160(而不是直接在輪廓線170上以最大強度)可實際上允許更大的總熱能量被引入透明工件160中而不會形成非期望的橫向裂縫及/或熔化，從而能夠雷射分離由具有相對低CTE的材料形成的透明工件160。
在一些實施例中，用於促進分離的紅外雷射束212的紅外光束點214可包括環形束輪廓(例如，環形紅外光束點)，諸如圖1A和圖1B中所繪的圓形對稱束輪廓，用以將更大的能量傳遞到與輪廓線170相鄰的區域上而非直接傳遞到輪廓線170上以及亦允許紅外光束點214在透明工件160的成像表面162處環繞脈衝雷射束112(亦即，在圖1A所繪的實施例中環繞脈衝雷射束點114)。因此，紅外光束點214促進了透明工件160沿著輪廓線170的同步形成和分離。如圖1A和圖1B所繪，在紅外光束點214包括環形紅外光束點的實施例中，紅外光束光點214包括內徑216和外徑218。此外，如本文所用，(例如，環形紅外光束光點的)環形束輪廓指的是，通常具有遠離束的中心的最大強度以及相對於最大強度在束的中心處具有強度槽的任何雷射束輪廓。該槽可包括在束的中心處完全缺乏能量(亦即，束的強度在束的中心處為0)。再者，儘管將紅外光束點214在圖1A和圖1B中描繪為包括圓形環(例如，相對於輪廓線170圓形地對稱)，但是應理解的是，可想到其他環形束輪廓，諸如蛋形、橢圓形、利薩茹圖案、複數個離散點、複數個環等。此外，應理解的是，在一些實施例中，紅外光束點214可包括非環形，諸如高斯束點，包括那不包括內徑216以及在外徑218內的基本上所有位置處投射雷射能量。
再次參照圖1A和圖1B，輪廓線170的缺陷172的同步形成可包括在脈衝雷射束點114和紅外光束點214沿著分離路徑165彼此靠近來定位的佈置中，在透明工件160與脈衝雷射束點114和紅外光束點214兩者之間的同步相對運動。為促進同步相對運動，可將脈衝雷射束點114(以及從而脈衝雷射束焦線113)以與紅外光束點214與透明工件160之間的相對運動的速度相等的速度來平移。例如，在透明工件160與紅外光束點214和脈衝雷射束點114中的每一者之間的相對平移可以是自約1mm/s至約10m/s，諸如約2mm/s、5mm/s、10mm/s、25mm/s、50mm/s、75mm/s、100mm/s、250mm/s、500mm/s、750mm/s、1m/s、2.5m/s、5m/s、7.5m/s等。
如圖1A所繪，在一些實施例中，紅外光束點214可包括環形紅外光束點以及可環繞在透明工件160的成像表面162上的脈衝雷射束點114(如圖1A所繪)。當紅外光束點214環繞脈衝雷射束點114時，透明工件160沿著輪廓線170的同步形成和分離包括同步於透明工件160和脈衝雷射束點114(以及從而脈衝雷射束焦線113)相對於彼此的平移，將透明工件160和紅外光束點214沿著分離路徑165(例如，在處理方向10上)相對於彼此平移，使得紅外光束點214在透明工件160與脈衝雷射束點114(以及從而脈衝雷射束焦線113)的相對運動期間環繞脈衝雷射束點114。在圖1所繪的實施例中，脈衝雷射束點114和紅外光束點214是同軸的(亦即，兩者共享共同的中心點)。然而，應理解的是，可將脈衝雷射束點114定位在紅外光束點214的內徑216內的任何位置，而同時仍然環繞脈衝雷射束點114。此外，在一些實施例中，可將脈衝雷射束點114定位在紅外光束點214的內徑126內，使得脈衝雷射束點114和紅外光束點214的最接近部分離脈衝雷射束點114約3mm或更多，例如4mm或更多、5mm或更多、6mm或更多等。
現在參照圖1B，在一些實施例中，紅外光束點214可與脈衝雷射束點114隔開間隔距離15，使得紅外光束點214沿著處理方向10落後脈衝雷射束點114。脈衝雷射束點114和紅外光束點214之間的間隔距離15可以是自約1μm至約100mm，例如約2μm，5μm、10μm、25μm、50μm、100μm、250μm、500μm、1mm、2mm、5mm、10mm、25mm、50mm、75mm等。當紅外光束點214與脈衝雷射束點114是隔開間隔距離15時，透明工件160沿著輪廓線170的同步形成和分離包括同步於透明工件160和脈衝雷射束點114(以及從而脈衝雷射束焦線113)相對於彼此的平移，將透明工件160和紅外光束點214沿著分離路徑165(例如，在處理方向10上)相對於彼此平移，使得在透明工件160和脈衝雷射束點114(以及從而脈衝雷射束焦線113)的相對運動期間，紅外光束點214與脈衝雷射束點114保持隔開間隔距離15，並且沿著輪廓線170或在輪廓線170附近照射透明工件160，以沿著輪廓線170分離透明工件160。此外，儘管將紅外光束點214在圖1B中描繪為環形紅外光束點，但是在紅外光束點214與脈衝雷射束點114隔開間隔距離15的實施例中，紅外光束點214可包括非環形，例如高斯束點。
儘管圖1A和圖1B描繪了脈衝雷射束點114和紅外光束點214在透明工件160的成像表面162上不重疊的實施例，但是在其他實施例中，脈衝雷射束點114和紅外光束點214可重疊。例如，在透明工件160包括低CTE的實施例中，脈衝雷射束點114和紅外光束點214可重疊，並且透明工件160沿著輪廓線170的同步形成和分離可包括同步於透明工件160和脈衝雷射束點114(以及從而脈衝雷射束焦線113)相對於彼此的平移，將透明工件160和紅外光束點214沿著分離路徑165(例如，在處理方向10上)相對於彼此平移，而同時紅外光束點214保持與脈衝雷射束點114的重疊。儘管不意圖受限於理論，但是當透明工件160包括低CTE時，將最小化脈衝雷射束112與透明工件160處的紅外雷射束212之間的干擾，最小化由紅外雷射束212和脈衝雷射束112所照射的透明工件160的局部部分的折射率的不想要的改變。
再次參照圖1A和圖1B，將內徑216界定為86%的束能量是在離束中心的距離之外部的距離的兩倍(亦即，半徑)。類似地，將外徑218界定為86%的束能量是在離束中心的距離之內部的距離的兩倍(亦即，半徑)。根據實施例，外徑218可以是自約0.5mm至約30mm，諸如自約1mm至約10mm、自約2mm至約8mm或自約3mm至約6mm。內徑216可以是自約0.01mm至約15mm、自約0.1mm至約10mm或自約0.7mm至約3mm。例如，內徑216可以是外徑218的自約5%至約95%，諸如外徑218的自約10%至約50%、自約20%至約45%或自約30%至約40%。根據一些實施例，來自紅外雷射束212的最大功率(以及透明工件160中的最大溫度)可以是離輪廓線170約等於約內徑216的一半的距離。
現在參照圖2A和圖2B，示意性地描繪了用於輪廓線170的同步形成和分離的光學系統100。光學系統100包括脈衝束光學組件101和紅外光束光學組件201(圖2A)或201'(圖2B)。脈衝束光學組件101包括脈衝雷射束源110和一個或多個光學部件，用於將脈衝雷射束112形成為脈衝雷射束焦線113，使得脈衝雷射束焦線113可在透明工件160中形成輪廓線170的缺陷172。紅外光束光學組件201、201'包括用於產生紅外雷射束212的紅外雷射束源210(圖2B中未圖示)以及包括用於將紅外雷射束導向透明工件160的成像表面162上的一個或多個光學部件。如圖2A和圖2B所繪，脈衝束光學組件101可包括用於容納和物理耦合脈衝束光學組件101的部件的殼體102，並且紅外光束光學組件201、201'可包括用於容納和物理耦合紅外光束光學組件201、201'的部件的殼體202、202'。
光學系統100進一步可包括安裝單元182，並且可將脈衝束光學組件101的殼體102和紅外光束光學組件201的殼體202、202'兩者耦合到安裝單元182，例如可移動地耦合到安裝單元182，以促進由脈衝束光學組件101的脈衝雷射束源110所產生的脈衝雷射束112的平移運動以及由紅外雷射束源210所產生的紅外雷射束212的平移運動。此外，光學系統100包括可平移台180。如圖2A和圖2B所繪，可將透明工件160安裝在可平移台180上，其促進透明工件160的平移運動。因此，可藉由可平移台180的移動、脈衝束光學組件101的殼體102和紅外光束光學組件201、201'的殼體202、202'沿著安裝單元182的移動、安裝單元182自身的移動或其組合，來產生在透明工件160與脈衝雷射束112和紅外雷射束212中的每一者之間的相對運動(例如，同步相對運動)。
現在參照圖2A，紅外光束光學組件201包括紅外雷射束源210、非球面光學元件220、第一平凸透鏡222、第二平凸透鏡224、束調節元件226及束導向元件230。儘管不意圖受限於理論，但是紅外雷射束212可包括具有直徑為自約8mm至約10mm(根據其1/e2 直徑)的高斯光束，並且非球面光學元件220可包括軸錐鏡透鏡，該軸錐鏡透鏡可包括具有約1.2°的角度的錐形表面，諸如自約0.5°至約5°、或自約1°至約1.5°或甚至自約0.5°至約5°(角度是相對於紅外雷射束212進入非球面光學元件220的平坦表面來量測)。非球面光學元件220(例如，軸錐鏡透鏡) 將入射的紅外雷射束212(其包括高斯束)成形為貝塞爾束。在一些實施例中，非球面光學元件220可包括折射軸錐鏡、反射軸錐鏡、W軸錐鏡、負軸錐鏡、空間光調制器、衍射光學元件、立方形光學元件或用於將高斯束成形為貝塞爾束的任何光學元件。
仍然參照圖2A，第一平凸透鏡222和第二平凸透鏡224位於非球面光學元件220的下游，使得由紅外雷射束源210所輸出的紅外雷射束212被導向穿過非球面光學元件220以及之後穿過第一平凸透鏡222和第二平凸透鏡224。如本文所用，「上游」和「下游」指的是光學組件(例如，脈衝束光學組件101或紅外光束光學組件201)的兩個位置或部件相對於束源(例如，脈衝雷射束源110或紅外雷射束源210)的相對位置。例如，若由束源所輸出的束在穿過第二部件之前穿過第一部件，則第一部件是在第二部件的上游。此外，若由束源所輸出的束在穿過第一部件之前穿過第二部件，則第一部件是在第二部件的下游。
在操作中，第一平凸透鏡222和第二平凸透鏡224準直貝塞爾束(例如，紅外雷射束穿過非球面光學元件220之後的紅外雷射束212)以及調整紅外雷射束212的(多個)直徑(例如，調整在透明工件160的成像表面162上所形成的紅外光束點214的內徑216和外徑218)。在一些實施例中，第一平凸透鏡222可具有自約50mm至約200mm(諸如，自約50mm至約150mm或自約75mm至約100mm)的焦距，並且第二平凸透鏡224的焦距可小於第一平凸透鏡222的焦距，諸如自約25mm至約50mm。
束導向元件230可包括鏡子或其他反射部件、可旋轉掃描器(諸如，檢流計掃描鏡)、2D掃描器等，或用於重導向雷射束的任何其他已知或尚待開發的光學部件。在圖2A所繪的紅外光束光學組件201的實施例中，束導向元件230位於非球面光學元件220、第一平凸透鏡222及第二平凸透鏡224的下游，使得紅外雷射束212在從第二平凸透鏡224會聚時被束導向元件230重導向。然而，在其他實施例中，束導向元件230可位於非球面光學元件220、第一平凸透鏡222及第二平凸透鏡224中之一者或多者的上游。
如圖2A所繪，將束導向元件230光學耦合到紅外雷射束源210，使得束導向元件230重導向(例如，反射)入射的紅外雷射束212。因此，在束導向元件230下游的紅外雷射束212的一部分在方向14上從束導向元件230傳播至透明工件160，使得紅外雷射束212以接近角θ來照射透明工件，接近角θ是在脈衝雷射束112的束傳播方向(亦即，方向12)與束導向元件230下游的紅外雷射束212的束傳播方向(亦即，方向14)之間的角度差。在一些實施例中，接近角θ可以是自約30°至約75°、自約40°至約65°等，諸如約30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°等。此外，接近角θ與脈衝雷射束112的束傳播方向(亦即，方向12)不平行。因此，可將紅外光束光學組件201和脈衝束光學組件101的部件彼此分開定位，並且紅外雷射束212和脈衝雷射束112不需要與在透明工件160的成像表面162上所形成的紅外光束點214同軸，以環繞在透明工件160的成像表面162上所形成的脈衝雷射束點114(圖1A)。
此外，在將脈衝雷射束點114在透明工件160的成像表面162處偏離紅外光束點214的實施例中(圖1B)，仍然有利的是，重導向紅外雷射束212，使得束導向元件230下游的紅外雷射束212的一部分以接近角θ在方向14上從束導向元件230傳播至透明工件160，因為間隔距離15(圖1B)可能太小而不能讓紅外光束光學組件201和脈衝束光學組件101形成偏移間隔距離15的兩個平行束。在其他實施例中，紅外光束光學組件201亦可包括位於束導向元件230下游的另一束導向元件，用於重定向紅外雷射束212與脈衝雷射束112平行(例如，將脈衝雷射束導向方向12上)，使得紅外雷射束212將與脈衝雷射束點114平行和偏移間隔距離15，來照射透明工件160的成像表面162。
此外，束調節元件226經配置以改變紅外雷射束212的橫截面束輪廓，(例如)以解決由以接近角θ照射透明工件160的成像表面162所引起的紅外光束點214的形狀改變。特別是，束調節元件226經配置以改變脈衝雷射束112的橫截面束輪廓，使得投射到透明工件160的成像表面162上的紅外光束點214包括所需的形狀(例如，圓形、橢圓形等)。例如，若紅外雷射束212的一部分包括在由束導向元件230重導向之後的圓形橫截面束輪廓，並且之後以接近角θ照射透明工件160的成像表面162(沒有穿過束調節元件226)，則紅外光束點214的結果形狀將不是圓形的。然而，束調節元件226可改變紅外雷射束212的橫截面束輪廓，使得紅外光束點214的結果形狀是圓形的。束調節元件226可包括圓柱形透鏡、稜鏡、衍射光學元件、望遠鏡透鏡等。如圖2A所繪，束調節元件226位於束導向元件230的下游，使得在束導向元件230重導向紅外雷射束212到方向14上之後，束調節元件226改變紅外雷射束212的橫截面束輪廓。在其他實施例中，束調節元件226可位於束導向元件230的上游，使得在束導向元件230重導向紅外雷射束212到方向14上之前，束調節元件226改變紅外雷射束212的橫截面束輪廓。
現在參照圖2B，紅外光束光學組件201'具有包括2D掃描系統的束導向元件230'。在一些實施例中，2D掃描系統230'可容納紅外光束光學組件201'的光學部件，使得2D掃描系統230'的外殼是紅外光束光學組件201'的外殼202'。在操作中，紅外雷射束212可由2D掃描系統230'來輸出以及從而被導向到透明工件160上。在一些實施例中，將2D掃描系統230'耦合到安裝單元182。例如，可將2D掃描系統230'可旋轉地耦合到安裝單元182，使得2D掃描系統230'可繞旋轉軸205旋轉。在一些實施例中，2D掃描系統230'亦可相對於透明工件160沿著Z方向平移。因此，當改變紅外雷射束212的方向14的方向(從而改變接近角θ)時，亦可改變2D掃描系統230'沿著Z方向的位置，使得紅外雷射束212可在所需的位置處照射透明工件160。此外，儘管未圖示，但是紅外光束光學組件201'進一步包括紅外雷射束源(紅外雷射束源可以是2D掃描系統230'的部件以及從而被容納在殼體202'內)。此外，2D掃描系統230'可經配置以輸出高斯紅外光束或貝塞爾紅外光束。在2D掃描系統230'輸出高斯束的實施例中，紅外光束光學組件201'可進一步包括在2D掃描系統230'內所容納的或位於2D掃描系統230'下游的非球面光學元件，用於將高斯束成形為貝塞爾束。此外，在一些實施例中，如上文相對於圖2A所述，紅外光束光學組件201'可進一步包括一個或多個透鏡(諸如，第一和第二平凸透鏡)和束調節元件。
再次參照圖2A和圖2B，用於產生脈衝雷射束112以及將脈衝雷射束112形成為脈衝雷射束焦線113的脈衝束光學組件101包括脈衝雷射束源110和非球面光學元件120。非球面光學元件120可包括軸錐鏡，諸如折射軸錐鏡、反射軸錐鏡或負軸錐鏡、W軸錐鏡、空間光調制器、衍射光學元件、或立方形光學元件。由脈衝雷射束源110所輸出的脈衝雷射束112可包括高斯束，由非球面光學元件120將該高斯束轉換為高斯-貝塞爾束。不意圖受限於理論，高斯-貝塞爾束比高斯束衍射更慢的多(例如，高斯-貝塞爾束可維持單微米直徑點尺寸，範圍是數百微米或毫米，而不是幾十微米或更小)。換言之，非球面光學元件120將脈衝雷射束112集聚為圓柱形的高強度區域和高縱橫比(長的長度和小的直徑)。由於利用集聚的雷射束來產生的高強度，當導向脈衝雷射束112到透明工件160中時(例如，當導向脈衝雷射束焦線113到透明工件160中時)，可發生雷射和工件材料的電磁場的非線性交互作用，並且可將雷射能量傳遞到透明工件，以影響缺陷的形成，該等缺陷變成輪廓線的組成部分。然而，重要的是要意識到，在雷射能量強度不高的材料區域(例如，圍繞中心會聚線的工件的玻璃體積)中，透明工件的材料很大程度上不受雷射的影響，並且沒有將能量從雷射傳遞到材料的機制。因此，當雷射強度低於非線性閾值時，直接在聚焦區域的工件沒有任何反應。
儘管非球面光學元件120可將脈衝雷射束轉換為高斯-貝塞爾束以及將脈衝雷射束112聚焦到脈衝雷射束焦線113中，但是在一些實施例中，脈衝束光學組件101可進一步包括額外的光學部件，以幫助將脈衝雷射束112形成為脈衝雷射束焦線113。例如，圖2A和圖2B所繪的脈衝束光學組件101包括第一透鏡130和第二透鏡132，兩透鏡都位於非球面光學元件的下游，以準直以及之後將脈衝雷射束112聚焦到脈衝雷射束焦線113中。在下文所述的圖4和圖5A所繪的脈衝束光學組件101的實施例中描述了其他光學部件。
此外，定位透明工件160，使得由脈衝雷射束源110所輸出的脈衝雷射束112照射透明工件160。在操作中，脈衝束光學組件101可將脈衝雷射束112形成為脈衝雷射束焦線113，可將該脈衝雷射束焦線113導向到透明工件160中，以在透明工件160內(例如，沿著分離路徑165)誘導吸收，以形成單獨的缺陷172。此外，將脈衝雷射束焦線113和透明工件160相對於彼此進行平移可形成包括複數個缺陷172的輪廓線170。
在操作中，脈衝雷射束112(例如，脈衝雷射束焦線113)可在諸如透明工件160的基本上透明的材料中產生多光子吸收(MPA)，以形成輪廓線170的缺陷172。MPA是同時吸收兩個或更多個相同或不同頻率的光子，該吸收將分子從一個狀態(通常是基態)激發到更高能量的電子態(亦即，離子化)。分子的所涉及的較低和較高狀態之間的能量差等於所涉及的光子的能量之和。MPA(亦稱為誘導吸收)可以是二階或三階處理(或更高階)，例如比線性吸收弱幾個數量級。MPA與線性吸收的不同之處在於，(例如)二階誘導吸收的強度可正比於光強度的平方，並且因此MPA是非線性光學處理。
現在參照圖3，更詳細地描繪了藉由脈衝雷射束112和紅外雷射束212進行雷射處理以同步形成輪廓線170以及沿著輪廓線170分離透明工件160的透明工件160。儘管不意圖受理論束縛，但是據信，由超短脈衝雷射(例如，脈衝雷射束112的脈衝雷射束焦線113)所產生的缺陷172的高縱橫比促進缺陷172從透明工件160的頂表面到底表面的延伸(亦即，從成像表面162到第二表面163)。原則上，該缺陷可由單一脈衝來產生，並且若需要，則可使用額外的脈衝，來增加受影響區域的延伸(深度和寬度)。在實施例中，脈衝雷射束焦線113的長度可在自約0.1mm至約10mm或自約0.5mm至約5mm的範圍內，例如約1mm、約2mm、約3mm、約4mm、約5mm、約6mm、約7mm、約8mm或約9mm，或者長度在自約0.1mm至約2mm或自0.1mm至約1mm的範圍內。在實施例中，脈衝雷射束焦線的平均點直徑可在自約0.1微米至約5微米的範圍內。每個缺陷172的直徑可在自約0.1微米至30微米，例如自約0.25微米至約5微米(例如，自約0.25微米至約0.75微米)。
儘管輪廓線可以是線性的(如同圖1A、圖1B及圖3所示的輪廓線170)，但是輪廓線亦可以是非線性的(亦即，具有曲率)。例如，可藉由將透明工件160或脈衝雷射束112在兩個方向上而不是一個方向上相對另一個進行平移，來產生彎曲的輪廓線。此外，在輪廓線170包括曲率以及紅外雷射束212形成包括橢圓形或蛋形的紅外光束點214的實施例中，可能有利的是，束導向元件230、230'(圖2A和圖2B)包括可旋轉的掃描器，該掃描器經配置以旋轉紅外雷射束212以及從而旋轉紅外光束點214。特別是，當紅外光束點214包括橢圓或蛋時，可定向紅外光束點214，使得主軸(例如，紅外光束點214的最長直徑)沿著輪廓線170延伸。因此，當輪廓線170具有曲率時，可旋轉的掃描器可旋轉紅外雷射束212，使得紅外光束點214在沿著透明工件160的成像表面162進行平移時旋轉，並且在一些實施例中，當將紅外雷射束212沿著彎曲輪廓線170相對於透明工件160進行平移時，紅外光束點214的主軸沿著輪廓線170保持定向。
此外，在一些實施例中，沿著輪廓線170的方向的相鄰缺陷172之間的距離或週期性可以是至少約0.1微米或1微米以及小於或等於約20微米或甚至30微米。例如，在一些透明工件中，相鄰缺陷172之間的週期性可以是自約0.5至約15微米、或自約3微米至約10微米、或自約0.5微米至約3.0微米。例如，在一些透明工件中，相鄰缺陷172之間的週期性可以是自約0.5微米至約1.0微米。然而，對於鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃組合物，尤其是0.5mm厚或更大厚度的彼等，相鄰缺陷172之間的週期性可以是至少約1微米(諸如至少約5微米)或自約1微米至約15微米。
現在參照圖4，使用脈衝束光學組件101來形成輪廓線170可包括將脈衝雷射束112聚焦到包括有長度L的脈衝雷射束焦線113中。定位透明工件160，以至少部分地重疊脈衝雷射束112的脈衝雷射束焦線113。脈衝雷射束焦線113因此被導向到具有深度d的透明工件160中。此外，如圖4所繪，透明工件160的衝擊位置115與脈衝雷射束焦線113正交對齊。可相對於脈衝雷射束焦線113來定位透明工件160，使得脈衝雷射束焦線113在透明工件160的成像表面162之前或之處開始以及在透明工件160的第二表面163之前停止(亦即，脈衝雷射束焦線113終止於透明工件160內以及不延伸超過第二表面163)。
此外，期望的是，相對於透明工件160來定位脈衝雷射束焦線113，使得脈衝雷射束焦線113在透明工件160的衝擊位置115處延伸到與透明工件160的成像表面162正交的透明工件160中。若脈衝雷射束焦線113不與透明工件160正交，則脈衝雷射束焦線113沿著透明工件160的深度挪動和擴散，引起脈衝雷射束焦線113將能量分配在更大體積的透明工件160上，降低脈衝雷射束焦線113的清晰度和聚焦以及在透明工件160內產生較低質量且不均勻的缺陷172。
仍然參照圖4，在脈衝雷射束焦線113與透明工件160的重疊區域中(亦即，在由脈衝雷射束焦線113所覆蓋的透明工件材料中)，脈衝雷射束焦線113產生(假設沿著脈衝雷射束焦線113的適合的雷射強度，藉由脈衝雷射束112在有長度L的區段上的聚焦(亦即，具有長度L的線聚焦)來確保其強度)區段113a(沿著縱向的束方向對齊)，沿著該區段113a在透明工件160的材料中產生誘導吸收。誘導吸收沿著區段113a在透明工件160中產生缺陷172。缺陷172的形成不僅是局部的，而且是在誘導吸收的區段113a的整個長度上。區段113a的長度(其對應於脈衝雷射束焦線113與透明工件160重疊的長度)以元件符號A標記。在誘導吸收的區段113a處的缺陷區域的內徑(亦即，缺陷172)以元件符號D標記。該內徑D對應於脈衝雷射束焦線113的平均直徑，亦即，平均點直徑在約0.1μm與約5μm之間的範圍內。
現在參照圖5A，脈衝束光學組件101的實例包括非球面光學元件(未圖圖示)、透鏡133及孔徑134(例如，圓形孔徑)。如圖5A所繪，由脈衝雷射束源110所發射的脈衝雷射束112被導向到孔徑134上，孔徑134對於脈衝雷射束112的雷射輻射的波長是不透明的。將孔徑134定向垂直於縱向束軸以及定心於脈衝雷射束112的中心部分。以此種方式來選擇孔徑134的直徑，脈衝雷射束112的中心附近的雷射輻射(亦即，中心束部分，本文以112Z標記)撞擊孔徑134以及被其完全吸收。由於與束直徑相比減小了孔徑尺寸，並且橫向穿過孔徑134以及撞擊透鏡133的邊緣區域(在此實施例中，將透鏡133設計為球面切割的雙凸透鏡)，因此僅脈衝雷射束112的外圍範圍中的束(亦即，邊緣光線，本文以112R標記)沒有被圓形孔徑134吸收。
如圖5A所示，脈衝雷射束焦線113不僅可以是脈衝雷射束112的單一焦點，而且可以是針對脈衝雷射束112中的不同光線的一系列焦點。一系列焦點形成有界定長度的細長脈衝雷射束焦線113(在圖5A圖示為有長度L的脈衝雷射束焦線113)。可將透鏡133定心在中心束上以及可設計為未校正的雙凸聚焦透鏡，以常見的球形切割透鏡的形式。作為替代方案，亦可使用偏離理想校正系統的非球面或多透鏡的系統(亦即，沒有單一焦點的透鏡或系統)，其不形成理想焦點但形成有界定長度的不同的細長脈衝雷射束焦線113。因此，受到離透鏡中心的距離影響，透鏡133的區域沿著脈衝雷射束焦線113聚焦。孔徑134橫過束方向的直徑可以是脈衝雷射束112的直徑的大約90%(由束的強度減小到峰值強度的1/e2 所需的距離來界定)以及透鏡133的直徑的大約75%。因此，使用了藉由阻擋在中心的束集合來產生的非像差校正球面透鏡133的脈衝雷射束焦線113。圖5A圖示了穿過中心束的一個平面上的區段，並且當所描繪的束圍繞脈衝雷射束焦線113來旋轉時，可看到完整的三維束集合。
圖5B-1至圖5B-4圖示了可藉由相對於透明工件160進行適當地定位及/或對準脈衝束光學組件101的部件以及藉由適當地選擇脈衝束光學組件101的參數，來控制脈衝雷射束焦線113的位置。此外，用於說明目的，在圖5B-1至圖5B-4中示意性地描繪出有長度L的脈衝雷射束焦線113。在操作中，脈衝雷射束焦線113的長度L取決於透明工件160內的脈衝雷射束焦線113的位置以及透明工件160的折射率。如圖5B-1所示，可以如此的方式來調整脈衝雷射束焦線113的長度L，使其超過透明工件160的深度d(在本文是2倍)。若將透明工件160(在縱向束方向上觀察)中心地放置在脈衝雷射束焦線113，則可在整個工件深度d上產生誘導吸收的廣大區段(例如，有長度A的區段113a)。脈衝雷射束焦線113的長度L可以在自約0.01mm至約100mm的範圍內或在自約0.1mm至約10mm的範圍內。各種實施例可經配置以具有脈衝雷射束焦線113，其長度L在空氣中為約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或約5mm，例如自約0.5mm至約5mm。在一些實施例中，可使用脈衝束光學組件101，來調整脈衝雷射束焦線113的長度L，以對應於透明工件160的深度d，例如可使用脈衝束光學組件101，來調整脈衝雷射束焦線113，使得脈衝雷射束焦線113的長度L比透明工件160的深度d大在約1.1至約1.8倍之間，例如1.25倍、1.5倍等。作為一個實例，在透明工件160包括約0.7mm的深度的實施例中，脈衝雷射束焦線113可包括約0.9mm的長度。此外，在其他實施例中，可使用脈衝束光學組件101，來調整脈衝雷射束焦線113，使得脈衝雷射束焦線113的長度L是基本上等於透明工件160的深度d。
在圖5B-2所示的情況下，產生有通常對應於工件深度d的長度L的脈衝雷射束焦線113。因為以如此的方式來相對於脈衝雷射束焦線113定位透明工件160，脈衝雷射束焦線113在透明工件160外部的點處開始，所以誘導吸收的廣大區段113a的長度A(其從成像表面162延伸到所界定的工件深度但不到第二表面163)小於脈衝雷射束焦線113的長度L。圖5B-3圖示了透明工件160(沿著垂直於束方向的方向觀察)位於脈衝雷射束焦線113的開始點上方的情況，使得(如圖5B-2所示)脈衝雷射束焦線113的長度L大於透明工件160中的誘導吸收的區段113a的長度A。圖5B-4圖示了焦線長度L小於工件深度d的情況，使得(在入射的方向上觀察透明工件160相對於脈衝雷射束焦線113進行中心定位的情況下)脈衝雷射束焦線113在透明工件160內的成像表面162附近開始以及在透明工件160內的第二表面163附近結束(例如，L=0.75d)。
再次參照圖2A至圖5A，脈衝雷射束源110可包括任何已知或尚待開發的脈衝雷射束源110，其經配置以輸出脈衝雷射束112。如上文所述，藉由透明工件160與由脈衝雷射束源110所輸出的脈衝雷射束112的交互作用，來產生輪廓線170的缺陷172。在一些實施例中，脈衝雷射束源110可輸出包括波長為(例如)1064nm、1030nm、532nm、530nm、355nm、343nm或266nm或215nm的脈衝雷射束112。此外，用於在透明工件160中形成缺陷172的脈衝雷射束112可能非常適合透明於所選擇的脈衝雷射波長的材料。
用於形成缺陷172的適合的雷射波長是由透明工件160的吸收和散射的組合損失為足夠低所在的波長。在實施例中，由於透明工件160在波長的吸收和散射引起的組合損失是小於20%/mm、或小於15%/mm、或小於10%/mm、或小於5%/mm、或小於1%/mm，其中尺寸「/mm」意謂在脈衝雷射束112的傳播方向(例如，Z方向)上的透明工件160內的每毫米距離。許多玻璃工件的代表性波長包括Nd3+ 的基波和諧波波長(例如，Nd3+ ：YAG或Nd3+ ：YVO4 ，具有基波波長接近1064nm以及更高次諧波波長接近532nm、355nm及266nm)。亦可使用滿足給定基板材料的組合吸收和散射損失要求的光譜的紫外光、可見光及紅外光部分中的其他波長。
此外，脈衝雷射束源110可輸出具有脈衝能量為自約25μJ至約1500μJ的脈衝雷射束112，例如100μJ、200μJ、250μJ、300μJ、400μJ、500μJ、600μJ、700μJ、750μJ、800μJ、900μJ、1000μJ、1100μJ、1200μJ、1250μJ、1300μJ、1400μJ等。脈衝雷射束源110亦可以是可調整的，使得脈衝雷射束源110可輸出包括各種脈衝能量的脈衝雷射束112。在操作中，當將脈衝雷射束112聚焦到脈衝雷射束焦線113中時，脈衝雷射束焦線113亦可包括脈衝能量為自約25μJ至約1500μJ。在一些實施例中，脈衝雷射束112的單獨的脈衝的脈衝持續時間是在自約1皮秒至約100皮秒的範圍內，諸如自約5皮秒至約20皮秒，並且單獨的脈衝的重複率可以在自約1kHz至4MHz的範圍內，諸如在自約10kHz至約3MHz的範圍內或自約10kHz至約650kHz的範圍內。
現在參照圖6A和圖6B，應理解的是，本文所述的此種脈衝雷射束112的典型操作(例如，皮秒雷射)產生有子脈衝500A的突衝500。每個突衝500包含有非常短持續時間的多個單獨的子脈衝500A(諸如，至少兩個子脈衝、至少5個子脈衝、至少7個子脈衝、至少8個子脈衝、至少9個子脈衝、至少10個子脈衝、至少15個子脈衝、至少20個子脈衝或甚至更多的子脈衝)。亦即，突衝是一群子脈衝，並且與每個突衝內的單獨的相鄰子脈衝的分離相比，突衝彼此分離的持續時間更長。根據一個或多個實施例，為了切割或穿孔顯示器玻璃/TFT玻璃組合物，每個突衝的子脈衝的數目可以是自約2至30個(諸如，自5至20個)。子脈衝500A具有高達100psec的脈衝持續時間Td (例如，0.1psec、5psec、10psec、15psec、18psec、20psec、22psec、25psec、30psec、50psec、75psec或任何其之間的範圍)。突衝內的每個單獨的子脈衝500A的能量或強度可不等於突衝內的其他脈衝的能量或強度，並且突衝500內的多個子脈衝的強度分配通常遵循由雷射設計所決定的時間的指數衰減。使用能夠產生此種突衝的脈衝雷射束112有利於切割或修改透明材料，例如玻璃。與使用由單脈衝雷射的重複率在時間上所隔開的單脈衝相比，使用在突衝內的快速子脈衝序列上擴散雷射能量的突衝序列，比具有單脈衝雷射更可能，允許訪問與材料的高強度交互作用的更大時間尺度。
在一些實施例中，本文所述的示例性實施例的突衝500內的每個子脈衝500A在時間上與突衝中的後續子脈衝分離自約1納秒至約50納秒的持續時間Tp (例如，自約10納秒至約50納秒或自約10納秒至約30納秒，而時間通常由雷射腔室設計來決定)。對於給定的雷射，突衝500內的相鄰子脈衝之間的時間分離Tp 可以是相對均勻的(例如，在彼此的約10%之內)。例如，在一些實施例中，突衝內的每個子脈衝在時間上與後續子脈衝分離大約20納秒(50MHz)。例如，對於產生約20納秒的脈衝分離Tp 的脈衝雷射束源110，將突衝內的脈衝至脈衝分離Tp 維持在約±10%或約±2納秒內。每個子脈衝突衝之間的時間(亦即，突衝之間的時間分離Tb )將更長。例如，每個子脈衝突衝之間的時間可以是自約0.25微秒至約1000微秒，例如自約1微秒至約10微秒或自約3微秒至約8微秒。
在本文所述的脈衝雷射束源110的一些示例性實施例中，對於具有約200kHz的突衝重複率的雷射，時間分離Tb 為約5微秒。雷射突衝重複率與突衝中的第一子脈衝與後續突衝中的第一子脈衝之間的時間Tb 相關(雷射突衝重複率=1/Tb )。在一些實施例中，雷射突衝重複率可以在自約1kHz至約4MHz的範圍內。在實施例中，雷射突衝重複率可以在(例如)自約10kHz至650kHz的範圍內。每個突衝中的第一子脈衝與後續突衝中的第一子脈衝之間的時間Tb 可以在自約0.25微秒(4MHz突衝重複率)至約1000微秒(1kHz突衝重複率)，例如自約0.5微秒(2MHz突衝重複率)至約40微秒(25kHz突衝重複率)或自約2微秒(500kHz突衝重複率)至約20微秒(50kHz突衝重複率)。確切時序、脈衝持續時間及突衝重複率可取決於雷射設計來變化，但是已證明了高強度的短子脈衝(Td ＜20psec，並且優選地Td £15psec)運作得特別好。
修改透明工件的材料所需的能量可根據突衝能量(亦即，在每個突衝500包含一系列子脈衝500A的突衝內所包含的能量)或根據單一雷射脈衝(其中許多可包括突衝)內所包含的能量來描述。每突衝的能量可以在自約25μJ至約750μJ，例如自約50μJ至約500μJ或自約50μJ至約250μJ。對於一些玻璃組合物，每突衝的能量可以在自約100μJ至約250μJ。然而，對於顯示器或TFT玻璃組合物，每突衝的能量可更高(例如，自約300μJ至約500μJ或自約400μJ至約600μJ，取決於工件的特定顯示器/TFT玻璃組合物)。突衝內的單獨的子脈衝的能量將更小，並且確切的單獨的雷射脈衝能量將取決於(如圖6A和圖6B所示)突衝500內的子脈衝500A的數目以及雷射子脈衝隨時間的衰減的速率(例如，指數衰減速率)。例如，對於恆定的能量/突衝，若脈衝突衝包含10個單獨的雷射子脈衝500A，則與若相同的突衝500僅具有2個單獨的雷射子脈衝相比，每個單獨的雷射子脈衝500A將包含更少的能量。
儘管不意圖受限於理論，但是使用能夠產生此種突衝的脈衝雷射束源(諸如，脈衝雷射束源110)有利於切割或修改透明材料，例如玻璃。與使用由單脈衝雷射的重複率在時間上所間隔的單一脈衝相比，使用在突衝500內的快速子脈衝序列上擴散雷射能量的突衝序列，比具有單脈衝雷射更可能，允許訪問與材料的高強度交互作用的更大時間尺度。儘管單脈衝可以在時間上擴展，但是突衝內的強度大致減少脈衝寬度分之一。因此，若將10毫秒的單一脈衝擴展到10納秒脈衝，則強度大致減少三個數量級。
此種減少可將光學強度減少到非線性吸收不再顯著的程度，並且光材料交互作用將不再足夠進行切割。對比來看，在有脈衝突衝雷射的情況下，突衝500內的每個子脈衝500A期間的強度可保持相對高(例如，在時間上間隔大約10納秒的三個10微秒的子脈衝500A仍允許在每個脈衝突衝內的能量比單一10微秒的脈衝的能量大約高出三倍)，並且雷射在大三個數量級的時間尺度上與材料交互作用。例如，通常在時間上間隔大約10納秒的10微秒的子脈衝500A導致每個脈衝突衝內的能量比單一10微秒的脈衝的能量大約高出十倍，並且雷射在現在大了幾個數量級的時間尺度上與材料將互作用。在一個實施例中，用於修改材料的所需突衝能量的大小將取決於工件材料組合物以及用於與工件交互作用的線聚焦的長度。
儘管不意圖受限於理論，但是交互作用區域越長，則能量擴散越多，並且將需要更高的突衝能量。確切時序、脈衝持續時間及突衝重複率可取決於雷射設計而變化，但是在一些實施例中，高強度子脈衝的短脈衝時間(例如，小於約15微秒或甚至小於或等於約10微秒)可以是示例性的。在操作中，當單一子脈衝突衝基本上撞擊在透明工件160上的相同位置時，在透明工件160的材料中形成缺陷172。亦即，單一突衝內的多個雷射子脈衝對應於透明工件160中的單一缺陷172。因為透明工件160進行平移(例如，由可平移台180或由相對於透明工件160所移動的束)，所以突衝內的單獨的子脈衝無法在玻璃上完全相同的空間位置。然而，單獨的子脈衝可以在彼此的1μm內(亦即，它們在基本上相同的位置有效地撞擊玻璃)。例如，子脈衝可以彼此間隔sp撞擊玻璃，其中0＜sp≤500nm。例如，當用20個子脈衝的突衝打擊玻璃位置時，突衝內的單獨的子脈沖在彼此的250nm內撞擊玻璃。因此，在一些實施例中，1nm＜sp＜250nm。在一些實施例中，1nm＜sp＜100nm。
在一個或多個實施例中，為了切割或分離工件的目的，每突衝的脈衝突衝能量可以在自約100μJ至約600μJ，諸如每突衝有自約300μJ至約600μJ。對於一些顯示器玻璃類型，脈衝突衝能量可以在自約300μJ至約500μJ，或對於其他顯示器類型的玻璃，自約400μJ至約600μJ。對於許多顯示類型的玻璃組合物，400μJ至500μJ的脈衝突衝能量可運作良好。線聚焦內的能量密度可針對特定的顯示器或TFT玻璃來最佳化。例如，針對EAGLE XG和CONTEGO玻璃兩者，脈衝突衝能量的適合的範圍可以在自約300至約500μJ，並且線聚焦可以在自約1.0mm至約1.4mm(其中由光學配置來確定線聚焦長度)。
在一個或多個實施例中，相對低的脈衝雷射能量密度(例如，低於300μJ)可形成非如期望形成的穿孔，引起缺陷之間的斷裂在紅外光雷射處理期間不容易實現，導致在顯示器玻璃中的增加的抗斷裂性(本文亦稱為斷裂強度)。若脈衝雷射束的能量密度太高(例如，大於或等於600μJ或甚至大於500μJ)，則熱損害可能更大，引起連接穿孔的裂縫雜散以及不沿著所需的路徑形成，並且顯示器(或TFT)玻璃的抗斷裂性(斷裂強度)顯著增加。
鑑於前面的描述，應理解的是，可藉由使用脈衝雷射束在透明工件中雷射形成複數個缺陷以及使用紅外雷射束在透明工件與紅外雷射束和脈衝雷射束兩者之間的相對運動的單一且同步的步驟中加熱該等缺陷，來減少由紅外雷射束雷射分離透明工件的處理時間。紅外雷射束可在透明工件上形成紅外光束點，並且可將脈衝雷射束導向到透明工件中，使得紅外光束點圍繞(例如，環繞)由脈衝雷射束在透明工件的成像表面上所形成的脈衝雷射束點。或者，可將脈衝雷射束導向到透明工件中，使得由脈衝雷射束所形成的脈衝雷射束點與紅外光束點隔開一間隔距離。在該等實施例的每一者中，缺陷線是由脈衝雷射束來形成以及由紅外雷射束來分開，並且透明工件是由透明工件與脈衝雷射束和紅外雷射束兩者之間的同步相對運動來沿著缺陷線分離。
範圍在本文中可表達為自「約」一個特定值及/或至「約」另一特定值。當表達此類範圍時，另一實施例包括自該一個特定值及/或至其他特定值。類似地，當藉由使用先行詞「約」將值表達為近似值時，將理解的是，該特定值形成另一實施例。將進一步理解的是，範圍的每一者的端點在與另一端點有關以及與另一端點無關兩者的情況下都很重要。
本文所用的方向術語-例如上、下、右、左、前、後、頂部、底部-僅是參考所描繪的附圖而定，並且不意圖暗示絕對定向。
除非另有明確說明，否則決不意圖將本文所述的任何方法解釋為要求其步驟以特定順序來執行，也不要求任何設備特定定向。因此，在一方法請求項沒實際上記載其步驟所接著的順序的情況下、或在任一設備請求項沒實際上記載單獨的部件的順序或定向的情況下、或在請求項或說明書中沒特別說明該步驟要限於特定順序的請況下、或在沒記載對設備的部件的特定順序或定向的情況下，決不意圖在任何方面推論出順序或定向。此適用於任何可能的非表達的解釋基礎，包括：相對於步驟的佈置、操作流程、部件順序或部件定向的邏輯事項；從語法組織或標點符號所推導的簡單含義；及說明書中所描述的實施例的數目或類型。
如本文所用，除非上下文另有明確說明，否則單數形式的「一」、「一個」及「該」包括複數指示物。因此，例如，除非上下文另有明確說明，否則對「一」部件的參考包括具有兩個或更多個此類部件的態樣。
對於本領域具有通常知識者所顯而易見的是，在不脫離所主張標的之精神和範疇的情況下，可對本文所述的實施例進行各種修改和變化。因此，所意圖的是，本說明書涵蓋了本文所述的各種實施例的修改和變化，只要該等修改和變化落入所附請求項以及其等同物的範疇內。
10‧‧‧方向
12‧‧‧方向
14‧‧‧方向
15‧‧‧間隔距離
100‧‧‧光學系統
101‧‧‧脈衝束光學組件
102‧‧‧殼體
110‧‧‧脈衝雷射束源
112‧‧‧脈衝雷射束
112R‧‧‧邊緣光線
112Z‧‧‧中心束部分
113‧‧‧脈衝雷射束焦線
113a‧‧‧區段
114‧‧‧脈衝雷射束點
115‧‧‧衝擊位置
120‧‧‧非球面光學元件
130‧‧‧第一透鏡
132‧‧‧第二透鏡
133‧‧‧透鏡
134‧‧‧孔徑
160‧‧‧透明工件
162‧‧‧成像表面
163‧‧‧第二表面
164‧‧‧分離部分
165‧‧‧分離路徑
170‧‧‧輪廓線
172‧‧‧缺陷
180‧‧‧可平移台
182‧‧‧安裝單元
201‧‧‧紅外光束光學組件
201'‧‧‧紅外光束光學組件
202‧‧‧殼體
202'‧‧‧殼體
205‧‧‧旋轉軸
210‧‧‧紅外雷射束源
212‧‧‧紅外雷射束
214‧‧‧紅外光束點
216‧‧‧內徑
218‧‧‧外徑
220‧‧‧非球面光學元件
222‧‧‧第一平凸透鏡
224‧‧‧第二平凸透鏡
226‧‧‧束調節元件
230‧‧‧束導向元件
230'‧‧‧束導向元件
500‧‧‧突衝
500A‧‧‧子脈衝
圖1A示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的由紅外光束點所環繞的脈衝雷射束點，其中每個點穿過透明工件的分離路徑；
圖1B示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的從紅外光束點所偏移的脈衝雷射束點，其中每個點穿過透明工件的分離路徑；
圖2A示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的光學系統，該光學系統包括用於雷射處理透明工件的脈衝束光學組件和紅外光光學組件；
圖2B示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的光學系統，該光學系統包括用於雷射處理透明工件的圖2A的脈衝束光學組件和另一紅外光光學組件；
圖3示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的圖2A和2B的透明工件中的缺陷的輪廓線的形成和分離；
圖4示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的在處理透明工件期間對脈衝雷射束焦線進行示例性定位；
圖5A示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的用於脈衝束雷射處理的光學組件；
圖5B-1示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的與透明工件相關的脈衝束雷射焦線的第一實施例；
圖5B-2示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的與透明工件相關的脈衝束雷射焦線的第二實施例；
圖5B-3示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的與透明工件相關的脈衝束雷射焦線的第三實施例；
圖5B-4示意性地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的與透明工件相關的脈衝束雷射焦線的第四實施例；
圖6A圖形地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的示例性脈衝突衝內的雷射脈衝的相對強度與時間的關係，其中每個示例性脈衝突衝具有7個子脈衝；及
圖6B圖形地描繪了根據本文所述的一個或多個實施例的示例性脈衝突衝內的雷射脈衝的相對強度與時間的關係，其中每個示例性脈衝突衝包含9個子脈衝。
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Claims (20)

  1. 一種用於雷射處理一透明工件的方法，該方法包括以下步驟： 將由一脈衝雷射束源所輸出的一脈衝雷射束聚焦到一脈衝雷射束焦線中，將該脈衝雷射束焦線沿著一束傳播方向定向以及導向到該透明工件中，從而在該透明工件的一成像表面上形成一脈衝雷射束點，其中：該脈衝雷射束焦線在該透明工件內產生一誘導吸收；及該誘導吸收在該透明工件內沿著該脈衝雷射束焦線產生一缺陷；將由一紅外光束源所輸出的一紅外雷射束導向到該透明工件上，使得該紅外雷射束在該成像表面上形成一環形紅外光束點，其中：該環形紅外光束點環繞在該成像表面處的該脈衝雷射束點；及該紅外雷射束加熱該透明工件；沿著一分離路徑將該透明工件和該脈衝雷射束焦線相對於彼此平移，從而雷射形成複數個缺陷，該複數個缺陷沿著該分離路徑在該透明工件內界定一輪廓線；及同步於該透明工件和該脈衝雷射束焦線相對於彼此的平移，沿著該分離路徑將該透明工件和該環形紅外光束點相對於彼此平移，使得該環形紅外光束點在該透明工件和該脈衝雷射束焦線的相對運動期間環繞該脈衝雷射束點，並且沿著該輪廓線或在該輪廓線附近照射該透明工件，以沿著該輪廓線分離該透明工件。
  2. 如請求項1所述之方法，其中： 將該脈衝雷射束導向穿過一個或多個透鏡，以形成該脈衝雷射束焦線；該一個或多個透鏡中的至少一個透鏡包括一非球面光學元件；及該非球面光學元件包括一折射軸錐鏡、一反射軸錐鏡、負軸錐鏡、一空間光調制器、一衍射光學元件、或一立方形光學元件。
  3. 如請求項1所述之方法，其中： 將該紅外雷射束導向穿過位於該紅外光束源與該透明工件之間的一個或多個透鏡；該一個或多個透鏡中的至少一個透鏡包括一非球面光學元件；及該非球面光學元件包括一折射軸錐鏡、一反射軸錐鏡、負軸錐鏡、一空間光調制器、一衍射光學元件、或一立方形光學元件。
  4. 如請求項1所述之方法，其中由一束導向元件將該紅外雷射束以一接近角重導向到該透明工件上，該接近角與該脈衝雷射束的該束傳播方向不平行。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該束導向元件包括一鏡子、一2D掃描器系統或一可旋轉掃描器。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該束導向元件包括該可旋轉掃描器，並且該方法進一步包括使用該可旋轉掃描器，來旋轉該紅外雷射束，使得該環形紅外光束點在沿著該透明工件的該成像表面平移時旋轉。
  7. 如請求項4所述之方法，其中將該紅外雷射束導向穿過一束調節元件，從而改變該紅外雷射束的一橫截面束輪廓。
  8. 如請求項1所述之方法，其中在相鄰缺陷之間一間隔是自約1微米至30微米。
  9. 如請求項1所述之方法，其中： 該環形紅外光束點的一外徑是自約0.5mm至約20mm；及該環形紅外光束點的一內徑是該外徑的自約5%至約95%。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該環形紅外光束點和該脈衝雷射束點在該透明工件的該成像表面上是同軸的。
  11. 如請求項1所述之方法，其中： 將該環形紅外光束點和該透明工件以自約1mm/s至約10m/s的一速度相對於彼此平移；將該脈衝雷射束焦線和該透明工件以等於在該環形紅外光束點與該透明工件之間的相對運動的該速度的一速度相對於彼此平移。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該紅外雷射束的一功率是自約20W至約1000W。
  13. 如請求項1所述之方法，其中： 該輪廓線的相鄰缺陷之間的一間隔是自約7微米至約12微米；及該脈衝雷射束產生脈衝突衝，該等脈衝突衝具有自每脈衝突衝約5個子脈衝至每脈衝突衝約15個子脈衝，並且脈衝突衝能量是自每脈衝突衝約400μJ至每脈衝突衝約600微焦耳。
  14. 如請求項1所述之方法，其中該脈衝雷射束產生脈衝突衝，並且該脈衝突衝的子脈衝具有自約1皮秒至約100皮秒的一持續時間以及自約10kHz至約3MHz的範圍內的一重複率。
  15. 如請求項1所述之方法，其中該脈衝雷射束焦線的一平均點直徑在自約0.1微米至約10微米的範圍內。
  16. 一種用於雷射處理一透明工件的方法，該方法包括以下步驟： 將由一脈衝雷射束源所輸出的一脈衝雷射束聚焦到一脈衝雷射束焦線中，將該脈衝雷射束焦線沿著一束傳播方向定向以及導向到該透明工件中，從而在該透明工件的一成像表面上形成一脈衝雷射束點，其中：該脈衝雷射束焦線在該透明工件內產生一誘導吸收；及該誘導吸收在該透明工件內沿著該脈衝雷射束焦線產生一缺陷；將由一紅外光束源所輸出的一紅外雷射束導向到該透明工件上，使得該紅外雷射束在該成像表面上形成一紅外光束點，其中：將該紅外光束點與該成像表面處的該脈衝雷射束點隔開一間隔距離；及該紅外雷射束加熱該透明工件；沿著一分離路徑將該透明工件和該脈衝雷射束焦線相對於彼此平移，從而雷射形成複數個缺陷，該複數個缺陷沿著該分離路徑在該透明工件內界定一輪廓線；及同步於該透明工件相對於該脈衝雷射束焦線的平移，沿著該分離路徑將該透明工件和該紅外光束點相對於彼此平移，使得該脈衝雷射束點在該透明工件和該脈衝雷射束焦線的相對運動期間保持與該紅外光束點隔開該間隔距離，並且沿著該輪廓線或在該輪廓線附近照射該透明工件，以沿著該輪廓線分離該透明工件。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該間隔距離包括自約1μm至約100mm。
  18. 如請求項16所述之方法，其中由一束導向元件將該紅外雷射束以一接近角重導向到該透明工件上，該接近角與該脈衝雷射束的該束傳播方向不平行。
  19. 如請求項18所述之方法，其中將該紅外雷射束導向穿過一束調節元件，從而改變該紅外雷射束的一橫截面束輪廓。
  20. 如請求項16所述之方法，其中： 將該紅外光束點和該透明工件以自約1mm/s至約10m/s的一速度相對於彼此平移；將該脈衝雷射束焦線和該透明工件以等於在該紅外光束點與該透明工件之間的相對運動的該速度的一速度相對於彼此平移。
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