TWI648120B - 用於雷射處理具有3d表面的玻璃工件、平坦非強化的玻璃工件及模製非強化的玻璃工件的方法及使用上述方法所準備的玻璃物品 - Google Patents

用於雷射處理具有3d表面的玻璃工件、平坦非強化的玻璃工件及模製非強化的玻璃工件的方法及使用上述方法所準備的玻璃物品 Download PDF

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Abstract

提供用於雷射處理來自基板的模製3D薄透明脆性部分的任意形狀之方法，特別感興趣於從強化或非強化Corning Gorilla®玻璃(所有編碼)所形成的基板。所開發雷射方法能量身定制用於來自面板的部分的人工分開或由熱應力所需輪廓的完全雷射分開。方法能用於形成連同小曲率半徑的3D表面。方法涉及超短脈衝的使用，超短脈衝之後可附加地是用於完全自動分開的CO2雷射。

Description

用於雷射處理具有3D表面的玻璃工件、平坦非強化的玻璃工件及模製非強化的玻璃工件的方法及使用上述方法所準備的玻璃物品
本發明係關聯於透明基板的雷射處理，包含強化或非強化玻璃，以形成任意形狀的三維部分。
【相關申請案的交叉引用】
本專利申請案主張享有於2013年12月17日提出申請的美國臨時專利申請案第61/917,127號、於2014年7月15日提出申請的美國臨時專利申請案第62/024,581號、及於2014年9月5日提出申請的美國臨時專利申請案第62/046,360號的權益、及於2014年10月31日提出申請的美國專利申請案第14/530,379號的權益；經由引用的方式將其內容整體併入於本文。
下一波的消費性電子產品不僅是結合軟體及硬體創新，還有具有設計及功能吸引力的改變。新產品是定期地被公開與發佈，連同某種形式的三維(3D)玻璃部分結合在它們中。一些示例包含曲面LCD TV螢幕、曲面智慧型手機及為可彎曲的或具有曲面形狀的可穿戴式工具(腕式手機、手錶... 等)。在這些種類的裝置中的其它設計元素是已經從傳統的平面玻璃蓋板成為不同風格的三維彎曲表面的背蓋。這些創新帶來對由玻璃所構成的這些3D部分的製造處理的新挑戰，其必然需要是抗刮及抗衝擊性。
隨著大部分生產線是設計來處理平面二維部分，形成不同形狀的困難性已顯著增加。一般來說，這些3D部分是被熱沖壓及形成於所需形狀中，且重大挑戰之一是將這部分從熱模製過大的部分釋放出為最後及完成的產品。取決於部署在現存產品線的技術，使它們適應於處理3D形狀的第一步是以必要功能改造它們。例如，CNC加工可需要5軸式工具移動以能夠處理更多複雜形狀。相似地，其他技術(像是雷射、磨料化水射流(abrasive water jet)、劃割及斷開...等)都將需要適應於切割、研磨、鑽孔及完成一些特徵於三維部分上。
增加從2D轉換成3D處理的複雜度的其他改變是來自材料的角度。在3D部分，曲線、彎曲和轉彎變成是機械應力積累的來源，其能大大地影響部分在被熱沖壓之後的處理。例如，如果部分是從過大的玻璃板被熱沖壓，切割及從模型(matrix)釋放將是需要的，及取決於它的形狀，積累在彎曲部分上的殘餘應力是能輕易地感應出在工具接觸的部分的碎裂。
有許多不同的方法來切割及分開玻璃作為有邊緣形狀。能使用電磁輻射(雷射、電性放電、迴旋管...等)及許多其他方法，來機械地切割玻璃(CNC加工、磨料化水射流、劃割及斷開...等)。更多傳統及常見方法(劃割及斷開或CNC加工) 產生填充有不同種類及尺寸的缺陷的邊緣。發現邊緣不是完全地垂直於表面的情況也是常見的。為了減少缺陷及讓邊緣具有改善強度的更多平滑表面，它們通常是接地。研磨處理(grinding process)涉及到邊緣材料的磨料化移除(其能給它所需完成及還有形狀化它的形式(圓角式、斜角式、鉛筆狀...等))。為了致能研磨及拋光步驟，切割比最後所需尺寸更大的部分是必須的。
雷射處理材料的領域包含涉及切割、鑽孔、研磨、焊接、熔化...等的各種各樣的應用及不同種類的材料。在這些應用中，特別感興趣之一者是切割或分開不同種類的基板。但是，並非全部的現存雷射技術及工具出借它們自己給精確切割及完成。許多是太磨料化的，像是燒蝕處理，及留下許多缺陷及微裂紋。如上所討論，缺陷及微裂紋導致較弱的邊緣及部分，且需要過大的基板以對研磨及拋光步驟負責直到將部分完成至所需尺寸。其結果，對於讓3D玻璃形狀切割及萃取的更快、更乾淨、更便宜、更可重覆及更可靠的方法(相較於當下市場所現行者)是存在極大興趣。
本發明描述一種用於切割及分開模製3D薄透明脆性基板的任意形狀之處理，而對強化或非強化玻璃特別感興趣。方法允許將3D部分切割及萃取至它的最後尺寸，而不需要後處理完成步驟(post-process finishing steps)。方法能被運用至強化的(例如，化學離子交換或熱回火)或非強化的(原料玻璃)3D部分。
處理以可控制的方式來將部分分開，連同可忽略碎屑、最小缺陷、及保留部分強度的對邊緣的低子表面損壞(subsurface damage)。本雷射方法是非常適合於對所選擇雷射波長為透明的材料。已作出利用0.55毫米厚度玻璃片的方法示範，例如，模製Corning Gorilla.®玻璃，例如，玻璃碼2319。
在處理中，是使用超短脈衝雷射來產生垂直缺陷線於基板材料中。一系列缺陷線產生畫出形狀的所需輪廓及建立用於裂紋擴展的最小阻力的路徑的斷層線(fault line)，且形狀的分開及分離(從它的基板模型)是沿著斷層線發生。能調整及配置雷射分開方法以致能將3D形狀由原來基板進行的手動分開、部分分開或完全分開。
在第一步驟中，待處理的物件(基板)是以超短脈衝雷射光照射的，超短脈衝雷射光已被凝聚至具有穿透基板厚度的高能量密度的高長寬比(aspect ratio)線聚焦。在高能量密度的這體積內，經由非線性效應來修改材料。非線性效應提供將能量從雷射光傳遞到基板的機制以致能缺陷線的形成。重要的是應注意到，沒有這高光強度(optical intensity)，非線性吸收是不會觸發的。在非線性效應的強度閾值之下，材料對雷射輻射是透明的及保持在它的原來狀態。藉由在所需線或路徑上掃描雷射，狹窄斷層線(複數個垂直缺陷線、幾微米寬)界定出要從基板所分開的部分的形狀或周長。
在一些實施例中，脈衝期間(pulse duration)能在大於約1微微秒和小於約100微微秒之間的範圍中，像是大於約5微微秒和小於約20微微秒，且重複速率(repetition rate)能在 約1kHz和4MHz之間的範圍中，像是在約10kHz和650kHz之間的範圍中。除了處在前述重複速率的單一脈衝之外，能以兩個脈衝或更多個脈衝(像是，3個脈衝、4個脈衝、5個脈衝、10個脈衝、15個脈衝、20個脈衝、或更多者)的突衝(burst)的情況來產生脈衝，藉由在約1毫微秒和約50毫微秒的範圍中的期間(例如，10毫微秒到30毫微秒，像是，約20毫微秒)來分開突衝，且突衝重複頻率能在約1kHz和200kHz之間的範圍中。脈衝雷射光能具有選擇的波長，以使得材料在這波長處是實質上透明的。在這材料處所量測的平均雷射功率能為每單位毫米的材料厚度是大於40微焦耳，例如，在每單位毫米的材料厚度是40微焦耳和每單位毫米的材料厚度是1000微焦耳之間，或在每單位毫米的材料厚度是100和是650微焦耳之間。
雷射光焦線(laser beam focal line)能具有在約0.1毫米和約10毫米之間的範圍中的長度，像是約1毫米、約2毫米、約3毫米、約4毫米、約5毫米、約6毫米、約7毫米、約8毫米、或約9毫米、或在約0.1毫米和約1毫米之間的範圍中的長度，且平均點直徑(spot diameter)是在約0.1微米和約5微米之間的範圍中。孔洞或缺陷線中每一個能具有在0.1微米和100微米之間的直徑，例如0.25到5微米。
一旦產生具有垂直缺陷的斷層線，能經由下列情況產生分開：(1)在斷層線上或圍繞斷層線的手動或機械應力；應力或壓力應該產生將拉開斷層線的兩側及斷裂仍結合在一起的區域的張力；(2)利用熱源，來產生圍繞斷層線的應力區 域以將張力放入垂直缺陷線及促使部分或全部自分開。在這兩種情況，分開取決於處理參數，像是雷射掃描速率、雷射功率、透鏡參數、脈衝寬度、重複速率...等。
本發明揭露延伸到：一種用於雷射處理具有3D表面的玻璃工件之方法，方法包含以下步驟：將脈衝雷射光聚焦於(i)沿著光傳播方向定向的及(ii)朝界定出要從工件分開的部分的輪廓指向的雷射光焦線中；在一個或更多個通過中：沿著輪廓將工件及雷射光相對於彼此平移，雷射光焦線在雷射光焦線延伸於工件中的沿著輪廓的位置處在工件內產生感應吸收，及感應吸收在每個位置處在工件內沿著雷射光焦線產生缺陷線；及將工件及雷射光相對於彼此平移；選擇一個或更多個通過，以使得沿著部分的輪廓產生的缺陷線是具有足夠數量及深度，以促進將部分從工件的分開。
本發明揭露延伸到：一種用於雷射處理平的非強化的玻璃工件之方法，方法包含以下步驟：將脈衝雷射光聚焦於(i)沿著光傳播方向定向的及(ii)沿著輪廓指向於工件中的雷射光焦線中，雷射光焦線在工件內產生感應吸收，感應吸收在工件內沿著雷射光焦線產生缺陷線；沿著輪廓將工件及雷射光相對於彼此平移，因此雷射在工件內沿著輪廓形成複數個缺陷線，輪廓界定出要從工件分開的 部分；及模製包含所界定部分的工件，以具有3D表面。
本發明揭露延伸到：一種用於雷射處理模製的非強化的玻璃工件之方法，方法包含以下步驟：真空扁平化模製的玻璃工件；將脈衝雷射光聚焦於(i)沿著光傳播方向定向的及(ii)沿著輪廓指向於真空扁平化的工件中的雷射光焦線中，雷射光焦線在工件內產生感應吸收，感應吸收在工件內沿著雷射光焦線產生缺陷線；沿著輪廓將真空扁平化的工件及雷射光相對於彼此平移，因此雷射在工件內沿著輪廓形成複數個缺陷線，輪廓界定出要從工件分開的部分；及在包含界定的部份的真空扁平化的工件上釋放真空。
本發明揭露延伸到：一種具有3D表面的玻璃物品，玻璃物品具有至少一個邊緣，至少一個邊緣具有延伸至少250微米的複數個缺陷線，每個缺陷線具有小於或等於約5微米的直徑。
1‧‧‧層
1a‧‧‧平面
1b‧‧‧平面
2‧‧‧雷射光
2a‧‧‧部分
2aR‧‧‧邊緣光線
2aZ‧‧‧中央光
2b‧‧‧焦線
2c‧‧‧部分
6‧‧‧光學組件
7‧‧‧透鏡
8‧‧‧孔徑
9‧‧‧旋轉三稜鏡
10‧‧‧旋轉三稜鏡
11‧‧‧透鏡
12‧‧‧透鏡
110‧‧‧斷層線
120‧‧‧缺陷線
130‧‧‧材料
140‧‧‧雷射光
710‧‧‧雷射光
720‧‧‧基板
730‧‧‧透鏡
740‧‧‧焦點
750‧‧‧透鏡
760‧‧‧圓柱
1550‧‧‧片
1551‧‧‧預形成
1552‧‧‧部分
1554‧‧‧釋放線
1556‧‧‧角落
1560‧‧‧穿孔
br‧‧‧寬度
d‧‧‧厚度
dr‧‧‧直徑
D‧‧‧延伸
h‧‧‧厚度
L‧‧‧長度
R1‧‧‧值
R2‧‧‧圓弧半徑
SR‧‧‧圓形輻射
W‧‧‧寬度
Z1‧‧‧距離
Z1a‧‧‧距離
Z1b‧‧‧距離
Z2‧‧‧距離
從接下來示例實施例的更特定描述，前述內容將變得明顯，如同在附圖(貫穿不同視圖，相似參考字符是指相同部分)中所顯示的。圖不一定是按比例繪製，而是將重點放在說明的實施例。
圖1A到1C為一種修改玻璃的具有相等間隔缺陷線 的斷層線之顯示圖。圖1A為一種產生穿過樣本的斷層線的雷射之顯示圖。圖1B為一種在分開後具有缺陷線的邊緣之顯示圖。圖1C為一種分開邊緣之照片。
圖2A與2B為一種雷射光焦線的位置之顯示圖，即，透明於雷射波長的材料的處理(由於沿著焦線的感應吸收)。
圖3A為一種根據一個實施例的用於雷射處理的光學組件之顯示圖。
圖3B-1到3B-4為一種處理基板的各種可能之顯示圖(藉由相對於基板不同地定位雷射光焦線)。
圖4為一種用於雷射處理的光學組件的第二實施例之顯示圖。
圖5A與5B為用於雷射處理的光學組件的第三實施例之顯示圖。
圖6為一種用於雷射處理的光學組件的第四實施例之概要顯示圖。
圖7A到7C顯示出用於材料的雷射處理之不同雷射強度狀況(intensity regimes)。圖7A顯示出非聚焦雷射光、圖7B顯示出具有球面透鏡的凝聚雷射光、及圖7C顯示出具有旋轉三稜鏡(axicon)或繞射菲涅耳(Fresnel)透鏡的凝聚雷射光。
圖8A到8B描繪出用於微微秒雷射的以時間為函數之雷射放射。每個放射的特徵是在能包含一或更多個子脈衝的脈衝「突衝」。顯示出對應於脈衝期間、脈衝之間的分開、 及突衝之間的分開之時間。
圖8C顯示出根據實施例方法的將平的玻璃面板處理成3D形狀部分。
圖9顯示一種完成部分，該完成部分是根據實施例方法從凹陷非強化的Gorilla® 2319作出。
圖10A顯示一種處理，該處理用以跟隨追蹤路徑來產生缺陷線。在3D玻璃表面和線聚焦之間的每個相對位置處，四周圍追蹤具有圓角落的長方形形狀。然後，相對位置被階段(step)降低200微米及再次追蹤相同形狀。重複處理直到在彎曲玻璃面板中完整界定出缺陷線。
圖10B為一種如何只產生缺陷線在玻璃厚度是在線聚焦的延伸內的區域處之放大顯示圖。在這情況下，線聚焦延伸(或長度)是約1毫米及階段是約100微米。在長方形的鄰近階段掃描之間有重疊。
圖11顯示出從過大玻璃部分形成及萃取的個別部分(上面排)及為使用相同雷射方法來放大處理規模的方法(下面排)。
圖12顯示出利用揭露方法的多個部分的萃取。
圖13顯示出為從熱凹陷玻璃面板來形成及萃取3D部分的代替方法。
圖14顯示出為從熱凹陷玻璃面板來形成、強化及萃取3D部分的另一代替方法。
圖15A為一種根據為促進具有小曲率半徑的玻璃部分的模製的實施例方法來雷射穿孔預形成片(preform sheet) 之顯示圖。
圖15B為一種從圖15A中顯示的片來分開一個單一預形成之顯示圖。
圖16A到16B為一種圖15B的單一預形成(在形成具有由雷射穿孔(缺陷線)產生的半徑的3D表面之前及之後)之側剖視圖。
圖16C到16D為一種圖15B的單一預形成(在形成具有由多個雷射穿孔(缺陷線)產生的小角落半徑的表面之前及之後)之角落剖視圖。
接下來是示例實施例的描述。
本發明提供用於模製3D薄透明脆性基板的任意形狀的分開及精確切割的處理，而對強化或非強化玻璃特別感興趣。在一個實施例中，玻璃是Gorilla.®玻璃(所有編碼，來自康寧公司)。實施例方法允許將一或更多個3D部分(或具有3D表面的部分)切割及萃取至它們的最後尺寸，而不需要後處理完成步驟。方法能被運用至強化的(例如，化學離子交換)或非強化的(原料玻璃)3D部分。
根據本發明揭露的利用雷射的透明材料的切割也可在這裡稱作是鑽孔或雷射鑽孔或雷射處理。
處理以可控制的方式來允許部分被分開，連同可忽略碎屑、最小缺陷、及保留工件或部分的強度的對邊緣的低子表面損壞。工件是受到在這裡揭露的雷射方法所用的材料或物件，且在這裡也可指的是材料、基板或基板材料。一或 更多個部分或物體能從工件分開。部分或物體能包含(例如)用於具有彎曲表面的手機或汽車玻璃的玻璃蓋。
本雷射方法是非常適合於在線性強度狀況對所選擇波長為透明或實質上透明的材料。在本揭露的上下文內，當材料的吸收在雷射波長是材料深度的每單位毫米為小於約10%、或材料深度的每單位毫米為小於約5%、或材料深度的每單位毫米為小於約2%、或材料深度的每單位毫米為小於約1%時，材料或物體是實質上透明於這雷射波長。本雷射方法能充分利用在功率的線性狀況(低雷射強度(能量密度))基板材料對雷射波長的透明性的優點。在線性強度狀況的透明性減少或防止對基材表面的損壞及遠離由焦線雷射光所界定的高強度區域的子表面損壞。
如在這裡所用，子表面損壞是指在從受到根據本揭露的雷射處理所用的基板或材料所分開部分的周邊表面(perimeter surface)中的結構缺陷的最大尺寸(例如，長、寬、直徑)。既然結構缺陷從周邊表面延伸，子表面損壞也可被視為自周邊表面的最大深度(其中發生來自根據本揭露的雷射處理的損壞)。分開部分的周邊表面在這裡可是指分開部分的邊緣表面或邊緣。結構缺陷可為裂紋或空隙且代表機械弱點之點(促使斷裂或從基板或材料所分開部分的失敗)。藉由最小化子表面損壞之尺寸，本方法改善分開部分的機械強度及結構完整性。
根據下述的方法，在單次通過(pass)中，能使用雷射以通過材料產生高受控制完全或部分穿孔，連同極小的(小於 75微米，常小於50微米)子表面損壞及碎屑產生。子表面損壞可被限制於大約100微米深度或更少、或75微米深度或更少、或60微米深度或更少、或50微米深度或更少，且切割可僅產生少量碎屑。這情況是對比於典型使用點聚焦雷射來燒蝕材料，其中常需要多次通過以完全地穿孔玻璃厚度，從燒蝕處理形成大量碎屑，且發生更廣泛的子表面損壞(大於100微米)與邊緣碎屑。
因此，用本方法，利用一或更多個高能量脈衝或高能量脈衝之一或更多個突衝，來在透明材料中產生精微(即，直徑小於2微米且大於100奈米，及在有些實施例中直徑小於0.5微米且大於100奈米)伸長的缺陷線(這裡也是指如穿孔、孔洞或損壞軌(damage track))是可能的。穿孔代表由雷射所修改的基板材料的區域。雷射感應修改中斷基板材料的結構及構成機械弱點的地點。結構中斷包含壓實、熔化、材料趕出(dislodging)、重組、及鍵結斷裂。穿孔延伸入基板材料的內部且具有與雷射的橫截面形狀(一般為圓形)一致的橫截面形狀。穿孔的平均直徑可為從0.1微米到50微米範圍中、或從1微米到20微米範圍中、或從2微米到10微米範圍中、或從0.1微米到5微米範圍中。在一些實施例中，穿孔是一種「穿透孔洞」，其為孔洞或開放通道(從頂端延伸到基板材料底端)。在一些實施例中，穿孔可非為連續地開放通道且可包含由雷射從基板材料所趕出的固體材料的部分。趕出的材料阻礙或部分阻礙由穿孔所界定的空間。一或更多個開放通道(暢通區域)可被分散於趕出材料之部分之間。開放通道之直徑 可能為小於1000奈米、或小於500奈米、或小於400奈米、或小於300奈米、或從10奈米到750奈米範圍中、或從100奈米到500奈米範圍中。在這裡所揭露的實施例中，圍繞孔洞的材料的中斷或修改區域(例如，被壓實、被熔化、或其他被改變)較佳地具有小於50微米的直徑(例如，小於10微米)。
能以數百個千赫茲(kilohertz)的速率來產生個別穿孔(例如，每秒數十萬個穿孔)。因此，連同在雷射源與材料之間的相對運動，能彼此相鄰地放置這些穿孔，連同從次微米(sub-micron)到數微米或甚至數十微米(根據需要)變化的空間分開。沿著斷層線之方向在相鄰缺陷線之間的距離能為(例如)從0.25微米到50微米之範圍中、或從0.50微米到約20微米之範圍中、或從0.50微米到約15微米之範圍中、或從0.50微米到約10微米之範圍中、或從0.50微米到約3.0微米之範圍中、或從3.0微米到約10微米之範圍中。這空間分開的選擇是為了促進切割。
除了在線性強度狀態的基板材料的透明度之外，雷射源的選擇更是基於在透明材料中感應多光子吸收(MPA)的能力。MPA是相同或不同頻率的多個光子的同時吸收，以便將材料從低能態(通常為基態)激發到高能態(激發態)。激發態可為激發電子態或離子態。在材料的較高和較低能態之間的能量差是相等於兩個或更多個光子的能量之和。MPA是一種非線性處理(相較於線性吸收，一般弱上幾個數量級)。它與線性吸收的不同處在於MPA的強度取決於光強度(light intensity)平方(或更高次方)，因此讓它成為非線性光學處理。 在普通光強度，MPA是可忽略的。如果光強度(能量密度)是極高的，像是在雷射源(尤其是脈衝雷射源)的聚焦的區域中，則MPA變得明顯的且在區域內的材料中(光源的能量密度是足夠高的)導致可量測的影響。在焦區域(focal region)內，能量密度可為足夠高的以導致離子化。
在原子能階，個別原子的離子化具有離散能量需求。在玻璃中所常用的數個元素(例如，矽、鈉、鉀)具有相對地低離子化能量(約5eV)。在不具有MPA現象的狀況，將需要約248奈米的波長，以產生在約5eV的線性離子化。在具有MPA的狀況，能使用大於248奈米的波長來完成由約5eV能量所分開的狀態之間的離子化或激發。例如，因為具有532奈米的波長的光子具有約2.33eV的能量，所以具有波長532奈米的兩個光子能(例如)在兩個光子吸收中(TPA)在由約4.66eV能量所分開的狀態之間感應轉換(transition)。因此，原子和鍵(bonds)能在材料的區域中(雷射光的能量密度是足夠高的)被選擇地激發或離子化，以感應(例如)具有一半所需激發能量的雷射波長的非線性TPA。
MPA能導致(i)局部重新配置及(ii)從相鄰原子和鍵分開所激發原子和鍵。在鍵結或配置中的結果修改能導致非熱燒蝕與來自材料的區域(MPA發生)的物質移除。這物質移除產生結構缺陷(缺陷線、損壞線、或上文所指的穿孔)，結構缺陷機械地弱化材料且使得它更容易受到裂紋或斷裂之影響(就在機械或熱應力之應用後)。藉由控制穿孔的放置，能精確地界定沿著裂紋發生的輪廓或路徑且能完成材料的精確微加 工。由一系列穿孔所界定的輪廓可被視為斷層線且對應於在材料中結構弱點的區域。斷層線界定用於從材料分開部分的較佳輪廓及控制所分開部分的形狀。在一個實施例中，微加工包含從由雷射所處理材料分開一部分，其中該部分具有精確地所界定的形狀或周邊(由界定通過由雷射所感應的MPA影響所形成的穿孔的封閉輪廓的斷層線所決定)。如此處所用，術語封閉輪廓指的是由雷射線所形成的穿孔路徑，其中路徑與自身相交在一些位置。內部路徑是一種由材料的外部分所完全地包圍的結果形狀所形成之路徑。
較佳雷射是一種超短脈衝的雷射(脈衝期間大約為100微微秒或更短)且能被操作在脈衝模式或突衝模式。在脈衝模式，一系列名義上相同的單一脈衝從雷射被放射出且被引導到工件。在脈衝模式，由脈衝之間的時間間隔來決定雷射之重複速率。在突衝模式，脈衝之突衝從雷射被放射出，其中每個突衝包含兩個或更多個脈衝(有相同或不同振幅)。在突衝模式，由第一時間間隔來分開在突衝內的脈衝(界定出針對這突衝的脈衝重複速率)且由第二時間間隔來分開突衝(界定出突衝重複速率)，其中第二時間間隔是典型地遠長於第一時間間隔。如這裡所用的(不論是在脈衝模式或突衝模式的情況)，時間期間是指在脈衝或突衝的對應部分之間的時間差異(例如：前緣對前緣、峰對峰、或後緣對後緣)。脈衝與突衝重複速率是由雷射之設計所控制且是典型地能藉由調整雷射的操作條件所調整(在限制內)。典型的脈衝與突衝重複速率是在kHz到MHz的範圍。
雷射脈衝期間(在脈衝模式、或針對在突衝模式在突衝內的脈衝)可以是10-10秒或更少、或10-11秒或更少、或10-12秒或更少、或10-13秒或更少。在這裡所述的示例實施例中，雷射脈衝期間是大於10-15。
實施例處理的一個特徵是由超短脈衝的雷射所產生的缺陷線的高長寬比。高長寬比允許從基板材料的上表面延伸至基板材料的下表面的缺陷線的產生。本方法也允許延伸至在基板材料內受控制深度的缺陷線的形成。能由單一脈衝或脈衝的單一突衝來產生缺陷線，及如果需要的話，能使用額外的脈衝或突衝以增加受影響區域的延伸(例如，深及寬)。
可藉由將高斯雷射光發送入旋轉三稜鏡透鏡中來實施線聚焦的產生，在這種情況下，產生出已知為高斯-貝賽爾光(Gauss-Bessel beam)的光剖面。相較於高斯光，這種光更加慢地繞射(例如，可將單微米點大小維持於數百微米或毫米的範圍，而非幾十微米或更小)。因此，聚焦深度或與材料的強烈相互作用的長度可能會比相較於在僅使用高斯光時更大的多。也可使用其他形式或慢繞射或非繞射光，像是Airy光。
如在圖1A到圖1C所顯示，切割薄玻璃板的方法是基於用超短脈衝雷射光140在基板130中產生由複數個垂直缺陷線120形成的斷層線或輪廓110。取決於針對處理材料130所選擇的材料特性(吸收、熱擴張係數(CTE)、應力、組成...等)及雷射參數，單獨斷層線110的產生是足以感應自分開。在這情況下，不需要輔助的分開處理，像是張力/彎曲力、加熱或CO2雷射。
圖1B顯示在沿著由多個垂直缺陷線120所界定的輪廓或斷層線110來分開工件之後的工件邊緣。產生缺陷線的感應吸收能產生具有平均直徑為小於3微米的粒子(particle)在分開的邊緣或表面上，而導致非常乾淨的切割處理。圖1C為一種顯示出利用在圖1A中顯示的雷射處理來分開部分邊緣的照片，且進一步描述於下文。
在一些情況下，產生的斷層線並不足以將部分從基板材料自發地分開，及可能會需要輔助的步驟。如果需要，(例如)能使用第二雷射來產生熱應力來將它分開。在0.55毫米厚度Gorilla® 2319的情況下，能在缺陷線的產生之後達成分開，例如，藉由機械力的應用或藉由使用熱源(例如紅外線雷射，例如CO2雷射)來產生熱應力及將部分沿著斷層線從基板材料進行力分開。另一個選項是使用紅外線雷射來啟動分開，且然後手動地完成分開。能(i)利用散焦連續波(cw)雷射(以10.6微米放射)且(ii)利用功率(藉由控制它的占空比(duty cycle)來調整)，來達成這可選的紅外線雷射分開。聚焦改變(即，散焦之延伸達到並包含聚焦點大小)是用於變化感應熱應力(藉由變化點大小)。散焦雷射光包含產生大於最小的、繞射限制的(diffraction-limited)點大小大約為雷射波長大小的點大小的那些雷射光。例如，散焦點大小(1/e2直徑)為2毫米到20毫米者、或2毫米到12毫米者、或約為7毫米者、或約2毫米者，及或20毫米者能用於CO2雷射，(例如)其繞射限制的點大小是遠小於給定的放射波長為10.6微米者。
有一些產生缺陷線的方法。形成焦線或線聚焦的可 選方法能有採用多個形式，利用甜甜圈形狀雷射光及球面透鏡、旋轉三稜鏡透鏡、繞射元件、或其他方法來形成高強度的線性區域。也能夠變化雷射種類(微微秒、毫微微秒...等)及波長(IR、綠色、UV...等)，只要達到足夠的光學強度，以在聚焦區域中產生基板或工件材料的分解(breakdown)，以經由非線性光學效應(例如，非線性吸收、多光子吸收)來產生基板材料的分解。
在本發明中，超短脈衝雷射是用於以穩定、可控制、可重複的方式來產生高長寬比垂直缺陷線。致能這垂直缺陷線的產生的光學設定的細節被描述於下文，且描述於2014年1月14日申請的美國專利申請案第14/154,525號中，而該申請案的全部內容通過引用形式併入於本發明，就好像在這裡完全闡述。這概念的本質在於在光學透鏡組件中使用旋轉三稜鏡透鏡元件，以利用超短(微微秒、毫微微秒期間)貝賽爾光來產生高長寬比無錐體(taper-free)微通道的區域。換句話說，旋轉三稜鏡將雷射光凝聚於基板材料中的圓柱形狀及高長寬比(長的長度及小的直徑)的高強度區域中。因為利用凝聚雷射光所產生的高強度，所以基板材料與雷射的電磁場的非線性交互作用將發生，且雷射能量被轉換到基板以影響缺陷的形成，這些缺陷變成是斷層線的組成。但是，重要的是瞭解到在雷射能量不高的基板區域中(例如，基板表面、圍繞中央輻合線(central convergence line)的基板體積)，基板對雷射是透明的且沒有將能量從雷射轉換到基板的機制。其結果是，當雷射強度是低於非線性閾值時，基板不發生任何事。
轉到圖2A與2B，一種雷射處理材料的方法包含將脈衝雷射光2聚焦於雷射光焦線2b中，沿著光傳播方向看。能由數種方式來產生雷射光焦線2b，例如：Bessel光、Airy光、Weber光、與Mathieu光(即，非繞射光)，它們的場剖面是典型地由特殊函數(相比於Gaussian函數在橫向方向(即，傳播方向)是更慢地衰減)所給定。如在圖3A所顯示，雷射3(未顯示)放射雷射光2，其具有部分2a入射於光學組件6。光學組件6將入射雷射光變成雷射光焦線2b(在輸出側上在所界定擴大範圍沿著光方向(焦線的長度l))。平面基板1(待處理材料)是位於光路徑中，以至少部分地重疊於雷射光2的雷射光焦線2b。參考號1a標出面對光學組件6或雷射的平面基板的表面，個別地，而參考號1b標出基板1的反(遠端)表面。基板厚度(垂直於平面1a與1b(即，基板平面)來量測)被標記為d。
如同圖2A所繪，基板1是基本上垂直於縱向光軸(longitudinal beam axis)對齊的，且因此在由光學組件6所產生的相同焦線2b之後(基板是垂直於圖的平面)。沿著光方向看，基板是以下列這種方式位於相對於焦線2b處：焦線2b開始於基板的表面1a之前且停止於基板的表面1b之前，即，焦線2b在基板內終止且沒有延伸超過表面1b。在雷射光焦線2b與基板1的重疊區域中，即，在由焦線2b所覆蓋的基板材料中，雷射光焦線2b產生(假設沿著雷射光焦線2b有合適的雷射強度，藉由雷射光2之聚焦在長度l的部分(即，長度l的線聚焦)上來確保這強度)部分2c(沿著縱向光方向對齊 的)，沿著其在基板材料中產生感應非線性吸收。感應非線性吸收沿著部分2c在基板材料中感應出缺陷線形成。缺陷線之形成不僅是局部的，而是延伸在感應吸收的部分2c的整個長度上。部分2c的長度(對應到雷射光焦線2b與基板1之重疊的長度)被標記為參考號L。感應吸收的部分2c(或經歷缺陷線形成的在基板1之材料中的部分)的平均直徑或平均尺寸(延伸(例如，長度或其他相關線性尺寸))被標記為參考號D。這平均尺寸D基本上對應於雷射光焦線2b的平均直徑δ，亦即，平均點直徑是在約0.1微米與約5微米之間的範圍中。
如圖2A顯示，因為沿著焦線2b的感應吸收，所以基板材料(對波長為λ雷射光2是透明的)是局部地加熱。這波長可以是(例如)1064、532、355或266奈米。感應吸收由與在焦線2b內雷射光的高強度相關聯的非線性影響(例如，兩個光子吸收、多個光子吸收)引起。圖2B顯示出加熱基板材料最終將擴大，以便對應的感應張力導致微裂紋及缺陷線形成，在表面1a處具有最高的張力。
代表性光學組件6，其能被運用以產生焦線2b，以及代表性光學設定(在其中這些光學組件能被運用)，如下所述。全部組件或設定是基於如上所描述，以便相同的參考號是用於相同的部件或特徵或那些與它們在功能上相等者。因此，僅差異處描述如下。
為確保分開部分的表面(分開沿著其發生)的高品質(關於斷裂強度、幾何精確度、粗糙度、及再加工需求的避免)，應利用如下所述的光學組件(以下，光學組件交替地也是指雷 射光學元件(laser optics))，來產生沿著分開或分離線(斷層線)在基材表面上所設置的個別焦線。從焦線的點直徑或點大小來主要地決定分開表面(或切割邊緣)的粗糙度。能特徵化表面的粗糙度為(例如)由ASME B46.1標準所界定的中心線平均粗糙度(Ra)表面粗糙度參數。如在ASME B46.1所述，Ra是自中心線(mean line)的表面輪廓高度偏移(surface profile height deviations)的絕對值的算術平均數，被記錄於評估長度內。在交替術語，Ra是表面的個別特徵(波峰和波谷)的絕對高度偏移對中心之集合的平均值。
為達成小的點大小(例如，針對與基板1的材料相互作用的雷射3的特定波長λ為0.5微米到2微米)，必須經常將特定需要施加於雷射光學元件6的數值孔徑。這些需要由如下所述的雷射光學元件6來滿足。為達成所需數值孔徑，光學元件必須，在一方面，針對給定焦長度的所需開口的配置，根據習知Abbé公式(N.A.=n sin(theta)，n：被處理材料或工件的折射率，theta：一半孔徑角度；且theta=arctan(DL/2f)；DL：孔徑直徑，f：焦長度)。在另一方面，雷射光必須照明光學元件達到所需孔徑，在雷射與聚焦光學元件之間利用加寬望遠鏡(widening telescopes)借助於光加寬來典型地達成。
為沿著焦線的均勻交互作用之目的，點大小不應該太強烈變化。這能(例如)藉由照明聚焦光學元件僅在小、圓的區域中來確保，以便光開口及因此數值孔徑的比率僅略有變化。
根據圖3A(部分是垂直於基板平面在中央光的水平處在雷射輻射2的雷射光束中；這裡也是，雷射光2是垂直地入射於基板平面(在進入光學組件6之前)，即，入射角θ是0°，以便焦線2b或感應吸收的部分2c是平行於基板法線)，由雷射3所放射的雷射輻射2a一開始是引導到圓的孔徑8(其對所用的雷射輻射為完全不透明)上。孔徑8是定向為垂直於縱向光軸及是集中於所繪光束2a的中央光上。以下列方式來選擇孔徑8的直徑：靠近光束2a中央或中央光(這裡被標記為2aZ)的光束擊中孔徑且是由它所完全地吸收。因為所減少孔徑大小(與光直徑比較)，所以僅在光束2a的較外周長範圍中的光(邊緣光線，這裡被標記為2aR)是沒有被吸收的，但橫向地通過孔徑8且擊中光學組件6的聚焦光學元件的邊緣區域，其(在這實施例中)是被設計為球形地切割、雙凸透鏡7。
如圖3A顯示的，雷射光焦線2b不僅是用於雷射光的單一焦點(focal point)，而更是在雷射光中用於不同射線的一系列焦點。這一系列焦點形成界定長度的拉長焦線，顯示於圖3A中，如雷射光焦線2b的長度l。透鏡7被集中於中央光上且是被設計為非校正、雙凸聚焦透鏡(以共同、球型地切割透鏡之形式)。這種透鏡的球面像差可能是有利的。作為替代，非球面或多透鏡系統(自理想校正系統的偏移)，其並不形成理想焦點但所界定長度的不同、拉長的焦線，也是能使用的(例如，不具有單一焦點的透鏡或系統)。透鏡區因此集中沿著焦線2b，受限制於自透鏡中央的距離。跨越光方向的孔徑8的直徑是大約光束的直徑的90%(由減少光強度到波峰強度 的1/e2所需的距離所界定)及光學組件6的透鏡7的直徑的75%。因此使用由在中央阻礙光束所產生的非像差校正的球面透鏡7的焦線2b。圖3A顯示出區域是在一個平面通過中央光，且當圍繞焦線2b旋轉所繪光時，能看見完全三維束。
由在圖3A中所顯示的透鏡7與系統所形成的這類型焦線的一個潛在缺點是狀態(點大小、雷射強度)可沿著焦線(及因此沿著所需深度在材料中)變化，且因此所需類型交互作用(沒有熔化、感應吸收、熱塑膠形變達到裂紋形成)是僅可能發生在焦線的所選擇部分中。這又意味著可能僅由基板材料來吸收入射雷射光之一部分(以所需方式被處理)。以這種方式，可能削弱處理效率(針對所需分開速率的所需平均雷射功率)，且也可能將雷射光傳送到不需要區域(例如，附著於基板的部分或層、或基板夾緊裝置(holding fixture))，且以不想要的方式(例如：加熱、擴散、吸收、多餘的修改)來與它們交互作用。
圖3B-1到4顯示出(不僅針對在圖3A中的光學組件，而且針對任何其他可應用的光學組件6)能藉由合適地定位及/或調整光學組件6(相對於基板1)以及藉由合適地選擇光學組件6的參數，來控制雷射光焦線2b的位置。如圖3B-1顯示，能以下列這種方式來調整焦線2b的長度l：它超過基板厚度d(這裡是兩倍)。如果基板1是對焦線2b中央地被放置(以縱向光方向看)，則在整個基板厚度上產生感應吸收的部分2c。雷射光焦線2b能具有(例如)範圍在約0.01毫米與約100毫米之間、或範圍在約0.1毫米與約10毫米之間、或範 圍在約0.1毫米與約1毫米之間的長度l。能配置不同的實施例，以具有(例如)約0.1毫米、0.2毫米、0.3毫米、0.4毫米、0.5毫米、0.7毫米、1毫米、2毫米、3毫米、或5毫米的長度l。
在圖3B-2所顯示的情況，產生出長度l的焦線2b是或多或少對應到基板厚度d。既然基板1是以下列這種方式位於相對於線2b處：線2b在基板外的一點處開始，則感應吸收的部分2c的長度L(這裡從基板表面延伸到所界定基板深度，但不是到反(遠端)表面1b)是小於焦線2b的長度l。圖3B-3顯示出基板1是位於焦線2b的開始點之上(沿著垂直於光方向的方向看)的情況，以便線2b的長度l是大於在基板1中的感應吸收的部分2c的長度L。焦線因此開始於基板內及延伸超過反表面1b。圖3B-4顯示出焦線長度l是小於基板厚度d的情況，以便(在以入射的方向看相對於焦線的基板的中央定位的情況)焦線開始於靠近在基板內的表面1a且結束於靠近在基板內的表面1b(例如l=0.75．d)。
特別有利的是以下列方式來定位焦線2b：由焦線覆蓋表面1a、1b中之至少一者，以便感應吸收之部分2c至少開始於基板的一個表面上。如此，達成理想切割同時在表面處避免燒蝕、羽化(feathering)、及微粒化(particulation)。
圖4繪製另一個可用的光學組件6。基本結構跟隨在圖3A中所描述者，以便僅差異處被描述如下。所繪製光學組件是基於光學元件的使用連同非球形自由表面，以產生焦線2b，其以下列方式來成形：形成所界定長度l的焦線。為 這目的，能使用非球面透鏡作為光學組件6的光學元件。在圖4中，使用(例如)所謂的錐形稜鏡(conical prism)，也有時是指旋轉三稜鏡。旋轉三稜鏡是一種特殊、錐形地切割透鏡(在沿著光軸的線上形成點來源(或轉換雷射光為環))。這種旋轉三稜鏡的佈局(layout)為本領域具有通常知識者所已知；在示例中的圓錐角為10°。旋轉三稜鏡(這裡標記為參考號9)的頂點被導向入射方向且被集中於光中央上。既然由旋轉三稜鏡9所產生的焦線2b在它的內部開始，能定位基板1(這裡是垂直於主光軸地對齊的)於光路徑中在旋轉三稜鏡9正後方。如圖4顯示出，沿著光方向移動基板1(因為旋轉三稜鏡的光學特徵)同時維持在焦線2b的範圍內也是可能的。在基板1的材料中的感應吸收的部分2c延伸超過整個基板深度d。
但是，所繪製佈局是受限於下列限制：既然由旋轉三稜鏡9所形成的焦線2b的區域開始於旋轉三稜鏡9內，在旋轉三稜鏡9與基板材料或工件之間有分開的情況下，雷射能量的重要部分沒有聚焦於焦線2b的感應吸收的部分2c中(其位於材料內)。此外，焦線2b的長度l與通過折射率的光直徑和旋轉三稜鏡9的圓錐角相關聯。這是為何，在相對地薄的材料(幾毫米)的情況，總焦線是遠長於基板厚度，有許多雷射能量沒有聚焦於材料中的影響。
為這原因，可能希望使用包含旋轉三稜鏡與聚焦透鏡的光學組件6。圖5A描繪出這種光學組件6，在其中具有被設計以形成雷射光焦線2b的非球形自由表面的第一光學元件被定位於雷射3的光路徑中。在圖5A所顯示的情況，這第 一光學元件是具有5°圓錐角的旋轉三稜鏡10，其是垂直於光方向地定位的且被集中於雷射光2上。旋轉三稜鏡之頂點是朝向光方向。第二、聚焦光學元件(這裡是平凸透鏡11(其彎曲(curvature)是朝向旋轉三稜鏡))被定位於從旋轉三稜鏡10的距離Z1處的光方向中。以下列的方式來選擇距離Z1(在大約300毫米的情況)：由旋轉三稜鏡10所形成的雷射輻射是圓形地入射於透鏡11的外部徑向部分上。透鏡11將圓形輻射聚焦於距離Z2處的輸出側上(在距離透鏡11大約20毫米的情況)，於所界定長度的焦線2b上(在1.5毫米的情況)。在這實施例中，透鏡11的有效焦長度為25毫米。由旋轉三稜鏡10的雷射光的圓形轉換被標記為參考號SR。
圖5B係根據圖5A來詳細地描繪焦線2b或在基板1的材料中的感應吸收的部分2c之形成。以下列的方式來選擇元件10、11兩者的光學特徵以及它們的定位：在光方向中的焦線2b的長度l是完全相同於基板1的厚度d。所以，沿著光方向的基板1的精確定位是需要的，以在基板1的兩個表面1a與1b之間精確地定位焦線2b，如圖5B所顯示。
因此有利的是(i)如果能從雷射光學元件在特定距離處形成焦線且(ii)如果能將雷射輻射的較大部分聚焦達到焦線的所需末端。如所述，這能藉由照明僅圓形地(環狀地)在特定外部徑向區域上的主要聚焦元件(透鏡)11來達成，其中，一方面是用於實現所需數值孔徑及因此所需點大小，且另一方面是(但)漫射圈(circle of diffusion)的強度在點中央中的非常短距離的所需焦線2b之後減小，如形成基本圓形點。以這 方式，缺陷線形成被停止於所需基板深度中的短距離內。旋轉三稜鏡10與聚焦透鏡11之組合滿足這需求。旋轉三稜鏡以下列兩個不同方式來動作：因為旋轉三稜鏡10，將通常為圓形的雷射點以環的形式發送至聚焦透鏡11，且旋轉三稜鏡10的非球面性具有在透鏡的焦平面外來形成焦線的影響(而不是在焦平面中的焦點)。能在旋轉三稜鏡上經由光直徑來調整焦線2b的長度l。(另一方面)能經由距離Z1(旋轉三稜鏡-透鏡的分開)與經由旋轉三稜鏡的圓錐角來調整沿著焦線的數值孔徑。以這方式，能集中整個雷射能量於焦線中。
如果意圖要將缺陷線形成連續到要處理的基板的背面，則圓形(環狀)照明仍具有下列優點：(1)最佳化地使用雷射功率(就大部分雷射光保持集中於焦線的所需長度中的意義)，及(2)因為圓形地照明的區域結合所需像差(借助於其他光學功能來設定)，所以實現沿著焦線的均勻點大小(及因此將部分沿著焦線從基板的均勻分開)是可能的。
代替在圖5A中所繪的平凸透鏡，使用聚焦凹凸透鏡或另一較高的校正聚焦透鏡(非球面、多透鏡系統)也是可能的。
為了利用在圖5A中所繪的旋轉三稜鏡及透鏡之組合來產生非常短焦線2b，將有必要來選擇入射於旋轉三稜鏡上的雷射光的非常小光直徑。這具有下列的實際缺點：在旋轉三稜鏡上的光的定心(centering)必須是非常精確的，且其結果對雷射的方向變化是非常敏感的(光偏移穩定性)。因此，緊密準直(tightly collimated)雷射光是非常發散的，即，因為光 偏轉(light deflection)，所以光束在短距離變得模糊。
如在圖6中所顯示，能藉由包含另一透鏡(在光學組件6中的準直透鏡12)來避免上面兩個影響。額外的凸透鏡12用於將聚焦透鏡11的圓形照明調整到非常緊密。以下列的方式來選擇準直透鏡12的焦長度f'：所需圓直徑dr是來自從旋轉三稜鏡到準直透鏡12的距離Z1a(其等於f')的結果。能通過距離Z1b(準直透鏡12到聚焦透鏡11)來調整環的所需寬度br。作為單純幾何問題，圓形照明的小寬度導致短焦線。能在距離f'處實現最小值。
在圖6中所繪的光學組件6是因此基於在圖5A中所繪者，以便僅差異處被描述如下。額外地將準直透鏡12(這裡也被設計為平凸透鏡(其具有朝向光方向的彎曲))中央地放置於旋轉三稜鏡10(其具有朝向光方向的頂點)在一側與平凸透鏡11在另一側之間的光路徑中。來自旋轉三稜鏡10的準直透鏡12的距離被稱為Z1a、來自準直透鏡12的聚焦透鏡11的距離為Z1b、且來自聚焦透鏡11的焦線2b的距離為Z2(總是以光方向看)。如在圖6中所顯示，將由旋轉三稜鏡10所形成的圓形輻射SR(其發散地且以圓直徑dr地入射於準直透鏡12上)調整到在聚焦透鏡11處的對至少大約恆定的圓直徑dr的沿著距離Z1b的所需圓寬度br。在所顯示的情況，意圖來產生非常短焦線2b，以便因為透鏡12的聚焦屬性(在示例中，圓直徑dr為22毫米)，將在透鏡12處大約是4毫米的圓寬度br減少到在透鏡11處大約是0.5毫米。
在所繪示例中，利用2毫米的典型雷射光直徑、具 有焦長度f=25毫米的聚焦透鏡11、具有焦長度f'=150毫米的準直透鏡、及選擇距離Z1a=Z1b=140毫米及Z2=15毫米，來達成小於0.5毫米的焦線的長度l是可能的。
圖7A到圖7C顯示在不同雷射強度狀況處的雷射物質(laser-matter)交互作用。在第一種情況下，圖7A中所顯示，非聚焦雷射光710穿過透明基板720而不帶給它任何修改。在這種特殊情況下，因為雷射能量密度(或由光照射到的每單位面積之雷射能量)是低於要感應非線性效應所必要的閾值，所以沒有呈現非線性效應。能量密度越高，電磁場強度就越高。因此，如在圖7B中所顯示，當由球面透鏡730將雷射光聚焦於較小的點大小時，照射區域被減少及能量密度增加，觸發非線性效應(其將會修改材料以允許斷層線的形成僅在那條件滿足的體積中)。這樣，如果聚焦雷射的光腰是位於基板的表面處，則表面的修改將發生。相反，如果聚焦雷射的光腰是位於基板的表面下方，則當能量密度是低於非線性光學效應的閾值時，在表面處什麼都不發生。但是在焦點740處，其位於基板720的體積中，雷射能量是足夠高的，以觸發多光子非線性效應，因此對材料感應出損壞。
最後，在有旋轉三稜鏡的情況下，如在圖7C中所顯示，旋轉三稜鏡透鏡750(或交替地用菲涅耳旋轉三稜鏡)的繞射模式(pattern)產生干擾，這干擾產生貝賽爾形狀的強度分佈(高強度的圓柱760)，且僅在強度是足夠高以產生對材料720的修改及非線性吸收的體積中。如這裡所指，圓柱760(其中貝賽爾形狀的強度分佈是足夠高以產生對材料的修改及非 線性吸收)的直徑也是雷射光焦線的直徑。貝賽爾光的點直徑D能表示為D=(2.4048 λ)/(2πB)，其中λ是雷射光波長及B是旋轉三稜鏡角度的函數。能將計算出或量測出的點直徑進行平均，及在這裡所描述實施例中的平均點直徑(例如)能在約0.1微米及約5微米之間的範圍中。
雷射及光學系統：
為了將部分從3D模製Gorilla.®玻璃部分或代表性示範的其他3D工件進行切割及萃取的目的，發展出一種處理，這處理使用1064奈米毫微秒脈衝雷射結合線聚焦光形成光學元件來在Gorilla.®玻璃基板中產生損壞的線(也在這裡稱為缺陷線、損壞軌、或斷層線)。
如在圖8A和8B中所顯示的，根據在這裡描述的所選實施例，微微秒雷射產生脈衝500A的「突衝」500，有時也叫作「突衝脈衝」。突衝是雷射操作的種類，其中脈衝之放射並不是在均勻與穩定的流(stream)，而是在緊密的群脈衝(clusters of pulses)。每個「突衝」500可包含達到100微微秒(例如，0.1微微秒、5微微秒、10微微秒、15微微秒、18微微秒、20微微秒、22微微秒、25微微秒、30微微秒、50微微秒、75微微秒、或其間)的非常短期間Td的多個脈衝500A(像是2個脈衝、3個脈衝、4個脈衝、5個脈衝、10個、15個、20個、或更多個)。脈衝期間一般是在從約1微微秒到約1000微微秒的範圍、或在從約1微微秒到約100微微秒的範圍、或在從約2微微秒到約50微微秒的範圍、或在從約5微微秒到約20微微秒的範圍。在單一突衝500內的這些個別脈 衝500A也能術語化為「子脈衝」，其簡單地表示下列事實：它們在脈衝的單一突衝內產生。在突衝內的每個雷射脈衝500A的能量或強度可不等於在突衝內的其他脈衝的能量或強度，且在突衝500內的多個脈衝的強度分佈可跟隨由雷射設計所管理的時間的指數衰減。較佳地，在這裡所述的示例實施例的突衝500內的每個脈衝500A跟在突衝中的後續脈衝在時間上是分開為自1毫微秒到50毫微秒的期間Tp(例如：10-50毫微秒、或10-40毫微秒、或10-30毫微秒)連同時間常是由雷射腔設計所管理。針對特定雷射，在突衝500內的每個脈衝之間的時間分開Tp(脈衝到脈衝(pulse-to-pulse)分開)是相對地均勻的(±10%)。例如，在一些實施例中，每個脈衝跟後續脈衝在時間上是分開為約20毫微秒(50MHz的脈衝重複頻率)。例如，針對產生約20毫微秒的脈衝到脈衝分開Tp的雷射，在突衝內的脈衝到脈衝分開Tp是維持在約±10%之內、或是約±2毫微秒。在每個「突衝」之間的時間(即，在突衝之間的時間分開Tb)將會是更長的(例如，0.25Tb 1000微秒，例如1-10微秒、或3-8微秒)。例如在這裡所述的雷射的示例實施例中之一些者，針對大約200kHz的雷射重複速率或頻率，大約是5微秒。雷射重複速率(i)在這裡也是指如突衝重複頻率或突衝重複速率，及(ii)被界定為在突衝中的第一脈衝到在後續突衝中的第一脈衝之間的時間。在其他實施例中，突衝重複頻率是在約1kHz與約4MHz之間的範圍、或是在約1kHz與約2MHz之間的範圍、是在約1kHz與約650kHz之間的範圍、是在約10kHz與約650kHz之間的範 圍。在每個突衝中的第一脈衝到在後續突衝中的第一脈衝之間的時間Tb可為0.25微秒(4MHz的突衝重複速率)到1000微秒(1kHz的突衝重複速率)，例如：0.5微秒(2MHz的突衝重複速率)到40微秒(25kHz的突衝重複速率)、或2微秒(500kHz的突衝重複速率)到20微秒(50kHz的突衝重複速率)。準確定時、脈衝期間、及重複速率能取決於雷射設計與受使用者控制的操作參數來變化。高強度的短脈衝(Td<20微微秒且較佳地Td 15微微秒)已顯示出是正常工作。
能用突衝能量(在突衝內所包含的能量(每個突衝500包含一系列脈衝500A))或用在單一雷射脈衝內所包含的能量(其中有很多可包含突衝)，來描述修改材料的所需能量。針對這些應用，每單位突衝的能量(要切割的材料的每單位毫米)能為從10-2500μJ、或從20-1500μJ、或從25-750μJ、或從40-2500μJ、或從100-1500μJ、或從200-1250μJ、或從250-1500μJ、或從250-750μJ。在突衝內的個別脈衝的能量將減少，且準確個別雷射脈衝能量將取決於如在圖8A與圖8B中所顯示的在突衝500內的脈衝500A的數目與隨時間的雷射脈衝的衰減速率(例如，指數衰減速率)。例如，針對恆定能量/突衝，如果脈衝突衝包含10個個別雷射脈衝500A，則(相較於如果相同的脈衝突衝500具有僅2個個別雷射脈衝)每個個別雷射脈衝500A將包含較少的能量。
使用能產生這種脈衝突衝的雷射是有利於切割或修改透明材料，例如玻璃。相比於使用單一脈衝(由單一脈衝雷射的重複速率來在時間上隔開)，使用突衝脈衝序列(在突衝 500內的脈衝的快速序列傳播雷射能量)允許對與材料進行高強度互動的較大時間尺度(timescale)之存取(相較於可用單一脈衝雷射)。當在時間上能擴大單一脈衝時，能量守恆要求當這樣做時，在脈衝內的強度必須下降為大約脈衝寬度分之一。因此如果將10微微秒的單一脈衝擴大到10毫微秒的脈衝，強度下降為大約三個數量級。這種減少能減少光強度到非線性吸收不再顯著且光材料交互作用不再強到足以允許切割的地步。相反地，連同突衝脈衝雷射，在每個脈衝或突衝500內的子脈衝500A的期間的強度能保持非常高(例如，具有脈衝期間Td為10微微秒的三個脈衝500A(其在時間上隔開為約10毫微秒的分開Tp)仍然允許在每個脈衝內的強度相較於單一10微微秒脈衝的強度為約三倍大)，在雷射被允許與材料在大於三個數量級的時間尺度上進行互動時。在突衝內的多個脈衝500A的這調整，以能促進(i)更多或更少的光交互作用連同預先存在等離子體羽(pre-existing plasma plume)、(ii)更多或更少的光-材料交互作用連同已經由初始或先前雷射脈衝所預先激發的原子與分子、及(iii)在材料內的更多或更少的加熱效應(其能促進缺陷線(穿孔)的控制生長)的方式，來允許雷射-材料交互作用的時間尺度的處理。要修改材料的所需突衝能量的大小將取決於基板材料組成及用於與基板互動的線聚焦的長度。有愈長的交互作用區域，則散開愈多的能量，及將需要愈高的突衝能量。
當脈衝的單一突衝基本上撞擊玻璃上的相同位置時，在材料中形成缺陷線或孔洞。即，在單一突衝內的多個 雷射脈衝能在玻璃中產生單一缺陷線或孔洞位置。當然，如果玻璃是移動的(例如，藉由不斷移動的臺子)或光相對於玻璃是移動的，則在突衝內的個別脈衝是無法在玻璃上的完全相同的空間位置處。但是，它們還是在彼此的1微米內，即，它們撞擊玻璃於基本上相同位置處。例如，它們可以彼此為間距sp(其中0<sp500奈米)來撞擊玻璃。例如，當用20個脈衝的突衝來擊中玻璃位置時，在突衝內的個別脈衝在彼此的250奈米內撞擊玻璃。因此，在一些實施例，1奈米<sp<250奈米。在一些實施例，1奈米<sp<100奈米。
在一個實施例中，具有0.55毫米厚度的康寧玻璃碼2319的Gorilla.®玻璃基板被定位，以便它是在由光學系統所產生的焦線的區域內。連同約1毫米長度的焦線，及以200kHz的突衝重複速率或頻率來產生約40W或更大的輸出功率的微微秒雷射(在材料處量測為約200微焦耳/突衝)，在焦線區域中的光學強度(能量強度)能容易地足夠高以在基板材料中產生非線性吸收。在玻璃中產生了在基板內被損壞、被燒蝕、被汽化、或其他被修改材料的區域，其大致地接著高強度的線性區域。
孔洞或損壞軌形成：
如果基板有足夠應力(例如，用離子交換玻璃)，則部分將自發地沿著由雷射處理所描繪的被穿孔損壞的路徑(斷層線或輪廓)從基板分開。但是，如果沒有許多應力固有於基板，則微微秒雷射將單純地在基板中形成損壞軌(缺陷線)。這些損壞軌一般採取孔洞的形式，而孔洞具有內部尺寸(例如， 直徑)在約0.2微米到2微米的範圍中，例如，0.5到1.5微米。較佳地，孔洞在尺寸上是非常小的(單微米或更小)。
缺陷線可能會或可能不會穿孔材料的整個厚度，且可能會或可能不會是遍及材料深度的連續開口。圖1C顯示出穿過700微米厚Gorilla.®玻璃基板的工件的整個厚度的這種軌或缺陷線的示例。通過裂開邊緣的一側來觀察穿孔或損壞軌。通過材料的軌並不必要通過孔洞。經常有塞住孔洞的玻璃區域，但它們在尺寸上一般是小的，(例如)微米的量級。
需要注意的是，在部分分開後，斷裂沿著缺陷線發生，以提供具有周邊表面(邊緣)連同源自缺陷線的特徵的部分。在分開之前，缺陷線在形狀上一般是圓柱的。就在部分分開後，缺陷線斷裂及缺陷線殘餘在分開部分的周邊表面的輪廓中是明顯的。在理想模型中，缺陷線在分離後裂開成兩半，以便分開部分的周邊表面包含對應於半個圓柱的鋸齒(serrations)。實際上，分開可從理想模型偏離，及邊緣表面的鋸齒可能是原始缺陷線的形狀的任意比例。不論特定形式，周邊表面的特徵將被稱為缺陷線，以指示它們存在的由來。
穿孔玻璃或其他材料的堆疊片(stacked sheets)也是有可能的。在這種情況下，焦線長度需要比堆疊高度要更長。
當在聚焦雷射光下方平移基板時，由雷射的脈衝速率來決定在缺陷線之間的側面間距(孔距(pitch))。通常僅單一微微秒雷射脈衝或突衝是必要的，以形成整個孔洞，但如果需要，可使用多個脈衝或突衝。為在不同孔距處形成孔洞或形成缺陷線分開，能觸發雷射以每隔更長或更短的間隔發 射。針對切割操作，因為一般是用在光下方的基板的臺子驅動運動(stage driven motion)來同步雷射觸發，所以每隔固定間隔觸發雷射脈衝，像是每1微米或每5微米。由材料特性來決定在相鄰缺陷線之間的精確間距，該材料特性促進從穿孔孔洞到穿孔孔洞的裂紋擴張，給定在基板中的應力水平。但是，相反於切割基板，使用相同方法僅來穿孔材料也是可能的。在這情況下，可由更大間距(例如，7微米孔距或更大)來分開孔洞(或損壞軌或穿孔)。
雷射功率及透鏡焦長度(其決定焦線長度及因此功率密度)是特別重要的參數，以確保玻璃的完全穿透及低表面與子表面損壞。
一般來說，有越高的可用雷射功率，用上述處理能越快切割材料。這裡所揭露的處理能以0.25米/秒的切割速率(或更快)來切割玻璃。當產生多個缺陷線或孔洞時，切割(cut)速率(或切割(cutting)速率)是相對於基板材料(例如，玻璃)的表面的雷射光移動速率。為了最小化用於製造的資金投資且最佳化設備使用率，常常是期望有高切割速率，像是例如：400毫米/秒、500毫米/秒、750毫米/秒、1米/秒、1.2米/秒、1.5米/秒、或2米/秒、或甚至3.4米/秒到4米/秒。雷射功率等於突衝能量乘上雷射的突衝重複頻率(速率)。一般來說，為以高切割速率來切割玻璃材料，缺陷線是典型地間隔為1-25微米，在一些實施例中，間距較佳為3微米或更大，例如3-12微米或例如5-10微米。
例如，為達成300毫米/秒的線性切割速度，3微米 的孔洞孔距對應於具有至少100kHz的突衝重複速率的脈衝突衝雷射。針對600毫米/秒的線性切割速度，3微米的孔距對應於具有至少200kHz的突衝重複速率的突衝脈衝化雷射(burst-pulsed laser)。脈衝突衝雷射(在200kHz產生至少40微焦耳/突衝，且以600毫米/秒的切割速率來切割)需要具有至少8瓦特的雷射功率。更高的切割速率因此需要更高的雷射功率。
例如，在3微米孔距及40微焦耳/突衝的0.4米/秒切割速率將需要至少5瓦特雷射，在3微米孔距及40微焦耳/突衝的0.5米/秒切割速率將需要至少6瓦特雷射。因此，較佳地，脈衝突衝微微秒雷射的雷射功率是6瓦特或更高，更較佳地，至少8瓦特或更高，且甚至更較佳地，至少10瓦特或更高。例如，為了達成在4微米孔距(缺陷線間距或損壞軌間距)及100微焦耳/突衝的0.4米/秒切割速率，人們將需要至少10瓦特雷射，為了達成在4微米孔距及100微焦耳/突衝的0.5米/秒切割速率，人們將需要至少12瓦特雷射。例如，為達成在3微米孔距及40微焦耳/突衝的1米/秒切割速率，人們將需要至少13瓦特雷射。還例如，在4微米孔距及400微焦耳/突衝的1米/秒切割速率將需要至少100瓦特雷射。
在缺陷線(損壞軌)之間的最佳孔距及精確突衝能量是材料相依的且能經驗上被決定的。但是，應當注意的是提升雷射脈衝能量或產生在較靠近孔距的損壞軌並非是總是使基板材料分開的更好或具有改善的邊緣品質的條件。在缺陷線(損壞軌)之間的太小的孔距(例如，<0.1微米，或在一些示 例性實施例中是<1微米，或在其他實施例中是<2微米)有時能抑制附近後續的缺陷線(損壞軌)的形成，且經常能抑制在所穿孔輪廓週圍的材料的分開。如果孔距太小，則也可能導致在玻璃內的不想要微裂紋的增加。太長的孔距(例如，>50微米，且在一些玻璃是>25微米或甚至>20微米)可導致「不受控制的微裂紋化」，即，其中取代沿著預期輪廓的從缺陷線到缺陷線的傳播，微裂紋沿著不同路徑來傳播，且導致玻璃是以遠離預期輪廓的不同(不想要)方向來裂紋。因為殘留微裂紋構成弱化玻璃的缺陷，這可能最終降低分開部分的強度。太高的用於形成缺陷線的突衝能量(例如，>2500微焦耳/突衝，或在一些實施例中是>500微焦耳/突衝)能導致「治療」或先前形成的缺陷線的再熔化，其可抑制玻璃的分開。因此，最好是突衝能量是<2500微焦耳/突衝，例如，500微焦耳/突衝。還有，使用太高的突衝能量能導致極大的微裂紋的形成及產生能減少分開後之部分的邊緣強度的結構缺陷。太低的突衝能量(例如，<40微焦耳/突衝)可導致在玻璃內沒有任何明顯的缺陷線的形成，且因此可能需要特別高的分開力量或導致完全不能對沿著所穿孔輪廓來分開。
由這處理所致能的典型示例性切割速率(速率)是(例如)0.25米/秒或更高。在一些實施例中，切割速率是至少300毫米/秒。在一些實施例中，切割速率是至少400毫米/秒，(例如)500毫米/秒到2000毫米/秒，或更高。在一些實施例中，微微秒(ps)雷射利用脈衝突衝以產生具有在0.5微米與13微米之間(例如，在0.5與3微米之間)的週期(periodicity)的缺陷 線。在一些實施例中，脈衝雷射具有10瓦特-100瓦特的雷射功率，且材料及/或雷射光是以至少0.25米/秒的速率來相對於彼此移動，(例如)以0.25米/秒到0.35米/秒或0.4米/秒到5米/秒的速率。較佳地，脈衝雷射光的每個脈衝突衝具有的平均雷射能量(在工件處量測)是大於40微焦耳(工件的每單位毫米厚度的每單位突衝)。較佳地，脈衝雷射光的每個脈衝突衝具有的平均雷射能量(在工件處量測)是小於2500微焦耳(工件的每單位毫米厚度的每單位突衝)，且較佳地，是小於2000微焦耳(工件的每單位毫米厚度的每單位突衝)，且在一些實施例中，是小於1500微焦耳(工件的每單位毫米厚度的每單位突衝)，(例如)不大於500微焦耳(工件的每單位毫米厚度的每單位突衝)。
我們發現到針對穿孔具有低或沒有鹼金屬內容的鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃是需要更高的(5到10倍高)體積脈衝能量密度(微焦耳/微米3)。這能(例如)藉由利用脈衝突衝雷射(較佳地具有每單位突衝至少2個脈衝及提供約0.05微焦耳/微米3或更高(例如，至少0.1微焦耳/微米3)的在鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃(具有低或沒有鹼金屬)內的體積脈衝能量密度，例如0.1-0.5微焦耳/微米3)來達成。
因此，最好是雷射產生具有每單位突衝至少2個脈衝的脈衝突衝。例如，在一些實施例中，脈衝雷射具有10瓦特-150瓦特的功率(例如，10瓦特-100瓦特)且產生具有每單位突衝至少2個脈衝的脈衝突衝(例如，每單位突衝2-25個脈衝)。在一些實施例中，脈衝雷射具有25瓦特-60瓦特 的功率且產生具有每單位突衝至少2-25個脈衝的脈衝突衝，且由雷射突衝所產生的在相鄰缺陷線之間的距離或週期是2-10微米。在一些實施例中，脈衝雷射具有10瓦特-100瓦特的功率，產生具有每單位突衝至少2個脈衝的脈衝突衝，且工件及雷射光是以至少0.25米/秒的速率來相對於彼此移動。在一些實施例中，工件及/或雷射光是以至少0.4米/秒的速率來相對於彼此移動。
例如，針對切割0.7毫米厚的非離子交換式康寧碼2319或碼2320的Gorilla®玻璃，可觀察到3-7微米的孔距能正常運作，具有約150-250微焦耳/突衝的脈衝突衝能量，及範圍從2到15的突衝脈衝數目，且較佳地是具有3-5微米的孔距及2到5的突衝脈衝數目(每單位突衝的脈衝數目)。
以1米/秒的切割速率，Eagle XG®玻璃或編碼2320的Gorilla®玻璃的切割典型地需要使用15-84瓦特的雷射功率，用30-45瓦特常常是足夠的。一般來說，跨不同的玻璃與其他透明材料，申請人發現到要達成從0.2到1米/秒的切割速率，較佳的是在10瓦特與100瓦特之間的雷射功率，針對許多玻璃用25-60瓦特的雷射功率是足夠的(或最佳的)。針對0.4米/秒到5米/秒的切割速率，雷射功率較佳為10瓦特-150瓦特，具有40-750微焦耳/突衝的突衝能量、每單位突衝2-25個脈衝(取決於切割的材料)、及3到15微米或3-10微米的缺陷線分開(孔距)。針對這些切割速率，微微秒脈衝突衝雷射的使用將是較佳的(因為它們產生高功率與每單位突衝的脈衝的所需數目)。因此，根據一些示例性實施例， 脈衝雷射產生10瓦特-100瓦特功率，例如25瓦特到60瓦特，且產生每單位突衝至少2-25個脈衝的脈衝突衝及在缺陷線之間的距離為2-15微米；且雷射光及/或工件是以至少0.25米/秒的速率來相對於彼此移動(在一些實施例中是至少0.4米/秒)，例如0.5米/秒到5米/秒，或更快。
切割及萃取3D模製形狀：
圖8C顯示出一種將3D形狀由0.55毫米厚康寧碼2319的Gorilla.®玻璃的大型預形成面板工件切割及萃取出之處理。將大型預形成切割玻璃片形成為3D形狀大半徑彎曲的面板(藉由使用模板來凹陷它)。這3D形狀放置在雷射光下方，及藉由逐漸追蹤相同的形狀(結合圖9而在下文描述)，來在彎曲玻璃上產生在這裡所述的缺陷線，而同時階段降低在玻璃形狀的表面與線聚焦(焦線)之間的相對距離。結合圖10A和10B而進一步在下文描述在表面與焦線之間的相對距離之這階段降低。在每個通過，僅玻璃的小部分與雷射的線聚焦重疊及因此產生缺陷線。在具有圓角落(圓弧半徑R2=12毫米)的長方形形狀的每個完整追蹤之後，將距離改變或階段化200微米。當在彎曲玻璃形狀上用缺陷線印了完整形狀時，藉由使用釋放線(未顯示於圖中)藉由手動地將最後部分斷開，來達成最後部分的萃取。這部分具有長度L、寬度W及厚度或高度h。值R1是用於形成部分的曲率半徑，結合長度L，其決定出厚度h。
圖9顯示出一種完成部分，該完成部分是處理自凹陷非強化的Gorilla.®編號2319玻璃(結合圖8而根據先前所述 的處理時期(process stage))。
圖10A顯示出一種處理，該處理用以在玻璃及雷射焦線之間在些許相對距離處跟隨追蹤路徑來產生缺陷線。在每個相對距離或在3D玻璃表面及雷射交線之間的分開處，四周圍追蹤具有圓角落的長方形形狀。然後，相對分開被階段降低200微米，且再次追蹤相同形狀。重複這處理直到在彎曲玻璃面板中完整界定出缺陷線。階段掃描也能稱作通過。因此，在一或更多個通過中，工件與雷射光能相對於彼此平移，雷射光焦線沿著輪廓路徑與工件相交是顯示在圖10A的上半部中而在四個不同平面。當雷射光及工件被階段化或相對於另一者平移(例如，以垂直於四個平面之一者的方向)時，雷射光焦平面與平面之另一者相交在工件中在輪廓路徑處。當在一或更多個通過中在輪廓周圍在每個平面中產生足夠的缺陷線數量時，能將由輪廓界定的部分從工件分開。缺陷線數量是足夠的在分開為方便時---不論分開是單獨雷射光焦線的結果或不論分開涉及機械力或運用分開的紅外線雷射光或其它步驟。
圖10B為一種如何只產生缺陷線在玻璃厚度是在線聚焦的延伸內的區域處之更高放大顯示圖。應注意的是，在一些情況下，能在不同平面的掃描之間有重疊。例如，在一個示例情況下，線聚焦延伸(或焦線長度)為約1毫米，及階段為約100微米。因此，在後面步驟掃描(或通過)中的雷射光焦線與在前面步驟掃描(或通過)中所產生的缺陷線有重疊。
圖11顯示出切割及萃取處理是如何能放大規模以 產生多個部分。圖11的上面排顯示出從過大玻璃部分或工件形成及萃取個別部分的時期(結合圖8到圖10B而如前面所述)。上面排也顯示出在萃取後的強化玻璃部分或工件。圖11的下面排顯示出(平行地)用於形成、萃取、及強化多個玻璃部分的相對應時期，而利用相似於在圖11的上面排中所顯示的方法。
圖12顯示出相似於在圖9中所顯示的部分的兩個形成及分開部分或工件，但是在圖12的實例中，同時地追蹤兩個長方形形狀。由雷射以缺陷線來追蹤在圖12中的經追蹤長方形及相對的釋放線，且經追蹤長方形及相對的釋放線是用於從基板面板分開所需圓角落長方形部分。凹陷的0.55毫米厚的康寧碼2319的Gorilla.®玻璃(其形狀於具有500毫米半徑的彎曲玻璃中)也能用於作為在圖12中所顯示的示範。這兩個長方形有用於圖9的部分的12毫米角落半徑及相同的3D彎曲形狀。
用於上述示範的雷射條件及速度總結如下作為參考。為將部分從玻璃基材(glass matrix)分開，要手動地施加力於釋放線處。力引起了(i)在穿孔線(缺陷線)處的斷開及(ii)沿著斷層線的裂紋的擴張(其最終地從玻璃基材分開了形狀)。
對旋轉三稜鏡透鏡的輸入光直徑為約2毫米
旋轉三稜鏡角度等於10度
初始準直透鏡焦長度等於125毫米
最後目標透鏡焦長度等於40毫米
入射光會聚角度等於12.75度
聚焦集合是在零及10毫米之間，對每個追蹤有200微米的階段變化。
處於75%全功率的雷射功率(約30瓦特)
雷射的脈衝重複速率等於200kHz。
3脈衝/突衝
孔距等於6微米
顯示於圖9中的相同追蹤的多個通過。
運動臺子速度等於12公尺/分鐘等於200毫米/秒
作為方才所述處理的替代，另一實施例利用散焦CO2雷射以輔助釋放已被顯示的部分。散焦CO2雷射跟隨微微秒雷射，如同它追蹤所需輪廓(斷層線)以引起將部分從圍繞的基板基材分開。由散焦CO2雷射所感應的熱應力是足以啟動及傳播裂紋，其導致沿著由斷層線所界定的所需輪廓的部分分開，因此將形狀部分從基板面板釋放。針對這種情況，針對下列光學元件及雷射參數可得到最佳結果：
微微秒雷射
對旋轉三稜鏡透鏡的輸入光直徑為約2毫米
旋轉三稜鏡角度等於10度
初始準直透鏡焦長度等於125毫米
最後目標透鏡焦長度等於40毫米
入射光會聚角度等於12.75度
聚焦集合是在零及10毫米之間，對每個追蹤有200微米的階段變化。
處於75%全功率的雷射功率(約30瓦特)
雷射的脈衝重複速率等於200kHz。
3脈衝/突衝
孔距等於6微米
顯示於圖9中的相同追蹤的多個通過。
運動臺子速度等於12公尺/分鐘等於200毫米/秒
CO2雷射
雷射平移速度：130毫米/秒
雷射功率等於100%
脈衝期間為13微秒(95%佔空比)
雷射調製頻率為20kHz
雷射光散焦為21毫米
單個通過
從熱凹陷玻璃面板來形成及萃取3D部分的替代處理。
圖13顯示出在萃取3D形狀的代替方法中的時期。在平坦玻璃基板面板上產生(雷射追蹤)缺陷線是在它被凹陷及預形成之前。在熱凹陷處理之後，圍繞缺陷線的殘餘應力產生幫助來傳遞裂紋直到釋放形狀的張力(拉力)。
圖14顯示出一種為從熱凹陷玻璃面板來形成、強化及萃取3D部分的實施例處理。如在圖14中所顯示，像是上述的方法針對分開各種具有不同程度離子交換及壓縮應力的平坦強化康寧碼2319的Gorilla.®玻璃也是工作得很好。能直接地從過大基板或完整面板(其已經由離子交換被強化)來產生及釋放3D部分。事實是預強化玻璃能促進從基板的部分之 釋放，而不需要紅外線雷射，像是CO2雷射。
具有3D表面的玻璃蓋正在為(例如)手持產品(像是手機)而開發。但是，(例如)從薄LCD玻璃形成3D部分變得更難，其中曲率半徑是更小的。(例如)以薄LCD玻璃來達到10毫米曲率半徑是相對容易的。但是，(例如)具有更小半徑(像是5毫米或2毫米)的3D碟狀部分是更難以現有方法來產生，因為在現有方法中玻璃是典型地熱的以致於無法達到良好的2毫米角落半徑，所以表面缺陷產生。甚至可能需要真空及壓力，以迫使玻璃進入這樣緊密的模製特徵。再者，為將產品尺寸及體積放大規模，針對成本效益典型地是使用薄玻璃的大形成片，及在部分的陣列上產生緊密的角落半徑可能是更加具有挑戰性的。在這裡所述的實施例方法能促進具有小曲率半徑具有3D表面的玻璃部分之生產，結合圖15A到15B及圖16A到圖16D而進一步描述。
圖15A是一種多個部分1551的預形成片1550的示範圖。根據實施例方法來雷射穿孔片1550(產生缺陷線)，以促進具有小曲率半徑的玻璃部分的模製。特別地，根據上面所述方法來雷射穿孔釋放線1554，以促進具有個別部分的個別部分預形成1551的單一化(singulation)。也雷射穿孔部分外形1552，以促進接下來的從單一預形成的部分移除，在玻璃部分1552的模製後，以具有3D彎曲表面。應注意的是，在其他實施例中，模製是完全地發生在整個預形成片1550之內。
圖15B是一種從在圖15A中所顯示片來分開一個單 一預形成的示範圖。也在圖15B所顯示的是部份的角落1556，其被雷射穿孔多次以促進具有小曲率半徑的模製，結合圖16C到16D的角落剖視圖而在下文進一步描述。沒有在圖15B顯示的是其他雷射穿孔，其促進在玻璃部分1552的表面上進一步模製3D彎曲，結合圖16A到16B的側剖視圖而在下文進一步描述。
圖16A到16B是一種圖15B的單一預形成(相對地在形成具有由雷射穿孔產生的半徑的3D表面之前及之後)之側剖視圖。圖16A顯示出模子1558，其具有3D彎曲表面(界定出3D彎曲以被運用於在單一預形成1551中的部分表面)。預形成1551感應出雷射穿孔1560(當感應出較少或沒有表面缺陷時，促進預形成的彎曲)。圖16B顯示出在模製後的預形成1551及相同模子1558，且能見到的是，穿孔1560減輕在玻璃中的彎曲應力。這種雷射穿孔能減少或消除對預形成1551的真空或壓力應用之需求，以完成模製。
圖16C到16D是一種圖15B的單一預形成(相對地在形成具有由多個雷射穿孔1560產生的具有小角落半徑的表面之前及之後)之角落剖視圖。如在圖16C到16D所顯示，(例如)能由多個穿孔來產生特別小的表面彎曲半徑(像是，5毫米或2毫米或更少)。多個或更高密度的穿孔將導致在模製期間的應力消除、在模製期間的針對真空或壓力應用的需求減少、及減少表面缺陷。
上面所述方法提供下列好處，其可轉化成增強雷射處理能力及成本節省，及因此以降低成本製造。上面所述實 施例提供：
在最後尺寸的3D模製Gorilla.®玻璃部分的完全分開及萃取---方法允許3D模製Gorilla.®玻璃部分的任何形狀(個別或多個)的完全切割及萃取，當由融合處理產生時(非強化的)或在Gorilla.®玻璃基板以乾淨及受控制方式經過化學強化之後。當追蹤部分的形狀輪廓時，相對於雷射線聚焦(焦線)，藉由階段降低基板表面的相對位置，從在大半徑形狀中所預模製的基板，已經達成將部分完全切割及分開至它們最後尺寸。
減少子表面損壞：因為在雷射與材料之間的超短脈衝交互作用，所以很少有熱交互作用及因此有最小的熱影響區域(其能在表面處及在子表面區域中導致不想要的應力與微裂紋)。此外，(例如)將雷射光凝聚於3D玻璃形狀中的光學元件產生缺陷線(其典型地在基板的表面上有2到5微米直徑)。
在分開之後，子表面損壞是限制在離表面距離小於75微米深度，例如小於50微米深度，或甚至小於30微米深度。這對分開部分的邊緣強度是具有極大影響，因為強度是由缺陷數量及它們的統計分佈(就尺寸與深度而言)所管理的。這些數量越高，則部分的邊緣就越弱且分開部分就越易於失敗。由在這裡揭露的實施例所致能的處理能提供小於75微米深度的如切割邊緣的子表面損壞，例如小於50微米深度，小於30微米深度，或甚至20微米或更小深度。
針對玻璃的邊緣強度或其他脆性材料，子表面損壞(或由任何切割處理產生的材料修改及小的微裂紋，及被定向大致垂直於切割表面)是一個問題。能藉由使用共焦(confocal) 顯微鏡看切割表面，來量測子表面損壞的深度，顯微鏡具有幾個毫微米的光學解析度。忽略表面反射，當向下入材料中找到裂紋時，裂紋顯示出為明亮線。然後將顯微鏡聚焦於材料中直到沒有任何「閃耀」，定期收集圖像。然後藉由尋找裂紋及通過玻璃深度來追蹤它們以得到子表面損壞的最大深度(典型地以微米來量測)，來將圖像手動地處理。因為典型地有數千個的微裂紋，所以典型地僅量測最大的微裂紋。用切割邊緣的約5個位置來典型地重複這處理。雖然微裂紋是大致垂直於切割表面，直接垂直於切割表面的任何裂紋不必然會由這方法偵測到。
處理清潔度---上面所述方法是能夠以乾淨及受控制方式來分開/切割3D玻璃形狀。使用習知燒蝕或熱雷射處理是非常具有挑戰性的，因為它們傾向於觸發熱影響區域(其感應出微裂紋及玻璃或成為幾個更小片的其他基板的碎片)。雷射脈衝的特性及本揭露方法的與材料的感應交互作用能避免所有這些問題，因為它們發生於非常短時間規模，及因為對雷射輻射的基板材料的透明度最小化所感應熱效應。既然是在物件或工件內產生缺陷線，在切割步驟期間的碎屑與微粒物質的出現幾乎是完全消除。如果有任何微粒是從所產生缺陷線產生的，它們是良好包含的直到將部分分開。由基於雷射的方法(在這裡所述)所切割及分開的在表面上的顆粒能具有平均直徑為(例如)小於約3微米。
以不同尺寸來切割複雜剖面及形狀
本雷射處理方法允許用於玻璃及其他基板或工件的 切割/分開(跟隨許多形式及形狀)，其為在其他競爭技術的限制。可使用在這裡所述的方法來切割緊的半徑(例如，小於2毫米或小於5毫米)，以允許彎曲邊緣。也，既然缺陷線強力地控制任何裂紋傳播的位置，這方法給予對切割的空間位置的極佳控制，且允許用於結構及特徵(小至幾百微米)的切割及分開。
處理步驟的消除
將部分(例如，來自收到的玻璃面板的任意形狀玻璃板)製造到最後尺寸與形狀的處理涉及許多步驟，其包含切割面板、切割尺寸、完成與邊緣形狀、將部分向下薄到它們的目標厚度、研磨、及在一些情況下甚至是化學強化。任何這些步驟的消除將會改善製造成本(就處理時間與資本支出而言)。本發明方法能藉由(例如)減少碎屑與邊緣缺陷的產生，來減少步驟的數量，而可能消除用於清洗與烘乾站(station)的需求。再者，能藉由(例如)直接地將樣本切割至它最後尺寸、形狀與厚度，來減少步驟的數量，而消除用於完成線的需求。
切割堆疊：
本處理也能夠在堆疊玻璃面板中產生垂直缺陷線。堆疊的高度是有限制的，但是藉由同時處理多個堆疊板來增加生產力是可能的。需要的是，材料對雷射波長(針對在這裡使用的雷射波長(1064毫微米)的3D玻璃形狀的這情況下)為基本上透明的。
通過引用方式將本文引用的所有專利、公開應用及 引證的相關教示整體併入。
當本文已描述示例實施例時，在不脫離由隨附請求項所包含本發明範圍的情況下，這裡可進行在形式及細節上的不同改變，這對本領域具有通常知識者將是可理解的。

Claims (11)

  1. 一種用於雷射處理具有一3D表面的一玻璃工件之方法，該方法包含以下步驟：將一脈衝雷射光聚焦於(i)沿著光傳播方向定向的(orient)及(ii)朝界定出要從該工件分開的一部分的一輪廓指向的(direct)一雷射光焦線中；在一個或更多個通過(pass)中：沿著該輪廓將該工件及該雷射光相對於彼此平移，該雷射光焦線在該雷射光焦線延伸於該工件中的沿著該輪廓的位置處在該工件內產生一感應吸收(induced absorption)，及該感應吸收在每個位置處在該工件內沿著該雷射光焦線產生一缺陷線(defect line)；及將該工件及該雷射光相對於彼此平移；選擇該一個或更多個通過，以使得沿著該部分的該輪廓產生的該等缺陷線是具有足夠數量及深度，以促進將該部分從該工件的分開。
  2. 一種用於雷射處理一平坦非強化的玻璃工件之方法，該方法包含以下步驟：將一脈衝雷射光聚焦於(i)沿著光傳播方向定向的及(ii)沿著一輪廓指向於該工件中的一雷射光焦線中，該雷射光焦線在該工件內產生一感應吸收，該感應吸收在該工件內沿著該雷射光焦線產生一缺陷線；沿著該輪廓將該工件及該雷射光相對於彼此平移，因此雷射在該工件內沿著該輪廓形成複數個缺陷線，該輪廓界定出要從工件分開的一部分；及模製包含該界定的部分的該工件，以具有一3D表面。
  3. 一種用於雷射處理一模製非強化的玻璃工件之方法，該方法包含以下步驟：真空扁平化該模製的玻璃工件；將一脈衝雷射光聚焦於(i)沿著光傳播方向定向的及(ii)沿著一輪廓指向於該真空扁平化的工件中的一雷射光焦線中，該雷射光焦線在該工件內產生一感應吸收，該感應吸收在該工件內沿著該雷射光焦線產生一缺陷線；沿著該輪廓將該真空扁平化的工件及該雷射光相對於彼此平移，因此雷射在該工件內沿著該輪廓形成複數個缺陷線，該輪廓界定出要從該工件分開的一部分；及在包含該界定的部份的該真空扁平化的工件上釋放真空。
  4. 如請求項1-3中任一項所述之方法，該方法更包含以下步驟：沿著該輪廓將該部分從該工件分開。
  5. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該工件是一模製的玻璃面板。
  6. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該工件是一凹陷的玻璃面板。
  7. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該感應吸收在該工件內產生最高達小於或等於約75微米之一深度的子表面損壞。
  8. 如請求項1-3中任一項所述之方法，該方法更包含以下步驟：在該一個或更多個通過中相對於該雷射光來旋轉該工件。
  9. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該脈衝雷射光為一非繞射雷射光。
  10. 一種玻璃物品，其中該玻璃物品係藉由請求項1-3中任一項所述之方法準備。
  11. 一種具有一3D表面之玻璃物品，其中該玻璃物品係藉由請求項1-3中任一項所述之方法準備，及該玻璃物品具有至少一個邊緣，該至少一個邊緣具有延伸至少250微米的複數個缺陷線，每個該等缺陷線具有小於或等於5微米的一直徑。
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