TWI650231B - 雷射切割複合玻璃製品及切割方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露關於一種用於切割及分離任意形狀之透明材料薄基板(尤其是定制的複合融合拉製玻璃片)的程序，且本揭露亦關於一種由該方法所備製的玻璃製品。所發展的雷射方法可對於自面板手動分離部件或藉由熱壓所需外形所進行的全雷射分離而量身定制。自我分離方法涉及利用可由CO2雷射(與高壓空氣流耦合)所接續的超短脈衝雷射以供全自動分離。

Description

雷射切割複合玻璃製品及切割方法
本發明關於用於切割及分離任意形狀之透明材料薄基板(包括定制的複合融合拉製玻璃片)的程序，且關於由該方法所備製的玻璃製品。
【相關申請案】
此申請案請求於2013年12月17日所提出第61/917,226號之美國臨時申請案的權益、以及於2014年7月11日所提出第62/023,322號之美國臨時申請案的權益及於2014年10月31日所提出第14/530,244號之美國申請案的權益，其整體內容係以引用方式併入本文中。
材料之雷射處理的領域包括涉及切割、穿孔、銑製(milling)、焊接、熔化等等及不同類型材料的各式各樣應用。在這些應用當中，所特別關注者是切割或分離不同類型的基板(例如多層複合融合拉製玻璃基板)。
從程序發展及成本的角度來看，對於切割及分離複合玻璃基板上的改進存在許多機會。很關注的是相較於今日 當前所實行於市場中的玻璃分離方法，要有更快、更乾淨、更便宜、更加可重複及更可靠的玻璃分離方法。在某些替代性科技當中，雷射分離已被成功地使用不同的方法來展示。該等技術包括：1)實際移除所需部分(或多個部分)及其陣列之邊界間的材料；2)在材料整體內產生缺陷以沿所需外形的周邊裂化初始點，來削弱材料整體或對材料整體播晶種，接著進行第二斷裂步驟；及3)藉由熱壓分離來傳播初始破裂。這些雷射切割程序相較於競爭的科技(機械玻璃切割及斷裂、高壓水刀及超音波銑製等等)而言，已展示潛在的經濟及技術優勢，例如精準、良好的邊緣修整及低的殘留應力。
然而持續存在對於用於切割及分離多層複合融合拉製玻璃基板之改良程序的需求。
本申請案關於產生具有修整邊緣的切割複合玻璃製品，且關於以一或更多個雷射來切割該等製品的方法。
在一個實施例中，一種雷射處理一融合形成的玻璃複合工件的方法包括將一脈衝雷射束聚成一雷射束焦線，該雷射束焦線沿該光束傳播方向定向且引導進該融合形成的玻璃複合工件，該雷射束焦線在該工件內產生一經誘導的吸收，且該經誘導的吸收在該工件內沿該雷射束焦線產生一缺陷線。該方法亦包括沿一周線將該工件及該雷射束相對於彼此移位，藉此在該工件內形成複數個缺陷線，該等缺陷線係以0.5微米及20微米之間的一距離隔開。雷射束焦線可具有在0.01mm及約100mm之間的一範圍中的一長度。更佳地， 該焦線長度可在約0.1mm及約10mm之間的一範圍中。甚至更佳地，該雷射束焦線具有在約0.1mm及約1mm之間的一範圍中的一長度。該脈衝雷射束可具有在該材料處所測量之大於每mm厚度材料40μJ的一平均雷射能量。在另一實施例中，一玻璃製品係由以上方法所製作。
在另一實施例中，一玻璃製品包括一玻璃複合物，該玻璃複合物具有一第一表面、一第二表面及至少一個邊緣，該等至少一個邊緣具有在該第一及第二表面之間延伸至少250微米的複數個缺陷線。該等缺陷線中之各者具有小於或等於約5微米的一直徑。該玻璃複合物可為一融合形成的玻璃複合物。相鄰缺陷線的該間隔可在0.1微米及20微米之間。該玻璃製品可包括三個層，其中該等最外層包括具有一熱膨脹係數CTE1及一厚度TH1的一第一成分；一內層，位於該等最外層之間，且包括不同於該第一成分且具有一熱膨脹係數CTE2及一厚度TH2的一第二成分；且其中CTE1可大於CTE2。該等最外玻璃層可在壓縮應力之下，且該內層可在拉伸應力之下，且TH2對TH1的該比率可在4及20之間。該玻璃製品可具有大於5兆帕(megapascals,MPa)之該內層的一中央張力，且該等缺陷線可延伸該邊緣的該整個厚度。該邊緣可具有小於約0.5微米的一Ra表面粗糙度，且該邊緣可具有最高小於或等於約75微米之一深度的次表面損害。
結合以下所述之融合形成的複合玻璃片及雷射切割方法的組合產生一種複合玻璃製品，該複合玻璃製品具有上等的邊緣強度、4點彎曲強度及具有可忽略殘材且對於部件邊 緣之最小損害的表面光度(這維持了強度)。
本揭露延伸至：一種雷射處理一融合形成的玻璃複合工件的方法，該方法包括以下步驟：將一脈衝雷射束聚焦成一雷射束焦線，該雷射束焦線沿該光束傳播方向定向且引導進該融合形成的玻璃複合工件，該雷射束焦線在該工件內產生一經誘導的吸收，且該經誘導的吸收在該工件內沿該雷射束焦線產生一缺陷線；及沿一周線將該工件及該雷射束相對於彼此而移位，藉此在該工件內形成複數個缺陷線，該等缺陷線係以0.5微米及20微米之間的一距離隔開。
本揭露延伸至：一種玻璃製品，包括：一玻璃複合物，具有一第一表面、一第二表面及至少一個邊緣，該等至少一個邊緣具有在該等第一及第二表面之間至少延伸250微米的複數個缺陷線，該等缺陷線各具有小於或等於約5微米的一直徑。
1‧‧‧基板
1a‧‧‧基板表面
1b‧‧‧基板表面
2‧‧‧雷射束
2a‧‧‧雷射輻射
2b‧‧‧焦線
2c‧‧‧區段
3‧‧‧雷射
6‧‧‧光學組件
l‧‧‧線焦長度
L‧‧‧區段2c的長度
d‧‧‧基板厚度
D‧‧‧經誘導吸收之區段2c的平均直徑或範圍
2aR‧‧‧邊緣射線
2aZ‧‧‧中央光束
7‧‧‧球形切割的、雙凸的透鏡
8‧‧‧孔徑
9‧‧‧旋轉三稜鏡
Z1‧‧‧距離
Z2‧‧‧距離
10‧‧‧旋轉三稜鏡
11‧‧‧平凸形透鏡
SR‧‧‧雷射束的圓形轉換
Z1a‧‧‧距離
Z1b‧‧‧距離
dr‧‧‧圓形直徑
12‧‧‧準直透鏡
br‧‧‧環形寬度
710‧‧‧未聚焦的雷射束
720‧‧‧透明基板
730‧‧‧球形透鏡
740‧‧‧焦點
750‧‧‧旋轉三稜透鏡
760‧‧‧高強度柱體
500‧‧‧叢發
500A‧‧‧脈衝
1462‧‧‧拉製塔
1464‧‧‧玻璃片
1465‧‧‧拉製運動
1466‧‧‧玻璃聯珠
1468‧‧‧刻痕線
1468’‧‧‧雷射切割線
1470‧‧‧經刻痕的片體
1470’‧‧‧矩形玻璃片
1472‧‧‧廢棄玻璃/拉製區域的底部
1500A‧‧‧雷射程序
1500B‧‧‧雷射程序
1971a‧‧‧熔爐
1971b‧‧‧熔爐
1971c‧‧‧熔爐
1974‧‧‧雷射束
1976‧‧‧水平雷射束移位
1978‧‧‧垂直雷射束移位
1980‧‧‧熱源
1982‧‧‧垂直熱源移位
2071‧‧‧多階熔爐
2071a‧‧‧區段
2071b‧‧‧區段
2071c‧‧‧區段
從以下示例實施例(如隨附繪圖中所繪示)的更特定描述，以上所述將會清楚，在該等繪圖中，類似的參考字符在不同視圖的各處指的是相同的部分。該等繪圖係不一定按照比例或用以強調，反而是用於說明示例性實施例。
圖1係複合玻璃片的說明。
圖2A及圖2B係放置雷射束焦線及沿雷射束焦線在誘導非線性吸收i的區域中形成缺陷線的說明。
圖3A係依據一個實施例用於雷射處理之光學組件的說明。
圖3B1到圖3B4繪示用以藉由相對於基板或工件不同地放置雷射束焦線來處理基板的各種可能性。
圖4係用於雷射處理之光學組件之第二實施例的說明。
圖5A及圖5B係用於雷射處理之光學組件之第三實施例的說明。
圖6係用於雷射處理之光學組件之第四實施例的示意說明。
圖7A-7C圖示用於雷射處理材料的不同雷射強度體系。圖7A繪示未聚焦的雷射束，圖7B同球形透鏡繪示凝聚的雷射束，且圖7C同旋轉三稜鏡(axicon)或繞射菲涅耳透鏡繪示凝聚的雷射束。
圖8A對於微微秒雷射(picosecond laser)描繪以時間為函數的雷射發射。各發射係由脈衝「叢發」(其可包含一或更多個子脈衝)所特徵化。繪示了相對應於脈衝期間、脈衝間間隔及叢發間間隔的時間。
圖8B係0.7mm厚的Corning 2320 NIOX(非離子交換)厚基板之直切條的邊緣影像。
圖9係依據此揭露之融合形成之玻璃複合切割的邊緣影像。
圖10係具有計畫要被抽取之製品之複合玻離片的說明。
圖11係具有分離之孔及槽之複合玻璃製品的說明。
圖12係依據此揭露之融合形成之玻璃複合切割的邊緣強度圖表，圖示酸蝕之前及之後的邊緣強度結果。
圖13A-13C係同平均分離之經修改玻璃柱繪示缺陷線。
圖14繪示用於使用機械或CO2雷射刻痕來進行之連續融合玻璃製造程序的現存玻璃切割方法。
圖15A繪示玻璃拉條上基於雷射之切割玻璃的方法，其中玻璃板係使用水平雷射切割來自該拉條分離。
圖15B繪示玻璃拉條上基於雷射之切割玻璃的方法，其中雷射係用以切割過玻璃片的品質區域及自該拉條移除玻璃的品質區段。
圖16繪示藉由在拉條高處切割聯珠且在拉條較低處水平切割片體，來在拉條上基於雷射地切割玻璃。
圖17繪示藉由水平切割以自拉條移除玻璃，來進行之拉條上基於雷射的玻璃切割，接著進行分離垂直切割以移除玻璃聯珠(bead)。
圖18繪示使用基於雷射的切割步驟來將玻璃自拉條切割開，以自片體移除修整或廢棄玻璃。
圖19繪示在拉條上切割之基於雷射的程序，其係使用多階熔爐將玻璃片保持在接近其退火點的溫度來進行的。
圖20繪示一多階熔爐，係經配置以給予拉條上被切割的玻璃片規定的溫度冷卻截面。
以下為示例實施例的描述。
本文中所描述的實施例關於用於切割及分離任意形狀之透明材料薄基板(尤其是定制的複合融合拉製玻璃片)的方法。材料應較佳地實質透明於所選雷射波長(也就是小於約10%的吸收且較佳地小於約每公厘材料深度1%)。雷射方法可對於將部件自面板手動分離而定製，或可為藉由熱壓所需外形來進行全雷射分離。自我分離的方法涉及利用超短脈衝雷射，可接著進行CO2雷射(與高壓空氣流耦合)以供全自動分離。
切割的目標是為了提供將具有或不具有內孔或槽的任意形狀製品精確切割及分離開複合玻璃的薄基板。程序使用具有可忽略殘材及對於所分離部件之邊緣為最小缺陷及低次表面損害的可控制方式來分離部件。所分離部件之邊緣處的最小缺陷及低次表面損害保留了部件強度及受外部衝擊時防止部件故障。雷射方法很適合透明於所選雷射波長的材料。已使用片體厚度在0.7mm及1.2mm之間的複合片來作出切割方法的展示，但設想的是，任何厚度的複合片可使用所揭露的方法來切割。
對於玻璃或其他脆性材料的邊緣強度，次表面損害(其包括由切割程序所造成之小的微裂縫及材料變異，且其方向大約垂直於切割表面)是一個考量。
如本文中所使用的，次表面損害指的是自遭受依據本揭露雷射處理之基板或材料所分離之部件之周邊表面中結構性缺陷的最大尺寸(例如長度、寬度、直徑)。因為結構 性缺陷延伸自周邊表面，次表面損害亦可被視為距周邊表面的最大深度，來自依據本揭露之雷射處理的損害係發生於該周邊表面中。所分離部件的周邊表面在本文中可指為所分離部件的邊緣或邊緣表面。結構性缺陷可為破裂或孔洞且可代表促進自基板或材料所分離部件之斷裂或故障的機械性弱點。藉由最小化次表面損害的尺寸，本方法改良了所分離部件的結構完整性及機械性強度。
次表面損害的深度可藉由使用共焦顯微鏡來觀察切割表面來測量，該顯微鏡具有數奈米的光學解析度。表面反射是被忽略的，同時破裂被鑽入材料內，該等破裂係顯示為亮線。顯微鏡係聚焦進材料，直到沒有更多的「閃光」為止，係以規律的間隔收集影像。影像係藉由貫穿玻璃的深度尋找破裂及追蹤它們以決定次表面損害的最大深度(一般以微米來測量)來手動處理。一般有好幾百個微裂縫，故一般僅測量最大的微裂縫。此程序一般重複於切割邊緣的約5個位置上。雖然微裂縫大約垂直於切割表面，直接垂直於切割表面的任何破裂可能不被此方法偵測。
使用本文中所描述的方法，次表面損害係被最小化且限制於邊緣附近中的小區域。次表面損害可相對於邊緣表面而限制於100μm或更少的深度、或75μm或更少的深度、或60μm或更少的深度、或50μm或更少的深度，且切割可僅產生少量的殘材。以依據本揭露的雷射來切割透明材料在本文中亦可指為鑽孔或雷射鑽孔或雷射處理。
雷射方法的基本步驟係產生斷層線，該斷層線刻劃 部件所需形狀且建立對於破裂傳播最小阻抗的路徑且因此將成形的部件自其周圍的基板陣列分離及脫離。斷層線包含由雷射所形成之一系列緊密間隔的缺陷線(在本文中亦稱為穿孔、孔洞或損害軌跡)。雷射分離方法可調整及配置以允許將所需形狀的玻璃部件手動或機械分離、部分分離或全部分離開原始基板。
在第一步驟中，要處理的材料(例如物件或工件)係以超短脈衝雷射束來輻照，該雷射束係凝聚成穿透基板之高度深寬比的線焦(本文中稱為雷射焦線)。在高能量密度雷射輻照的此容積內，係透過非線性效應來變異材料。重要的是注意，係需要臨界閥值以上的光學強度以誘導非線性吸收。在該臨界強度閥值以下，材料係透明於雷射輻射且保持在其原始狀態中。藉由在所需線或路徑上掃描雷射，我們產生了包含一系列缺陷線的斷層線(數微米寬)。斷層線定義了要在後續處理步驟中分離之部件的周邊或形狀。
雷射源的選擇係取決於在透明材料(包括融合形成的玻璃複合工件)中誘導非線性吸收的能力。非線性吸收包括多光子吸收(multi-photon absorption,MPA)。MPA係為了將材料自較低能量狀態(通常為基態)激發至較高能量狀態(激發態)，而同時吸收多個(二或更多個)相同或不同頻率的光子。激發態可為激發電子狀態或離子化狀態。材料之較高及較低能量態間的能量差異係相等於二或更多個光子之能量的總合。MPA係非線性程序，通常比線性吸收弱了幾個數量級。與線性吸收不同的地方在於，MPA的強度取決於 光強度的平方或更高冪次，因此使其為非線性光學程序。在正常光強度下，MPA是可忽略的。若光強度(能量密度)極高(在臨界閥值以上)(例如在包括本文中所述之雷射束焦線的雷射源(尤其是脈衝雷射源)之焦點區域中)，MPA變得明顯且在光源能量密度夠高的區域內在材料中導致可量測的效應。在焦點區域內，能量密度亦可能夠高而造成離子化。
在原子的層級，離子化個別的原子具有離散的能量需求。常用於玻璃中的某些構件(例如Si、Na、K)具有相對低的離子化能量(~5eV)。沒有MPA的現象，會需要約248nm的波長來在~5eV產生線性離子化。有了MPA，在以~5eV能量隔離之狀態間的離子化或激發可使用大於248nm的波長來實現。例如，具有532nm波長的光子具有~2.33eV的能量，故具有532nm波長的兩個光子例如可以二光子吸收(two-photon absorption,TPA)的方式誘導以~4.66eV之能量隔離之狀態間的轉換。因此，原子及鍵結可在材料區域中被選擇性地激發或離子化，其中在該材料區域處，雷射束的能量密度係夠高以誘導具有所需激發能量一半之雷射波長的非線性TPA，舉例而言。
MPA可造成自相鄰原子或鍵結局部重新配置及分離經激發原子或鍵結。鍵結或配置中造成的變異可造成將物料自MPA發生的材料區域非熱性剝離及移除。這種物料的移除產生結構性缺陷(例如缺陷線、損害線或「穿孔」)，其機械性地弱化材料且使其在施加機械性或熱性應力時更易受到破裂或斷裂。藉由控制穿孔的位置，破裂所沿以發生的周線 或路徑可被精確定義，且可實現材料的精確微加工。由一系列穿孔所定義的周線可被視為斷層線且相對應於材料中的結構弱點區域。在一個實施例中，微加工包括從由雷射所處理的材料分離部件，其中該部件具有精確定義的形狀或由通過MPA效應所形成之穿孔的緊密周線所決定的周邊，MPA效應係由雷射所誘導的。如本文中所使用者，用語「緊密周線」指的是由雷射線所形成的穿孔路徑，其中該路徑在某些位置處與其本身相交。內部周線係所形成的路徑，其中造成的形狀係完全由材料的外部所包圍。
較佳的雷射係可以脈衝模式或叢發模式操作的超短脈衝雷射(脈衝期間係數十微微秒的數量級或更短)。在脈衝模式中，一系列的額定相同的單一脈衝係發射自雷射且導向工件。在脈衝模式中，雷射的重複率係由脈衝間時間上的間隔所決定。在叢發模式中，脈衝叢發係發射自雷射，其中各叢發包括(相等或不同幅度的)二或更多個脈衝。在叢發模式中，叢發內的脈衝係由第一時段(其定義脈衝重複率)所分離，且叢發係由第二時段(其定義叢發重複率)所分離，其中第二時段一般遠大於第一時段。如本文中所使用的(無論是在脈衝模式或叢發模式的情境中)，時段指的是脈衝或叢發相對應部分之間的時間差(例如前緣至前緣、尖峰至尖峰或後緣至後緣)。脈衝及叢發重複率係由雷射的設計所控制，且一般可藉由調整雷射的操作條件來(在限制內)作出調整。一般的脈衝及叢發重複率為kHz至MHz的範圍。
雷射脈衝期間(脈衝模式中的或對於叢發模式中之 叢發內的脈衝)可為10-10s或更少、或10-11s或更少、或10-12s或更少、或10-13s或更少。在本文中所述的示例性實施例中，雷射脈衝期間係大於10-15s。
可藉由通過控制雷射及/或基板或堆疊物的運動，相對於雷射而控制基板或堆疊物的速度來隔開及精確安置穿孔。作為示例，在暴露於100kHz系列的脈衝(或脈衝叢發)而以200mm/sec移動的薄透明基板中，個別的脈衝會隔開2微米以產生以2微米隔離的一系列穿孔。此缺陷線(穿孔)間隔係夠緊密以允許沿由該系列穿孔所定義的周線來進行機械性或熱性分離。沿斷層線方向之相鄰缺陷線之間的距離可例如在0.25μm到50μm的範圍中、或在0.5μm到約20μm的範圍中、或在0.5μm到約15μm的範圍中、或在0.5μm到10μm的範圍中、或在0.5μm到3.0μm的範圍中或在3.0μm到10μm的範圍中。
一旦具有垂直缺陷的斷層線被產生，可透過以下步驟使分離發生：1)斷層線上或周圍的手動或機械應力；該應力或壓力應產生張力，該張力將斷層線的兩側拉開且斷裂仍鍵結在一起的區域；2)使用熱源，在斷層線周圍產生應力區域以將垂直缺陷線置於張力中且誘導部分的或全部的自我分離。在兩個情況中，分離取決於某些處理參數，例如雷射掃描速度、雷射功率、透鏡參數、脈衝寬度、重複率......等等。
融合形成的玻璃複合片可由多層融合拉製系統來製作。如圖1中所示，複合物在核心層的各表面上包含至少一個外包層。包覆層在本文中亦稱為外或最外層，且核心層在 本文中亦稱為內層。在一個實施例中，玻璃複合物具有核心層，該核心層係中介於高熱膨脹係數(CTE)玻璃，同時外層係低CTE玻璃。基於核心及包覆層之間的成分差異，該等片體具有天然預加應力(pre-stressed)的中央核。這樣的複合片常常難以在不受損害的情況下切割及分離成可用的部件。此外，在所分離的部件內產生內部開口(例如槽或孔)可能是困難的。
本揭露係涉及自複合玻璃片分離部件(於本文中亦稱為製品)，例如具有圖示於圖1中之類型的經剪裁的核心及包覆區域的那些部件。核心及包覆玻璃的代表性成分係如下列：包覆層係玻璃成分，其包括：約60mol.%至約66mol.%的SiO2；約7mol.%至約10mol.%的Al2O3；約14mol.%至約18mol.%的B2O3；及約9mol.%至約16mol.%的鹼土金屬氧化物，其中該鹼土金屬氧化物至少包括CaO，且該CaO係以約3mol.%至約12mol.%的濃度出現於玻璃成分中；且其中該玻璃成分實質不含鹼金屬及包含鹼金屬的合成物。特定的包覆層玻璃成分係示於表格1中。
代表性核心玻璃成分包括：約60mol%至約75mol%的SiO2、約2mol%至約11mol%的Al2O3、0mol%至約11mol% 的B2O3、0mol%至約1mol%的Na2O、約1mol%至約18mol%的K2O、0mol%至約7mol%的MgO、0mol%至約9mol%的CaO、約1mol%至約8mol%的SrO、0mol%至約4mol%的BaO及約3mol%至約16mol%的R'O，其中R'O在成分中包括經組合mol%的MgO、CaO、SrO及BaO。特定核心玻璃成分係示於表格2中。
雷射鑽孔及分離圖示於圖1中之融合形成的玻璃複合片係使用以下所述的方法來實現。
雷射切割方法依靠線性強度體系(或低雷射強度)中對於雷射波長的材料透明性，這允許維持高表面品質及降低的次表面損害，該次表面損害係由雷射焦點周圍之高強度區域所產生的。例如藉由使用本文中所述的方法，工件的邊緣可具有最高小於或等於約75微米之深度的次表面損害。此程序的關鍵促成者的其中之一是由超短脈衝雷射所產生的高度深寬比的缺陷。其允許產生自要被切割之材料的頂部表面延伸至底部表面的缺陷線。原則上，缺陷線可由單一脈衝或單一脈衝叢發來產生，且若需要，額外的脈衝或叢發可用以形成缺陷線或用以增加所影響區域的延展(例如深度及寬 度)。
用以切割及分離透明材料的方法基本上係基於以超短脈衝雷射在要被處理的材料中產生斷層線，其中斷層包含一系列的缺陷線，該等缺陷線係經佈置以定義要自材料分離之部件的所需周邊。取決於材料屬性(吸收、CTE、應力、成分......等等)及對於處理材料所選擇的雷射參數，單獨產生斷層線可能足夠誘導自我分離。在此情況中，沒有第二分離程序，例如不需要張力/彎曲力、加熱或CO2雷射。
在某些情況中，沿由一系列穿孔或缺陷線所定義之周線產生的斷層線不足以自發地分離部件且可能需要第二步驟。若如此需要，第二雷射可用以產生熱應力以分離部件，舉例而言。在融合形成的玻璃複合物的情況中，我們發現的是，在產生斷層線後，藉由施加機械力或藉由使用CO2雷射以產生熱應力來使部件的分離作用，分離可被達成。另一選項是使得CO2雷射僅手動地起始分離步驟及結束分離步驟。可選的CO2雷射分離步驟係以10.6微米發射的散焦cw雷射來達成，係藉由控制該雷射的工作週期來調整其功率。焦距改變(也就是散焦的程度)係用以藉由變化點的尺寸來變化所誘導的熱應力。散焦的雷射束包括以雷射波長之尺寸的數量級，產生大於最小的、受繞射限制的點尺寸之點尺寸的那些雷射束。例如，約7mm、2mm及20mm的散焦點尺寸可用於CO2雷射，例如，給定10.6微米的發射波長，該等CO2雷射受繞射限制的點尺寸是更小得多的。
存在用以產生缺陷線的某些方法。使用環形雷射束 及球形透鏡、旋轉三稜透鏡、繞射構件或其他方法以形成高強度的線性區域，形成線焦的光學方法可採取多種形式。雷射的類型(微微秒、毫微微秒...等等)及波長(IR、綠光、UV......等等)亦可變化，只要達到足夠的光學強度以通過非線性光學效應在基板材料或融合形成的玻璃複合工件中的焦點區域中產生基板或工件材料的分解。
在本申請案中，超短脈衝雷射係用以使用一致的、可控制的及可重複的方式產生高度深寬比的垂直缺陷線。允許產生此垂直缺陷線之光學性設置的細節係描述於下，且描述於2013年1月15日所提出之第61/752,489號的美國申請案中，其整體內容係以引用方式併入，猶如已在本文中完整闡述。此概念的本質是在光學透鏡組件中使用旋轉三稜透鏡，以使用超短(微微秒或毫微微秒期間)的貝索光束(Bessel beam)來產生高度深寬比、無斜度微通道的區域。換言之，旋轉三稜鏡在基板材料中將雷射束凝聚成圓柱形及高度深寬比(大長度及小直徑)的高強度區域。由於使用凝聚雷射束所產生的高強度，雷射電磁場及基板材料的非線性交互作用發生了，且雷射能量係傳輸至基板以使缺陷的形成作用，該等缺陷係變成斷層線的組成物。然而，重要的是實現，在雷射能量強度不高的材料區域(例如圍繞中央收斂線之基板的玻璃容積)中，材料係透明於雷射，且沒有自雷射向材料傳輸能量的機制。其結果是，當雷射強度是在非線性閥值以下時，玻璃或工件沒有發生任何事。
談及圖2A及2B，對材料進行雷射處理的方法包括 將脈衝雷射束2聚焦成沿光束傳播方向定向的雷射束焦線2b。雷射束焦線2b可由若干方式產生，例如貝索光束、艾瑞光束(Airy beam)、韋伯光束(Weber beam)及馬修光束(Mathieu beam)(也就是非繞射光束)，其場分佈一般藉由相較於高斯函數在橫向方向(也就是傳播方向)上更慢衰減的特殊函數來給定。如圖3A中所示，雷射3(未圖示)發射雷射束2，其具有入射光學組件6的部分2a。光學組件6沿光束方向在定義的延展範圍上(焦線長度l)在輸出側上將入射雷射束轉換成雷射束焦線2b。平面基板1係放置於光束路徑中以至少部分地重疊雷射束2的雷射束焦線2b。雷射束焦線係因此被引導進基板。標號1a分別標誌面向光學組件6或雷射之平面基板的表面，且標號1b標誌基板1的反(遠端)面。基板或工件厚度(在此實施例中是垂直於平面1a及1b(也就是垂直於基板平面)來測量)係以d來標記。基板或工件亦可稱為材料，且可為實質透明於雷射束2波長的玻璃製品，舉例而言。
如圖2A所描繪，基板1(或融合形成的玻璃複合工件)係實質垂直於縱光束軸而校準，且因此是在由光學組件6所產生的相同焦線2b之後(該基板係垂直於繪圖的平面)。焦線係沿光束方向定向或校準，基板係以焦線2b在基板表面1a之前起始且在基板表面1b之前停止的如此方式(也就是焦線2b在基板內終止且並不延展至表面1b外)，相對於焦線2b而放置。在雷射束焦線2b與基板1重疊的區域中(也就是在由焦線2b所覆蓋的基板材料中)，雷射束焦線2b產生(假 設沿雷射束焦線2b是合適的雷射強度，其強度係藉由在長度l的區段(也就是長度l的線焦)上聚焦雷射束2來確保)區段2c(沿縱向光束方向校準)，經誘導的非線性吸收係在基板材料中沿該區段2c產生。經誘導的非線性吸收沿區段2c在基板材料中產生缺陷線的形成。
缺陷線係實質透明材料中微觀(例如直徑上>100nm及<0.5微米)的細長「孔」(在本文中亦稱為穿孔或損害軌跡)，其係使用一或更多個高能脈衝或一或更多個高能脈衝叢發來產生的。穿孔表示由雷射所異變的基板材料區域。以雷射誘導的異變破壞基板材料的結構及組成機械性弱點的部位。結構性破壞包括壓實、熔化、材料去除、重分配及鍵結切斷。穿孔延展進基板材料內部，且具有與雷射之截面形狀一致的截面形狀(通常是圓形)。穿孔的平均直徑可在0.1μm至50μm的範圍中、或在1μm至20μm的範圍中、或在2μm至10μm的範圍中或在0.1μm至5μm的範圍中。在某些實施例中，穿孔係「通孔」，其係自基板材料頂部向底部延伸的孔洞或開放通道。在某些實施例中，穿孔可不為連續開放的通道且可包括藉由雷射自基板材料變位的實心材料區段。變位的材料阻擋或部分阻擋由穿孔所定義的空間。一或更多個開放通道(未被阻擋的區域)可散布於變位材料的區段之間。開放通道的直徑可<1000nm、或<500nm、或<400nm、或<300nm、或在10nm至750nm的範圍中或在100nm至500nm的範圍中。本文中所揭露實施例中圍繞孔洞之材料之經破壞或變異的(例如經縮小、熔化或要不就改變的)區域較佳地 具有<50μm的直徑(例如<10μm)。
可以數百千赫的頻率來產生個別穿孔(每秒數十萬穿孔)，舉例而言。使用雷射源及材料間的相對運動，穿孔可彼此相鄰地放置(依所需，空間的分離係自次微米至數微米或甚至數百微米而變化)。此空間分離(間隔)可經選擇以促進材料或工件的分離。在某些實施例中，缺陷線係「通孔」，其為自實質透明材料的頂部向底部延伸的孔洞或開放通道。缺陷線的形成不僅是局部的，而是在經誘導吸收之區段2c的整個長度上延伸。區段2c的長度(其相對應於雷射束焦線2b與基板1重疊的長度)係以標號L標誌。經誘導吸收之區段2c(或經歷缺陷線形成之基板1材料中的區段)的平均直徑或範圍係以標號D標誌。此平均範圍D基本上相對應於雷射束焦線2b的平均直徑δ，也就是平均的點直徑是在約0.1微米及約5微米之間的範圍中。貝索光束的點直徑D可寫成D=(2.4048 λ)/(2 π B)，其中λ係雷射束波長，且B係旋轉三稜鏡角度的函數。
如圖2A所示，基板材料(其係透明於雷射束2的波長λ)由於從非線性效應(例如二光子吸收、多光子吸收)所引起之沿焦線2b誘導的吸收而被加熱，該等非線性效應係與焦線2b內的高強度雷射束相關聯。圖2B繪示的是，經加熱的基板材料最終將膨脹，以便相對應經誘導的張力導致微裂縫的形成，其中張力在表面1a處最高。
代表性的光學組件6(其可被施用以產生焦線2b)以及代表性光學設置(在其中可施用這些光學組件)係描述 於下。所有組件或設置係基於以上的描述，以便相同的標號係用於相同的元件或特徵或在其功能上等效的該等物。因此僅差異被描述於下。
為了確保分離步驟所沿以發生之分離部件表面的高品質(考慮抗斷強度、幾何精確度、粗糙度及避免再加工需求)，沿分離線位於基板表面上的個別焦線應是使用以下所述的光學組件來產生的(此後，光學組件係亦替代性地稱為雷射光學件)。分離表面(或切割邊緣)的粗糙度係主要由焦線的點尺寸或點直徑所決定。表面的粗糙度可例如由ASME B46.1標準所定義的Ra表面粗糙度參數所特徵化。如ASME B46.1中所述，Ra係距中線之表面外形高度徧差之絕對值的算術平均值(記錄於評估長度內)。換言之，Ra係相對於平均值的一組表面個別特徵(峰或谷)之絕對高度徧差的平均值。
為了達到例如在給定雷射3(與基板1的材料交互作用)之波長λ的情況下為0.5微米至2微米的小的點尺寸，某些需求必須施加於雷射光學件6的數值孔徑上。這些需求係藉由以下所述的雷射光學件6來滿足。
為達到所需的數值孔徑，光學件一方面必須處置給定焦長的所需開口，依據已知的Abbé方程式(N.A.=n sin(theta)，n：要被處理之玻璃或複合工件的折射係數，theta：孔徑角的一半；且theta=arctan(DL/2f)；DL：孔徑直徑，f：焦長)。另一方面，雷射束必須照射光學件達到所需的孔徑，這一般是藉由在雷射及聚焦光學件之間使用加寬望遠鏡來進 行射束加寬所達成。
為了沿焦線進行一致的交互作用的目的，點尺寸不應變化得太劇烈。這可例如藉由如下步驟所確保(參照以下的實施例)：僅在小的、圓形的區域中照射聚焦光學件，以便光束開口僅稍微變化，且因此數值孔徑的百分比亦是如此。
依據圖3A(在雷射輻射2的雷射光束叢中以中央光束的層級垂直於基板平面的區段；於此，一樣，雷射束2係垂直入射於基板平面，也就是入射角θ為0°，以便焦線2b或所誘導吸收的區段2c係平行於基板法線)，由雷射3所發射的雷射輻射2a係首先引導至完全不透明於所用之雷射輻射的圓形孔徑8上。孔徑8係經定向而垂直於縱向光束軸且係同心於所描繪之光束叢2a的中央光束。孔徑8的直徑係使用以下這樣的方式來選擇：靠近光束叢2a中央的光束叢或中央光束(於此以2aZ標誌)命中該孔徑且完全被其所吸收。只有在光束叢2a之外周邊範圍中的光束(邊緣射線，於此以2aR標誌)由於相較於光束直徑是減少的孔徑尺寸而不被吸收，但側向通過孔徑8且命中光學組件6之聚焦光學構件(在此實施例中，其係設計為球形切割的、雙凸的透鏡7)的邊緣區域。
如圖3A中所繪示，雷射束焦線2b對於雷射束而言不僅是單一焦點，而是對於雷射束中不同射線的一系列焦點。該等系列的焦點形成定義長度的細長焦線，在圖3A中圖示為雷射束焦線2b的長度l。
透鏡7係同心於中央光束且係設計為慣用的、球形 切割透鏡形式之非校正的、雙凸聚焦的透鏡。這樣透鏡的球面像差可能是有益的。作為替代方案，徧離自理想校正系統的非球面或多透鏡系統(其並不形成理想的焦點而是定義長度之清楚的、細長的焦線)亦可被使用(也就是並不具有單一焦點的透鏡或系統)。透鏡的區域因此沿焦線2b聚焦，受制於距透鏡中央的距離。跨光束方向之孔徑8的直徑係大約為光束叢直徑(由使光束強度減少至峰值強度之1/e2所需的距離所定義)的90%及大約為光學組件6之透鏡7之直徑的75%。係因此使用藉由在中央擋開光束叢所產生之非像差校正球形透鏡7的焦線2b。圖3A圖示通過中央光束之一個平面中的區段，且當所描繪的光束在焦線2b周圍旋轉時，完整的三度叢可被看見。
由透鏡7所形成的此類型焦線及圖示於圖3A中系統的一個潛在缺點是，條件(點尺寸、雷射強度)可能沿焦線變化(且因此沿材料中的所需深度變化)，且因此所需類型的交互作用(無熔化、經誘導的吸收、達到破裂形成的熱塑形變)可能僅發生在焦線的所選擇部分中。此反過來意味的是，僅一部分的入射雷射光以所需方式被基板材料吸收。如此，可能損害程序的效率(對於所需分離速度的所需平均雷射功率)，且雷射光亦可能被傳輸進不想要的區域(附著於基板的部分或層或基板保持夾具)且以不想要的方式與它們交互作用(例如加熱、擴散、吸收、不想要的變異)。
圖3B-1到圖3B-4圖示(不僅是對於圖3A中的光學組件，亦是對於任何其他適用的光學組件6)的是，雷射束 焦線2b的位置可藉由相對於基板1適當的放置及/或校準光學組件6以及藉由適當選擇光學組件6的參數來控制。如圖3B-1所繪示，焦線2b的長度l可使用長度l超過基板厚度d(於此是超過因數2)的如此方式來調整。若基板1係對於焦線2b中央地放置，經誘導吸收的區段2c係產生於整個基板厚度上。雷射束焦線2b可具有長度l，該長度l可在約0.01mm及約100mm之間的範圍中、或在約0.1mm及約10mm之間的範圍中或在約0.1mm及約1mm之間的範圍中，舉例而言。各種實施例可經配置以具有約0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm的長度l，舉例而言。
在圖示於圖3B-2中的情況中，係產生長度l的焦線2b，其更多地或更少地相對應於基板厚度d。因為基板1係以線2b起始於基板外面的點處的如此方式相對於線2b而放置，經誘導吸收之區段2c的長度L(其於此處自基板表面延伸至所定義的基板深度，但不延伸至反面1b)係小於焦線2b的長度l。圖3B-3圖示以下情況：基板1(沿垂直於光束方向的方向檢視)係放置於焦線2b起始點之上，以便(如圖3B-2中的)線2b的長度l係大於基板1中經誘導吸收之區段2c的長度L。焦線因此起始於基板內且延伸於反(遠端)面1b之外。圖3B-4圖示以下情況：焦線長度l係小於基板厚度d，以便(在相對於以入射方向檢視之焦線中央地放置基板的情況中)焦線在基板內靠近表面1a而起始且在基板內靠近表面1b而結束(例如l=0.75．d)。
特別有益的是用以下的如此方式來放置焦線2b：表面1a、1b中的至少一者係由焦線所覆蓋，以便經誘導吸收的區段2c至少起始於基板的一個表面上。如此，可能達成幾乎理想的切割，同時避免表面處的剝離、羽化及顆粒化。
圖4描繪另一適用的光學組件6。基本架構遵循圖3A中所述者，以便以下僅描述差異。所描繪的光學組件係基於為了產生焦線2b而使用具有非球形之自由表面的光學件，其係以形成所定義長度l之焦線的如此方式來成型。為了此目的，非球面可用作光學組件6的光學構件。在圖4中，例如，係使用所謂的圓錐形稜鏡(通常亦稱為旋轉三稜鏡)。旋轉三稜鏡是特別的、圓錐形切割的透鏡，其沿光學軸在線上形成點源(或將雷射束轉換成環)。這樣的旋轉三稜鏡的佈局係普遍熟知於本發明所屬領域中具技藝者；示例中的錐角為10°。於此以標號9所標誌之旋轉三稜鏡的頂點係指向入射方向且同心於光束中央。因為由旋轉三稜鏡9所產生的焦線2b起始於其內部內，基板1(於此垂直校準於主光束軸)可直接被放置在旋轉三稜鏡9之後的光束路徑中。如圖4所示，亦可能的是由於旋轉三稜鏡的光學特性而沿光束方向徧移基板1同時維持於焦線2b的範圍內。基板1之材料中經誘導吸收的區段2c因此延伸於整個基板深度d上。
然而，所描繪的佈局係受制於以下限制：因為由旋轉三稜鏡9所形成之焦線2b的區域開始於旋轉三稜鏡9內，在旋轉三稜鏡9與基板或玻璃複合工件材料之間有分離的情況下，雷射能量的顯著部分係不聚焦進焦線2b之經誘導吸收 的區段2c(其係位於材料內)。並且，焦線2b的長度l係通過旋轉三稜鏡9的折射指數及錐角而關聯於光束直徑。這就是為何在相對薄的材料(數毫米)的情況下，全部的焦線係遠長於基板或玻璃複合工件厚度，造成雷射能量的大部分並不聚焦進材料的效應。
基於此理由，可能需要使用包括旋轉三稜鏡及聚焦透鏡兩者的光學組件6。圖5A描繪這樣的光學組件，其中具有經設計以形成雷射束焦線2b之非球形自由表面的第一光學構件係放置於雷射3的光束路徑中。在圖5A中所示的情況中，此第一光學構件係具有5°錐角的旋轉三稜鏡10，其係垂直於光束方向而放置且同心於雷射束3。旋轉三稜鏡的頂點係指向光束方向。第二的、聚焦的光學構件(於此為平凸形透鏡11，其曲度係指向旋轉三稜鏡)係距旋轉三稜鏡10以距離Z1放置於光束方向中。距離Z1(在此情況中大約為300mm)係用以下的如此方式來選擇：由旋轉三稜鏡10所形成的雷射輻射係圓形地入射於透鏡11的外徑向部分上。透鏡11在所定義長度(在此情況中是1.5mm)的焦線2b上以距離Z2(在此情況中距透鏡11大約20mm)在輸出側上聚焦圓形輻射。在此實施例中，透鏡11的有效焦長為25mm。藉由旋轉三稜鏡10所進行雷射束的圓形轉換係以標號SR來標誌。
圖5B詳細地描繪依據圖5A來形成焦線2b或基板1之材料中的經誘導吸收2c。構件10、11兩者的光學特性以及它們的放置係用以下的如此方式來選擇：光束方向中之焦線2b的長度l係準確地相同於基板1的厚度d。因此，為了準確 地在基板1的兩個表面1a及1b之間放置焦線2b，沿光束方向準確放置基板1是需要的，如圖5B中所示。
因此若焦線是以距雷射光學件的某些距離形成則是有益的，且若較大部分的雷射輻射被聚焦而達到所需的焦線末端則是有益的。如所述，這可藉由僅在特定外徑向區域上圓形地(環狀地)照射主要聚焦構件11(透鏡)所達成，這一方面用來實現所需的數值孔徑且因此實現所需的點尺寸，且然而另一方面，在點中央中非常短的距離上的所需焦線2b(如同基本上為圓形的點)形成之後，擴散圓形在強度上減少了。如此，缺陷線的形成係結束於所需基板深度中的短距離內。結合旋轉三稜鏡10及聚焦透鏡11滿足了此需求。旋轉三稜鏡以兩個不同方式動作：由於旋轉三稜鏡10，通常圓形的雷射點係以環的形式發送至聚焦透鏡11，且旋轉三稜鏡10的非球面性具有以下效應：焦線係形成於透鏡的焦平面後而非焦平面中的焦點。焦線2b的長度l可透過旋轉三稜鏡上的光束直徑來調整。另一方面，沿焦線的數值孔徑可透過距離Z1(旋轉三稜鏡及透鏡間距)來調整及透過旋轉三稜鏡的錐角來調整。如此，整個雷射能量可被集中在焦線中。
若缺陷線的形成係意欲連續至基板的背側，圓形(環形)照射仍具有以下優點：(1)雷射功率在以下意義上是被最佳地運用的：最多的雷射光保持集中在焦線的所需長度中，及(2)可能由於結合藉由其他光學功能所設置之所需像差的圓形照射區域，而沿焦線達成一致的點尺寸，且因此達成沿焦線自基板一致地分離部件。
亦可能使用聚焦半月形透鏡或另一較高度校正的聚焦透鏡(非球面、多透鏡系統)，而不是描繪於圖5A中的平凸透鏡。
為了使用圖5A中所描繪之旋轉三稜鏡及透鏡的組合來產生非常短的焦線2b，會必須要選擇非常小的入射於旋轉三稜鏡上雷射束的光束直徑。這具有以下的實際缺點：將光束同心於旋轉三稜鏡的頂點必須非常精確，且結果對於雷射的方向性變化(光束徧移穩定度)非常敏感。並且，緊密準直的雷射束是非常發散的，也就是由於光徧折，光束叢在短距離上變得模糊。
如圖6中所示，兩個效應可藉由在光學組件6中包括另一透鏡(準直透鏡12)來避免。額外的正透鏡12用於非常緊密地調整聚焦透鏡11的圓形照射。準直透鏡12的焦長f'係用以下的如此方式來選擇：所需的圓形直徑dr是由自旋轉三稜鏡至準直透鏡12的距離Z1a(其等於f')所造成。環形的所需寬度br可透過距離Z1b(準直透鏡12至聚焦透鏡11的距離)來調整。純粹幾何學上，小寬度的圓形照射導致短的焦線。可於距離f'處達到最小值。
描繪於圖6中的光學組件6係因此基於圖5A中所描繪者，以便以下僅描述差異。準直透鏡12(於此亦設計為平凸透鏡，其中其曲度朝向光束方向)此外係中央地放置在一邊是旋轉三稜鏡10(其中其頂點朝向光束方向)且另一邊是平凸透鏡11之間的光束路徑中。距旋轉三稜鏡10之準直透鏡12的距離係稱為Z1a，距準直透鏡12之聚焦透鏡11的 距離稱為Z1b，且距聚焦透鏡11之焦線2b的距離稱為Z2(總是以光束方向檢視)。如圖6中所示，由旋轉三稜鏡10所形成的圓形輻射SR(其係發散地且在準直透鏡12上的圓形直徑dr下入射)係對於聚焦透鏡11處至少大約恆定的圓形直徑dr，而沿距離Z1b調整至所需的圓形寬度br。在所示的情況中，係意欲產生非常短的焦線2b，以便由於透鏡12的聚焦屬性，透鏡12處大約4mm的圓形寬度br在透鏡11處被減少至大約0.5mm(圓形直徑dr在本示例中係22mm)。
在所描繪的示例中，可能使用2mm的一般雷射束直徑、具有焦長f=25mm的聚焦透鏡11、具有焦長f'=150mm的準直透鏡及選用距離Z1a=Z1b=140mm且Z2=15mm來達成小於0.5mm之焦線l的長度。
圖7A-7C繪示在不同雷射強度體系下的雷射與物料的交互作用。在第一情況中(圖示於圖7A中)，未聚焦的雷射束710經過透明基板720而不對其引入任何變異。在此特定情況中，非線性效應係不出現，因為雷射能量密度(或每個由光束所照射之單位區域的雷射能量)係在足以誘導非線性效應的閥值以下。能量密度越高，電磁場強度越高。因此，如圖7B中所示，當雷射束由球形透鏡730聚焦至較小的點尺寸時(如圖7B中所示)，照射區域被減少了，且能量密度增加了，觸發了非線性效應，該非線性效應將變異材料以允許僅在條件被滿足的容積中形成斷層線。如此，若聚焦雷射的光束中段係位於基板表面處，將發生表面的變異。相較之下，若聚焦雷射的光束中段係位於基板表面以下，則當能量密度 在非線性光學效應的閥值以下時，在表面處沒有事情發生。但在焦點740處(位於基板720的主體中)，雷射強度係夠高以觸發多光子非線性效應，因此誘導對於材料的損害。最後，如圖7C中所示，在旋轉三稜鏡的情況下(如圖7C中所示)，旋轉三稜透鏡750(或替代性的是菲涅耳旋轉三稜鏡)的繞射圖案產生干擾，該干擾產生貝索形狀的強度分佈(高強度柱體760)，且僅在該容積中強度是足夠高的以對於材料720產生非線性吸收及變異。柱體760(其中貝索形狀的強度分佈係足夠高以對於材料產生非線性吸收及變異)的直徑亦為雷射束焦線的點直徑，如本文中所指。貝索光束的點直徑D可表示為D=(2.4048 λ)/(2 π B)，其中λ是雷射束波長，且B是旋轉三稜鏡角度的函數。
雷射及光學系統：
為了切割融合形成的玻璃複合工件的目的，已發展一程序，該程序結合線焦光束形成光學件來使用1064nm微微秒雷射以在玻璃複合物中產生缺陷線的線。具有高達0.7mm厚度的玻璃複合物係經放置，以便其是在由光學件所產生之焦線的區域內。使用長度上約為1mm的焦線及玻璃複合工件處所測量的以200kHz的重複率產生約24W或更多之輸出功率的微微秒雷射(在脈衝模式中約為每脈衝120μJ或在叢發模式中約為每叢發120μJ)，焦線區域中的光學強度可輕易地足夠高來在玻璃複合工件中產生非線性吸收。脈衝雷射束可具有(於複合材料處)經測量大於每mm材料厚度40μJ的平均雷射能量。「平均雷射能量」亦可稱為平均的、每脈衝的、
線性能量強度，或每mm材料厚度之每雷射脈衝的平均能量。玻璃工件內經損害、磨損、蒸發或要不就變異的材料區域係被產生為大約遵循高強度的線性區域。
超短(數十微微秒或更短之數量級的脈衝期間)雷射可操作於脈衝模式或叢發模式中。在脈衝模式中，一系列額定相同的單一脈衝係發射自雷射且引導至基板。在脈衝模式中，雷射的重複率係由脈衝間的時間上間隔所決定。在叢發模式中，脈衝叢發係發射自雷射，其中各叢發包括(相等或不同幅度的)二或更多個脈衝。在叢發模式中，叢發內的脈衝係由第一時段(其定義脈衝重複率)所分離，且叢發係由第二時段(其定義叢發重複率)所分離，其中第二時段一般遠大於第一時段。如本文中所使用的(無論是在脈衝模式或叢發模式的情境中)，時段指的是脈衝或叢發相對應部分之間的時間差(例如前緣至前緣、尖峰至尖峰或後緣至後緣)。脈衝及叢發重複率係由雷射的設計所控制，且一般可藉由調整雷射的操作條件來(在限制內)作出調整。一般的脈衝及叢發重複率為kHz至MHz的範圍。雷射脈衝期間(脈衝模式中的或對於叢發模式中之叢發內的脈衝)可為10-10s或更少、或10-11s或更少、或10-12s或更少、或10-13s或更少。在本文中所述的示例性實施例中，雷射脈衝期間係大於10-15。
更特定而言，如圖8A中所繪示，依據本文中所述的所選實施例，微微秒雷射產生脈衝500A的「叢發」500，有時亦稱為「叢發脈衝」。叢發是一種雷射操作，其中係不以一致及穩定的串流來發射脈衝，而是以緊密集群的脈衝來 發射脈衝。各「叢發」500可包含最多100psec(例如0.1psec、5psec、10psec、15psec、18psec、20psec、22psec、25psec、30psec、50psec、75psec或其之間)之非常短期間Td的多個脈衝500A(例如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)。脈衝期間通常是在約1psec至約1000psec的範圍中、或在約1psec至約100psec的範圍中、或在約2psec至約50psec的範圍中或在約5psec至約20psec的範圍中。單一叢發500內的這些個別脈衝500A亦可稱為「子脈衝」，其根本地指示它們發生在單一脈衝叢發內的事實。叢發內各雷射脈衝500A的能量或強度可不等於叢發內的其他脈衝的能量或強度，且叢發500內多個脈衝的強度分佈可遵循由雷射設計所主控之時間上的指數衰減。較佳地，本文中所述示例性實施例之叢發500內的各脈衝500A係以期間Tp自叢發中的後續脈衝在時間上分離，其中期間Tp係自1nsec至50nsec(例如10-50nsec、或10-40nsec或10-30nsec)，其中該時間通常由雷射腔的設計所主控。對於給定的雷射而言，叢發500內各脈衝之間的時間間距Tp(脈衝至脈衝間距)係相對一致(±10%)。例如，在某些實施例中，各脈衝係以約20nsec自後續脈衝在時間上分離(50MHz脈衝重複頻率)。例如，對於產生約20nsec之脈衝至脈衝間距Tp的雷射而言，叢發內的脈衝至脈衝間距Tp係維持在約±10%內或約±2nsec內。各「叢發」之間的時間(也就是叢發之間的間距Tb)將長得多(例如0.25Tb 1000微秒，例如1-10微秒或3-8微秒)。例如，在本文中所述雷射的某些示例性實 施例中，其對於約200kHz的雷射重複率或頻率而言大約為5微米。雷射重複率在本文中亦稱為叢發重複頻率或叢發重複率，且係定義為一叢發中第一脈衝至後續叢發中第一脈衝之間的時間。在其他實施例中，叢發重複頻率係在約1kHz及約4MHz之間的範圍中、或在約1kHz及約650kHz之間的範圍中或在約10kHz及約650kHz之間的範圍中。各叢發中第一脈衝至後續叢發中第一脈衝之間的時間Tb可為0.25微秒(4MHz叢發重複率)至1000微秒(1kHz叢發重複率)，例如0.5微秒(2MHz叢發重複率)至40微秒(25kHz叢發重複率)或2微秒(500kHz叢發重複率)至20微秒(50kHz叢發重複率)。準確的時機、脈衝期間及重複率可取決於雷射的設計及使用者可控制的操作參數而變化。高強度短脈衝(Td<20psec且較佳地為Td為15psec)已顯示出作用很好。
變異材料的所需能量可就叢發能量(包含於叢發內的能量，其中各叢發500包含一系列的脈衝500A)而言來描述，或就包含於單一雷射脈衝(其中的許多者可包括叢發)內的能量而言來描述。對於這些應用而言，(每厘米所要切割之材料的)每叢發能量可為10-2500μJ、或可為20-1500μJ、或為25-750μJ、或為40-2500μJ、或為100-1500μJ、或為200-1250μJ、或為250-1500μJ或為250-750μJ。叢發內的個別脈衝能量將是更少的，且準確個別雷射脈衝能量將取決於叢發500內之脈衝500A的數量以及隨時間之雷射脈衝的衰減率(例如指數衰減率)，如圖8A中所示。例如，對於恆定能量/叢發而言，若脈衝叢發包含10個個別雷射脈衝500A，則相 較於若相同的叢發脈衝500僅具有2個個別雷射脈衝，各個別雷射脈衝500A將包含較少的能量。
使用能夠產生這樣脈衝叢發的雷射係有益於切割或變異透明材料，例如玻璃。相較於使用以單一脈衝雷射之重複率在時間上隔開的單一脈衝，使用在叢發500內之快速脈衝串列上散播雷射能量的叢發脈衝串列允許進入與材料進行之高強度交互作用的較大時間尺度(相較於使用單一脈衝雷射所可能允許的)。雖然單一脈衝可在時間上延展，能量守恆定律使得這完成時，脈衝內強度必須降低為大約脈衝寬度分之一。因此若10psec的單一脈衝延展至10nsec的脈衝，強度大約降低幅度的三個數量級。這樣的減少可降低對非線性吸收不再顯著且光與材料之交互作用不再足夠強來允許切割之點的光學強度。相較地，使用叢發脈衝雷射，叢發500內之各脈衝或子脈衝500A期間的強度可保持非常高，例如具有以大約10nsec之間距Tp在時間上隔開之10psec脈衝期間Td的三個脈衝500A，仍然允許各脈衝內的強度大約比單一10psec脈衝的強度高三倍，同時係允許雷射在大三個幅度數量級的時間尺度上與材料交互作用。叢發內之多個脈衝500A的此調整因此允許以下列方式來操作雷射與材料交互作用的時間尺度：可促進與現成之電漿羽進行之較大或較小的光交互作用；可促進與原子及分子進行之較大或較小的光與材料的交互作用，其中該等原子及分子已由初始或先前的雷射脈衝所預先激發；及可促進在材料內之較大或較小的加熱效應，該效應可促進缺陷線(穿孔)的經控制成長。變異材料 所需之叢發能量的量將取決於基板材料成分及所用以與基板交互作用的線焦長度。交互作用的區域越長，越多能量被散播開，且將需要越高的叢發能量。
當單一脈衝叢發擊中玻璃上時，缺陷線或孔係形成於材料中實質相同的位置。也就是說，單一叢發內的多個雷射脈衝可在玻璃中產生單一缺陷線或孔位置。當然，若玻璃被移位(例如以恆定的移動步階移位)或光束相對於玻璃而移動，叢發內的個別脈衝不可能是剛好在玻璃上的相同空間位置處。然而，它們最好是在彼此的1μm內，也就是說它們在實質相同的位置處擊中玻璃。例如，它們可以間隔sp擊中玻璃，其中距離彼此為0<sp500nm。例如，當以20個脈衝的叢發擊中玻璃位置時，叢發內的個別脈衝在彼此250nm內擊中玻璃。因此，在某些實施例中，1nm<sp<250nm。在某些實施例中，1nm<sp<100nm。
孔洞或損害軌跡的形成：
若基板具有充足的應力(例如使用離子交換玻璃)，則部件將自發地沿由雷射程序所描繪出之經穿孔損害的路徑(斷層線)而分離。然而，若基板先天上沒有許多應力，則微微秒雷射將僅在複合工件中形成缺陷線(損害軌跡)。這些缺陷線大致採取具有內部尺度(直徑)~0.5-1.5微米之孔洞的形式。
缺陷線可或可不刺穿整個材料厚度，且在材料深度各處可或可不為連續的開口。圖8B圖示刺穿700微米厚之 2320 NIOX基板之工件的整個厚度的缺陷線示例。類似的效應係見於如圖9中所示之融合形成的玻璃複合物上。缺陷線係通過切割邊緣側來觀察。通過材料的缺陷線不一定是通孔。可能有插塞孔洞的玻璃區域，但它們在尺寸上大致是小的(例如為微米的數量級)。注意的是，在分離部件時，斷裂沿缺陷線發生，以提供有具源自缺陷線之特徵之周邊表面(邊緣)的部件。在分離之前，缺陷線在形狀上大致為圓柱形的。在分離部件時，缺陷線斷裂且殘餘的缺陷線在所分離部件之周邊表面的周線中是明顯的。在理想的模型中，缺陷線在分離時係切割成兩半，以便所分離部件的周邊表面包括相對應於半圓柱的的鋸齒。實際上，分離可能自理想模型徧離，且周邊表面的鋸齒可為原始缺陷線形狀的任意部分。不考慮特定的形式，周邊表面的特徵將稱為缺陷線，以指示它們存在的起源。
亦可能刺穿包括堆疊玻璃片的工件。在此情況中，缺陷線長度需要比堆疊高度還長。
孔洞(缺陷線、穿孔)之間的側向間隔(孔距)係由隨著基板在聚焦雷射束下方移位時的雷射脈衝率所決定。通常僅需要單一的微微秒雷射脈衝或叢發來形成整個孔洞，但若需要可使用多個脈衝或叢發。為了以不同孔距形成孔洞，可觸發雷射以用較長的或較短的間隔來發射。對於切割操作而言，雷射的觸發大致與在光束下方之工件的步階驅動運動同步，故雷射脈衝係以固定間隔觸發，例如每隔1微米或每隔5微米。沿斷層線方向之相鄰缺陷線之間的距離(或 週期性)在某些實施例中可大於0.1微米及小於或等於約20微米，舉例而言。更佳地，間距是在0.5微米及3.0微米之間。甚至更佳地，間距可在0.5微米及1.0微米之間。相鄰缺陷線之間的準確間距係由材料屬性所決定(給定基板中的應力等級)，該等材料屬性促進自穿孔至穿孔的破裂傳播。然而，相較於切割基板，亦可能使用相同方法來僅刺穿材料。在本文中所述的方法中，孔洞或缺陷線可以較大間距(例如7微米孔距或更大)分離。
雷射功率及透鏡焦長(其決定焦線長度且因此決定功率密度)是用以確保完全穿透玻璃及低表面及次表面損害的特別重要參數。
大體而言，可用的雷射功率越高，可越快地用以上程序來切割材料。本文中所揭露的程序(或多個程序)可用0.25m/sec(或更快)的切割速度來切割玻璃。分割速度(或切割速度)是雷射束相對於基板材料(例如玻璃)表面移動同時產生多個缺陷線孔的速率。為了最小化用於製造的資本投資且為了最佳化設備利用率，通常需要高切割速度(例如舉例而言，400mm/sec、500mm/sec、750mm/sec、1m/sec、1.2m/sec、1.5m/sec、或2m/sec或甚至3.4m/sec至4m/sec)。雷射功率係相等於叢發能量乘以雷射叢發重複頻率(速率)。大體而言，為了以高切割速度切割玻璃材料，缺陷線一般是以1-25μm隔開，在某些實施例中，間距較佳地為3μm或更大，例如3-12μm或例如5-10μm。
例如，為了達成300mm/sec的線性切割速度，3μm 的孔洞孔距相對應於具有至少100kHz叢發重複率的脈衝叢發雷射。對於600mm/sec的切割速度而言，3μm的孔距相對應於具有至少200kHz叢發重複率的叢發脈衝雷射。以200kHz產生至少每叢發40μJ且以600mm/s切割速度切割的脈衝叢發雷射需要具有至少8瓦特的雷射功率。越高的切割速度據此需要越高的雷射功率。
例如，使用3μm孔距及每叢發40μJ的0.4m/sec的切割速度會需要至少5W的雷射，使用3μm孔距及每叢發40μJ的0.5m/sec的切割速度會需要至少6W的雷射。因此，脈衝叢發ps雷射的雷射功率較佳地為6W或更高，更佳地為至少8W或更高，且甚至更佳地為至少10W或更高。例如，為了達成使用4μm孔距(缺陷線間距或損害軌跡間距)及每叢發100μJ的0.4m/sec的切割速度，吾人會需要至少10W的雷射，且為了達成使用4μm孔距及每叢發100μJ的0.5m/sec的切割速度，吾人會需要至少12W的雷射。例如，為了達成使用3μm孔距及每叢發40μJ的1m/sec的切割速度，吾人會需要至少13W的雷射。並且，例如，使用4μm孔距及每叢發400μJ的1m/sec的切割速度會需要至少100W的雷射。
缺陷線(損害軌跡)之間的最佳孔距及準確叢發能量係取決於材料的且可實驗地決定。然而，應注意的是，升高雷射脈衝能量或以較近的孔距製作損害軌跡不是總是使基板材料較佳地分離或具有改良邊緣品質的條件。缺陷線(損害軌跡)之間太小的孔距(例如<0.1微米，或在某些示例性實施例中<1μm，或在其他實施例中<2μm)有時可抑制鄰近後 續缺陷線(損害軌跡)的形成，且常常可能抑制經刺穿周線周圍之材料的分離。若孔距太小，亦可能造成玻璃內不想要的微破裂上的增加。太長的孔距(例如>50μm，且在某些玻璃中>25μm或甚至>20μm)可能造成「不受控制的微破裂」，也就是說，其中微破裂沿不同的路徑傳播，且使得玻璃以脫離所欲周線的不同(不想要的)方向破裂，而不是沿所欲之周線自缺陷線向缺陷線傳播。這可能最終降低了所分離部件的強度，因為殘餘的微裂縫組成弱化玻璃的瑕疵。太高之用於形成缺陷線的叢發能量(例如>每叢發2500μJ，且在某些實施例中>每叢發500μJ)可能造成先前所形成之缺陷線的「癒合」或重新熔化，這可能抑制玻璃的分離。據此，較佳的是，叢發能量為<每叢發2500μJ，例如每叢發500μJ。並且，使用太高的叢發能量可能造成極大的微裂縫形成且產生可能在分離之後降低部件邊緣強度的結構性缺陷。太低的叢發能量(例如<每叢發40μJ)可能造成在玻璃內沒有明顯的缺陷線形成，且因此可能一定要特別高的分離力量，或造成完全不能沿經刺穿的周線分離。
由此程序所允許的一般示例性切割率(速度)係例如0.25m/sec及更高。在某些實施例中，切割率至少為300mm/sec。在某些實施例中，切割率至少為400mm/sec，例如500mm/sec至2000mm/sec，或更高。在某些實施例中，微微秒(ps)雷射利用脈衝叢發來以0.5μm及13μm之間(例如0.5及3μm之間)的週期性產生缺陷線。在某些實施例中，脈衝雷射具有10W-100W的雷射功率，且材料及/或雷射束係以 至少0.25m/sec的速率(例如以0.25m/sec至0.35m/sec或0.4m/sec至5m/sec的速率)相對於彼此移位。較佳地，脈衝雷射束的各脈衝叢發具有在工件處所測量之大於每mm工件厚度每叢發40μJ的平均雷射能量。較佳地，脈衝雷射束的各脈衝叢發具有在工件處所測量之更小於每mm工件厚度每叢發2500μJ的平均雷射能量，且較佳地小於約每mm工件厚度每叢發2000μJ，且在某些實施例中小於每mm工件厚度每叢發1500μJ；例如，不大於每mm工件厚度每叢發500μJ。
我們發現，係需要高得多(5至10倍高)的容積脈衝能量密度(μJ/μm3)以供刺穿具有低鹼含量或無鹼含量的鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃。這可例如藉由利用脈衝叢發雷射(較佳地具有至少每叢發2個脈衝)及提供鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃(具有低鹼性物的或無鹼性物)內約0.05μJ/μm3或更高(例如至少0.1μJ/μm3，例如0.1-0.5μ.J/μm3)的容積能量密度來達成。
據此，較佳的是，雷射產生具有每叢發2個脈衝的脈衝叢發。例如，在某些實施例中，脈衝雷射具有10W-150W(例如10W-100W)的功率，且產生具有至少每叢發2個脈衝(例如每叢發2-25個脈衝)的脈衝叢發。在某些實施例中，脈衝雷射具有25W-60W的功率，且產生具有至少每叢發2-25個脈衝的脈衝叢發，且由雷射叢發所產生之相鄰缺陷線之間的週期性或距離係2-10μm。在某些實施例中，脈衝雷射具有10W-100W的功率、產生具有至少每叢發2個脈衝的脈衝叢發且工件及雷射束係以至少0.25m/sec的速率相對於彼此移 位。在某些實施例中，工件及/或雷射束係以至少0.4m/sec的速率相對於彼此移位。
例如，對於切割0.7mm厚的非離子交換的Corning code 2319或code 2320 Gorilla®玻璃而言，觀察到的是，3-7μm的孔距可良好地作用，其中脈衝叢發能量約每叢發150-250μJ，且叢發脈衝數量的範圍為2-15個，且其中較佳地孔距為3-5μm且叢發脈衝數量(每叢發的脈衝數量)為2-5個。
在1m/sec的切割速度下，切割Eagle XG®玻璃一般需要利用15-84W的雷射功率，其中30-45W通常是足夠的。大體而言，跨各種玻璃及其他透明材料而言，申請人發現的是，對於達成0.2-1m/sec的切割速度而言，10W及100W之間的雷射功率是較佳的，其中25-60W的雷射功率對於許多玻璃而言是足夠(或最佳)的。對於0.4m/sec至5m/sec的切割速度而言，雷射功率較佳地應為10W-150W，其中叢發能量為每叢發40-750μJ、每叢發2-25個脈衝(取決於被切割的材料)且缺陷線間隔(孔距)為3至15μm或3-10μm。使用微微秒脈衝叢發雷射對於這些切割速度是較佳的，因為它們產生高功率及所需的每叢發脈衝數量。因此，依據某些示例性實施例，脈衝雷射產生10W-100W的功率(例如25W至60W)且以至少每叢發2-25個脈衝來產生脈衝叢發，且缺陷線之間的距離為2-15μm；且雷射束及/或工件係以至少0.25m/sec的速率(在某些實施例中至少為0.4m/sec，例如0.5m/sec至5m/sec或更快)相對於彼此移位。
切割及分離平板的形狀：
產生具有或不具孔或槽的製品是被高度需要的，自如圖10中所示之較大複合玻璃片產生具有或不具孔或槽的製品是被高度需要的。圖11圖示具有孔及槽之範例的經分離的複合製品，該等孔及槽係用於功能性按鈕或用於要被安置之揚聲器或麥克風。
斷層線係單獨由微微秒雷射所描繪(或由被CO2雷射所接續的微微秒雷射的組合所描繪)，以釋放周邊及/或內孔或槽。重要的是注意，引入由散焦CO2雷射所描繪的釋放線及路徑係經小心計劃以避免例如以下的議題：避免重合的起始/停止位置。大體而言，緩慢地加速/減速移動的步階可能足以產生將在以後破壞甚至震碎部件的準時(punctual)應力源。
在所描繪周線之上在任何點上停止或「停泊」散焦CO2雷射--這最常可能熔化表面及/或產生微裂縫。CO2雷射的路徑應經計劃以在要被釋放的周線外面起始及結束。
示例性微微秒雷射條件為：1064nm的波長、每叢發4個脈衝、功率等級為100%、200kHz的重複率。示例性CO2雷射條件為：10.6微米的波長、20m/min的2道雷射、28.5mm的焦點、100%功率、20kHz重複率的17微秒脈衝。
透過酸蝕刻來進一步處理所抽取的製品相較於As雷射切割片可能產生非常高邊緣強度的製品。在某些案例中，As切割片可能對於特定應用是夠強的，雖然對於許多應用而言通常需要有較高的邊緣強度。
部件(製品)係接著接受標準酸蝕處理(例如1.5M HF及0.9M H2SO4的溶液)以降低或完全移除由雷射切割方法所誘導的表面缺陷。邊緣強度資料接著繪製於圖示於圖12中的魏普圖(Weibull plot)中(與「As切割」的示例比較)。如可見於圖12中的，如此處理的製品現可達成顯著較高的強度值(高達650兆帕(MPa))。
圖13A-13C圖示具有同等間隔之變異玻璃柱的缺陷線示例。
在拉條上切割玻璃
機械刻痕及斷裂是用於連續的融合玻璃製造程序的傳統玻璃切割方法。雖然快速(對於直切達到1m/s)，當此程序變成切割曲線玻璃時，此程序是高度受限的，因為由於緩慢的速度、玻璃邊緣剝離、切割邊緣的高粗糙度......等等，此程序對於這樣的應用而言變得極度有挑戰性。為了降低次表面損害(SSD)，這些應用需要多個研磨及拋光步驟以及清洗步驟，這不僅由於較高的資本需求及由於低產量的較高成本，而增加了程序的成本，而且也根本不能夠符合技術需求。
最近，已對於切割顯示器玻璃組成物發展了二氧化碳(CO2)雷射刻痕及斷裂方法。此技術依賴由CO2雷射破裂傳播所接續的機械(或雷射)破裂的起始作用。最常，10.6微米波長的CO2雷射輻射係用作由冷卻劑噴流所接續的精確熱源，以產生熱衝擊且沿被CO2雷射相交的直線來傳播破裂。此方法的困難性在於其不能成功地控制及傳播這樣的破裂(尤其是沿著周線)。雖然藉由機械或雷射刻痕及斷裂技 術來進行的直切步驟對於某些應用而言可能作用良好，對於高度精確、乾淨及有彈性的玻璃切割的解決方案的日益增加需求是被需要的。
機械及CO2刻痕之困難性的一個示例為液晶顯示器(LCD)玻璃融合程序。在LCD融合程序中，薄的扁平玻璃的連續扁帶形成了(自高拉製塔所發出)。此薄玻璃係以0.050mm及2mm之間的厚度及24”及150”之間的寬度形成。此玻璃扁帶係由類似於刻痕或切割玻璃窗口的機械性刻痕輪來刻痕。此經刻痕的玻璃係接著機械性地彎曲及斷裂扁帶以在拉製塔的底部處建立24”-150”寬乘24”-150”高的片體。此片體在片體的右及左側具有非常粗糙的區段。機械性刻痕僅可執行於玻璃片的品質區域中，且不可執行於玻璃片較薄的念珠狀區段中。接著機器人將夾持玻璃片，彎曲之，且自玻璃扁帶斷裂所刻痕的片體。此斷裂動作向扁帶上方進入拉製塔而造成高幅度震動，這造成了在最終片體中形成扁平度變化。其亦造成界線(rubicon)，因為震動將使微裂縫向拉條上方運行。機械性刻痕及斷裂玻璃產生了像羽毛一樣非常輕的玻璃屑片，但這些玻璃屑片在尺寸上為10-200微米且為3-20微米厚。這些玻璃屑片浮上拉製塔且附著於片體的表面，且這些微粒中的某些(稱為蛤殼玻璃屑片)永久附著於扁帶玻璃表面，這造成不合格的玻璃區段。
此玻璃片係接著自扁帶區域移動至第二切割區域，其中玻璃片係安置於稱為垂直珠刻痕機器的另一機器上，且玻璃的念珠狀區段或非品質區域係接著被機械性刻痕，且接 著念珠狀區段被機械性斷裂而離開母片。再次，微小的蛤殼玻璃屑片飛離片體到缺陷區域上，造成不合格的玻璃區段。
所有片體接著在某些外殼中包裝成箱且發貨至修整位置。再次，蛤殼玻璃屑片自玻離邊緣遷移至表面且造成不合格的玻璃區段。這箱玻璃被卸下及放置於修整線中，其中片體被機械性地或CO2刻痕及機械性地斷裂成稍微較小的玻璃片，但此刻痕程序係遠較精確刻痕機器來得精確。再次，更多的蛤殼玻璃屑片飛至玻璃表面上，造成這些玻璃片的不合格區段。
片體接下來被移動至邊緣研磨器，該邊緣研磨器將薄玻璃片粗糙及精細地研磨至最終的長度及寬度。接著，片體係被移動至另一研磨器，該研磨器將研磨四個角。接下來，片體移動至進線清洗器，該進線清洗器將清除表面的大多數疏鬆的微粒，除了蛤殼微粒以外。
本文中所揭露的雷射玻璃切割科技極度精確地、極度快速地切割玻璃(包括薄玻璃)而不產生玻璃屑片。IRIS科技可以極小的孔洞(例如<1微米)且短孔距間隔(例如1微米)刺穿玻璃。並且，可以極高速刺穿玻璃(例如1-2m/sec)。在測試情況中，在玻璃的邊緣上沒有觀察到屑片。雷射程序可刺穿及分離小的玻璃製品(像是以較大玻璃片塑造出的手機尺寸(70mm x 150mm))。薄玻璃的此刺穿及分離程序留下具有小於400nm之Ra表面粗糙度及深度受限於60微米或更少的次表面微裂縫的邊緣。此邊緣品質接近底玻璃片的品質。給定此能力，可於製造薄玻璃片的融合拉製程序處雷射 切割熱玻璃。
圖14繪示用於連續融合玻璃製造程序的現存玻璃切割方法。在現存的程序中，玻璃片1464自拉製塔1462流下。玻璃片1464的較黑陰影指示較高的溫度。當玻璃片形成(例如在融合拉製機器上)時，熱及軟的玻璃片係由抓取機制(例如滾筒)所拉曳，該抓取機制在玻璃片的兩個外邊緣上形成印痕。經印壓的邊緣係稱為「聯珠」，且這些邊緣延伸玻璃片的整個長度。因為這些念珠狀區域相較於玻璃片的中央區段常常是扭曲的及非扁平的，移除聯珠(或念珠狀區域)係在玻璃被用於製作最終裝置之前完成。如由拉製運動1465所繪示，玻璃片係使用滾輪來向下拉製，該等滾輪沿玻璃片1464邊緣產生玻璃聯珠1466。係沿刻痕線1468施用機械性或CO2雷射刻痕，促進自玻璃片1464斷裂經刻痕的片體1470。
本文中所述的方法對於線上及離線玻璃切割兩者的需求，對於顯示器玻璃組成物提供了玻璃切割解決方案。在線上，這些方法可在玻璃片來自拉條時施用於玻璃片的切割及聯珠移除，尤其是在稱為拉條底部(Bottom of the Draw,BOD)的區域處，在該處玻璃開始從其形成溫度冷卻下來。本文中所述的方法提供玻璃切割解決方案，該方案可提供通過玻璃片整個厚度的全體(全厚度)穿孔。一系列的全厚度穿孔可形成斷層線，在沿該斷層線進行片體分離時，可在玻璃片中形成非常準確及可控制的切割。
圖15A-15B繪示依據本文中所述之方法來在拉條上 進行雷射玻璃切割的兩個方法，利用了例如結合圖2-6來描述於本文中的那些雷射光學系統。依據碐射切割程序1500A，包含一系列缺陷線的雷射切割線1468'係施用於由拉製塔1462所形成的玻璃片1464。在程序1500A中，雷射(未圖示)係經配置以切割過玻璃片1464的整個厚度。雷射切割線1468'在拉條上跨新形成之玻璃片1464的整個寬度而延伸，包括切割聯珠1466而不震動玻璃扁帶或產生任何玻璃屑片或微粒。
圖15B繪示在拉條上進行雷射玻璃切割的替代性方法1500B，其中雷射係用以切割過玻璃片的品質區域且移除大的矩形玻璃片1470'。廢棄玻璃1472係在拉製區域的底部1472處自玻璃片移除。應認知的是，在其他實施例中，所移除的玻璃片1470'不需要是矩形。玻璃片1470'可為正方形或圓形或具有所需的任何其他形狀。
圖16又繪示在拉條上進行雷射玻璃切割的另一替代性方法。在圖16中，係在拉製路徑相對較高的上方處，鄰近於玻璃聯珠1466來施用垂直雷射切割線1468'。接著，在拉製路徑的相對較低處，係施用水平雷射切割線1468'以自拉條切割及移除玻璃片1470'。
圖17繪示在拉條上進行雷射玻璃切割的進一步替代性方法。在圖17中，水平雷射切割線1468'係跨玻璃片1464的整個寬度施用於拉條上，以自拉條移除雷射切割片1470'。在此之後，垂直雷射切割線1468係施用於切割片1470'以在拉條的底部處自切割片移除聯珠。
圖18繪示使用本文中所述的雷射方法，以自片體 1470'將修整或廢棄玻璃1472移除開拉條。在修整區域，水平及垂直雷射切割線1468'兩者係經施用以自雷射切割玻璃片1470'移除廢棄玻璃1472的水平及垂直切片。
對於某些應用而言亦可特別關注玻璃應力，特別是對於使用具有高應力之玻璃片或積層玻璃片的應用而言。使用傳統方法在這樣的狀況下切割片體呈現顯著的困難性。例如，在融合拉製程序期間，在拉製LCD玻璃片期間誘發了大量應力。因為片體及聯珠之間的厚度差及與冷卻率相關聯的差異，在片體及聯珠介面處的應力在玻璃冷卻期間甚至更大。對於融合拉製積層片體(>300MPa)的情況而言，應力等級可能顯著地更大，其中相鄰片層之間的黏性及CTE差異造成非常高的外層壓縮應力。此高壓縮應力層屬性可能顯著地改進積層玻璃片的玻璃強度。然而，在具有高應力等級的片體中藉由傳統方法來切割玻璃片可能是困難的。
如在本發明所屬領域中所被了解的，以融合拉製程序製作的LCD玻璃片具有高應力，該等高應力是在玻璃自其軟化點之上冷卻至遠低於其應變點之下時所誘發的。由於厚度及熱質量上的差異，應力在玻璃聯珠介面處亦是顯著較高的。對於積層玻璃片的情況而言，應力是高得多的(>300MPa)，其中玻璃層之CTE及黏性上的不匹配可能誘發對於強化玻璃應用所需的高壓縮應力。這些高等級應力使得非常難以用遠低於玻璃應變點的溫度(<300C)切割玻璃片。
係揭露方法及不同實施例以使用雷射科技來自片體切割片體及分離聯珠，該雷射科技意味著單發穿透過玻璃片 的厚度。本文中所揭露的方法允許在拉條處基於雷射地切割片體以及分離聯珠，以改進融合拉製程序的製造效率。並且，在某些實施例中，可用高溫(接近玻璃的退火點)切割單層片體及積層片體，使得所誘發的應力小得多。用高溫切割片體且接著通過規定的溫度分佈來後處理片體的能力亦可供應片體較低的玻璃壓實、較低的殘餘應力、消除單獨的修整步驟之成本的可能性、處理較高應變點之玻璃的能力以及由於玻璃停留在退火溫度較久所增加的生產量。
圖19繪示使用多階熔爐1971的示例程序，該多階熔爐1971係經設計以在接近(要被切割的)玻璃片部分1470'之退火點的溫度下夾持玻璃片部分1470'。在拉條的較低部分處，(要被切割的)玻璃片1470'係引進熔爐1971a，該熔爐1971a係在玻璃的退火溫度周圍進行夾持。在接近退火點之提高溫度下的較低應力等級協助了片體的切割。片體1464首先在拉條處由雷射束1974水平切割，該雷射束1974經受水平雷射束移位1976以在玻璃中產生複數個缺陷線。
玻璃片1470'接著移位至熔爐1971b(亦在玻璃的退火溫度下進行夾持)。係使用雷射束1974來分離玻璃聯珠1466，該雷射束1974係經配置以經受垂直移位1974以鄰近於聯珠1466來雷射刻痕玻璃片1470'。水平及垂直切割步驟可包括沿經雷射損害的周線施用拉伸或彎曲應力，以自拉條分離玻璃且若必要則自切割玻璃片1470'分離玻璃聯珠。可使用機器人系統來施用應力，舉例而言。
在移除玻璃聯珠之後，切割玻璃片1470'係移位至第 三熔爐1971c，其中熱源1980經受垂直移位1982以向玻璃板1470'的切割邊緣供應熱能。係施用熱能以平滑化及修整切割垂直邊緣，且雖未圖示於圖19中，亦可對板體1470'的水平切割邊緣施用熱能以供平滑化及修整。熱源可包括瓦斯焰、CO2雷射......等等。
玻璃片1464可為積層片，其中該片體係包括多個層，各者具有不同的材料屬性(例如CTE......等等)。這樣的積層片可藉由使用雙異形管的拉製塔來形成，其中各異形管係用於提供用於積層板的不同層玻璃。積層板之玻璃層之間CTE上的差異造成大量應力，該應力係在玻璃片自軟化點之上冷卻至遠低於應變點之下時引入。例如，可使用範圍在0.8及1之間之內層厚度對整體積層板厚度的比率，藉由使得內層及表面層之間的CTE差異大於60 x 10-7/C，來在積層片表面的表面上誘發大於400MPa的壓縮應力(例如參照Tandon等人所提出第20110318555號之美國專利申請案，其整體內容係以引用方式併入本文中)。
在玻璃片1464為積層板的情況中，熔爐1971a及1971b可經配置以用兩層積層板之退火溫度之間的溫度來夾持積層板。對於需要高表面壓縮應力的應用而言(例如用於高強度應用的積層玻璃)，在退火溫度下提供時間將降低應力幅度，促進使用雷射束1974來進行切割。在這些情況中，仍可藉由在後切割的冷卻期間淬火玻璃來在修整的玻璃片中達成高應力。
圖20繪示一程序，其中片體1470'係藉由將片體實 體地通過多階熔爐2071來冷卻至遠低於玻璃應變點之下的溫度，該多階熔爐2071具有漸冷的階段2071a、2071b及2071c。該系列的熔爐施用規定的溫度分佈來最小化殘餘應力、後形成的壓實、改進玻璃片屬性及定制玻璃特性。應了解的是，係藉由使用具有隨時間改變之溫度分佈的單階熔爐來在其他實施例中達成類似之經控制的冷卻分佈。
在其他實施例中，係在玻璃退火點之上的溫度下，以某些的缺陷線間間隔，用拉條中的玻璃製作雷射穿孔。這在此拉製位置處在玻璃強度上沒有顯著的衝擊。然而，這可能造成，當在拉條上的下游位置處(例如對於積層玻璃)發展了CTE應力時，玻璃片自發性地分離或僅有弱的外部微擾(perturbation)而分離。自發性分離(或具有弱的外部微擾的分離)可能有益於移除玻璃聯珠及有益於玻璃收集。
在高溫切割片體且接著通過規定的溫度分佈來後處理片體的能力亦可允許具有較低玻璃壓實及較低殘餘應力的片體。這樣的能力亦可消除單獨的修整步驟的成本、允許處理具有較高應變點的玻璃以及由於玻璃停留在退火點較久而增加生產量。
沿全厚度切割進行的玻璃分離係由兩條缺陷線之間的孔距所控制。用於切割許多顯示器玻璃組成的一般示例性孔距係約1-5微米(例如2-5微米)。然而，最高8微米(5-8微米)的孔距亦已顯示提供了良好品質的切割。控制孔距的能力亦是重要的，因為其決定了切割速度，此亦被雷射脈衝頻率或叢發重複率、叢發模式內的脈衝數量及每脈衝及/或每 叢發的平均能量所影響。
當缺陷線周圍的微裂縫朝向相鄰缺陷線時，就促進了玻璃切割，因為微裂縫係與斷層線校準且引導分離的方向。在這樣的情況中，缺陷線之間的較大孔距(例如3到50微米，例如3到20微米)可能足以進行全玻璃分離，因此簡化了處理(因為需要較少的缺陷線來影響分離)。替代性地，在某些玻璃類型中(其中微裂縫未被形成或不朝向鄰近的缺陷線)，為了乾淨的分離可能需要在孔洞(或缺陷線)之間的較小孔距(0.1至3微米，例如1及3微米之間)。
本文中所援引之所有專利、公開的申請案及參考文獻的相關教示的整體內容係以引用方式併入。
雖然已在本文中描述示例性實施例，將由本發明所屬領域中具技藝的該等人所了解的是，可在其中作出形式及細節上的各種改變而不脫離由隨附的請求項所包括的本發明範圍。

Claims (16)

  1. 一種雷射處理一融合形成的玻璃複合工件的方法，該方法包括以下步驟：將一脈衝雷射束聚焦成一雷射束焦線，該雷射束焦線沿該光束傳播方向定向且引導進該融合形成的玻璃複合工件，該雷射束焦線在該融合形成的玻璃複合工件內產生一經誘導的吸收，且該經誘導的吸收在該融合形成的玻璃複合工件內沿該雷射束焦線產生一缺陷線；及沿一周線將該融合形成的玻璃複合工件及該雷射束相對於彼此而移位，藉此在該融合形成的玻璃複合工件內形成複數個缺陷線，該複數個缺陷線係以0.5微米及20微米之間的一距離隔開。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該融合形成的玻璃複合工件包括具有不同熱膨脹係數的包覆及核心層，該等層具有總共三或更多層。
  3. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：沿該周線分離該融合形成的玻璃複合工件。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該脈衝雷射束具有一波長且該融合形成的玻璃複合工件在該波長下是實質透明的。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該雷射束焦線具有在約0.1微米及約5微米之間的一範圍中的一平均點直徑。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該融合形成的玻璃複合工件係一玻璃片的形式，且其中將該脈衝雷射束聚焦及沿該周線將該融合形成的玻璃複合工件及該雷射束相對於彼此移位的步驟係在一線上拉條處以該玻璃片執行。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該玻璃片包括至少兩個層，該等層具有至少兩個不同的各別退火溫度，且其中聚焦及移位步驟係在該等至少兩個不同的各別退火溫度之間的一溫度下以該玻璃片執行。
  8. 一種由請求項1所述之該方法所備製的玻璃製品。
  9. 如請求項8所述之製品，其中該融合形成的玻璃複合工件包括具有不同熱膨脹係數的包覆及核心層，該等層具有總共三或更多層。
  10. 如請求項8所述的製品，進一步包括沿該周線分離該融合形成的玻璃複合工件。
  11. 如請求項8所述之製品，其中該脈衝雷射束具有一波長，且該融合形成的玻璃複合工件在該波長下是實質透明的。
  12. 如請求項8所述之製品，其中該雷射束焦線具有在約0.1微米及約5微米之間的一範圍中的一平均點直徑。
  13. 一種玻璃製品，包括：一玻璃複合物，具有一第一表面、一第二表面及至少一個邊緣，該至少一個邊緣具有在該等第一及第二表面之間至少延伸250微米的複數個缺陷線，該等缺陷線各具有小於或等於約5微米的一直徑。
  14. 如請求項13所述之玻璃製品，其中該至少一個邊緣具有小於約0.5微米的一Ra表面粗糙度。
  15. 如請求項1所述之方法，其中該脈衝雷射束是一非繞射雷射束。
  16. 如請求項1所述之方法，其中該脈衝雷射束是貝索光束(Bessel beam)、艾瑞光束(Airy beam)、韋伯光束(Weber beam)或馬修光束(Mathieu beam)。
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