TWI834649B - 使用脈衝雷射光束焦線及流體膜來雷射處理粗糙透明加工件的方法 - Google Patents

使用脈衝雷射光束焦線及流體膜來雷射處理粗糙透明加工件的方法 Download PDF

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Abstract

一種用於處理透明加工件的方法，包含將具有第一折射率的流體膜塗覆至具有第二折射率之透明加工件的照射表面。進一步地，第一折射率與第二折射率之間的差值為約0.8或更小，並且衝擊表面包括約0.1μm或更大的表面粗糙度Ra。該方法亦包含藉由以下方式在透明加工件中形成一缺損：引導沿光束路徑定向並由光束源輸出的雷射光束通過流體膜、通過衝擊表面、並進入該透明加工件，使得被引導入透明加工件之雷射光束射入的一部分在透明加工件內產生誘導吸收作用，該誘導吸收作用在透明加工件內產生缺損。

Description

使用脈衝雷射光束焦線及流體膜來雷射處理粗糙透明加工件的方法
本申請案主張於2018年3月29日申請的美國專利臨時申請案第62/649,698號的優先權權利，該專利申請案的全部內容以引用的方式併入本文中。
本說明書一般涉及用於雷射處理透明加工件的設備及方法，且更具體而言，涉及雷射處理具有粗糙表面的透明加工件。
材料的雷射處理的領域涵蓋了涉及不同類型材料的切割、鑽孔、研磨、焊接、熔化等的各種應用。在此等製程中，人們特別感興趣的一個製程係在可用於生產如玻璃、藍寶石或熔融石英的材料的製程中，切割或分離不同類型的透明基板，該等玻璃、藍寶石或熔融石英的材料係用於薄膜晶體管(TFT)或用於電子裝置的顯示器材料。
從製程開發及成本角度來看，在切割、及分離玻璃基板方面存在許多改進的機會。與目前在市場中實施的方法相比，非常期望能具有更快、更清潔、更便宜、更具可重複性且、更可靠的分離玻璃基板之方法。因此，需要於分離玻璃基板的替代改進方法。
根據一實施例，一種用於處理透明加工件的方法包含：將具有第一折射率的流體膜塗覆至具有第二折射率之透明加工件的衝擊表面。進一步地，第一折射率與第二折射率之間的差值為約0.8或更小，並且衝擊表面包括約0.1μm或更大的表面粗糙度Ra。該方法亦包含在透明加工件內形成缺損(defect)，此舉係藉由引導沿光束路徑定向並由光束源輸出的雷射光束通過流體膜、通過衝擊表面、並進入該透明加工件，使得被引導入透明加工件之雷射光束射入的一部分，在透明加工件內產生誘導吸收作用，該誘導吸收作用在透明加工件內產生該缺損。
在另一實施例中，一種用於處理透明加工件的方法包含將具有第一折射率的流體膜塗覆至具有第二折射率之透明加工件的衝擊表面。進一步地，第一折射率與第二折射率之間的差值為約0.8或更小，並且衝擊表面包括約0.1μm或更大的表面粗糙度Ra。該方法亦包含沿著輪廓線在透明加工件內形成輪廓，該輪廓包含透明加工件內的複數個缺損。特定而言，形成缺損之步驟包含：引導沿光束路徑定向並由光束源輸出的脈衝雷射光束通過非球面光學元件、通過流體膜、通過衝擊表面、及進入透明加工件，使得被引導入透明加工件之脈衝雷射光束的一部分，在透明加工件內產生誘導吸收作用，該誘導吸收作用在透明加工件內產生缺損。被引導到透明加工件中的脈衝雷射光束的部分包含波長l、有效光點尺寸、及非軸對稱光束橫截面，該橫截面在橫截面x方向上具有最小瑞利範圍，並在橫截面y方向上具有最小瑞利範圍中，並且及的較小值大於，其中為無因次發散因數，其值為10或更大。進一步地，該方法包含沿輪廓線使該透明加工件及該脈衝雷射光束相對於彼此而平移，從而沿著輪廓線在透明加工件內雷射形成具有複數個缺損的輪廓。
本文中所述製程及系統的其他特徵與優勢將於隨後的詳細敘述中予以闡述，且熟習該項技術領域者可由實施方式之敘述而對其他特徵與優勢顯而易見，或者藉由實踐此揭露書所述實施例（包含隨後的實施方式、專利申請範圍，以及附圖）而認識到其他特徵與優勢。
應當理解，一般性描述與以下的詳細描述皆描述了各種實施例，並且旨在提供用於理解所主張之標的之性質與特性的概述或框架。此說明書包含附圖以提供對各種實施例的進一步理解，且隨附圖示併入以及構成此說明書的一部分。圖示顯示了此揭露案中描述的不同實施例，且結合描述內容，共同用於解釋所主張之標的之原理與操作。
現將詳細參照用於雷射處理透明加工件，如玻璃加工件，之製程的實施例，其實例在附圖中示出。將儘可能地於附圖中使用相同的元件符號來表示相同或相似部件。根據本文描述的一個或更多個實施例，透明加工件可被雷射處理以在透明加工件中形成輪廓，該輪廓包括沿著沿透明加工件的輪廓線的一系列缺損。根據一個實施例，脈衝雷射光束被引導到透明加工件中以在透明加工件中產生一系列缺損，從而界定輪廓。
進一步地，本文描述的實施例可用於在包括至少一個粗糙表面的透明加工件中形成輪廓。舉例而言，可沿著輪廓線將流體膜施加至粗糙表面的至少一部分，並且可首先將脈衝雷射光束引導通過流體膜，隨後通過粗糙表面並進入透明加工件。流體膜可使脈衝雷射光束的光學變化最小化，如在將脈衝雷射光束直接照射到透明加工件的粗糙表面上時，可能發生的反射及發散(即，自由空間(例如，空氣)，而非流體膜與粗糙表面直接接觸的情況)。特定而言，流體膜可包括與透明加工件的折射率相似(例如，具有約0.8或更小的差值)的折射率。流體膜及粗糙表面在流體表面界面處接觸，並且因為流體膜及透明加工件包括相似的折射率，所以由粗糙表面引起的脈衝雷射光束的光學變化被最小化。因此，可高效且有效地雷射處理透明加工件。本文將具體參照附圖來描述處理透明加工件的方法及設備的各種實施例。
儘管使用流體膜處理具有粗糙表面的透明加工件的實施例可在各種情況下使用，但該等實施例對於切割用於背光顯示器玻璃的透明加工件（舉例而言，交通工具內部顯示器玻璃，如娛樂資訊及/或導航系統的一個或更多個顯示螢幕）特別有用。舉例而言，當顯示器玻璃為背光時，並且顯示器玻璃的面向光源的表面(即「後」表面)為平滑的時，如此光滑的後表面可能引起不期望的反射，此會分散使用者的注意力並且可能妨礙高品質的使用者體驗。作為另一個實例，具有粗糙表面的透明加工件可用作相框玻璃，以減少玻璃的不期望的反射，使得玻璃儘可能不被觀察者察覺。
如本文所用，「雷射處理」包括將雷射光束引導到透明加工件上及/或透明加工件中。在一些實施例中，雷射處理進一步包括相對於透明加工件平移雷射光束，舉例而言，沿輪廓線、沿修改線、或沿另一路徑平移雷射光束。雷射處理的實例包含使用雷射光束形成包括延伸到透明加工件中的一系列缺損的輪廓，並使用紅外線雷射光束加熱層壓加工件堆疊的透明加工件。雷射處理可沿著一個或更多個期望的分離線分離透明加工件。然而，在一些實施例中，可利用額外的非雷射步驟沿著一個或更多個期望的分離線分離透明加工件。
如本文所用，「輪廓線」表示透明加工件表面上的線性、傾斜、多邊形或曲線，該線界定雷射光束在加工件平面內移動時所經過的路徑以產生相應的輪廓。
如本文所用，「輪廓」係指藉由沿著輪廓線平移雷射光而在透明加工件中形成的一組缺損。如本文所用，輪廓係指基板中或基板上的虛擬二維形狀或路徑。因此，儘管輪廓本身為虛擬形狀，但輪廓可，舉例而言，藉由斷層線或裂縫顯現。輪廓界定透明加工件中所需分離的表面。可藉由沿著輪廓線使用各種技術在透明加工件中產生複數個缺損來形成輪廓，舉例而言，藉由沿著輪廓線在連續點處引導脈衝雷射光束。具有彎曲焦線的多個輪廓及/或雷射可用於產生複雜形狀，如傾斜的分離表面。
如本文所用，「缺損」係指改進的材料的區域(例如，相對於整塊材料具有改進的折射率的區域)、空隙空間、裂縫、划痕、缺陷(flaw)、孔、穿孔、或透明加工件中的其他變形。在本文的各種實施例中，此等缺損可稱為加工件中的缺損線或損壞(damage)軌跡。對於單個雷射脈衝或在相同位置的多個脈衝而言，藉由引導至透明加工件上之單個位置的雷射光束，形成缺損線或損壞軌跡。沿著輪廓線平移雷射導致形成輪廓的多個缺損。對於線聚焦雷射而言，缺損可具有線性形狀。
如本文所用，術語「光束橫截面」係指雷射光束沿垂直於雷射光束的光束傳播方向的平面（舉例而言，當光束傳播方向在Z方向上時，沿著X-Y平面）之橫截面。
如本文所用，「光束點」係指衝擊表面中的雷射光束(例如，光束橫截面)的橫截面，即最接近雷射光學器件的透明加工件的表面。
如本文所用，「衝擊表面」係指最接近雷射光學器件之透明加工件的表面。
如本文中所用，「上游」及「下游」係指沿著光束路徑的兩個位置或部件相對於光束源的相對位置。舉例而言，若第一部件沿著雷射光束橫穿的路徑比第二部件更靠近雷射光學器件，則第一部件在第二部件的上游。
如本文所用，「雷射光束焦線」係指雷射光束的相互作用(例如，交叉)光線的圖案，其形成平行於光軸的線性細長聚焦區域。雷射光束焦線包括像差光線，其沿著光軸在不同位置處與雷射光束的光軸相互作用(例如，交叉)。此外，本文中描述的雷射光束焦線係使用準非折射光束形成的，在下文詳細地以數學方式界定。進一步地，在使用脈衝雷射光束形成雷射光束焦線的實施例中，雷射光束焦線亦可稱作脈衝雷射光束焦線。
本文所用的短語「透明加工件」係指藉由玻璃、玻璃陶瓷、或其他材料形成的透明加工件，其中術語「透明」，如本文所用，係指材料對於每毫米材料深度具有小於約20％的光學吸收作用、如對於指定的脈衝雷射波長，每毫米材料深度具有小於約10％的光學吸收作用、或如對於指定的脈衝雷射波長，每毫米材料深度具有小於約1％的光學吸收作用。除非另作說明，否則該材料的光學吸收小於每毫米材料深度約20％。透明加工件的深度(例如，厚度)可為約50微米(μm)至約10mm(從約100μm至約5mm、或從約0.5mm至約3mm)。透明加工件可包括藉由玻璃組合物形成的玻璃加工件，如硼矽酸鹽玻璃、鈉鈣玻璃、鋁矽酸鹽玻璃、鹼金屬鋁矽酸鹽、鹼土鋁矽酸鹽玻璃、鹼土金屬硼鋁矽酸鹽玻璃、熔融石英、或如藍寶石、矽、砷化鎵、或其組合等晶體材料。在一些實施例中，透明加工件可在雷射處理透明加工件之前或之後藉由熱退火加強。在一些實施例中，玻璃可為可離子交換的，使得玻璃組合物可在雷射處理透明加工件之前或之後，進行玻璃強化的離子交換。舉例而言，透明加工件可包括離子交換及可離子交換的玻璃，如可從紐約康寧的康寧公司獲得的Corning Gorilla® 玻璃(例如，代碼2318、代碼2319及代碼2320)。進一步地，此等離子交換玻璃的熱膨脹係數(CTE)可為約6ppm/℃至約10ppm/℃。其他實例透明加工件可包括可從紐約康寧的康寧公司獲得的EAGLE XG® 及CORNING LOTUSTM 。此外，透明加工件可包括對雷射波長為透明的其他部件，舉例而言，如藍寶石或硒化鋅的晶體。
在操作中，可藉由首先在透明加工件的表面上形成輪廓，隨後，舉例而言，使用紅外線雷射(例如，CO2 雷射、CO雷射、或類似物)按照輪廓加熱透明加工件的表面，以在透明加工件上產生應力，如熱應力，從而將透明加工件分成多個部分。應力最終導致加工件沿輪廓自發性分離。進一步地，在一些實施例中，如其中透明加工件被強化(例如，離子交換)的實施例，取決於透明加工件的類型、厚度及結構，隨後的分離步驟可藉著由於透明加工件中存在的應力而發生之自發性斷裂而發生。舉例而言，在強化透明加工件之後，可能在透明加工件中存在應力，此應力可能導致透明加工件沿著輪廓自發性分離而無需進一步的加熱或機械分離步驟。
現在參照圖1，舉例而言，示意性地示出了根據本文所述的方法正在進行處理的透明加工件160，如玻璃加工件或玻璃陶瓷加工件。透明加工件160包括衝擊表面162，並且流體膜150設置在衝擊表面162上。如圖1所示，衝擊表面162為粗糙表面。舉例而言，衝擊表面162可包括約0.1μm或更大的表面粗糙度Ra，如約0.3μm或更大、約0.5μm或更大、約0.75μm或更大、約1μm或更大、約2μm或更大、約5μm或更大、約10μm或更大、或類似者。
圖1示出了在透明加工件160中形成輪廓170，可藉由相對於彼此平移脈衝雷射光束112及透明加工件160而形成輪廓170，使得脈衝雷射光束112在平移方向101上相對於透明加工件160平移。圖1示出了沿著光束路徑111的脈衝雷射光束112，且該脈衝雷射光束112定向成可首先被引導通過流體膜150，隨後被引導通過衝擊表面162並進入透明加工件160。圖1示出了脈衝雷射光束112形成投射到透明加工件160的衝擊表面162上的光束點114。
在一些實施例中，脈衝雷射光束112可聚焦到透明加工件160內的脈衝雷射光束焦線113中，並且在一些實施例中，亦可使用非球面光學元件120(圖5)聚焦在流體膜150內，舉例而言，錐鏡及一個或更多個透鏡(例如，第一透鏡130及第二透鏡132，如下所述及圖5中所示)。在一些實施例中，脈衝雷射光束焦線113為準非折射光束的一部分，如下文更詳細地界定。此外，儘管本文中描述的實施例描述了準非折射脈衝雷射光束的使用，但應當理解，使用流體膜雷射處理具有粗糙表面的透明加工件的方法可在使用任何類型的雷射光束(舉例而言，其他脈衝雷射光束(例如，高斯光束等)及其他非脈衝雷射光束)的雷射處理技術中使用。
仍參照圖1，輪廓170沿輪廓線165延伸，輪廓線165定義沿著衝擊表面162的預期分離線，透明加工件160可沿著該線分成兩個或更多個部分。輪廓170包括複數個缺損172，缺損172延伸到透明加工件160中，舉例而言，從衝擊表面162延伸到透明加工件160中，並建立用於分離透明加工件160的路徑。進一步地，至少在輪廓170的形成期間，流體膜150可設置在輪廓線165上。舉例而言，流體膜150可至少沿輪廓線165塗覆至透明加工件160的衝擊表面162上。
(具有投射到透明加工件160上的光束點114的)脈衝雷射光束112可被引導通過流體膜150並進入透明加工件160(例如，凝聚成高深寬比焦線，此焦線穿透透明加工件160的至少一部分厚度)。此形成脈衝雷射光束焦線113。進一步地，光束點114為脈衝雷射光束焦線113的範例性橫截面，並且當脈衝雷射光束焦線113照射透明加工件160(形成光束點114)時，脈衝雷射光束焦線113穿透透明加工件160的至少一部分。
在操作中，脈衝雷射光束112可(例如，在平移方向101上)相對於透明加工件160平移，以形成輪廓170的複數個缺損172。將脈衝雷射光束112引導或定位到透明加工件160中，會在透明加工件160內產生誘導吸收作用，並且在沿著輪廓線165的間隔位置處沉積足夠的能量，以破壞透明加工件160中的化學鍵，從而形成輪廓170的缺損172。根據一個或更多個實施例，脈衝雷射光束112可藉由透明加工件160的移動(例如，耦合到透明加工件160的平移平台190(圖5)的移動)、脈衝雷射光束112的移動(例如，脈衝雷射光束焦線113的移動)、或透明加工件160及脈衝雷射光束焦線113的移動，在整個透明加工件160上平移。藉由相對於透明加工件160平移脈衝雷射光束焦線113，可在透明加工件160內形成複數個缺損172。
現在參照圖2A及2B，示出了脈衝雷射光束112照射透明加工件160的衝擊表面162。特定而言，圖2A示出了一個實施例，其中流體膜150設置在透明加工件160的衝擊表面162上，並且脈衝雷射光束112照射流體膜150，隨後照射衝擊表面162。進一步地，圖2B示出了沒有流體膜150的實施例，使得脈衝雷射光束112直接照射衝擊表面162，而不首先穿過流體膜150。
如圖2A所示，流體膜150在流體表面界面處152接觸透明加工件160的衝擊表面162。流體膜150包括第一折射率，透明加工件160包括第二折射率。第一折射率及第二折射率可為相似值，使得當脈衝雷射光束112照射流體表面界面處152時，反射及發散最小化。儘管不欲受理論限制，因為透明加工件160及流體膜150包括相似(並且在一些實施例中，相等)的折射率，因為當光照射流體表面界面處152時，衝擊表面162的表面型態至多微不足道地影響脈衝雷射光束112。儘管不欲受理論限制，但當脈衝欲雷射光束112照射並穿過流體表面界面處152時，脈衝雷射光束112表現為仿佛橫穿過單一材料並因此不受衝擊表面162的粗糙度的影響，或受到衝擊表面162的粗糙度的影響最小。進一步地，儘管流體膜150及空氣的界面處(即，脈衝雷射光束112首先照射流體膜150的位置)可致使脈衝雷射光束112折射，但考慮到使用光學組件(例如，圖5的光學組件100)的司乃耳定律，可重複地考慮該折射並進行補償。
本文所述的流體膜150可包括任何非氣態流體。在一些實施例中，流體膜150包括水，並且在其他實施例中，流體膜150包括折射率匹配材料，舉例而言，凝膠、環氧樹脂、聚合物、浸漬油、如雪松木油、或類似物。在一些實施例中，流體膜150包括牛頓流體，而在其他實施例中，流體膜150包括非牛頓流體。儘管預期流體膜150包括與透明加工件160的折射率相差約0.8或更小的任何折射率(即，流體膜150可針對特定透明加工件160定制)，但在一些實施例中，流體膜150的折射率(即第一折射率)為從約1至約2，舉例而言，從約1.1至約1.9、1.2至約1.8、1.3至約1.7、約1.4至約1.6、約1.45至約1.55等。如1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07、1.08、1.09、1.1、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18、1.19、1.2、1.21、1.22、1.23、1.24、1.25、1.26、1.27、1.28、1.29、1.3、1.31、1.32、1.33(即水的折射率)、1.34、1.35、1.36、1.37、1.38、1.39、1.4、1.41、1.42、1.43、1.44、1.45、1.46、1.47、1.48、1.49、1.5、1.51、1.52、1.53、1.54、1.55、1.56、1.57、1.58、1.59、1.6、1.61、1.62、1.63、1.64、1.65、1.66、1.67、1.68、1.69、1.7、1.71、1.72、1.73、1.74、1.75、1.76、1.77、1.78、1.79、1.8、1.81、1.82、1.83、1.84、1.85、1.86、1.87、1.88、1.89、1.9、1.91、1.92、1.93、1.94、1.95、1.96、1.97、1.98、1.99、或類似者。
如上所述，透明加工件160可包括玻璃、藍寶石、熔融石英或其組合，如鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃材料。進一步地，透明加工件160包括約1.3至約1.7的折射率(即第二折射率)，舉例而言，約1.35至約1.65、約1.4至約1.6、約1.45至約1.55等，如1.31、1.32、1.33、1.34、1.35、1.36、1.37、1.38、1.39、1.4、1.41、1.42、1.43、1.44、1.45、1.46、1.47、1.48、1.49、1.5、1.51、1.52、1.53、1.54、1.55、1.56、1.57、1.58、1.59、1.6、1.61、1.62、1.63、1.64、1.65、1.66、1.67、1.68、1.69、或類似者。在一些實施例中，第一折射率及第二折射率之間的差值為約0.8或更小，舉例而言，約0.75或更小、約0.7或更小、約0.65或更小、約0.6或更小、約0.55或更小、約0.5或更小、約0.45或更小、約0.4或更小、約0.35或更小、約0.3或更小、約0.25或更小、約0.2或更小、約0.15或更小、約0.1或更小、約0.09或更小、約0.08或更小、約0.07或更小、約0.06或更小、約0.05或更小、約0.04或更小、約0.03或更小、約0.02或更小、約0.01或更小、約0.005或更小、或類似者。進一步地，在一些實施例中，第一折射率及第二折射率相等。
現在參照圖2B，示出了在流體膜150不存在的情況下，脈衝雷射光束112直接照射衝擊表面162。如圖2B所示，當脈衝雷射光束112直接照射衝擊表面162時，衝擊表面162的粗糙表面型態反射及/或分散脈衝雷射光束112的至少一部分，使得透明加工件160中未形成脈衝雷射光束焦線113，或有形成脈衝雷射光束焦線113，但包括令人不滿意的功率、長度、定位、聚焦、或類似者，以形成輪廓170的缺損172。在圖2B所示的實施例中，脈衝雷射光束112的一部分作為反射光115從照射表面162反射，並且脈衝雷射光束112的另一部分進入透明加工件160但不能形成脈衝雷射光束焦線113，因此不能在透明加工件160中形成缺損172。
現在參照圖3A至4，可使用各種方法及機制將流體膜150塗覆至透明加工件160的衝擊表面162上。舉例而言，如圖3A所示，流體151可從流體輸出機構140引導到透明加工件160的衝擊表面162上。進一步地，圖3B至3D示出了將由流體輸出機構140輸出的流體151引導到衝擊表面162上的不同實施例。舉例而言，在圖3B及3C所示的實施例中，流體151作為流體射流151'被引導到衝擊表面162上，流體射流151'可沿著輪廓線165(圖3B)撞擊衝擊表面162或可在遠離輪廓線165的位置處撞擊衝擊表面162。進一步地，如圖3D所示，在一些實施例中，流體151作為複數個流體液滴151''，舉例而言，沿著輪廓線165被引導到衝擊表面162上。在操作中，複數個流體液滴151''的每個流體液滴能以間隔開的關係沉積在衝擊表面162上，間隔關係具有間隔，使得相鄰的流體液滴凝聚在一起以形成流體膜150。儘管不欲受理論限制，但相鄰流體液滴的此種凝聚力是由每個流體液滴的表面張力引起的。
現在參照圖4，在一些實施例中，可藉由將衝擊表面162浸沒在流體151中，而將流體膜150塗覆至衝擊表面162，從而在衝擊表面162上塗覆流體膜150。舉例而言，如圖4所示，流體151可容納在流體容器155中，流體容器155的尺寸使得至少衝擊表面162可浸入其中，舉例而言，藉由將整個透明加工件160浸沒在流體151中。進一步地，在一些實施例中，可能希望將衝擊表面162浸沒的深度為在其上形成流體膜150所需的最小深度，從而將流體膜150的折射效應最小化。
再次參照圖1及2A，用於形成缺損172的脈衝雷射光束112進一步具有強度分佈(distribution) I(X,Y,Z)，其中脈衝雷射光束112的光束傳播方向沿著Z軸傳播，並且X及Y為與傳播方向正交的方向，如圖所示。X方向與Y方向亦可稱為橫截面方向，X-Y平面可稱為橫截面。脈衝雷射光束112在橫截面中的強度分佈可稱為橫截面強度分佈。
在光束點114或其他橫截面處的脈衝雷射光束112可包括準非折射光束，如下文在數學上界定的具有低光束發散度的光束，舉例而言，藉由非球面光學元件120傳播脈衝雷射光束112(例如，使用光束源110輸出脈衝雷射光束112，如高斯光束)，如在下文關於圖5中示出的光學組件100的更多細節。光束發散度係指，光束傳播方向(即，從光束源110到透明加工件160的Z方向)上，光束橫截面的放大率。本文中論述的一個範例光束橫截面為投射到透明加工件160上的脈衝雷射光束112的光束點114。範例性準非折射光束包含高斯-貝塞爾光束及貝塞爾光束。
折射為導致脈衝雷射光束112發散的一個因素。其他因素包含，藉由形成脈衝雷射光束112的光學系統或在界面處的折射及散射引起的聚焦或散焦。用於形成輪廓170的缺損172之脈衝雷射光束112，可具有低發散度及弱折射的光束點114。脈衝雷射光束112的發散度是由瑞利範圍ZR 來表徵，瑞利範圍ZR 與脈衝雷射光束112的強度分佈及光束傳播因子M2 的變異數s2 有關。在下文的論述中，將使用笛卡爾坐標系來呈現公式。可使用本領域熟習技術者已知的數學技術獲得其他坐標系的對應表達式。關於光束發散度的額外資訊可見於在A.E. Siegman在SPIE Symposium Series Vol. 1224, p. 2 (1990)發表的標題為「雷射光共振器的新發展(New Developments in Laser Resonators)」的文章及R. Borghi與M. Santarsiero在Optics Letters, Vol. 22(5), 262 (1997)的「貝塞爾-高斯光束的M2 因子(M2 factor of Bessel-Gauss beams)」，上述各者之揭露內容藉由引用整體併入本文。其他資訊亦可見於國際標準ISO 11146-1:2005(E)，標題為「雷射及雷射相關設備-雷射光束寬度、發散角及光束傳播比的測試方法-第1部分：散光及簡單散光光束」，ISO 11146-2:2005(E)標題為「雷射及雷射相關設備-雷射光束寬度、發散角及光束傳播比的測試方法-第2部分：一般像散光束」及ISO 11146-3:2004(E)標題為「雷射及雷射相關設備-雷射光束寬度、發散角及光束傳播比的測試方法-第3部分：固有及幾何雷射光束分類、傳播及測試方法的細節」，其揭露內容藉由引用以其整體併入本文。
具有時間平均強度分佈(profile)的脈衝雷射光束112的強度分佈之質心(centroid)的空間坐標，藉由以下表達式給定：
上述表達式亦稱作Wigner分佈的第一力矩，並在ISO 11146-2:2005(E)的第3.5節中描述。該等表達式的量測在ISO 11146-2:2005(E)的第7節中描述。
在橫截面(X-Y)平面中，變異數係脈衝雷射光束112的強度分佈的寬度的量度，其是在光束傳播方向上的位置z的函數。對於任意雷射光束而言，X方向上的變異數可能與Y方向上的變異數不同。設定與分別表示X方向與Y方向的變異數。特別感興趣的為近場及遠場限值的變異數。設定與分別表示近場限值在X方向與Y方向的變異數，並且設定與分別表示遠場限值在X方向與Y方向的變異數。對於具有傅立葉變換的時間平均強度分佈的雷射光束(其中與分別與為X方向與Y方向上的空間頻率)，X方向與Y方向上的近場與遠場變化由以下表達式給出：
變異量、、、及亦稱作Wigner分佈的對角元素(見ISO 11146-2:2005(E))。可使用ISO 11146-2:2005(E)第7節中描述的量測技術針對實驗雷射光束量化此等變異數。簡而言之，量測(技術)使用線性不飽和像素化偵測器在有限空間區域上量測，該有限空間區域近似於界定變異數與質心坐標的積分等式的無限積分區域。量測區域、背景減法、及偵測器像素分辨率的適當範圍藉由ISO 11146-2:2005(E)第7節中描述的迭代量測程序的收斂決定。藉由像素化偵測器量測的強度值陣列，數值地計算藉由等式1至6給出的表達式的數值。
藉由任意光束(其中)的橫向振幅分佈，與任意光束(其中)的空間頻率分佈之間的傅里葉變換關係，可表示如下：(7)
在等式(7)與(8)中，與為與的最小值，分別出現在x方向及y方向的腰部位置與處，l為脈衝雷射光束112的波長。等式(7)與(8)表示與自與脈衝雷射光束112的腰部位置(例如，脈衝雷射光束焦線113的腰部)相關聯的最小值起，在任一方向上，與呈平方遞增關係。進一步地，在本文描述包括光束點114的實施例中，光束點114為軸對稱且因此包括軸對稱強度分佈I(x,y)，，並且在一些包括光束點114的實施例中，光束點114為非軸對稱且因此包括非軸對稱強度分佈I(x,y)，，即，或。
等式(7)與(8)可根據光束傳播因子來改寫，其中單獨的光束傳播因子與在x方向與y方向被界定成：
等式(9)與(10)的重新排列並代入等式(7)與(8)得到： 其可被改寫為: 其中瑞利範圍與及x方向與y方向分別藉由下式給出：
瑞利範圍對應於(相對於ISO 11146-1:2005(E)第3.12節中界定的束腰位置)一距離，雷射光束的變異數(相對於束腰位置的變異數)在此距離加倍並且為雷射光束的橫截面積的發散度的量度。進一步地，在本文描述包括光束點114的實施例中，光束點114為軸對稱，因此包括軸對稱強度分佈I(x,y)，，並且在本文所述包括光束點114的實施例中，光束點114為非軸對稱，因此包括非軸對稱強度分佈I(x,y)，，即，或。瑞利範圍亦可被觀察為沿著光束軸的距離，光學強度在該距離處衰減到其在束腰位置(最大強度的位置)處觀察到的值的一半。與具有小瑞利範圍的雷射光束相比，具有瑞利範圍的雷射光束在光束傳播方向上的距離發散及擴展更慢。
藉由使用描述雷射光束的強度分佈，上述公式可應用於任何雷射光束(不僅限高斯光束)。在高斯光束的TEM00 模式的情況下，強度分佈藉由下式給出： 其中為半徑(被界定為在光束腰部位置處，光束強度減小到光束的峰值光束強度的1/e2 的半徑)。根據等式(17)及上文的公式，得到TEM00 高斯光束的以下結果： 其中。對於高斯光束而言，亦應注意。
光束橫截面係由其形狀及尺度(dimension)表徵。光束橫截面的尺度是由光束的光點尺寸(size)表徵。對於高斯光束而言，光點尺寸通常界定成光束強度減小到其最大值的1/e2 的徑向範圍，在等式(17)中以w0 表示。高斯光束的最大強度出現在強度分佈的中心（=0且=0(笛卡爾)或=0(圓柱形)，並且用於決定光點尺寸的徑向範圍係相對於中心而經量測。
具有軸對稱(即，圍繞光束傳播軸Z旋轉對稱)橫截面的光束可由以下表徵：在ISO 11146-1:2005(E)的第3.12節中規定的光束腰部位置處量測的單個尺度或光點尺寸。對於高斯光束而言，等式(17)示出光點尺寸等於，根據該式，等式(18)光點尺寸對應於或2。對於具有軸對稱橫截面的軸對稱光束，如圓形橫截面而言，。因此，對於軸對稱光束而言，橫截面尺度可用單個光點尺寸參數表徵，其中。對於非軸對稱光束橫截面而言，可以類似的方式界定光點尺寸，其中與軸對稱光束不同。因此，當光束的光點尺寸為非軸對稱時，有必要用兩個光點尺寸參數及分別在x方向與y方向上來表徵非軸對稱光束的橫截面尺度，其中
進一步地，對於非軸對稱光束缺乏軸向對稱性(即任意旋轉角度)意味著與的計算值結果將取決於X軸與Y軸的定向的選擇。ISO 11146-1:2005(E)將此等參考軸稱為功率密度分佈的主軸(第3.3至3.5節)，在下文的論述中，假設X軸及Y軸與此等主軸對齊。進一步地，X軸及Y軸可在橫截面中圍繞其旋轉的角f(例如，X軸及Y軸分別相對於X軸及Y軸的基準位置的角度)可用於界定非軸對稱光束的光點尺寸參數的最小()與最大值()： 其中並且，光束橫截面的軸不對稱的大小可藉由深寬比量化，其中深寬比界定成至的比例。軸對稱光束橫截面具有1.0的深寬比，而橢圓形與其他非軸對稱光束橫截面具有大於1.0的深寬比，舉例而言，大於1.1、大於1.2、大於1.3、大於1.4、大於1.5、大於1.6、大於1.7、大於1.8、大於1.9、大於2.0、大於3.0、大於5.0、大於10.0、或類似值。
為了促進光束傳播方向上的缺損172之均勻性(例如，透明加工件160的深度尺度)，可使用具有低發散度的脈衝雷射光束112。在一個或更多個實施例中，具有低發散度的脈衝雷射光束112可用於形成缺損172。如上文所述，發散度可藉由瑞利範圍來表徵。對於非軸對稱光束而言，主軸X及Y在X方向及Y方向的瑞利範圍分別藉由等式(15)及(16)界定，從其中可顯示，對於任何實際光束而言，並且，其中與藉由雷射光束的強度分佈決定。對於對稱光束而言，瑞利範圍在X方向及Y方向上相同，並且藉由等式(22)或等式(23)表示。低發散度與瑞利範圍的大數值及雷射光束的弱折射相關。
具有高斯強度分佈的光束可能較不適合用於形成缺損172之雷射處理，因為當聚焦到足夠小的光點尺寸(如在微米範圍內的光點尺寸，如約1至5μm或約1至10μm)時，為了賦能可用的雷射脈衝能量改變如玻璃之類的材料，此等光束在短傳播距離上顯著地折射及發散。為了實現低發散度，期望控制或優化脈衝雷射光束的強度分佈以減少折射。脈衝雷射光束可為非折射性或弱折射性。弱折射雷射光束包含準非折射雷射光束。代表性的弱折射雷射光束包含貝塞爾光束、高斯-貝塞爾光束、艾里光束、韋伯光束及馬蒂厄光束。
對於非軸對稱光束而言，瑞利範圍與不相等。等式(15)及(16)分別表示及，並取決於及，並且在上文注意到及的值取決於X軸及Y軸的定向。及的值將相應地變化，並且每一個皆有與主軸相對應的最小值及最大值，的最小值表示成，的最小值表示成，任意光束輪廓及可藉由下式表示： 及
由於雷射光束的發散發生在具有最小瑞利範圍的方向之較短距離上，因此可控制用於形成缺損172的脈衝雷射光束112的強度分佈，使得及的最小值(或者對於軸對稱光束而言，的值)儘可能地大。對於非軸對稱光束，由於的最小值及的最小值不同，因此可使用脈衝雷射光束112，其強度分佈使得及中的較小者在形成損傷區域時儘可能地大。
在不同的實施例中，及中的較小者(或者對於軸對稱光束而言，的值)大於或等於50μm、大於或等於100μm、大於或等於200μm、大於或等於300μm、大於或等於500μm、大於或等於1mm，大於或等於2mm、大於或等於3mm、大於或等於5mm、在50μm至10mm的範圍內等、在100μm至5mm的範圍內、在200μm至4mm的範圍內、在300μm至2mm的範圍內、或類似值。
藉由調整等式(27)中界定的光點尺寸參數，可針對可穿透加工件的不同波長實現本文中指定的及中較小者(或者對於軸對稱光束而言，的值)的值及範圍。在不同的實施例中，光點尺寸參數大於或等於0.25μm、大於或等於0.50μm、大於或等於0.75μm、大於或等於1.0μm、大於或等於2.0μm、大於或等於3.0μm、大於或等於5.0μm、在0.25μm至10μm的範圍內、在0.25μm至5.0μm的範圍內、在0.25μm至2.5μm的範圍內、在0.50μm至至10μm的範圍內、在0.50μm至5.0μm的範圍內、在0.50μm至2.5μm的範圍內、在0.75μm至10μm的範圍內、在0.75μm至5.0μm的範圍內、在0.75μm至2.5μm的範圍內、或類似值等。
非折射或準非折射光束通常具有複雜的強度分佈，如該等相對於半徑並非單調減少的強度分佈。通過類比於高斯光束，可針對非軸對稱光束將有效光點尺寸界定為從最大強度(r=0)的徑向位置在任何方向上的最短徑向距離，在此處強度降低到最大強度的1/e2 。進一步地，對於軸對稱光束而言，係從最大強度(r=0)的徑向位置起的徑向距離，強度在該距離降至最大強度的1/e2 。基於非軸對稱光束的有效光點尺寸或軸對稱光束的光點尺寸之瑞利範圍的規範可指定成用於形成損傷區域的非折射或準非折射光束，使用等式(31)表示用於表示軸對稱光束的等式(32)中的非軸對稱光束，如下： 其中為無因次發散因數，具有的值為至少10、至少50、至少100、至少250、至少500、至少1000、在10至2000的範圍內、在50至1500的範圍內、在100到1000的範圍內。藉由比較等式(31)與等式(22)或(23)，可看出對於非折射或準非折射光束而言，若使用典型的高斯光束分佈，則等式(31)中的，亦即令有效光束尺寸加倍的距離為預期距離的倍。無因次發散因數提供了用於決定雷射光束是否為準非折射的規範。如本文中所用，當的值³10時，若雷射光束的特性滿足等式(31)或等式(32)，則認為脈衝雷射光束112係準非折射性。隨著的值增大，脈衝雷射光束112更接近完全非折射狀態。此外，應當理解，等式(32)僅為等式(31)的簡化，因此，等式(31)在數學上描述了軸對稱及非軸對稱脈衝雷射光束112的無因次發散因數。
現在參照圖5，示意性地示出了用於產生脈衝雷射光束112的光學組件100，該脈衝雷射光束為準非折射性並且使用非球面光學元件120(例如，軸錐透鏡122)在透明加工件160處形成脈衝雷射光束焦線113。光學組件100包含輸出脈衝雷射光束112的光束源110、及第一與第二透鏡130、132。如上所述，其他雷射光束可與流體膜結合，用以雷射處理具有粗糙表面的透明加工件，因此，本文所述的雷射處理方法可與配置成將雷射光束引導至透明加工件內的其他光學組件一起執行。進一步地，光學組件100亦在圖3A中示出。
透明加工件160可定位成使得藉由光束源110輸出的脈衝雷射光束112例如在穿過非球面光學元件120之後，以及隨後，穿過第一透鏡130及第二透鏡132照射透明加工件160。光軸102沿著Z軸在光束源110與透明加工件160之間延伸，使得當光束源110輸出脈衝雷射光束112時，脈衝雷射光束112的光束路徑111沿光軸102延伸。如本文中所用，「上游」及「下游」係指沿著光束路徑111的兩個位置或部件相對於光束源110的相對位置。舉例而言，若脈衝雷射光束112在穿過第二部件之前穿過第一部件，則第一部件在第二部件的上游。進一步地，若脈衝雷射光束112在穿過第一部件之前穿過第二部件，則第一部件在第二部件的下游。
繼續參照圖5，光束源110可包括配置成輸出脈衝雷射光束112的任何已知或尚需開發的光束源110。在操作中，輪廓170(圖1)的缺損172藉由透明加工件160與光束源110輸出的脈衝雷射光束112的相互作用產生。在一些實施例中，光束源110可輸出包括，舉例而言，1064奈米(nm)、1030nm、532nm、530nm、355nm、343nm、或266nm、或215nm的波長的脈衝雷射光束112。進一步地，用於在透明加工件160中形成缺損172的脈衝雷射光束112可非常適合於對所選的脈衝雷射光波長為透明的材料。
適用於形成缺損172的合適雷射波長為，透明加工件160的線性吸收作用及散射的組合損失為足夠低的波長。在實施例中，歸因為透明加工件160在波長下的線性吸收作用及散射引起的組合損失小於20％/mm、或小於15％/mm、或小於10％/mm、或小於5％/mm、或小於1％/mm、其中尺度「/mm」表示在脈衝雷射光束112的光束傳播方向上(例如，Z方向)透明加工件160內每毫米的距離。許多玻璃加工件的代表性波長包含Nd3+ 的基波及諧波波長(例如Nd3+ ：YAG或Nd3+ ：YVO4 ，其具有接近1064nm的基波波長與接近532nm、355nm、及266nm的更高次諧波波長)。亦可使用滿足給定襯底材料的組合線性吸收作用及散射損耗要求的光譜的紫外光、可見光、及紅外光部分中的其他波長。
在操作中，藉由光束源110輸出的脈衝雷射光束112，可在透明加工件160中產生多光子吸收作用(MPA)。MPA為同時吸收兩個或更多個相同或不同頻率的光子，將分子從一種狀態(通常為基態)激發到更高能量的電子態(即，離子化)。所涉及的分子的下部與上部狀態之間的能量差，等於所涉及的光子的能量之和。MPA，亦稱為誘導吸收作用，可為二階或三階過程(或更高階)，舉例而言，比線性吸收作用弱數個數量級。與線性吸收作用的不同之處在於，舉例而言，二階誘導吸收作用的強度可與光強度的平方成比例，因此為非線性光學過程。
產生輪廓170(圖1)的穿孔步驟可利用與光學組件結合，如非球面光學元件120、第一透鏡130、及第二透鏡132結合的光束源110(例如，超短脈衝雷射光器)，將光束點114投射在透明加工件160上並產生脈衝雷射光束焦線113。脈衝雷射光束焦線113包括準非折射光束，如上文界定的高斯-貝塞爾光束或貝塞爾光束，並且可完全穿透透明加工件160以在透明加工件160中形成缺損172，缺損172可形成輪廓170。在一些實施例中，個別脈衝的脈衝持續時間在約1飛秒至約200皮秒的範圍內，如從約1皮秒至約100皮秒、5皮秒至約20皮秒、或類似值，並且個別脈衝的重複速率可在約1kHz至4MHz的範圍內，如在約10kHz至約3MHz的範圍內、或從約10kHz至約650kHz的範圍內。
仍參照圖6A及6B，除了在前述個別脈衝重複率下的單脈衝操作之外，脈衝可以在兩個更多個(如，舉例而言，3個子脈衝、4個子脈衝、5個子脈衝、10個子脈衝、15個子脈衝、20個或更多個子脈衝，如每次短脈衝500有2到30個子脈衝，或每次短脈衝500有5到20個子脈衝)子脈衝500A的短脈衝500中產生。儘管不欲受理論限制，短脈衝為短且快速分組的子脈衝，在使用單脈衝操作時，不易獲得此等子脈衝在時間尺度上與材料(即，透明加工件160的材料中的MPA)產生的光能相互作用。儘管仍不欲受理論限制，但是短脈衝(即，一組子脈衝)內的能量為守恆的。作為說明性實例，對於具有能量為100μJ/短脈衝及2個子脈衝的短脈衝而言，100μJ/短脈衝能量在2個脈衝之間被均分，每一個子脈衝的平均能量為50μJ，並對於具有能量為100μJ/短脈衝及10個子脈衝的短脈衝而言，100μJ/短脈衝被10個子脈衝均間被均分，每一個子脈衝的平均能量為10μJ。進一步地，短脈衝的子脈衝之間的能量分佈不需要為均勻的。實際上，在某些情況下，短脈衝的子脈衝之間的能量分佈係指數衰減的形式，其中第一個短脈衝的子脈衝含有最多的能量，第二個短脈衝的子脈衝含有的能量略低，第三個短脈衝的子脈衝含有更少的能量，依此類推。然而，個別脈衝之短脈衝內的其他能量分佈亦為可能的，其中每一個子脈衝的精確能量可被客製化，以實現對透明加工件160的不同量的改變。
儘管仍不欲受理論限制，與在相同透明加工件160中使用單脈衝雷射形成相鄰缺損172之間為相同間隔的輪廓170之最大抗斷裂性相比，當輪廓170的缺損172係藉由具有至少兩個子脈衝的短脈衝形成時，將透明加工件160沿著輪廓170分離所需的力(即，最大抗斷裂性)降低。舉例而言，使用單個脈衝形成的輪廓170的最大抗斷裂強度，至少為使用具有2個或更多個子脈衝的短脈衝形成的輪廓170的最大抗斷裂性的兩倍。進一步地，使用單脈衝形成的輪廓170與使用具有2個子脈衝的短脈衝形成的輪廓170之間的最大抗斷裂性的差大於使用具有2個子脈衝的短脈衝形成的輪廓170與具有3個子脈衝的短脈衝之間的最大抗斷裂性的差。因此，短脈衝可用於形成，比使用單脈衝雷射形成的輪廓170更容易分離的輪廓170。
仍參照圖6A及6B，短脈衝500內的子脈衝500A可被一持續時間分開，此持續期間分開範圍為約1奈秒至約50奈秒、如約10奈秒至約30奈秒、如約20奈秒。在其他實施例中，短脈衝500內的子脈衝500A最多可被分開100皮秒的持續時間(例如，0.1皮秒、5皮秒、10皮秒、15皮秒、18皮秒、20皮秒、22皮秒、25皮秒、30皮秒、50皮秒、75皮秒、或其間的任何範圍)。對於給定的雷射而言，短脈衝500內的相鄰子脈衝500A之間的時間間隔Tp (圖6B)可為相對均勻的(例如，在彼此的約10％內)。舉例而言，在一些實施例中，短脈衝500內的每一個子脈衝500A在時間上，與後續子脈衝分開約20奈秒(50MHz)。進一步地，每一個短脈衝500之間的時間可為約0.25微秒至約1000微秒，例如，約1微秒至約10微秒、或約3微秒至約8微秒。
在本文所述的光束源110的一些範例性實施例中，對於輸出包括約200kHz的短脈衝重複率的脈衝雷射光束112的光束源110，時間間隔Tb (圖6B)約為5微秒。雷射短脈衝重複率與脈衝中的第一脈衝及後續短脈衝中的第一脈衝之間的時間Tb 有關(雷射短脈衝重複率=1/Tb )。在一些實施例中，雷射短脈衝重複率可在約1kHz至約4MHz的範圍內。在實施例中，雷射短脈衝重複率可為如約10kHz至650kHz的範圍。每個短脈衝中的第一子脈衝與後續短脈衝中的第一子脈衝之間的時間Tb 可為從約0.25微秒(4MHz短脈衝重複率)至約1000微秒(1kHz短脈衝重複率)、如從約0.5微秒(2MHz短脈衝重複率)至約40微秒(25kHz短脈衝重複率)、或從約2微秒(500kHz短脈衝重複率)至約20微秒(50kHz短脈衝重複率)。確切的時序、脈衝持續時間及短脈衝重複率可根據雷射設計而變化，但已顯示高強度的短子脈衝(Td ＜20psec，並且在一些實施例中，Td 15psec)特別地適用。
短脈衝重複率可在約1kHz至約2MHz的範圍內，如約1kHz至約200kHz。短脈衝產生或產生短脈衝500為一種雷射的操作，其中子脈衝的放射並非均勻且穩定的串流，而是緊密的短脈衝500的叢集。短脈衝雷射光束可具有基於操作透明加工件160的材料而選擇的波長，使得透明加工件160的材料在該波長下基本上為透明的。在材料處量測的每一個短脈衝的平均雷射功率可為每毫米厚度材料至少約40微焦耳(μJ)。舉例而言，在實施例中，每一個脈衝的平均雷射功率可從約40μJ/mm至約2500μJ/mm、或從約500μJ/mm至約2250μJ/mm。在一個具體實例中，對於0.5mm至0.7mm厚的Corning EAGLE XG® 透明加工件而言，約300μJ至約600μJ的短脈衝可切割及/或分離工件，此等短脈衝對應於約428μJ/mm至約1200μJ/mm的範例性例範(即，對於0.7mm EAGLE XG® 玻璃而言為300μJ/0.7mm、對於0.5mm EAGLE XG® 玻璃而言為600μJ/0.5mm)。
改變透明加工件160所需的能量為脈衝能量，此能量可用短脈衝能量(即短脈衝500中含有的能量，其中每一個短脈衝500含有一系列子脈衝500A)或對單個雷射脈衝中含有的能量(其中許多可能包括短脈衝)來描述。脈衝能量(舉例而言，短脈衝能量)可為約25μJ至約750μJ、如約50μJ至約500μJ、或約50μJ至約250μJ。對於一些玻璃組合物，脈衝能量(例如，短脈衝能量)可為約100μJ至約250μJ。然而，對於顯示器或TFT玻璃組合物而言，脈衝能量(例如，短脈衝能量)可更高(例如，取決於透明加工件160的具體玻璃組成，從約300μJ至約500μJ、或從約400μJ至約600μJ)。儘管不欲受理論限制，但使用能夠產生短脈衝的脈衝雷射光束112，有利於切割或改變透明材料，舉例而言，玻璃。與單脈衝雷射和材料間可能獲得的高強度相互作用相較，相對於使用在時間上藉由單脈衝雷射的重複率間隔開的單脈衝，使用將脈衝能量遍佈短脈衝內的快速子脈衝序列之短脈衝序列，可獲得和材料間更多時間段的高強度相互作用。
再次參照圖5，非球面光學元件120位於光束源110與透明加工件160之間的光束路徑111內。在操作中，通過非球面光學元件120傳播脈衝雷射光束112(例如，輸入高斯光束)可變更(alter)脈衝雷射光束112，使得脈衝雷射光束112傳播超出非球面光學元件120的部分為準非折射，如上文所述。非球面光學元件120可包括任何包括非球面形狀的光學元件。在一些實施例中，非球面光學元件120可包括產生錐形前導波的光學元件，如軸錐透鏡，舉例而言，負折射軸錐透鏡(例如，負軸錐透鏡)、正折射軸錐透鏡、反射軸錐透鏡、折射軸錐透鏡、可程式化空間光調節器軸錐透鏡(例如，相位軸錐透鏡)、或類似者。
在一些實施例中，非球面光學元件120包括至少一個非球面表面，其形狀在數學上描述成：，其中為非球面表面的下垂，為非球面與光軸102之間在徑向方向上的距離(例如，在X方向或Y方向上)，為非球面的表面曲率(即，=1/，其中為非球面的表面半徑)，為圓錐常數，係數為描述非球面的第一階到第十二階非球面係數或更高階非球面係數(多項式非球面)。在一個範例實施例中，非球面光學元件120的至少一個非球面表面分別包含以下係數-：-0.085274788；0.065748845；0.077574995；-0.054148636；0.022077021；-0.0054987472；0.0006682955；並且非球面係數-為0。在此實施例中，至少一個非球面具有圓錐常數。然而，由於係數具有非零值，此相當於具有非零值的圓錐常數。因此，可藉由指定非零的圓錐常數、非零的係數、或非零與非零係數的組合來描述同等表面。進一步地，在一些實施例中，至少一個非球面表面藉由至少一個更高階、具有非零值的非球面係數-描述或界定(即， 、 、… 、中至少一者≠0)。在一個範例實施例中，非球面光學元件120包括三階非球面光學元件，如立方形光學元件，其包括非零的係數。
在一些實施例中，當非球面光學元件120包括軸錐透鏡122(如圖5中所示)時，，軸錐122可具有雷射輸出表面126(例如，錐形表面)，該表面具有約1.2°的角度，如約0.5°至約5°、或約1°至約1.5°、或甚至約0.5°至約20°，該角度相對於雷射輸入表面124(例如，平坦表面)而量測，脈衝雷射光束112在該角度上進入軸錐透鏡122。進一步地，雷射輸出表面126終止於錐形尖端。此外，非球面光學元件120包含中心軸125，該軸從雷射輸入表面124延伸到雷射輸出表面126並終止於錐形尖。在其他實施例中，非球面光學元件120可包括w形錐鏡、如空間光調節器之空間相位調節器、或折射光柵。在操作中，非球面光學元件120將輸入的脈衝雷射光束112(例如，輸入的高斯光束)塑形為準非折射光束，隨後，被引導通過第一透鏡130及第二透鏡132。
仍參照圖5，第一透鏡130位於第二透鏡132的上游，並且可在第一透鏡130與第二透鏡132之間的準直空間134內準直脈衝雷射光束112。進一步地，第二透鏡132可將脈衝雷射光束112聚焦到透明加工件160中，透明加工件160可定位於成像平面104處。在一些實施例中，第一透鏡130與第二透鏡132均包括平凸透鏡。當第一透鏡130與第二透鏡132均包括平凸透鏡時，第一透鏡130與第二透鏡132的曲率可各自朝準直空間134定向。在其他實施例中，第一透鏡130可包括其他準直透鏡，且第二透鏡132可包括彎月形透鏡、非球面、或其他更高階的校正聚焦透鏡。
再次參照圖1至5，用於形成輪廓170的方法(輪廓170包括沿透明加工件160的輪廓線165的缺損172，透明加工件160包括粗糙表面，例如，包括粗糙表面的衝擊表面162，舉例而言，衝擊表面162具有約0.1μm或更大的表面粗糙度Ra的)包括以下步驟：首先將流體膜150塗覆至透明加工件160的衝擊表面162，舉例而言，使用上文關於圖3A至4描述的任何方法或使用任何其他已知或尚待開發的流體塗覆方法。下一步驟，該方法包括引導(例如，定位)沿著光束路徑111定向並且藉由光束源110輸出的雷射光束(如脈衝雷射光束112)通過流體膜150、通過衝擊表面162、並進入透明加工件160，使得脈衝雷射光束112被引導至透明加工件160的部分在透明加工件內產生誘導吸收作用，並且該誘導吸收作用在透明加工件160內產生缺損172。進一步地，如圖1至5所示，流體膜150設置成與透明加工件160的衝擊表面162接觸，而不與另一個基板或部件接觸。換言之，流體膜150並非將透明加工件160與另一個基板或部件分開的中間層，如犧牲層。因此，在操作中，脈衝雷射光束112從光學組件100的最下游光學器件(例如，第二透鏡132)傳播到自由空間中，隨後直接從自由空間傳播到流體膜150中。
在使用脈衝雷射光束112的實施例中，脈衝雷射光束112可包括，足以超過透明加工件160的損傷臨界值的脈衝能量及脈衝持續時間。在一些實施例中，將脈衝雷射光束112引導到透明加工件160中(之動作)包括，將由光束源110輸出的脈衝雷射光束112聚焦到沿著光束傳播方向(例如，從光束源110到透明加工件160的Z軸)定向的脈衝雷射光束焦線113中。透明加工件160位於光束路徑111中，以至少部分地與脈衝雷射光束112的脈衝雷射光束焦線113重疊。脈衝雷射光束焦線113因此被引導到透明加工件160中。脈衝雷射光束112(例如，脈衝雷射光束焦線113)在透明加工件160內產生誘導吸收作用，以在透明加工件160中產生缺損172。在一些實施例中，能以數百千赫茲的速率(即，每秒數十萬個缺損)產生個別的缺損172。
在一些實施例中，非球面光學元件120可將脈衝雷射光束112聚焦到脈衝雷射光束焦線113中。在操作中，脈衝雷射光束焦線113的位置可藉由相對於透明加工件160適當地定位及/或對準脈衝雷射光束112，及由適當地選擇光學組件100的參數來控制。舉例而言，脈衝雷射光束焦線113的位置可沿Z軸並圍繞Z軸控制。進一步地，脈衝雷射光束焦線113的長度可在約0.1mm至約100mm的範圍內，或在約0.1mm至約10mm的範圍內。各種實施例可配置成具有脈衝雷射光束焦線113，其長度l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，約0.5mm至約5mm。進一步地，脈衝雷射光束焦線113可定位於透明加工件160中、流體膜150中、及/或圍繞透明加工件160及流體膜150的空氣或其他介質中。
仍參照圖1至5，用於形成包括沿輪廓線165的缺損172之輪廓170的方法可包括以下步驟：相對於脈衝雷射光束112平移透明加工件160(或脈衝雷射光束112可相對於透明加工件160平移，舉例而言，在圖1、圖3B、圖3C、及圖3D中示出的平移方向101上)以形成輪廓170。缺損172可能會穿透玻璃的整個深度。應當理解，儘管有時描述成「孔」或「孔狀」，但本文揭露的缺損172通常可能並非空隙空間，而是已通過如本文所述的雷射處理進行了改變之透明加工件160的部分。
在一些實施例中，缺損172通常可沿著輪廓170彼此間隔開約0.1μm至約500μm的距離，舉例而言，約1μm至約200μm、約2μm至約100μm、約5μm至約20μm、或類似者。舉例而言，對於TFT/顯示器玻璃組合物而言，缺損172之間的合適間隔可為約0.1μm至約50μm、如約5μm至約15μm、約5μm至約12μm、約7μm至約15μm、或約7μm至約12μm。在一些實施例中，相鄰缺損172之間的間隔可為約50μm或更小、45μm或更小、40μm或更小、35μm或更小、30μm或更小、25μm或更小、20μm或更小、15μm或更小、10μm或更小等、或類似者。進一步地，透明加工件160相對於脈衝雷射光束112的平移，可藉由使用一個或更多個移動平台190移動透明加工件160及/或光束源110來執行。
除了單個透明加工件160的穿孔(操作)之外，該製程亦可用於對透明加工件160的堆疊進行穿孔，如玻璃板堆疊，並且可使用單道雷射將高達數mm的玻璃堆疊完全穿孔。單個玻璃堆疊可藉由堆疊內的各種玻璃類型構成，如一層或更多層鈉鈣玻璃，其層疊有一層或更多層康寧代碼2318玻璃。另外，玻璃堆疊可在各種位置具有氣隙。根據另一個實施例，諸如黏合劑的延性層可設置在玻璃堆疊之間。然而，本文所述的脈衝雷射製程仍將在單道雷射中將如此堆疊的上玻璃層及下玻璃層完全穿孔。
鑑於前文的描述，應當理解，可將流體膜塗覆至透明加工件的粗糙表面上，以便於在透明加工件中形成缺損輪廓。流體膜可使脈衝雷射光束的光學變化最小化，如在將脈衝雷射光束直接照射到透明加工件的粗糙表面上時，可能發生的反射及發散(即，自由空間(例如，空氣)，而非流體膜與粗糙表面直接接觸的情況)，促進高效及有效地分離具有粗糙表面的透明加工件。
範圍在本文中可表示為從「約」一個特定值，及/或到「約」另一個特定值。當表示如此範圍時，另一實施例包含從一特定值以及/或至另一特定值。類似地，當藉由使用先行詞「約」將值表示為近似值時，將理解該特定值形成另一個實施例。將進一步理解，每一個範圍的端點相對於另一個端點皆為重要的，並且獨立於另一個端點。
在本文中使用的方向術語，例如上、下、右、左、前、後、頂部、底部，僅係根據所繪製的附圖而言，並不意欲暗示絕對方向。
除非另作明確說明，否則絕非意欲將本文中闡述的任何方法解讀為要求按特定順序執行步驟，設備亦不需要任何特定定向。因此，若方法申請專利範圍未實際上記述步驟所遵循的順序，或任何設備申請專利範圍未實際上記述個別部件的順序或定向，或在申請專利範圍或說明說中未另外明確說明步驟僅限於特定順序，或未記述設備部件的特定順序或定向，則絕非意欲在任何態樣推斷順序或方向。此主張適用於任何非表達基礎的解讀，包含：關於步驟安排的邏輯、操作流程、部件的順序、或部件的定向；從文法組織或標點符號導出簡單直白的含義，以及；說明書中敘述的實施例的數字或類型。
如本文中所用，除非上下文另外明確指定，否則單數形式「一」(a)、「一」(an)、以及「該」(the)包含複數所指物。因此，舉例而言，除非上下文另外明確說明，否則引用「一」部件時包含兩個或更多此種部件。
對於本領域熟習技術者顯而易見的是，在不脫離本發明申請專利範圍的精神及範圍的情況下，可對此處描述的實施例進行各種改進及變化。因此，只要此等改進及變化落入所附申請專利範圍及其均等的範圍內，本說明書旨在涵蓋本文描述的各種實施例的改進及變化。
100:光學組件
101:平移方向
102:光軸
104:成像平面
110:光束源
111:光束路徑
112:脈衝雷射光束
113:脈衝雷射光束焦線
114:光束點
115:反射光
120:非球面光學元件
122:軸錐透鏡
124:雷射輸入表面
125:中心軸
126:雷射輸出表面
130:第一透鏡
132:第二透鏡
134:準直空間
140:流體輸出機構
150:流體膜
151:流體
151':流體射流
151":流體液滴
152:流體表面界面處
155:流體容器
160:透明加工件
162:衝擊表面
165:輪廓線
170:輪廓
172:缺損
190:平移平台
附圖中圖示的實施例實質上為說明性及範例性的，並非意圖限制由申請專利範圍所界定之標的。當結合以下圖式閱讀時，可理解以下對說明性實施例的詳細描述，其中相同的結構用相同的元件符號表示，並且其中：
圖1示意性地示出了根據本文所示及所述的一個或更多個實施例，在具有粗糙表面的透明加工件中形成缺損輪廓；
圖2A示意性地示出了根據本文所示及所述的一個或更多個實施例照射透明加工件的粗糙表面的脈衝雷射光束焦線，該透明加工件上安置有流體膜；
圖2B示意性地示出了根據本文所示及所述的一個或更多個實施例，直接照射透明加工件的粗糙表面的脈衝雷射光束焦線；
圖3A示意性地示出了根據本文所示及所述的一個或更多個實施例，用於雷射處理透明加工件的光學組件及用於將流體膜塗覆至透明加工件的流體輸出機構；
圖3B示意性地示出了根據本文所示及所述的一個或更多個實施例，雷射處理透明加工件，並使用流體射流將流體膜塗覆至透明加工件的一實施例；
圖3C示意性地示出了根據本文所示及所述的一個或更多個實施例，雷射處理透明加工件並使用流體射流將流體膜塗覆至透明加工件的另一實施例；
圖3D示意性地示出了根據本文所示及所述的一個或更多個實施例，雷射處理透明加工件並使用流體液滴將流體膜塗覆至透明加工件的一實施例；
圖4示意性地示出了根據本文所示及所述的一個或更多個實施例，用於雷射處理透明加工件的光學組件及用於將透明加工件的至少一個表面浸沒在流體中的流體容器。
圖5示意性地示出了根據本文描述的一個或更多個實施例，用於雷射處理的光學組件；
圖6A圖示性地示出了根據本文描述的一個或更多個實施例之範例性短脈衝內的雷射脈衝相對於時間的相對強度，根據本文描述的一個或更多個實施例；及
圖6B圖示性地示出了根據本文描述的一個或更多個實施例之雷射脈衝相對於另一範例性短脈衝內的時間的相對強度。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
101:平移方向
111:光束路徑
112:脈衝雷射光束
113:脈衝雷射光束焦線
114:光束點
132:第二透鏡
150:流體膜
160:透明加工件
162:衝擊表面
165:輪廓線
170:輪廓
172:缺損

Claims (9)

  1. 一種處理一透明加工件的方法，該方法包括以下步驟：將包括一第一折射率的一流體膜塗覆至該透明加工件的一目標表面，其中該透明加工件包括一第二折射率，該第一折射率與該第二折射率之間的一差值為約0.8或更小，並且該目標表面包括約0.1μm或更大的一表面粗糙度Ra；及在該透明加工件中形成一缺損，此舉係藉由引導沿一光束路徑定向並由一光束源輸出的一雷射光束通過該流體膜、通過該目標表面、並進入該透明加工件，使得被引導入該透明加工件之該雷射光束的一部分在該透明加工件內產生一誘導吸收作用，該誘導吸收作用在該透明加工件內產生該缺損，其中：該雷射光束包括一脈衝雷射光束；及該脈衝雷射光束在照射該透明加工件之前，穿越過一非球面光學元件；並且被引導至該透明加工件的該脈衝雷射光束的該部分包括：一波長λ；一脈衝能量為約100μJ至約600μJ；一光點尺寸w o ；及一橫截面，該橫截面包括大於
    Figure 108110827-A0305-02-0050-4
    之一瑞利範圍Z R ， 其中F D 為一無因次發散因數，該無因次發散因數包括10或更大的一值。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：沿一分離路徑使該透明加工件及該雷射光束相互平移，從而沿著該分離路徑在該透明加工件內雷射形成包括複數個缺損的一輪廓線；並沿該輪廓線或靠近該輪廓線，將一紅外線雷射光束引導到該透明加工件上，以沿著該輪廓線分離該透明加工件。
  3. 根據請求項1或2所述之方法，其中將該流體膜塗覆至該透明加工件的該目標表面之步驟，包括以下步驟：將該目標表面浸沒於一流體中，從而在該透明加工件的該目標表面上形成該流體膜。
  4. 根據請求項1或2所述之方法，其中將該流體膜塗覆至該透明加工件的該目標表面之步驟，包括以下步驟：將流體從一流體輸出機構引導到該目標表面上。
  5. 根據請求項4所述之方法，其中該流體輸出機構將一流體射流引導到該目標表面上。
  6. 根據請求項4所述之方法，其中該流體輸出機構將複數個流體液滴引導到該目標表面上。
  7. 根據請求項1或2所述之方法，其中該目標表面包括約1μm或更大的一表面粗糙度Ra。
  8. 根據請求項1或2所述之方法，其中該流體膜包括水。
  9. 根據請求項1或2所述之方法，其中該流體膜包括一折射率匹配材料，該折射率匹配材料包括一凝膠、一環氧樹脂、或一聚合物。
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