相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求如下申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)：2014年1月14日提交的美國申請(qǐng)第14/154,525號(hào)，2015年7月15日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)第62/024724號(hào)，2014年7月15日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)第62/024,581號(hào)，以及2013年12月17日提交的題為“processing3dshapedtransparentbrittlesubstrate(加工3d形狀的透明脆性基材)”的美國申請(qǐng)第61/917127號(hào)。這些申請(qǐng)的全部說明通過參考納入本文。

背景技術(shù)：

本文一般地涉及玻璃片的3d成形(三維成形)，更具體地，涉及通過使用激光誘發(fā)的打孔來對(duì)玻璃片進(jìn)行成形或彎曲。3d形狀是非平坦形狀，其中，玻璃形狀表面上的至少一個(gè)區(qū)域不是平面，例如，彎曲形狀或者波形。

在常規(guī)基礎(chǔ)上發(fā)表和發(fā)布的新產(chǎn)品在其中結(jié)合有一些形式的三維(3d)玻璃部件。一些例子包括曲面lcdtv屏幕，曲面智能手機(jī)和可穿戴配件(例如，手腕手機(jī)、手表)，它們是柔性或者具有彎曲形狀。這類裝置設(shè)計(jì)中的其他元素是后蓋，其涉及從常規(guī)平坦玻璃蓋板到不同類型的三維彎曲表面。這些創(chuàng)新對(duì)于由玻璃制造的這些3d部件的加工工藝帶來新的挑戰(zhàn)，其總是需要耐劃痕性和抗沖擊性。

能夠生產(chǎn)曲率半徑大于10mm的3d(即，非平面)玻璃片或制品，但是所使用的工藝較為緩慢。甚至更具挑戰(zhàn)的是形成3d碟狀玻璃片或玻璃制品，其具有小曲率半徑的部件，例如約為2mm。如今，為了實(shí)現(xiàn)這種情況，將玻璃加熱至非常高的溫度然后進(jìn)行彎曲，但是為了實(shí)現(xiàn)非常小的彎曲半徑，例如2mm角半徑，溫度過高并且引入表面缺陷。表面缺陷可能造成玻璃中的裂紋擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展是在表面缺陷位引發(fā)的。采用例如常規(guī)熱成形模制的玻璃部件可能在玻璃材料中具有變形。此類部件對(duì)于許多手持式裝置的使用是不合適的。這還降低了模制工藝的產(chǎn)率，因?yàn)樵S多模制的玻璃部件是不可用的。

本文的任何引用并不承認(rèn)構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。申請(qǐng)人明確保留質(zhì)疑任何引用文件的準(zhǔn)確性和針對(duì)性的權(quán)利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文的至少一個(gè)實(shí)施方式涉及制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步驟：

(i)用激光沿著輪廓對(duì)玻璃坯件進(jìn)行打孔，以及在玻璃坯件中形成多個(gè)打孔；

(ii)沿著含有打孔的區(qū)域?qū)ΣＡ骷M(jìn)行彎曲以形成三維形狀，從而使得玻璃是曲面的。

本文的一個(gè)實(shí)施方式涉及制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步驟：

(i)用激光沿著輪廓對(duì)玻璃坯件進(jìn)行打孔，以及在玻璃坯件中形成多個(gè)打孔，所述打孔的直徑小于5um并且長度是所述直徑的至少20倍；

(ii)沿著含有打孔的區(qū)域?qū)ΣＡ骷M(jìn)行彎曲以形成三維形狀，從而使得玻璃是曲面的。

根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，彎曲步驟包括對(duì)具有打孔的玻璃坯件進(jìn)行加熱，和/或至少向坯件的打孔區(qū)域施加真空。

根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，打孔小于2um，以及在一些實(shí)施方式中，直徑小于1.5um，并且長度至少是所述直徑的50倍。例如，打孔長度可以至少長200um(例如，200um至1.2mm)。

根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，經(jīng)打孔的區(qū)域含有至少10個(gè)打孔/mm²，例如，至少20、至少30、至少40、至少50或者至少100個(gè)打孔/mm²。

根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，打孔步驟用激光線聚焦進(jìn)行，并且玻璃厚度為0.1-5mm。

根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，彎曲包括將玻璃坯件彎曲成小于或等于5mm(例如，小于或等于2mm)的曲率半徑。

制造玻璃片的一個(gè)示例性方法包括以下步驟：

(i)用激光線聚焦對(duì)玻璃片進(jìn)行打孔以產(chǎn)生至少一個(gè)經(jīng)打孔的分離輪廓，用于產(chǎn)生至少一個(gè)玻璃坯件；

(ii)用激光線聚焦沿著另一輪廓對(duì)玻璃片進(jìn)行打孔，以形成彎曲區(qū)域打孔；

(iv)沿著經(jīng)打孔的分離輪廓從玻璃片分離至少一個(gè)玻璃坯件，從而產(chǎn)生至少一個(gè)單體坯件；

(v)沿著含彎曲區(qū)域打孔的區(qū)域?qū)ΣＡ骷M(jìn)行彎曲。

本文的一個(gè)實(shí)施方式涉及制造至少一個(gè)具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步驟：

(i)用激光線聚焦對(duì)玻璃片進(jìn)行打孔以產(chǎn)生至少一個(gè)經(jīng)打孔的分離輪廓，用于產(chǎn)生至少一個(gè)玻璃坯件；

(ii)用激光線聚焦沿著另一輪廓對(duì)玻璃片進(jìn)行打孔，以形成彎曲區(qū)域打孔；

(iv)沿著經(jīng)打孔的分離輪廓從玻璃片分離至少一個(gè)玻璃坯件，從而產(chǎn)生至少一個(gè)單體玻璃坯件；以及

(v)沿著含彎曲區(qū)域打孔的區(qū)域?qū)ΣＡ骷M(jìn)行彎曲。

本文的一個(gè)實(shí)施方式涉及制造具有非平坦部分的玻璃制品的方法，所述方法包括如下步驟：

(i)用激光線聚焦對(duì)玻璃片進(jìn)行打孔以產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)打孔的分離輪廓，用于產(chǎn)生多個(gè)玻璃坯件；

(ii)用激光線聚焦沿著其他輪廓對(duì)玻璃片進(jìn)行打孔，以形成多個(gè)彎曲區(qū)域打孔；

(iii)沿著經(jīng)打孔的分離輪廓從玻璃片分離所述玻璃坯件并使得所述玻璃坯件相互分離，從而產(chǎn)生多個(gè)單體坯件，每個(gè)單體坯件含有彎曲區(qū)域打孔；

(iv)放置單體坯件，并沿著含有彎曲區(qū)域打孔的區(qū)域來彎曲玻璃坯件，從而使得玻璃是曲面的。

根據(jù)一些實(shí)施方式，包括曲面表面或者至少一個(gè)非平坦表面的玻璃制品具有多個(gè)在所述曲面表面或所述至少一個(gè)非平坦表面內(nèi)延伸至少200微米的缺陷線或打孔，缺陷線或打孔的直徑分別小于或等于約5微米。根據(jù)一些實(shí)施方式，相鄰缺陷線或打孔之間的距離為7-50微米。根據(jù)一些實(shí)施方式，玻璃制品具有深度最高至小于或等于約100微米的表面下?lián)p壞。根據(jù)一些實(shí)施方式，玻璃制品的厚度約為10微米至5mm(例如，200微米至2mm)。

在以下的詳細(xì)描述中給出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是容易理解的，或通過實(shí)施文字描述和其權(quán)利要求書以及附圖中所述實(shí)施方式而被認(rèn)識(shí)。

應(yīng)理解，上面的一般性描述和下面的詳細(xì)描述都僅僅是示例性的，用來提供理解權(quán)利要求書的性質(zhì)和特點(diǎn)的總體評(píng)述或框架。

所附附圖提供了對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖說明了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，并與說明書一起用來解釋各種實(shí)施方式的原理和操作。

附圖說明

通過示例性實(shí)施方式更為具體的描述使得前述內(nèi)容是更為清楚的，在所示附圖中，對(duì)于所有不同視圖，相似附圖標(biāo)記表示相同部件。附圖不一定是成比例的，相反地，進(jìn)行了突出強(qiáng)調(diào)來顯示實(shí)施方式。

圖1顯示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的大的玻璃片10，其含有多個(gè)預(yù)切割或預(yù)加工區(qū)域20，每個(gè)會(huì)對(duì)應(yīng)于單個(gè)玻璃制品；

圖2顯示包含彎曲區(qū)域打孔的單體玻璃坯件的實(shí)施方式；

圖3a和3b顯示位于模具體上的經(jīng)打孔/單體玻璃坯件實(shí)施方式的兩個(gè)視圖；以及

圖4a和4b顯示由單體和經(jīng)打孔/單體玻璃坯件形成的彎曲玻璃制品的兩個(gè)視圖。

圖5a-5c顯示具有改性玻璃的等間距缺陷線的斷層線。圖5a顯示激光產(chǎn)生貫穿樣品的斷層線。圖5b顯示在分離后的具有缺陷線的邊緣。圖5c是分離邊緣的照片。

圖6a和6b顯示激光束焦線的定位，即對(duì)激光波長透明的材料由于沿著焦線的感應(yīng)吸收的加工。

圖7a所示是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的用于激光加工的光學(xué)組件。

圖7b-1至7b-4所示是通過將激光束焦線相對(duì)于基材的不同定位來對(duì)基材進(jìn)行加工的各種可能性。

圖8所示是用于激光加工的光學(xué)組件的第二個(gè)實(shí)施方式。

圖9a和9b所示是用于激光加工的光學(xué)組件的第三個(gè)實(shí)施方式。

圖10是用于激光加工的光學(xué)組件的第四個(gè)實(shí)施方式的示意圖。

圖11a-11c顯示對(duì)于材料激光加工的不同激光強(qiáng)度狀態(tài)。圖7a顯示未聚焦激光束，圖7b顯示具有球形透鏡的濃縮激光束，以及圖7c顯示具有錐棱鏡或衍射菲涅爾透鏡的濃縮激光束。

圖12a-12b顯示對(duì)于皮秒激光，激光發(fā)射與時(shí)間的關(guān)系。每次發(fā)射表征為“脈沖群”，其可以含有一個(gè)或多個(gè)子脈沖。顯示對(duì)應(yīng)于脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖之間的分隔以及群之間的分隔的時(shí)間。

具體實(shí)施方式

以下描述了示例性實(shí)施方式。

開發(fā)具有3d表面的覆蓋玻璃用于手持式產(chǎn)品，例如手機(jī)。但是，當(dāng)曲率半徑較小時(shí)，從例如薄的lcd玻璃形成3d部件變得更為困難。例如，對(duì)于薄的lcd玻璃，較容易實(shí)現(xiàn)10mm的曲率半徑。但是，對(duì)于現(xiàn)有方法，較難生產(chǎn)具有小于10mm(例如，5mm或者1或2mm)的較小曲率半徑的3d碟形部件，因?yàn)椴Ａг诂F(xiàn)有方法中通常太熱，難以實(shí)現(xiàn)非常小的(例如，2mm)的角半徑，存在表面缺陷。甚至可能需要真空和壓力來迫使玻璃進(jìn)入此類緊密特征的模具中。此外，為了規(guī)?；a(chǎn)尺寸和體積，為了成本有效，通常使用大的薄玻璃成形片，在部件陣列上產(chǎn)生嚴(yán)格角半徑甚至?xí)歉哂刑魬?zhàn)性的。本文所揭示的實(shí)施方式可有助于生產(chǎn)具有小曲率半徑的3d表面的玻璃部件，結(jié)合圖1至4b進(jìn)一步所述。

本申請(qǐng)?zhí)峁┝擞糜趯?duì)任意形狀的模制3d透明脆性薄基材進(jìn)行精確成形的方法，特別感興趣的是強(qiáng)化或者非強(qiáng)化玻璃。在一個(gè)實(shí)施方式中，玻璃是玻璃(全部編號(hào)，購自康寧有限公司(corning,inc.))。方法實(shí)施方式還能夠?qū)⒁粋€(gè)或多個(gè)3d部件或者具有3d表面的部件切割和提取成它們的最終尺寸，而不需要加工后的精整步驟。方法可用于經(jīng)強(qiáng)化(例如，化學(xué)離子交換)或者未經(jīng)強(qiáng)化(裸玻璃)的3d部件。

工件、部件或制品可以包括例如，用于手機(jī)的具有曲面表面的玻璃覆蓋或者汽車玻璃。開發(fā)的激光方法良好地適用于對(duì)于選定激光波長基本上透明(即，吸收率小于約50％以及小于10％，例如小于約1％每mm的材料深度)的材料。

主要原理是采用激光焦線在玻璃中打孔，以產(chǎn)生缺陷，例如通過2013年12月17日提交的題為“processing3dshapedtransparentbrittlesubstrate(對(duì)3d形狀的透明脆性基材進(jìn)行加工)”的共同待審的專利申請(qǐng)第61/917127號(hào)所述的工藝和系統(tǒng)，其通過引用結(jié)合入本文。激光產(chǎn)生焦線，用于在薄玻璃片中產(chǎn)生孔或者拉長的損壞區(qū)域(缺陷線)，從而形成打孔區(qū)域。玻璃在這些打孔區(qū)域中弱化，有利地實(shí)現(xiàn)了在熱成形條件下形成復(fù)雜形狀和/或曲面區(qū)域。由于標(biāo)準(zhǔn)成形工藝使用已有玻璃厚度作為給定運(yùn)行參數(shù)，如本文所述的玻璃片的打孔產(chǎn)生的3d表面良好地適合進(jìn)行較容易的成型或成形。結(jié)合使用打孔區(qū)域進(jìn)行成形有利地導(dǎo)致熱成形產(chǎn)品細(xì)節(jié)的改進(jìn)，如嚴(yán)格彎曲半徑和其他所需的特征細(xì)節(jié)。該方法還能夠?qū)Υ蟮谋〔Ａ嚵羞M(jìn)行成形，采用真空成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)非常好的成形細(xì)節(jié)。還可通過其他方法來實(shí)現(xiàn)具有打孔區(qū)域的玻璃片或坯件的成形。例如，在約為500-650℃的溫度，玻璃的粘度產(chǎn)生塑相，實(shí)現(xiàn)下垂彎曲至所需形狀。具體溫度取決于玻璃組成。將經(jīng)打孔的玻璃加熱至塑相，并實(shí)現(xiàn)在其自身重力下下垂至經(jīng)加熱的模具表面成所需形狀，然后逐漸使其冷卻(例如，冷卻至約150℃或200℃)，在此時(shí)，可以將其移出經(jīng)加熱的區(qū)域，并使其冷卻至室溫。

根據(jù)一些實(shí)施方式，在步驟1000a中對(duì)大的、預(yù)成形切割玻璃片1000進(jìn)行打孔，以形成產(chǎn)生打孔1200a或1400a。更具體來說，將玻璃放在激光束下，通過使得激光軌跡描繪(tracing)，如本文所述在玻璃上產(chǎn)生缺陷線(沿著所需線或輪廓移動(dòng)激光焦線)。然后沿著打孔區(qū)域或者線(例如，具有打孔1400a的區(qū)域)對(duì)經(jīng)打孔的玻璃片1000進(jìn)行彎曲至所需形狀，例如通過熱模制或者真空成形，形成3d形狀。彎曲半徑可以較大或者可以是小的，例如，1-20mm，以及在一些實(shí)施方式中，1-10mm，或者不超過5mm，例如，1-5mm，或者小于或等于2mm。根據(jù)一些實(shí)施方式，玻璃厚度小于3mm，例如，2mm(例如，小于或等于1mm)。根據(jù)一些實(shí)施方式，彎曲玻璃包括曲率(本文也稱作弓形或彎曲)，其大于玻璃片自身的厚度。根據(jù)一些實(shí)施方式，彎曲玻璃的厚度小于3mm，例如，小于2mm或者小于1mm。在一些實(shí)施方式中，位于將會(huì)彎曲(或者彎曲)的區(qū)域中的打孔之間的示例性節(jié)距(間隔)是5-50um或者7-50um(即，略寬于切割節(jié)距，以防止分離，并且僅作為弱化點(diǎn)以有助于可彎曲性而不形成明顯表面缺陷)。根據(jù)本文所述的示例性實(shí)施方式，這些打孔的直徑小于或等于2um，并且長度至少是所述直徑的20倍，玻璃的至少部分區(qū)域具有至少10個(gè)打孔每mm²。

根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，打孔直徑小于2um(例如，直徑小于1.5um)，并且長度至少是所述直徑的50倍。例如，打孔1400a的長度是至少200um長。根據(jù)一些實(shí)施方式，至少部分經(jīng)打孔的區(qū)域含有至少25個(gè)打孔每mm²。根據(jù)一些實(shí)施方式，至少部分經(jīng)打孔的區(qū)域含有至少50個(gè)打孔每mm²。根據(jù)一些實(shí)施方式，用形成激光線聚焦的激光束來形成打孔。根據(jù)一些實(shí)施方式，通過貝塞爾束來形成打孔。根據(jù)一些實(shí)施方式，激光是脈沖激光，激光功率為10-10w(例如，25-60w)，激光產(chǎn)生至少2-25個(gè)脈沖每個(gè)群的群脈沖，以及打孔(缺陷線)之間的間距為7-100微米(例如，10-50微米或者15-50微米)。

根據(jù)一些實(shí)施方式，形成3d玻璃制品的方法包括如下步驟：

(i)形成玻璃片1000；

(ii)用激光焦線沿著線或打孔輪廓1200對(duì)玻璃片10進(jìn)行打孔，以產(chǎn)生打孔1200a，用于產(chǎn)生玻璃坯件2000a(參見圖1b)；

(iii)用激光線聚焦沿著輪廓1400對(duì)玻璃片1000進(jìn)行打孔(參見圖2)，以形成打孔1400a；打孔1400a位于會(huì)是彎曲點(diǎn)處，并且可以置于玻璃內(nèi)的不同深度。高密度的打孔區(qū)域可以位于角處或者附近，或者需要形狀曲率半徑或輪廓或高度變化的其他區(qū)域；

(iv)對(duì)玻璃部件進(jìn)行單體化(或分離)，即使得玻璃坯件20a相互分離和/或從玻璃片1000的其他區(qū)域分離。這可以通過沿著打孔分離輪廓1200施加應(yīng)力來完成。該應(yīng)力可以是，例如熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力(并且可以通過壓力或者真空牽拉來產(chǎn)生)。可以通過用來自co2激光的光，沿著打孔分離輪廓1200對(duì)玻璃片10進(jìn)行加熱，來產(chǎn)生熱應(yīng)力；

(v)將單體化的坯體2000a放在模具上，使得打孔14a位于玻璃坯體2000a會(huì)進(jìn)行彎曲或曲面化的區(qū)域上(參見例如圖3)；

(vi)在玻璃坯體2000a中形成3d(曲面)輪廓，或者將原始平坦玻璃坯體2000a成形為3d形式，通過例如加熱玻璃和/或通過常規(guī)真空成形技術(shù)。玻璃打孔1400a實(shí)現(xiàn)了較為容易的精準(zhǔn)3d成形，而不產(chǎn)生明顯表面缺陷，有利地導(dǎo)致在彎曲區(qū)域中對(duì)于裂紋產(chǎn)生相比于常規(guī)制造的3d玻璃制品具有更好抗性的形狀。

圖1是根據(jù)實(shí)施方式方法進(jìn)行激光打孔以促進(jìn)對(duì)具有小曲率半徑的玻璃部件進(jìn)行模制的預(yù)成形片材的示意圖。更具體來說，圖1顯示預(yù)成形片材(在該情況下，大的玻璃片1000)的俯視圖，其含有多個(gè)對(duì)應(yīng)于預(yù)切割或預(yù)加工區(qū)域(部件)的部件2000，每個(gè)會(huì)對(duì)應(yīng)于單個(gè)玻璃制品2000a。根據(jù)實(shí)施方式方法對(duì)片材1000進(jìn)行激光打孔(產(chǎn)生缺陷線)，以促進(jìn)對(duì)具有小曲率半徑的玻璃部件進(jìn)行模制。具體來說，釋放線12根據(jù)上文所述的方法進(jìn)行激光打孔，以有助于將單獨(dú)部件預(yù)成形件2000單體化成單獨(dú)部件2000a。在圖1的示例性實(shí)施方式中，玻璃片1000含有12個(gè)區(qū)域2000，其被打孔1200a圍繞。部件周線1200b也經(jīng)激光打孔，以幫助后續(xù)從單體預(yù)成形件移出部件，這是在玻璃部件20模制以具有3d曲面表面之前或之后。應(yīng)注意的是，在一些實(shí)施方式中，進(jìn)行模制，整個(gè)預(yù)成形片材1000是完好的。

圖2是從圖1所示片材分離的一個(gè)單體預(yù)成形件的示意圖。更具體來說，圖2顯示單體化玻璃坯體2000a，其包括彎曲區(qū)域打孔14a。圖2還顯示部件的角1400b，其經(jīng)過多次激光打孔以幫助對(duì)具有小曲率半徑的角進(jìn)行模制，如下文結(jié)合圖3a至圖4b的角截面圖進(jìn)一步所述。在圖2中未示出的是有助于對(duì)玻璃部件2000a的表面上進(jìn)一步模制3d曲率的其他激光打孔，如下文結(jié)合圖4a和4b的側(cè)截面圖進(jìn)一步所述。

圖3a-3b分別是圖2的單體預(yù)成形件在通過激光打孔形成具有半徑的3d表面之前和之后的側(cè)截面圖。圖3a顯示模具1300，其具有3d曲面表面，其限定了待施加到單體預(yù)成形件(部件2000a)中的部件表面的3d曲率。預(yù)成形件2000a包括激光打孔1400a，其有助于預(yù)成形件2000a的彎曲同時(shí)誘發(fā)較少或者不誘發(fā)表面缺陷。圖3b顯示在模制之后的相同模具1300和預(yù)成形件20a，可以看出，打孔1400a減輕了玻璃中的彎曲應(yīng)力。此類激光打孔可以減少或者消除對(duì)于向預(yù)成形件施加真空或壓力以完成模制的需求。

圖3a-b分別是圖2的單體預(yù)成形件在通過激光打孔(缺陷線)實(shí)現(xiàn)形成具有半徑的3d表面之前和之后的側(cè)截面圖。更具體來說，圖3a和3b顯示位于模具體1300上的經(jīng)打孔/單體玻璃坯件2000a的兩個(gè)視圖。打孔14a位于玻璃坯體2000a將會(huì)彎曲的區(qū)域上。注意到含有高密度打孔1400a的玻璃區(qū)域位于靠近模具的高度和斜率發(fā)生變化的區(qū)域。這些較高密度打孔區(qū)域可對(duì)應(yīng)于例如制品角，但是也可對(duì)應(yīng)于最終玻璃制品中的其他特征。

圖4a和4b是圖2的單體預(yù)成形件在通過多個(gè)激光打孔(缺陷線)實(shí)現(xiàn)形成具有小角半徑的表面之前和之后的角截面圖。更具體來說，圖4a和4b顯示由位于模具體1300上的單體和經(jīng)打孔/單體玻璃坯件2000a形成的彎曲玻璃制品的兩個(gè)視圖。在模具1300上彎曲經(jīng)打孔/單體玻璃坯件20a，含打孔1400a的密集打孔區(qū)域直接位于模具具有對(duì)應(yīng)的高度和/或斜率變化的區(qū)域上。更具體來說，圖4a-4b分別是圖2的單體預(yù)成形件在通過多個(gè)激光打孔1400a實(shí)現(xiàn)形成具有小角半徑的表面之前和之后的角截面圖。如圖4a-4b所示，可以通過多個(gè)打孔實(shí)現(xiàn)小的表面曲率半徑，例如5mm或者2mm或更小。多個(gè)打孔或者較高密度打孔導(dǎo)致在模制過程中的應(yīng)力減輕，減少了在模制過程中對(duì)于真空或壓力施加的需求，并且減少了表面缺陷。

根據(jù)至少一些實(shí)施方式，通過本文所述的方法形成的玻璃制品包括曲面表面或者至少一個(gè)非平坦表面，制品具有多個(gè)在所述曲面表面或所述至少一個(gè)非平坦表面內(nèi)延伸至少200微米(例如，大于或等于250微米)的缺陷線或打孔，缺陷線的直徑分別小于或等于約5微米。根據(jù)一些實(shí)施方式，相鄰缺陷線的間距為7-50微米。根據(jù)一些實(shí)施方式，所述缺陷線附近的玻璃具有深度最高至小于或等于約100微米的表面下?lián)p壞。根據(jù)一些實(shí)施方式，玻璃制品的厚度約為10微米至5mm。

根據(jù)下文所述的一些實(shí)施方式，可以使用激光產(chǎn)生高度受控的(例如，在單次通過中)貫穿材料的完全或部分打孔，產(chǎn)生極小(<75μm，通常<50μm)的表面下?lián)p壞和碎屑。表面下?lián)p壞可限于深度約為100um或更小，或者深度約為75um或更小，或者深度約為60um或更小，或者深度小于50um或更小，以及切割可僅產(chǎn)生少量碎屑。該方法可用于材料打孔(例如，玻璃打孔)，這不同于對(duì)材料進(jìn)行燒蝕所通常使用的斑聚焦激光，其中，通常需要多次通過來完全打穿玻璃厚度，由于燒蝕過程產(chǎn)生大量碎片，并且發(fā)生更為廣泛的表面下?lián)p壞(>100μm)和邊緣碎片。

因此，對(duì)于本文所述的方法，可以采用一個(gè)或多個(gè)高能脈沖或者一個(gè)或多個(gè)高能脈沖的群，在透明材料中產(chǎn)生微觀(即，<2μm以及直徑>100nm，以及在一些實(shí)施方式中<0.5μm以及直徑>100nm)拉伸的缺陷線(本文也稱作打孔、孔或損壞軌跡)。缺陷線或者打孔或者斷層線表示基材材料被激光改性的區(qū)域。激光誘發(fā)的改性破壞了基材材料的結(jié)構(gòu)并構(gòu)成機(jī)械弱化位點(diǎn)。結(jié)構(gòu)破壞包括壓縮、熔化、材料的移走、重新排列和鍵裂開。打孔延伸進(jìn)入基材材料的內(nèi)部，并且具有與激光的橫截面形狀一致的橫截面形狀(大致圓形)。打孔的平均直徑可以是0.1-50um，或者1-20um，或者2-10um，或者0.1-5um。在一些實(shí)施方式中，打孔是“通孔”，這是從基材材料的頂部延伸到底部的孔或開放通道。在一些實(shí)施方式中，打孔可能不是連續(xù)開放的通道并且可能包含通過激光從基材材料移除的固體材料部分。移除的材料阻擋或者部分阻擋了由打孔限定的空間?？赡茉谝瞥牟牧喜糠种g分散有一個(gè)或多個(gè)開放通道(未阻擋區(qū)域)。開放通道的直徑可以<1000nm，或者<500nm，或者<400nm，或者<300nm，或者10-750nm或者100-500nm。在本文所揭示的實(shí)施方式中，圍繞孔的材料的被破壞或被改性區(qū)域(例如，壓縮、熔化或者其他方式發(fā)生改變)的直徑優(yōu)選<50μm(例如，<10μm)。

可以以數(shù)百千赫的速率(例如每秒幾十萬個(gè)穿孔)產(chǎn)生單個(gè)穿孔。因而，由于激光源和材料之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這些穿孔會(huì)相互相鄰放置，空間間隔變化是按照需要從亞微米變化至數(shù)微米甚至數(shù)十微米。沿著斷層線方向的相鄰缺陷線之間的距離可以是例如，0.25-50um，或者0.50um至約20um，或者0.50至約15um，或者0.50-10um，或者0.50-3.0um，或者3.0-10um。對(duì)空間間距進(jìn)行選擇從而有助于玻璃沿著打孔輪廓的弱化或切割。

除了基材材料在線性強(qiáng)度區(qū)域中的透明度之外，激光源的選擇可進(jìn)一步預(yù)測(cè)在透明材料中誘發(fā)多光子吸收(mpa)能力。mpa是相同或不同頻率的多光子的同時(shí)吸收，從而將材料從較低能態(tài)(通常是基態(tài))激發(fā)到較高能態(tài)(激發(fā)態(tài))。激發(fā)態(tài)可以是電子激發(fā)態(tài)或者電離態(tài)。材料的較高能態(tài)與較低能態(tài)之間的能量差等于兩個(gè)或更多個(gè)光子的能量總和。mpa是非線性過程，通常比線性吸收弱數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。其不同于線性吸收之處在于，mpa的強(qiáng)度取決于光強(qiáng)度功率的平方或者更高情況，從而使其是非線性光學(xué)過程。在普通光強(qiáng)度情況下，mpa是可忽略的。如果光強(qiáng)度(能量密度)極高，例如在激光源(特別是脈沖激光源)的聚焦區(qū)域中，mpa變得可感知并在材料中的光源能量密度足夠高的區(qū)域中導(dǎo)致可測(cè)量的效應(yīng)。在聚焦區(qū)域內(nèi)，能量密度可能變得足夠高，導(dǎo)致離子化。

在原子水平，單個(gè)原子的離子化具有離散能量要求。玻璃中常用的數(shù)種元素(例如，si、na、k)具有較低電離能(約5ev)。在無mpa現(xiàn)象的情況下，會(huì)需要約248nm的波長以產(chǎn)生約5ev的線性離子化。在mpa的情況下，能態(tài)的離子化或激發(fā)之間的約5ev的能量間隔可以用長于248nm的波長實(shí)現(xiàn)。例如，波長為532nm的光子具有約2.33ev的能量，所以兩個(gè)波長為532nm的光子會(huì)在例如雙光子吸收(tpa)中誘發(fā)約4.66ev的能態(tài)間隔之間的轉(zhuǎn)變。因此，可以在材料的區(qū)域中(其中，激光束的能量密度足夠高，誘發(fā)具有例如一半所需激發(fā)能的激光波長的非線性tpa)對(duì)原子和鍵進(jìn)行選擇性激發(fā)或離子化。

mpa會(huì)導(dǎo)致激發(fā)原子或鍵的局部再構(gòu)造以及與相鄰原子或鍵發(fā)生分離。所得到的鍵或構(gòu)造的改性會(huì)導(dǎo)致非熱燒蝕以及從發(fā)生mpa的材料區(qū)域去除物質(zhì)。該物質(zhì)去除產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷(缺陷線、損壞線或上文所稱的打孔)，其使得材料機(jī)械弱化并使其在施加了機(jī)械或熱應(yīng)力之后更易于發(fā)生開裂或破裂。通過控制打孔的布置，可以精確地限定沿其發(fā)生開裂的輪廓或路徑，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的精確微機(jī)械加工。由一系列打孔限定的輪廓可以視為斷層線并對(duì)應(yīng)于材料中結(jié)構(gòu)弱化的區(qū)域。斷層線限定了用于彎曲或者用于從材料分離部件的優(yōu)選輪廓，并且控制了分離部件的形狀。在一個(gè)實(shí)施方式中，微機(jī)械加工包括從被激光加工的材料分離部件，其中，部件具有精確限定的形狀或周界，其是由斷層線限定的閉合輪廓決定的，所述打孔的閉合輪廓是由通過激光誘發(fā)的mpa效應(yīng)形成的。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過激光加工的玻璃打孔部件彎曲成緊密半徑(例如，1-5mm)，其中，部件具有精確限定的形狀或周界，其是由斷層線限定的閉合輪廓決定的，所述打孔的閉合輪廓是由通過激光誘發(fā)的mpa效應(yīng)形成的。如本文所用術(shù)語閉合輪廓指的是由激光線形成的打孔路徑，其中路徑與其自身在相同位置相交。內(nèi)輪廓是形成的路徑，其中，所得到的形狀完全被材料的外部分包圍。

優(yōu)選的激光是超短脈沖激光(脈沖持續(xù)時(shí)間約為100皮秒或更短)，并且可以以脈沖模式或者群模式操作。在脈沖模式中，從激光發(fā)射出一系列標(biāo)稱一致性單個(gè)脈沖，并被導(dǎo)向到工件。在脈沖模式中，激光的重復(fù)頻率由脈沖之間的時(shí)間間隔所決定。在群模式中，從激光發(fā)射出脈沖群，其中，每個(gè)群包括兩個(gè)或更多個(gè)(相同或不同振幅的)脈沖。在群模式中，群內(nèi)的脈沖被第一時(shí)間間隔分隔開(其限定了群的脈沖重復(fù)頻率)，以及群被第二時(shí)間間隔分隔開(其限定了群重復(fù)頻率)，其中，第二時(shí)間間隔通常遠(yuǎn)長于第一時(shí)間間隔。如本文所用(無論是脈沖模式還是群模式的內(nèi)容中)，時(shí)間間隔指的是脈沖或群的對(duì)應(yīng)部分之間的時(shí)間差(例如，前緣-前緣、峰-峰或尾緣-尾緣)。脈沖和群的重復(fù)頻率受到激光設(shè)計(jì)的控制，并且通常可以通過調(diào)節(jié)激光的運(yùn)行條件在限制內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。典型的脈沖和群重復(fù)頻率是khz至mhz范圍。

(在脈沖模式或者群模式的群內(nèi)脈沖的)激光脈沖持續(xù)時(shí)間可以是10^-10s或更短，或者10^-11s或更短，或者10^-12s或更短，或者10^-13s或更短。在本文所述的示例性實(shí)施方式中，激光脈沖持續(xù)時(shí)間大于10^-15。

實(shí)施方式工藝的一個(gè)特征是通過超短脈沖激光產(chǎn)生的缺陷線的高縱橫比。高縱橫比能夠產(chǎn)生從基材材料的頂表面延伸到底表面的缺陷線。本文的方法還能夠形成在基材材料內(nèi)延伸至受控深度的缺陷線?？梢酝ㄟ^單個(gè)脈沖或單個(gè)脈沖群來形成缺陷線，以及如果需要的話，可以使用額外的脈沖或群來增加受影響區(qū)域的程度(例如，深度和寬度)。

可以通過將高斯激光束輸送到錐透鏡來進(jìn)行線聚焦的產(chǎn)生，在該情況下，產(chǎn)生已知稱為高斯-貝塞爾束的束曲線。這種束的衍射比高斯束要慢得多(例如，單個(gè)微米斑尺寸可以維持?jǐn)?shù)百微米或毫米的范圍，而不是數(shù)十微米或更小)。因此，焦距的深度或者與材料強(qiáng)烈相互作用的長度可以遠(yuǎn)大于僅使用高斯束的情況。也可使用其他形式或者緩慢衍射或不衍射束，例如艾里束(airybeam)。

如圖5a-5c所示，用于對(duì)玻璃片進(jìn)行打孔的方法的示例性實(shí)施方式是基于用超短脈沖激光束140在基材材料130(例如，玻璃片1000)中產(chǎn)生斷層線或者由多條垂直缺陷線120(對(duì)應(yīng)于，例如打孔1200a)形成的示例性輪廓110(例如，1200)。

圖5b顯示在沿著由多條垂直缺陷線120限定的輪廓或斷層線110分離工件之后的工件邊緣。感應(yīng)吸收產(chǎn)生缺陷線，可以在分離邊緣或表面上產(chǎn)生顆粒，平均顆粒直徑小于1微米(例如，0.1微米或更小)，導(dǎo)致非常干凈的過程。圖5c的照片顯示采用圖5a所示的激光工藝從較大的玻璃片分離的示例性部件(例如，單體玻璃坯體2000a)的邊緣，并且如下文進(jìn)一步所述。

玻璃片中產(chǎn)生的斷層線可以相互不同，例如，缺陷線120(或孔)可以沿著需要分離玻璃的輪廓間隔較為緊密，而在玻璃會(huì)發(fā)生彎曲但是希望避免自發(fā)性分離的區(qū)域中進(jìn)一步分開。缺陷線或打孔之間的確切間距或分隔會(huì)由玻璃組成所決定，但是通常會(huì)是本文所述的范圍內(nèi)，例如，約為1-25um。

根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，會(huì)彎曲或曲面化的區(qū)域具有大于或等于10個(gè)孔(打孔)或缺陷線每mm²，例如，10-100個(gè)孔、缺陷線或打孔1400a每mm²。根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，會(huì)發(fā)生彎曲的區(qū)域在會(huì)發(fā)生曲面化或彎曲的區(qū)域中具有至少10個(gè)以及優(yōu)選20個(gè)或更多個(gè)孔或缺陷線，例如，25或更多個(gè)孔、缺陷線或打孔1400a每個(gè)區(qū)域(例如，25-500個(gè)孔、斷層線或打孔，或者50-100或50-200個(gè)孔、斷層線或打孔)。大量的孔有助于彎曲。例如，需要進(jìn)行彎曲的小角玻璃片可含有20-50或更多個(gè)孔或打孔?？谆虼蚩椎臄?shù)量會(huì)取決于會(huì)發(fā)生彎曲或曲面化的玻璃區(qū)域的尺寸。在一些示例性實(shí)施方式中，打孔或孔間隔7-100微米(即，節(jié)距可以是7-100微米，例如，15-100微米，25-100微米，或者25-50微米)，以及孔、斷層線或打孔1400a的直徑小于5微米，以及在一些實(shí)施方式中，直徑小于或等于3微米，在一些示例性實(shí)施方式中，直徑小于或等于2微米(例如，0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm，或者它們之間)。在一些示例性實(shí)施方式中，在這些區(qū)域中的打孔數(shù)量可以是例如，10-50或者10-30每mm²面積。優(yōu)選通過激光束形成斷層線或打孔，激光束是通過脈沖群激光產(chǎn)生的，其中，激光功率為10-100w(例如，25-60w)，以及群含有至少2個(gè)脈沖(例如，2-25個(gè)脈沖)。

在一些情況下，產(chǎn)生的斷層線不足以從基材材料自發(fā)地分離部件，可能需要第二步驟來分離玻璃(即，來自較大片材的部件單體化)。例如，如果希望的話，可以使用第二激光來產(chǎn)生熱應(yīng)力從而使得玻璃部件相互分離。例如，在紐約州康寧市康寧有限公司(corningincorporatedofcorningny)生產(chǎn)的0.55mm厚玻璃的情況下，可以在產(chǎn)生缺陷線之后，通過如下方式實(shí)現(xiàn)玻璃分離：例如，施加機(jī)械作用力或者使用熱源(例如，紅外激光，如co2激光)產(chǎn)生熱應(yīng)力，沿著斷層線迫使部件從基材材料發(fā)生分離。另一個(gè)選項(xiàng)是使用紅外激光來引發(fā)分離，然后手動(dòng)完成玻璃部件分離。采用以10.6微米發(fā)射且功率通過控制其負(fù)載循環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)的聚焦連續(xù)波(cw)激光，實(shí)現(xiàn)了任選的紅外激光分離。聚焦變化(即，失焦程度和包括聚焦斑尺寸)用于通過改變斑尺寸來改變誘發(fā)的熱應(yīng)力。失焦激光束包括如下那些激光束，其產(chǎn)生大于最小衍射限的斑尺寸(約為激光波長尺寸)的斑尺寸。例如，2-20mm(或2-12mm或者2-12mm或者約7mm或者約2mm和/或約20mm)的失焦斑尺寸(1/e²直徑)可用于co2激光，例如，在給定發(fā)射波長為10.6um的情況下，其衍射限斑尺寸要小得多。

產(chǎn)生缺陷線有數(shù)種方法。形成焦線或線聚焦的光學(xué)方法可以具有多種形式，采用圓環(huán)形激光束和球形透鏡、錐棱鏡透鏡、衍射元件，或者其他方法來形成高強(qiáng)度的線性區(qū)域。激光的類型(皮秒、飛秒等)以及波長(ir、綠色、uv等)也可以發(fā)生變化，只要在聚焦區(qū)域中抵達(dá)了足夠的光學(xué)強(qiáng)度以產(chǎn)生基材或工件材料的破裂，通過非線性光學(xué)效應(yīng)(例如，非線性吸收，多光子吸收)產(chǎn)生基材材料的開裂即可。

在本申請(qǐng)中，使用超短脈沖激光，以一致、可控和可重復(fù)的方式產(chǎn)生高縱橫比垂直缺陷線。能夠產(chǎn)生該垂直缺陷線的光學(xué)設(shè)定的細(xì)節(jié)見下文以及2014年1月14日提交的美國申請(qǐng)第14/154,525號(hào)所述，其全文通過引用結(jié)合入本文。該概念的基礎(chǔ)在于，在光學(xué)透鏡組件中使用錐透鏡元件，采用超短(皮秒或飛秒持續(xù)時(shí)間)貝塞爾束，產(chǎn)生高縱橫比、無錐角微通道區(qū)域。換言之，錐棱鏡將激光束在基材材料中濃縮成圓柱形狀和高縱橫比(長的長度和小的直徑)的高強(qiáng)度區(qū)域。由于濃縮激光束所產(chǎn)生的高強(qiáng)度，發(fā)生激光的電磁場(chǎng)與基材材料的非線性相互作用，激光能被傳輸?shù)交?，?shí)現(xiàn)形成缺陷，所述缺陷變得構(gòu)成斷層線。但是，重要的是，認(rèn)識(shí)到在激光能量強(qiáng)度不夠高的基材區(qū)域中(例如，基材表面，圍繞中心會(huì)聚線的基材體積)，基材對(duì)于激光是透明的，以及沒有機(jī)制使得能量從激光轉(zhuǎn)移到基材。作為結(jié)果，當(dāng)激光強(qiáng)度低于非線性閾值時(shí)，對(duì)于基材沒有發(fā)生情況。

轉(zhuǎn)到圖6a和6b，對(duì)材料進(jìn)行激光加工的方法包括：將脈沖激光束2聚焦成激光束焦線2b，沿著束擴(kuò)展方向觀察。激光束焦線2b可以通過數(shù)種方式產(chǎn)生，例如，貝塞爾束、艾里束、韋伯束和馬修束(即，非衍射束)，其場(chǎng)分布通常由特殊函數(shù)給出，其在橫向方向(即，傳播方向)比高斯函數(shù)衰減的更慢。如圖7a所示，(未示出的)激光3發(fā)射激光束2，其具有入射到光學(xué)組件6的部分2a。光學(xué)組件6將入射的激光束在輸出側(cè)上轉(zhuǎn)變成激光束焦線2b，其是在限定膨脹范圍上沿著束方向(焦線的長度l)。將平面基材1(待加工材料)放在束路徑中，至少部分重疊激光束2的激光束焦線2b。附圖標(biāo)記1a表示平坦基材分別朝向光學(xué)組件6或者激光的表面，以及附圖標(biāo)記1b表示基材1的相反(遠(yuǎn))表面。基材厚度(垂直于平面1a和1b測(cè)量，即，垂直于基材平面測(cè)量)標(biāo)記為d。

如圖6a所示，基材1(例如，玻璃片1000)與束縱軸基本垂直對(duì)準(zhǔn)，從而在由光學(xué)組件6產(chǎn)生的相同焦線2b的后面(基材垂直于附圖平面)，以及沿著束方向觀察，基材位置相對(duì)于焦線2b使得焦線2b在基材的表面1a之前開始，并且在基材的表面1b之前停止，即焦線2b在基材內(nèi)終止并且沒有超過表面1b。在激光束焦線2b與基材1的重疊區(qū)域中，即，被焦線2b覆蓋的基材材料中，(假定沿著激光束焦線2b合適的激光強(qiáng)度，該強(qiáng)度通過將激光束2聚焦到長度l的區(qū)段上，即長度l的線聚焦，得以確保)，產(chǎn)生激光束焦線2b，(沿著束縱向方向?qū)?zhǔn)的)限定了區(qū)段2c，沿著該區(qū)段2c，在基材材料中產(chǎn)生非線性感應(yīng)吸收。感應(yīng)吸收在基材材料中沿著區(qū)段2c誘發(fā)形成缺陷線。缺陷線的形成不僅是局部的，而是在感應(yīng)吸收的區(qū)段2c的整個(gè)長度上延伸。區(qū)段2c的長度(其對(duì)應(yīng)于激光束焦線2b與基材1重疊的長度)標(biāo)記為附圖標(biāo)記l。感應(yīng)吸收2c的區(qū)段(或者基材1的材料中發(fā)生形成缺陷線的區(qū)段)的平均直徑或平均尺度(程度(例如，長度或者其他相關(guān)線性尺度)標(biāo)記為附圖標(biāo)記d。該平均程度d基本上對(duì)應(yīng)于激光束焦線2b的平均直徑δ，也就是說，約為0.1-5微米的平均斑直徑。

如圖6a所示，由于沿著焦線2b的感應(yīng)吸收，局部加熱了基材材料(其對(duì)于激光束2的波長λ是透明的)。該波長可以是例如，1064、532、355或266納米。由于非線性效應(yīng)引起的感應(yīng)吸收(例如，雙光子吸收，多光子吸收)與焦線2b內(nèi)的高激光束強(qiáng)度相關(guān)。圖6b顯示被加熱的基材材料會(huì)最終膨脹使得對(duì)應(yīng)的感應(yīng)拉伸導(dǎo)致形成缺陷線，拉伸在表面1a處最高，并且當(dāng)需要的時(shí)候，導(dǎo)致分離所需要的所需量的微裂紋。

下面描述(可用于產(chǎn)生焦線2b)的代表性光學(xué)組件6以及(可以將這些光學(xué)組件用于其中的)代表性光學(xué)設(shè)備。所有這些組件或設(shè)備是基于上文的描述，從而對(duì)于相同的組件或特征或者功能相同的那些使用相同的附圖標(biāo)記。因此，下面僅描述不同的地方。

為了確保分離部件沿著進(jìn)行打孔或分離的表面的高質(zhì)量(關(guān)于破裂強(qiáng)度、幾何形貌精確度、粗糙度以及避免再次進(jìn)行機(jī)械加工的需求而言)，應(yīng)該采用下文所述的光學(xué)組件產(chǎn)生沿著打孔線、分離線或脫離線(斷層線)置于基材表面上的單條焦線(下文，也替代性地將光學(xué)組件稱作激光光學(xué)件)。在分離的情況下，分離表面(或者切割邊緣)的粗糙度主要由焦線的斑尺寸或斑直徑產(chǎn)生。切割(分離)表面的粗糙度可以通過例如由asmeb46.1標(biāo)準(zhǔn)定義的ra表面粗糙度參數(shù)進(jìn)行表征。如asmeb46.1所述，ra是表面輪廓高度與中線的偏差的絕對(duì)值的算術(shù)平均，記錄在估值長度內(nèi)。換言之，ra是表面的單個(gè)特征(峰和谷)相對(duì)于中值的一組絕對(duì)高度偏差的平均值。

為了實(shí)現(xiàn)小的斑尺寸(例如在與基材1的材料相互作用的激光3的給定波長λ的情況下，0.5-2微米)，通常必須對(duì)激光光學(xué)件6的數(shù)值孔徑施加某些要求。下文所述的激光光學(xué)件6符合這些要求。為了實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)值孔徑，一方面，對(duì)于給定的焦距長度，光學(xué)件必須根據(jù)已知的阿貝公式(n.a.＝nsin(θ)，n：待加工的材料或工件的折射率；θ：孔徑半角；以及θ＝arctan(dl/2f)；dl：孔徑，f：焦距長度)布置所需的開口。另一方面，激光束必須將光學(xué)件照亮至所需的孔徑，這通常是通過采用在激光和聚焦光學(xué)件之間的加寬望遠(yuǎn)鏡的束加寬的方式實(shí)現(xiàn)的。

出于沿著焦線均勻相互作用的目的，斑尺寸不應(yīng)該變化過于強(qiáng)烈。例如，這可以通過僅在小的圓形區(qū)域中照射聚焦光學(xué)件，從而使得束開口略微變化進(jìn)而使得數(shù)值孔徑的百分比僅略微變化，得以實(shí)現(xiàn)(參見下文實(shí)施方式)。

根據(jù)圖7a(垂直于在激光輻射2的激光束群中的中心束的水平的基材平面的區(qū)段；此處，也是激光束2(在進(jìn)入光學(xué)組件6之前)垂直入射到基材平面，即，入射角θ是0°，使得焦線2b或者感應(yīng)吸收的區(qū)段2c平行于基材法線)，激光3發(fā)射的激光輻射2a首先被導(dǎo)向到圓形孔徑8上，其對(duì)于所使用的激光輻射是完全不透明的。孔徑8取向垂直于束縱軸，并且處于所示的束群2a的中心束上。對(duì)孔徑8的直徑進(jìn)行選擇，使得靠近束群2a的中心的束群或者中心束(此處標(biāo)記為2az)撞擊孔徑，并被其完全吸收。由于相比于束直徑降低的孔徑尺寸，導(dǎo)致僅繞著束群2a的外周界中的束(邊緣射線，此處標(biāo)記為2ar)沒有被吸收，而是橫向地通過孔徑8并撞擊光學(xué)組件6的聚焦光學(xué)元件的邊緣區(qū)域，這在該實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)成球形切割雙凸透鏡7。

如圖7a所示，激光束焦線2b不僅僅是激光束的單個(gè)焦點(diǎn)，而是激光束中不同射線的一系列焦點(diǎn)。該一系列的焦點(diǎn)形成限定長度的拉長焦線，如圖7a所示為激光束焦線2b的長度l。透鏡7處于中心束的中心，并且設(shè)計(jì)成常用球形切割透鏡形式的非修正雙凸聚焦透鏡。該透鏡的球形光行差(sphericalaberration)可能是有利的。作為替代，也可以使用與理想修正系統(tǒng)發(fā)生偏差的非球形或者多透鏡系統(tǒng)，其沒有形成理想的焦點(diǎn)，而是形成限定長度的不同的拉伸的焦線(即，透鏡或系統(tǒng)不具有單個(gè)焦點(diǎn))。因而，透鏡的區(qū)域沿著焦線2b聚焦，受制于來自透鏡中心的距離?？讖?在束方向上的直徑近似為束群直徑的90％(定義為束的強(qiáng)度降低至峰值強(qiáng)度的1/e²所需的距離)以及是光學(xué)組件6的透鏡7的直徑的約75％。從而使用通過在中心將束群阻擋掉所產(chǎn)生的非光行差修正球形透鏡7的焦線2b。圖7a顯示貫穿中心束的一個(gè)平面中的區(qū)段，當(dāng)所示的束繞著焦線2b轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以看到完整的三維束群。

通過如圖7a所示的透鏡7和系統(tǒng)所形成的這種類型焦線的一個(gè)潛在缺點(diǎn)在于，狀態(tài)(斑尺寸、激光強(qiáng)度)可能沿著焦線變化(以及進(jìn)而沿著所需的材料中的深度變化)，因而可能僅在選定的焦線部分中產(chǎn)生所需類型的相互作用(不發(fā)生熔化、感應(yīng)吸收、裂紋形成的熱塑性變形)。這進(jìn)而意味著可能僅有部分入射激光光線被基材材料(例如，玻璃片1000)以所需的方式吸收。以這種方式，可能削弱(對(duì)于所需的分離速度需要平均激光功率的)加工效率，并且激光光線還可能傳輸?shù)讲缓虾跸Ｍ膮^(qū)域(例如，與基材附著的部件或?qū)踊蛘呋谋３止潭ㄆ?且與它們以不合乎希望的方式發(fā)生相互作用(例如，加熱、擴(kuò)散、吸收、不合乎希望的改性)。

圖7b-1-4顯示(不僅是對(duì)于圖7a中的光學(xué)組件，而是還對(duì)于任意其他可適用的光學(xué)組件6而言)，可以通過使得光學(xué)組件6相對(duì)于基材1合適地定位和/或?qū)?zhǔn)以及通過合適地選擇光學(xué)組件6的參數(shù)，來對(duì)激光束焦線2b的位置進(jìn)行控制。如圖7b-1所示，可以對(duì)焦線2b的長度l進(jìn)行如下方式的調(diào)節(jié)，使其超過基材厚度d(此處超過的系數(shù)為2)。如果(以束縱向方向)將基材1(例如，玻璃片1000)放在焦線2b的中心，則在整個(gè)基材厚度上產(chǎn)生感應(yīng)吸收的區(qū)段2c。激光束焦線2b的長度l可以是例如約為0.1-100mm，或者約為0.1-10mm，或者約為0.1-1mm。各種實(shí)施方式可以構(gòu)造成長度l是例如約為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm。

在圖7b-2所示的情況中，產(chǎn)生長度l的焦線2b，其差不多對(duì)應(yīng)于基材厚度d。由于基材1相對(duì)于線2b放置的方式使得線2b的起始點(diǎn)在基材外部，所以感應(yīng)吸收2c的區(qū)段(其在這里是從基材表面延伸到限定的基材深度，而沒有到達(dá)相反(遠(yuǎn))表面1b)的長度l小于焦線2b的長度l。圖7b-3顯示如下情況，其中，(沿著垂直于束方向觀察的)基材1放置在焦線2b的起始點(diǎn)的上面，從而線2b的長度l大于基材1中感應(yīng)吸收區(qū)段2c的長度l。因而，焦線在基材內(nèi)開始并延伸超過相反表面1b。圖7b-4顯示如下情況，其中，焦線長度l小于基材厚度d，從而在以入射方向觀察使得基材相對(duì)于焦線中心放置的情況下，焦線在基材內(nèi)靠近表面1a開始，并在基材內(nèi)靠近表面1b終止(例如，l＝0.75d)。

特別有利的是將焦線2b以如下方式放置，使得表面1a、1b中的至少一個(gè)被焦線覆蓋，從而感應(yīng)吸收2c的區(qū)段至少是在基材的一個(gè)表面上開始。以這種方式，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際上理想的切割，同時(shí)避免表面的燒蝕、起毛和顆?；?。

圖8顯示另一種可適用的光學(xué)組件6?；緲?gòu)造符合圖7a所述的那種情況，從而下面僅對(duì)差異進(jìn)行描述。所示的光學(xué)組件基于使用具有非球形自由表面的光學(xué)件，從而產(chǎn)生焦線2b，其形狀使得形成具有限定長度l的焦線。出于該目的，可以將非球面用作光學(xué)組件6的光學(xué)元件。例如，在圖8中，使用了所謂的錐形棱鏡，通常也稱作錐棱鏡。錐棱鏡是特殊的錐形切割棱鏡，其在沿著光軸的線上形成斑源(或者將激光束轉(zhuǎn)變成環(huán))。此類錐棱鏡的設(shè)計(jì)是本領(lǐng)域技術(shù)人員周知的；例子中的錐角是10°。這里標(biāo)記為附圖標(biāo)記9的錐棱鏡的頂點(diǎn)導(dǎo)向入射方向并且在處于束中心處。由于錐棱鏡9產(chǎn)生的焦線2b開始于其內(nèi)部，基材1(此處與主束軸垂直對(duì)準(zhǔn))可以放置在束路徑中，直接位于錐棱鏡9的后面。如圖8所示，由于錐棱鏡的光學(xué)特性，還可以沿著束方向偏移基材1，同時(shí)仍然在焦線2b的范圍內(nèi)。因此，在基材1的材料中的感應(yīng)吸收2c的區(qū)段延伸超過整個(gè)基材深度d。

但是，所示的設(shè)計(jì)具有如下限制：由于通過錐棱鏡9形成的焦線2b的區(qū)域在錐棱鏡9內(nèi)開始，顯著部分的激光能沒有被聚焦到焦線2b的感應(yīng)吸收區(qū)段2c中，該區(qū)段位于材料內(nèi)，在該情況下，在錐棱鏡9與基材或工件之間存在分隔。此外，焦線2b的長度l與束直徑經(jīng)由折射率和錐棱鏡9的錐角相關(guān)聯(lián)。這是在較薄材料(數(shù)毫米)的情況下，總焦線遠(yuǎn)長于基材厚度的原因：許多激光能沒有被聚焦到材料中的影響。

出于該原因，可能希望使用同時(shí)包括錐棱鏡和聚焦透鏡的光學(xué)組件6。圖9a顯示該光學(xué)組件6，其中，設(shè)計(jì)成形成激光束焦線2b的具有非球形自由表面的第一光學(xué)元件被放置在激光3的束路徑中。在圖9a所示的情況中，該第一光學(xué)元件是具有5°錐角的錐棱鏡10，其放置成垂直于束方向并且位于激光束3的中心。錐棱鏡的頂點(diǎn)朝向束方向取向。第二聚焦光學(xué)元件(此處為平-凸透鏡11，其曲率取向朝向錐棱鏡)放置在束方向中，距離錐棱鏡10的距離為z1。對(duì)距離z1進(jìn)行選擇(在該情況下約為300mm)，使得通過錐棱鏡10形成的激光輻射圓環(huán)狀入射到透鏡11的外半徑部分上。透鏡11將圓環(huán)輻射聚焦到距離為z2的輸出側(cè)上，在該情況下，距離透鏡11約為20mm，具有限定長度的焦線2b，在該情況下為1.5mm。該實(shí)施方式中，透鏡11的有效焦距為25mm。經(jīng)由錐棱鏡10的激光束的圓形轉(zhuǎn)變標(biāo)記為附圖標(biāo)記sr。

圖9b具體顯示根據(jù)圖9a，在基材1的材料中形成焦線2b或者感應(yīng)吸收2c。對(duì)兩個(gè)元件10、11的光學(xué)特性以及它們的位置進(jìn)行選擇，使得束方向中焦線2b的長度l與基材1的厚度d完全一致。因此，要求基材1沿著束方向的精確定位，從而將焦線2b精確地放在基材1的兩個(gè)表面1a和1b之間，如圖9b所示。

因此，如果焦線形成在與激光光學(xué)件有一定距離，以及如果較大部分的激光輻射調(diào)焦至焦線的所需端的話，則是有利的。如所述，這可以通過如下方式實(shí)現(xiàn)：僅在特定外半徑區(qū)域以圓環(huán)狀(環(huán)狀)照射主聚焦元件11(透鏡)，這在一方面，起到了實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)值孔徑進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所需的斑尺寸的作用，但是，在另一方面，在非常短距離上的斑中心處的所需的焦線2b之后，漫射環(huán)減小了強(qiáng)度，因?yàn)樾纬闪嘶緢A環(huán)形斑。以這種方式，在所要求的基材深度的短距離內(nèi)，停止了缺陷線的形成。錐棱鏡10和聚焦透鏡11的組合符合該要求。錐棱鏡以兩種不同方式起作用：由于錐棱鏡10，將通常圓形激光斑以環(huán)形式輸送到聚焦透鏡11，以及錐棱鏡10的非球面性具有形成超過透鏡焦平面的焦線而不是形成在焦平面內(nèi)的焦點(diǎn)的作用?？梢酝ㄟ^錐棱鏡上的束直徑來調(diào)節(jié)焦線2b的長度l。另一方面，可以通過錐棱鏡-透鏡分離的距離z1以及錐棱鏡的錐角，來調(diào)節(jié)沿著焦線的數(shù)值孔徑。以這種方式，可以將全部的激光能集中到焦線中。

如果缺陷線的形成旨在持續(xù)到基材的背側(cè)，則圓環(huán)形(環(huán)形)照射仍然具有如下優(yōu)勢(shì)：(1)使用的激光功率優(yōu)化，在該意義上，大部分的激光仍然集中在所需的焦線長度中，以及(2)可以實(shí)現(xiàn)沿著焦線的均勻斑尺寸，因而實(shí)現(xiàn)沿著焦線的部件距離基材的均勻分開，這是由于圓環(huán)狀照射區(qū)結(jié)合由于其他光學(xué)功能的方式設(shè)定的所需光行差所導(dǎo)致的。

作為圖9a所示的平-凸透鏡的替代，也可以使用聚焦彎月形透鏡或者另一較高修正的聚焦透鏡(非球形、多透鏡系統(tǒng))。

為了采用圖9a所示的錐棱鏡和透鏡的組合產(chǎn)生非常短的焦線2b，會(huì)需要選擇非常小的激光束的束直徑入射到錐棱鏡上。這具有如下實(shí)際上的缺點(diǎn)：將束中心化至錐棱鏡的頂點(diǎn)上必須非常精確，并且結(jié)果對(duì)于激光的方向變化非常敏感(束漂移穩(wěn)定性)。此外，嚴(yán)格準(zhǔn)直的激光束是非常發(fā)散的(divergent)，即由于光偏轉(zhuǎn)，束群在短距離內(nèi)變得模糊。

如圖10所示，通過在光學(xué)組件6中包括另一個(gè)透鏡，準(zhǔn)直透鏡12，可以避免這兩種影響。額外的正透鏡12的作用是非常嚴(yán)格地調(diào)節(jié)聚焦透鏡11的圓形照射。對(duì)準(zhǔn)直透鏡12的焦距f’進(jìn)行選擇，使得由于從錐棱鏡到準(zhǔn)直透鏡12的距離z1a導(dǎo)致的所需的圓形直徑dr等于f’。可以通過(準(zhǔn)直透鏡12到聚焦透鏡11的)距離z1b來調(diào)節(jié)所需的環(huán)寬度br。作為純幾何學(xué)問題，小的圓環(huán)照射寬度導(dǎo)致短的焦線。可以在距離f’實(shí)現(xiàn)最小值。

因而，圖10所示的光學(xué)組件6基于圖9a所示的那種情況，從而下面僅對(duì)差異進(jìn)行描述。將準(zhǔn)直透鏡12(此處也設(shè)計(jì)成平-凸透鏡，其曲率朝向束方向)額外地放置在束路徑的中心，在(位于一側(cè)的)錐棱鏡10(其頂點(diǎn)朝向束方向)和(位于另一側(cè)的)平-凸透鏡11之間。準(zhǔn)直透鏡12與錐棱鏡10的距離稱作z1a，聚焦透鏡11與準(zhǔn)直透鏡12的距離稱作z1b，以及焦線2b與聚焦透鏡11的距離稱作z2(總是以束方向觀察)。如圖10所示，由錐棱鏡10形成的圓形輻射sr(其發(fā)散入射并在準(zhǔn)直透鏡12上具有圓形直徑dr)被調(diào)節(jié)至沿著距離z1b所需的圓形寬度br，至少在聚焦透鏡11處具有近似恒定的圓形直徑dr。在所示的情況下，旨在產(chǎn)生非常短的焦線2b，從而透鏡12處近似4mm的圓形寬度br減少至透鏡11處近似0.5mm，這是由于透鏡12的聚焦性質(zhì)(在該例子中，圓形直徑dr是22mm)。

在所示的例子中，可以通過如下方式實(shí)現(xiàn)小于0.5mm的焦線1的長度：采用2mm的典型激光束直徑，焦距f＝25mm的聚焦透鏡11，焦距f’＝150mm的準(zhǔn)直透鏡，以及選擇距離z1a＝z1b＝140mm且z2＝15mm。

圖11a-11c顯示不同激光強(qiáng)度區(qū)域的激光-物質(zhì)相互作用。在如圖11a所示的第一種情況下，未聚焦激光束710通過透明基材720，沒有對(duì)其引發(fā)任何改性。在該特定情況下，不存在非線性效應(yīng)，因?yàn)榧す饽芰棵芏?或者被束照射的每單位面積的激光能量)低于引發(fā)非線性效應(yīng)所需的閾值。能量密度越高，電磁場(chǎng)強(qiáng)度越高。因此，如圖11b所示，當(dāng)通過球形透鏡730將激光束聚焦成較小斑尺寸時(shí)，照射面積下降并且能量密度增加，引發(fā)的非線性效應(yīng)會(huì)改性材料以實(shí)現(xiàn)僅在滿足條件的體積中形成斷層線。以這種方式，如果聚焦激光的束腰位于基材表面處，則會(huì)發(fā)生表面改性。相反地，如果聚焦激光束的束腰位于低于基材表面處，則當(dāng)能量密度低于非線性光學(xué)效應(yīng)的閾值時(shí)，在表面處什么也沒有發(fā)生。但是在焦距740，位于基材720的塊體內(nèi)，激光強(qiáng)度足夠高至引發(fā)多光子非線性效應(yīng)，從而導(dǎo)致對(duì)材料的損壞。

最后，在如圖11c所示的錐棱鏡的情況下，展象透鏡750(或者菲涅耳錐棱鏡)的衍射圖案產(chǎn)生干涉，其產(chǎn)生貝塞爾形的強(qiáng)度分布(高強(qiáng)度的圓柱體760)，并且僅在該體積中，強(qiáng)度足夠高至產(chǎn)生非線性吸收以及材料720的改性。(其中貝塞爾形強(qiáng)度分布足夠高至產(chǎn)生非線性吸收和材料改性的)圓柱體760的直徑也是激光束焦線的斑直徑，如本文所稱的那樣。貝塞爾束的斑直徑d可以寫作d＝(2.4048λ)/(2πb)，其中，λ是激光束波長，以及b錐角的函數(shù)。計(jì)算或測(cè)得的斑直徑可以取平均值，并且本文所述的實(shí)施方式中的平均斑直徑可以是例如約為0.1-5微米。

激光和光學(xué)系統(tǒng)：

在代表性示例中，出于切割3d模制的玻璃部件或者其他3d工件以及從其提取部件的目的，一種實(shí)施方式使用1064皮秒脈沖激光結(jié)合形成線聚焦束的光學(xué)件，從而在玻璃基材中產(chǎn)生損壞線(本文也稱作缺陷線、損壞軌跡或斷層線)。

如圖12a和12b所示，根據(jù)本文所述選定的實(shí)施方式，皮秒激光產(chǎn)生脈沖500a的“群”500，有時(shí)也稱作“群脈沖”。群是這樣一類激光操作，其中，脈沖的發(fā)射不是以均勻且穩(wěn)定流的方式進(jìn)行，而是以緊密脈沖束的方式進(jìn)行。每個(gè)“群”500在高至100微微秒的非常短的持續(xù)時(shí)間td內(nèi)(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微微秒或其間范圍)含有多個(gè)脈沖500a(例如，2個(gè)脈沖、3個(gè)脈沖、4個(gè)脈沖、5個(gè)脈沖、10個(gè)脈沖、15個(gè)脈沖、20個(gè)脈沖或者更多)。脈沖持續(xù)時(shí)間通常約為1-1000微微秒，或者約為1-100微微秒，或者約為2-50微微秒，或者約為5-20微微秒。這些單個(gè)群500內(nèi)的這些單獨(dú)的脈沖500a也可被稱作“子脈沖”，這不過是表示它們存在于單個(gè)脈沖群內(nèi)這個(gè)事實(shí)。脈沖群內(nèi)的每個(gè)激光脈沖500a的能量或強(qiáng)度可能不等于脈沖群內(nèi)的其他脈沖的能量或強(qiáng)度，并且脈沖群500內(nèi)的多個(gè)脈沖的強(qiáng)度分布可符合由激光設(shè)計(jì)所管理的隨時(shí)間的指數(shù)衰減。優(yōu)選地，本文所述的示例性實(shí)施方式的脈沖群500中的每個(gè)脈沖500a與群內(nèi)的后續(xù)脈沖的時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間tp為1-50毫微秒(例如，10-50毫微秒，或者10-40或10-30毫微秒)，時(shí)間通常由激光腔設(shè)計(jì)所管理。對(duì)于給定激光，脈沖群500內(nèi)的每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔tp(脈沖-脈沖間隔)較為均勻(±10％)。例如，在一些實(shí)施方式中，每個(gè)脈沖與后續(xù)脈沖的時(shí)間間隔近似為20毫微秒(50mhz脈沖重復(fù)頻率)。例如，對(duì)于產(chǎn)生約20毫微秒的脈沖-脈沖間隔tp的激光，群內(nèi)的脈沖-脈沖間隔tp維持在約為±10％，或者約為±2毫微秒。每個(gè)“群”之間的時(shí)間(即，群之間的時(shí)間間隔tb)會(huì)長得多(例如，0.25≤tb≤1000微秒，例如1-10微秒，或3-8微秒)。例如，在本文所述的激光的一些示例性實(shí)施方式中，對(duì)于約為200khz的激光重復(fù)頻率或者頻率，其約為5微秒。本文中，激光重復(fù)頻率也稱作群重復(fù)頻率或者脈沖群重復(fù)頻率，定義為群中的第一個(gè)脈沖與后續(xù)群中的第一個(gè)脈沖之間的時(shí)間。在其他實(shí)施方式中，群重復(fù)頻率約為1khz至4mhz，或者約1khz至2mhz，或者約1-650khz，或者約為10-650khz。每個(gè)群中的第一個(gè)脈沖與后續(xù)群中的第一個(gè)脈沖之間的時(shí)間tb可以是0.25微秒(4mhz群重復(fù)頻率)至1000微秒(1khz群重復(fù)頻率)，例如0.5微秒(2mhz群重復(fù)頻率)至40微秒(25khz群重復(fù)頻率)，或者2微秒(500khz群重復(fù)頻率)至20微秒(50khz群重復(fù)頻率)。確切的時(shí)間間隔、脈沖持續(xù)時(shí)間和重復(fù)頻率可取決于激光設(shè)計(jì)以及用戶可控的操作參數(shù)發(fā)生變化。顯示高強(qiáng)度的短脈沖(td<20微微秒以及優(yōu)選td≤15微微秒)工作良好。

對(duì)材料進(jìn)行改性所需的能量可以描述為群能量(群內(nèi)所含的能量，每個(gè)群500含有一系列的脈沖500a)或者描述為單個(gè)激光脈沖中所含的能量(許多個(gè)它們可構(gòu)成群)。對(duì)于這些應(yīng)用，每個(gè)群(每毫米待切割的材料)的能量可以是10-2500uj，或者20-1500uj，或者25-750uj，或者40-2500uj，或者100-1500uj，或者200-1250uj，或者250-1500uj，或者250-750uj。群內(nèi)單個(gè)脈沖的能量會(huì)較小，單個(gè)激光脈沖的確切能量會(huì)取決于群500內(nèi)的脈沖500a數(shù)量以及激光脈沖隨時(shí)間的衰減速率(例如，指數(shù)衰減速率)，如圖12a和12b所示。例如，對(duì)于恒定的能量/群，如果脈沖群含有10個(gè)單個(gè)激光脈沖500a，則每個(gè)激光脈沖500a會(huì)含有較少的能量，相比于如果僅具有2個(gè)單個(gè)激光脈沖的相同脈沖群500而言。

對(duì)于切割、打孔或改性透明材料(例如玻璃，如玻璃片1000)，使用能夠產(chǎn)生此類脈沖群的激光是有利的。不同于使用通過單脈沖激光的重復(fù)頻率在時(shí)間上間隔開的單個(gè)脈沖，使用在群500內(nèi)的脈沖的快速序列上使得激光能鋪展開的脈沖群序列實(shí)現(xiàn)了與材料的較大時(shí)間跨度的高強(qiáng)度相互作用，相比于單脈沖激光可能的情況而言。雖然單脈沖可以在時(shí)間上膨脹，但是能量守恒意味著如果這樣的話，脈沖內(nèi)的強(qiáng)度必然在脈沖寬度上粗略地下降。因此，如果10微微秒的單脈沖膨脹到10毫微秒脈沖的話，強(qiáng)度粗略地下降3個(gè)數(shù)量級(jí)。該下降會(huì)使得光學(xué)強(qiáng)度降低至非線性吸收不再顯著的點(diǎn)，并且光-材料相互作用不再強(qiáng)到足以實(shí)現(xiàn)切割。相反地，利用脈沖群激光，每個(gè)脈沖或者群500內(nèi)的子脈沖500a期間的強(qiáng)度仍然可以是非常高的，例如時(shí)間間隔tp約為10毫微秒的3個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間td為10微微秒的脈沖500a仍然實(shí)現(xiàn)每個(gè)脈沖中的強(qiáng)度近似高于3倍的單個(gè)10微微秒脈沖，同時(shí)激光能夠與材料在大3個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間規(guī)格上相互作用。因而，這種群內(nèi)的多脈沖500a的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了激光-材料相互作用的時(shí)間規(guī)格的操縱，其方式可以有助于更大或更小的光與預(yù)先存在的等離子體羽毛狀物，更大或更小的光-材料相互作用(與通過初始或先前的激光脈沖預(yù)激發(fā)的原子和分子)，以及材料內(nèi)更大或更小的加熱效應(yīng)(可促進(jìn)缺陷線(打孔)的受控生長)。對(duì)材料進(jìn)行改性所需的群能量大小會(huì)取決于基材材料組成和用于與基材相互作用的行焦距的長度。相互作用區(qū)域越長，展開的能量約多，則會(huì)需要的群能量也越高。

當(dāng)單個(gè)脈沖群撞擊玻璃上基本相同位置時(shí)，在材料中形成缺陷線、打孔或者孔。也就是說，單個(gè)群內(nèi)的多個(gè)激光脈沖可在玻璃中產(chǎn)生單條缺陷線、打孔或者孔位置。當(dāng)然，如果玻璃發(fā)生移動(dòng)(例如，恒定移動(dòng)階段)或者束相對(duì)于玻璃移動(dòng)，群內(nèi)的單獨(dú)脈沖無法處于玻璃上完全相同的空間位置。但是，它們很好地相互在1μm之內(nèi)，即，它們基本上撞擊玻璃的相同位置。例如，它們可以以相互之間的間距sp撞擊玻璃，其中，0<sp≤500nm。例如，當(dāng)玻璃位置被20個(gè)脈沖的群撞擊時(shí)，群內(nèi)的單個(gè)脈沖撞擊玻璃相互之間處于250nm之內(nèi)。因此，在一些實(shí)施方式中，1nm<sp<250nm。在一些實(shí)施方式中，1nm<sp<100nm。

在一個(gè)實(shí)施方式中，放置厚度0.55mm的康寧玻璃編號(hào)玻璃基材1000，使其處于通過光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的焦線區(qū)域內(nèi)。對(duì)于長度約1mm的焦線，以及以200khz的群重復(fù)頻率或群頻率產(chǎn)生大于或等于約40w的輸出功率的皮秒激光(在材料處測(cè)得約為200微焦/群脈沖)，焦線區(qū)域中的光學(xué)強(qiáng)度(能量密度)可以容易地足夠高至在基材材料中產(chǎn)生非線性吸收。近似隨著高強(qiáng)度的線性區(qū)域，在玻璃中，在基材內(nèi)產(chǎn)生損壞、燒蝕、蒸發(fā)或者其他方式改性的材料區(qū)域。

孔、打孔或損壞軌跡的形成：

這些損壞軌跡通常是內(nèi)尺寸(例如直徑)約為0.2-2微米(例如0.5-1.5微米)的孔或打孔的形式。優(yōu)選地，孔或打孔的尺寸非常小(數(shù)個(gè)微米或更小)。缺陷線、孔或打孔可以刺穿或者不穿透材料的整個(gè)厚度，以及可以是穿過整個(gè)材料厚度的連續(xù)開口或者可以不是這種情況。圖5c顯示穿透700微米厚的玻璃基材的工件(或者玻璃片1000)的整個(gè)厚度的此類軌跡或缺陷線的例子。通過劈開邊緣的側(cè)面，觀察穿孔或損壞軌跡。穿透材料的軌跡不一定是通孔。經(jīng)常存在玻璃堵塞住孔的區(qū)域，但是它們通常是小尺寸的，例如約為微米級(jí)。

缺陷線之間的橫向間距(節(jié)距)由基材在聚焦激光束下位移時(shí)的激光的脈沖頻率所決定。通常，僅需要單次皮秒激光脈沖或群來形成完整孔，但是如果需要的話，可以使用多個(gè)脈沖或群。為了以不同節(jié)距或缺陷線分隔形成孔或打孔，激光可以觸發(fā)成以較長或較短的時(shí)間間隔射擊。

對(duì)于切割操作，激光觸發(fā)通常與束下方的基材的階段驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)同步，從而激光脈沖以固定時(shí)間間隔觸發(fā)，例如每1微米，每3微米或者每5微米。對(duì)于進(jìn)行切割或分離，相鄰缺陷線之間的確切間距由材料性質(zhì)所決定，其有助于裂紋從打孔的孔擴(kuò)展到打孔的孔，產(chǎn)生基材中的應(yīng)力水平。

但是，不同于切割基材，也可以使用相同的方法僅對(duì)材料進(jìn)行打孔(例如，對(duì)于玻璃需要進(jìn)行曲面化或彎曲的區(qū)域)。在此情況下，孔(或者損壞軌跡或打孔)可以分隔較大間距(例如，7微米節(jié)距、8微米節(jié)距、10微米節(jié)距、25微米節(jié)距、30微米節(jié)距、50微米節(jié)距或更大)。取決于所使用玻璃(例如，未強(qiáng)化的玻璃)打孔的節(jié)距可以小于7微米或者甚至小于5微米。

激光功率和透鏡焦距(其決定了焦線長度進(jìn)而決定了功率密度)對(duì)于確保玻璃的完全穿透和低微表面和表面下?lián)p壞是特別重要的參數(shù)。

通常來說，可用的激光功率越高，以上述工藝可以對(duì)材料進(jìn)行打孔或切割越快。本文所揭示的工藝可以以0.25m/s或更快的打孔或切割速度來對(duì)玻璃進(jìn)行打孔或切割。打孔速度或切割速度(或者切割的速度)是激光束相對(duì)于基材材料(例如玻璃)的表面移動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)缺陷線孔的速率。高的切割速度(例如，350mm/s，400mm/s，500mm/s，750mm/s，1m/s，1.2m/s，1.5m/s或者2m/s，或者甚至3.4-4m/s)通常是合乎希望的，從而使得制造的基建投資最小化并優(yōu)化裝備利用率。激光功率等于激光的群能量乘以群重復(fù)頻率(速率)。通常來說，為了以高速度打孔或切割玻璃材料，缺陷線間隔通常為1-25um，在一些實(shí)施方式中，間距優(yōu)選是3um或更大，例如3-12um，或者例如5-10um。

例如，為了實(shí)現(xiàn)300mm/s的線性打孔或切割速度，3um孔節(jié)距對(duì)應(yīng)于具有至少100khz重復(fù)頻率的脈沖群激光。對(duì)于600mm/s的打孔或切割速度，3um節(jié)距對(duì)應(yīng)于具有至少200khz重復(fù)頻率的群-脈沖激光。以200khz產(chǎn)生至少40uj/群以及以600mm/s的切割速度進(jìn)行打孔和/或切割的脈沖群激光需要具有至少8瓦的激光功率。因此，更高的打孔切割速度或者更高的切割速度需要更高的激光功率。

例如，以3μm節(jié)距和40μj/群的0.4m/s打孔或切割速度會(huì)要求至少5w激光。類似地，以3μm節(jié)距和40μj/群的0.5m/s打孔或切割速度會(huì)要求至少6w激光。因此，優(yōu)選脈沖群皮秒激光的激光功率大于或等于6w，更優(yōu)選至少8w或更高，以及甚至更優(yōu)選至少10w或更高。例如，為了實(shí)現(xiàn)4μm節(jié)距(缺陷線間隔或損壞軌跡間隔)和100μj/群的0.4m/s打孔或切割速度會(huì)要求至少10w激光，以及為了實(shí)現(xiàn)4μm節(jié)距和100μj/群的0.5m/s打孔/切割速度會(huì)要求至少12w激光。例如，為了實(shí)現(xiàn)3μm節(jié)距和40μj/群的1m/s打孔/切割速度會(huì)要求至少13w激光。此外，例如，以4μm節(jié)距和400μj/群的1m/s打孔/切割速度會(huì)要求至少100w激光。

缺陷線(損壞軌跡)之間的最佳節(jié)距和確切群能量是依賴于材料的并且可以通過經(jīng)驗(yàn)確定。但是，在切割或玻璃分離的情況下，應(yīng)注意的是，提升激光脈沖能量或者以更靠近的節(jié)距制造損壞軌跡并不總是使得基材材料更好地分離或者具有改進(jìn)的邊緣質(zhì)量的情況。缺陷線(損壞軌跡)之間過小的節(jié)距(例如，<0.1微米或者在一些示例性實(shí)施方式中，<1μm或者在其他實(shí)施方式中<2μm)有時(shí)會(huì)抑制后續(xù)鄰近缺陷線(損壞軌跡)的形成，并且通常會(huì)抑制打孔輪廓附近的材料的分離。如果節(jié)距太小的話，還可能發(fā)生玻璃中不合乎希望的微開裂的增加。過長的節(jié)距(例如，>50μm以及在一些玻璃中>25μm或者甚至>20μm)可能導(dǎo)致不受控的微開裂摂，即作為從缺陷線到缺陷線的擴(kuò)展的替代，微裂紋沿著不同路徑擴(kuò)展，并導(dǎo)致玻璃以不同于預(yù)期輪廓的(不合乎希望)的方向開裂。這可能最終導(dǎo)致分離部件的強(qiáng)度降低，因?yàn)闅埩舻奈⒘鸭y構(gòu)成了使得玻璃弱化的瑕疵。過高的形成缺陷線的群能量(例如，>2500uj/群以及在一些實(shí)施方式中>500uj/群)會(huì)導(dǎo)致先前形成的缺陷線的“愈合”或再熔化，這可能抑制玻璃的分離。因此，優(yōu)選群能量<2500uj/群，例如，≤500uj/群。此外，使用過高的群能量會(huì)導(dǎo)致形成極大的微裂紋，并產(chǎn)生會(huì)降低分離后部件的邊緣強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)不完美性。過低的群能量(例如，<40μj/群)可能導(dǎo)致在玻璃中沒有形成可見的缺陷線，因而可能必須要特別高的分離作用力或者導(dǎo)致完全無法沿著打孔輪廓進(jìn)行分離。

該工藝所能達(dá)到的典型示例性打孔速度或者切割速率(速度)是例如0.25m/s和更高。在一些實(shí)施方式中，打孔速度或切割速率至少為300mm/s。在一些實(shí)施方式中，切割速率至少400mm/s，例如，500-2000mm/s或更高。在一些實(shí)施方式中，皮秒(ps)激光采用脈沖群來產(chǎn)生缺陷線，其周期性為0.5-13um，例如0.5-3um。在一些實(shí)施方式中，脈沖激光的激光功率為10-100w，以及材料(例如，玻璃片1000)和/或激光束相對(duì)于彼此以至少0.25m/s的速率移動(dòng)；例如，速率為0.25-0.35m/s或0.4-5m/s。優(yōu)選地，脈沖激光束的每個(gè)脈沖群在工件(例如，玻璃片1000)處測(cè)得的平均激光能量大于40uj每個(gè)群每mm工件厚度。優(yōu)選地，脈沖激光束的每個(gè)脈沖群在工件處測(cè)得的平均激光功率小于2500uj每個(gè)群每mm工件厚度，以及優(yōu)選小于2000uj每個(gè)群每mm工件厚度，以及在一些實(shí)施方式中，小于1500uj每個(gè)群每mm工件厚度，例如不超過500uj每個(gè)群每mm工件厚度。

我們發(fā)現(xiàn)為了打孔具有低堿性含量或者沒有堿性含量的堿土硼鋁硅酸鹽玻璃，需要高得多的體積脈沖能量密度(uj/um³)(5-10倍)。這可以通過例如采用脈沖群激光(優(yōu)選具有至少2個(gè)脈沖/群)并且在堿土硼鋁硅酸鹽玻璃中提供約為0.05uj/um³或更高(例如，至少0.1uj/um³，例如，0.1-0.5μj/μm³)的體積能量密度來實(shí)現(xiàn)。

因此，優(yōu)選激光產(chǎn)生每個(gè)群具有至少2個(gè)脈沖的脈沖群。例如，在一些實(shí)施方式中，脈沖激光的功率為10-150w(例如，10-100w)，并且產(chǎn)生每個(gè)群至少2個(gè)脈沖的脈沖群(例如，2-25個(gè)脈沖/群)。在一些實(shí)施方式中，脈沖激光的功率為25-60w，并且每個(gè)群至少2-25個(gè)脈沖的脈沖群，以及由激光群產(chǎn)生的相鄰缺陷線之間的周期性或者間距為2-10um。在一些實(shí)施方式中，脈沖激光的功率為10-100w，產(chǎn)生每個(gè)群至少2個(gè)脈沖的脈沖群，以及工件和激光束相對(duì)于彼此位移的速率至少為0.25m/s。在一些實(shí)施方式中，工件和/或激光束相對(duì)于彼此位移的速率至少為0.4m/s。

例如，為了切割0.7mm厚的非離子交換康寧公司編號(hào)2319或者編號(hào)玻璃，觀察到3-7um的節(jié)距可以良好工作，脈沖群能量約為150-250uj/群，以及群脈沖數(shù)量為2-15，以及優(yōu)選地，節(jié)距為3-5um和群脈沖數(shù)量(每個(gè)群的脈沖數(shù)量)為2-5。

以1m/s的打孔速度(或切割速度)，eagle玻璃或者的打孔和/或切割，玻璃通常需要使用15-84w的激光功率，30-45w通常是足夠的。通常來說，對(duì)于各種玻璃和其他透明材料，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)10-100w的激光功率來實(shí)現(xiàn)0.2-1m/s的打孔和/切割速度是優(yōu)選的，對(duì)于許多玻璃而言，25-60w的激光功率是足夠(或最佳)的。對(duì)于0.4-5m/s的打孔和/或切割速度，激光功率應(yīng)該優(yōu)選為10-150w，群能量為40-750μj/群，2-25群每脈沖(取決于切割的材料)，以及缺陷線間距(或節(jié)距)為3-15μm或3-10μm。對(duì)于這些切割速度，使用皮秒脈沖群激光會(huì)是優(yōu)選的，因?yàn)樗麄儺a(chǎn)生了高的功率和所需的每個(gè)群的脈沖數(shù)量。因此，根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，脈沖激光產(chǎn)生10-100w的功率(例如25-60w)，以及產(chǎn)生至少2-25個(gè)脈沖/群的脈沖群，并且缺陷線之間的距離為2-15um；以及激光束和/或工件相對(duì)于彼此以至少0.25m/s的相對(duì)速度(在一些實(shí)施方式中，至少0.4m/s，例如，0.5-5m/s或更快)的速率移動(dòng)。

根據(jù)本文所述的一些實(shí)施方式，激光打孔或者缺陷(孔)形成是在強(qiáng)化和未強(qiáng)化玻璃兩者上進(jìn)行的。

用于上文所述示例的激光條件和材料打孔速度總結(jié)如下供參考。例如，在一些實(shí)施方式中，為了從玻璃基質(zhì)分離單體部件，在釋放線手動(dòng)施加作用力。作用力導(dǎo)致在打孔線(缺陷線)處發(fā)生破裂，裂紋沿著斷層線擴(kuò)展最終使得從玻璃基質(zhì)分離出形狀。

到達(dá)錐棱鏡透鏡的輸入束直徑，約2mm

錐角＝10度

初始校準(zhǔn)透鏡焦距＝125mm

最終物鏡焦距＝40mm

入射束會(huì)聚角＝12.75度

聚焦設(shè)定在零和10mm之間，每個(gè)軌跡以200微米步階變化。

75％完全功率的激光功率(約30瓦特)

激光的脈沖重復(fù)頻率＝200khz

3個(gè)脈沖/群

節(jié)距＝6微米

相同軌跡的多次通過

移動(dòng)工作站速度：12m/分鐘＝200mm/s

作為緊接上文所述工藝的替代形式，證實(shí)了采用失焦co2激光來幫助釋放部件(用于部件分離/單體化)的另一個(gè)實(shí)施方式。失焦co2激光跟著皮秒激光，隨其繪出所需輪廓(斷層線)，以實(shí)現(xiàn)從周圍基材基質(zhì)分離部件。通過失焦co2激光誘發(fā)的熱應(yīng)力足夠引發(fā)裂紋并使得裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致部件沿著經(jīng)斷層線限定的所需輪廓分離，從而從基材面板釋放具有形狀部件。對(duì)于該情況，發(fā)現(xiàn)如下光學(xué)和激光參數(shù)具有最佳結(jié)果：

皮秒激光

到達(dá)錐棱鏡透鏡的輸入束直徑，約2mm

錐角＝10度

初始校準(zhǔn)透鏡焦距＝125mm

最終物鏡焦距＝40mm

入射束會(huì)聚角＝12.75度

聚焦設(shè)定在零和10mm之間，每個(gè)軌跡以200微米步階變化。

75％完全功率的激光功率(約30瓦特)

激光的脈沖重復(fù)頻率＝200khz

3個(gè)脈沖/群

節(jié)距＝6微米

相同軌跡移動(dòng)工作站速度的多次激光焦線通過＝12m/分鐘＝200mm/s

co2激光

激光位移速度：130mm/s

激光功率＝100％

脈沖持續(xù)時(shí)間13微秒(95％負(fù)載循環(huán))

激光調(diào)制頻率20khz

激光束失焦為21mm

單次通過

除非另有表述，否則都不旨在將本文所述的任意方法理解為需要使其步驟以具體順序進(jìn)行。因此，當(dāng)方法權(quán)利要求實(shí)際上沒有陳述為其步驟遵循一定的順序或者其沒有在權(quán)利要求書或說明書中以任意其他方式具體表示步驟限于具體的順序，都不旨在暗示該任意特定順序。

對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見的是可以在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變動(dòng)。因?yàn)楸绢I(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到所述實(shí)施方式的融合了本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)的各種改良組合、子項(xiàng)組合和變化，應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明包括所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的全部內(nèi)容及其等同內(nèi)容。