激光切割复合材料玻璃制品和切割方法
【专利摘要】本发明涉及用于切割和分离透明材料特别是定制的复合材料熔合拉制玻璃片的薄基材的任意形状的方法，且本发明还涉及用所述方法制备的玻璃制品。开发的激光方法可定制用于手动从面板分离零件，或者通过对所需的轮廓施加热应力来进行完全激光分离。自发分离方法涉及利用超短脉冲激光，且可随后使用CO2激光(与高压空气流结合)，用于完全自动化分离。
【专利说明】激光切割复合材料玻璃制品和切割方法
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求下述的优先权:2013年12月17日提交的美国临时专利申请号61/917， 226,2014年07月11日提交的美国临时专利申请号62/023,322,和2014年10月31日提交的美 国专利申请号14/530244, W上各文的全部内容通过引用纳入本文。
[000；3]背景
[0004] 材料的激光加工领域包括各种应用和不同种类的材料，该应用设及切割、钻孔、研 磨、焊接、烙融等。在运些应用中，人们特别感兴趣的一种应用是切割或分离不同类型的基 材，例如多层复合材料烙合拉制的玻璃基材。
[0005] 从工艺开发和成本角度看，有许多机会来改善复合材料玻璃基材的切割和分离。 提供比当今市场中所实施的更快、更干净、更便宜、更可重复和更可靠的玻璃分离方法是非 常有意义的。在几种替代技术中，已使用不同方法成功地验证了激光分离。所述技术包括： 1)实际地除去在所需的零件(或多个零件)的边界之间的材料和其基材基质;2)在材料的本 体之内形成缺陷，W沿着所需轮廓的周界弱化材料或为材料接种裂纹引发点，然后进行辅 助的破碎步骤;和3)通过热应力分离使得初始裂纹扩展。与竞争性技术(机械划割和破裂， 高压水喷射和超声研磨等)相比，运些激光切割过程证明了潜在的经济和技术优势，例如精 确性、良好的边缘精磨和低残留应力。
[0006] 然而，仍然需要改善的用于切割和分离多层复合材料烙合拉制的玻璃基材的方 法。
[0007] 概述
[000引本发明设及制备具有精磨(finished)边缘的切割复合材料玻璃制品，W及使用一 种或多种激光切割所述制品的方法。
[0009] 在一种实施方式中，一种激光加工烙合形成的玻璃复合材料工件的方法包括将脉 冲激光束聚集成沿着束传播方向取向且引导进入所述烙合形成的玻璃复合材料工件的激 光束聚焦线，所述激光束聚焦线在工件之内产生诱导吸收，且所述诱导吸收在所述工件之 内沿着激光束聚焦线产生缺陷线。所述方法还包括沿着轮廓使得工件和激光束相对于彼此 平移，由此在所述工件之内形成多个缺陷线，其中缺陷线W0.5微米-20微米的距离隔开。激 光束聚焦线可具有0.01mm-约100mm的长度。更优选地，聚焦线长度可为约0.1mm-约10mm。甚 至更优选地，激光束聚焦线具有约0.1mm-约1mm的长度。在材料处测量的脉冲激光束的平均 激光能量可大于40微焦耳/毫米材料厚度。在另一种实施方式中，用如上所述的方法制备玻 璃制品。
[0010] 在另一种实施方式中，玻璃制品包含玻璃复合材料，所述玻璃复合材料具有第一 表面、第二表面和至少一个边缘，所述至少一个边缘具有在所述第一表面和第二表面之间 延伸至少250微米的多个缺陷线。缺陷线中的每一个具有小于或等于约5微米的直径。玻璃 复合材料可为烙合形成的玻璃复合材料。相邻缺陷线的间隔可为0.1微米-20微米。所述玻 璃制品可包括3个层，最外面的层包含第一组合物，并具有热膨胀系数CTE1和厚度TH1;内层 在最外面的层之间，并包含不同于第一组合物的第二组合物，且具有热膨胀系数CTE2,和厚 度TH2;W及其中CTEl可大于CTE2。最外面的玻璃层可处于压缩应力下，且内层可处于拉伸 应力下，且TH2与TH1的比例可为4-20。玻璃制品可具有大于巧即白斯卡(M化）的内层中央张 力，且缺陷线可在边缘的全部厚度上延伸。边缘可具有小于约0.5微米的Ra表面粗糖度，且 边缘可具有最高达小于或等于约75微米深度的表面下损坏。
[0011]烙合形成的复合材料玻璃片和如下所述的激光切割方法的组合形成复合材料玻 璃制品，其具有优异的边缘强度、4点弯曲强度和含可忽略的碎片的表面精磨W及对零件边 缘的极小的损坏（由此保留强度）。
[0012] 本发明延伸至：
[0013] -种激光加工烙合形成的玻璃复合材料工件的方法，所述方法包括：
[0014] 将脉冲激光束聚焦成沿着束传播方向取向并引导进入烙合形成的玻璃复合材料 工件的激光束聚焦线，所述激光束聚焦线在所述工件之内产生诱导吸收，且所述诱导吸收 在工件之内沿着激光束聚焦线产生缺陷线;和
[0015] 沿着轮廓使得工件和激光束相对于彼此平移，由此在所述工件之内形成多个缺陷 线，其中缺陷线W0.5微米-20微米的距离隔开。
[0016] 本发明延伸至：
[0017] -种玻璃制品，其包括:玻璃复合材料，所述玻璃复合材料具有第一表面、第二表 面和至少一个边缘，所述至少一个边缘具有在所述第一表面和第二表面之间延伸至少250 微米的多个缺陷线，所述缺陷线各自具有小于或等于约5微米的直径。
[001引附图简要说明
[0019] 根据下文对如在附图中所示的示例实施方式的更具体的描述，上述内容将变得显 而易见，在附图中在全部不同的视图中相同的附图标记表示相同的部分。附图不必按比例 绘制，相反重点是显示示例性实施方式。
[0020] 图1显示复合材料玻璃片。
[0021] 图2A和2B显示设置激光束聚焦线，W及沿着激光束聚焦线在诱导的非线性光学吸 收i区域中形成缺陷线。
[0022] 图3A显示根据一种实施方式的用于激光加工的光学组装件。
[0023] 图3B1到3B4显示通过相对于基材或工件不同地设置激光束聚焦线来加工基材的 各种可能性。
[0024] 图4显示用于激光加工的光学组装件的第二实施方式。
[0025] 图5A和5B显示用于激光加工的光学组装件的第Ξ实施方式。
[0026] 图6示意性地显示用于激光加工的光学组装件的第四实施方式。
[0027] 图7A-7C显不用于材料的激光加工的不同激光强度状况(regime)。图7A显不未聚 焦的激光束，图7B显示使用球形透镜浓缩的激光束，且图7C显示用轴棱锥或衍射菲涅耳 (化esnel)透镜浓缩的激光束。
[0028] 图8A显示用于皮秒激光器的激光发射随时间的变化。每一发射的特征包括脉冲 "群"，其可包含一个或多个子脉冲。显示了对应于脉冲持续时间、脉冲之间的间隔W及脉冲 群之间的间隔的时间。
[0029] 图8B是直线切割的0.7mm厚康宁（Corning)2320NI0X(非离子交换的）厚基材带材 的边缘图象。
[0030] 图9是根据本发明的烙合形成的玻璃复合材料切割的边缘图象。
[0031] 图10显示复合材料玻璃片，其具有计划用来提取的制品。
[0032] 图11显示分离的复合材料玻璃制品，其具有孔和狭缝。
[0033] 图12的图表显示根据本发明的烙合形成的玻璃复合材料的边缘强度的图象，其显 示在酸蚀刻之前和之后的边缘强度结果。
[0034] 图13A-13C显示具有改性玻璃等距间隔柱的缺陷线。
[0035] 图14显示用于连续烙合玻璃制造法的现有玻璃切割方法，其使用机械或C〇2激光 划割。
[0036] 图15A显示在玻璃拉制时(on the glass化aw)的基于激光的玻璃切割方法，其中 使用水平激光切割从拉制分离玻璃板。
[0037] 图15B显示在玻璃拉制时的基于激光的玻璃切割方法，其中使用激光来切穿玻璃 片的高质量区域，并从拉制移出玻璃的高质量部分。
[0038] 图16显示通过在拉制高处切割球边(bead),并在拉制下部水平地切割片，来基于 激光的在拉制时切割玻璃。
[0039] 图17显示通过水平地切割W从拉制除去玻璃，然后使用独立地垂直切割来除去玻 璃球边，来基于激光在拉制时切割玻璃。
[0040] 图18显示离开拉制的情况下对玻璃进行基于激光的切割，W从片除去裁剪的或废 弃的玻璃。
[0041] 图19显示在拉制时的基于激光的切割工艺，其使用多阶段炉子将玻璃片保持在接 近玻璃退火点的溫度下。
[0042] 图20显示多阶段炉子，其构造成赋予在拉制时进行切割的玻璃片W规定的溫度冷 却分布。
[0043] 具体描述
[0044] 下面将描述示例实施方式。
[0045] 本文所述的实施方式设及用于切割和分离透明材料、特别是定制的复合材料烙合 拉制玻璃片的薄基材的任意形状的方法。材料应优选地对选定的激光波长是基本上透明的 (即，吸收小于约10%，优选地小于约1%/毫米的材料深度）。激光方法可定制用于手动从面 板分离零件，或者通过对所需的轮廓施加热应力来进行完全激光分离。自发分离方法设及 利用超短脉冲激光，且可随后使用C〇2激光(与高压空气流结合），用于完全自动化分离。
[0046] 切割的目标是提供从复合材料玻璃的薄基材精确地切割和分离具有和不具有内 部孔或狭缝的任意形状制品。所述方法W可控方式分离零件，且具有可忽略的碎片、极少的 缺陷和对分离的零件边缘的较低的表面下损坏。极少的缺陷和在分离的零件边缘处的较低 表面下损坏保留零件强度，且防止零件在受到外部冲击时失效。激光方法非常适用于对选 定的激光波长是透明的材料。使用片厚度为0.7-1.2毫米的复合材料片来演示切割方法，但 设想了任意厚度的复合材料片都可使用本发明的方法进行切割。
[0047] 包含由切割过程导致的小微裂纹和材料改性且大致垂直于切割表面的表面下损 坏是玻璃或其它脆性材料的边缘强度的关注点。
[0048] 如本文所使用，表面下损坏指根据本发明的从基材或材料分离的零件或者进行激 光加工的材料的最大尺寸(例如，长度、宽度、直径）。因为激光缺陷从周界表面延伸，还可将 表面损坏看作从周界表面的最大深度，其中出现来自本发明激光加工的损坏。在本文中，可 将分离的零件的周界表面称作分离的零件的边缘或边缘表面。结构缺陷可为裂纹或空穴， 并表示机械弱点的点，其促进从基材或材料分离的零件的断裂或失效。通过使得表面下损 坏的尺寸最小化，本发明的方法改善了分离的零件的结构完整性和机械强度。
[0049] 可通过使用共焦显微镜在切割表面上观察来测量表面下损坏的深度，显微镜的光 学分辨率是几纳米。当在探测材料中裂纹时，忽略表面反射，裂纹出现为明亮的线。将显微 镜聚焦进入材料直到不再存在"闪烁"，W规则的间隔收集图象。通过寻找裂纹并透过玻璃 深度来追踪它们W获得表面下损坏的最大深度(通常W微米为单位进行测量），来手动处理 图象。通常存在数W千计的微观裂纹，因此通常只测量最大的微裂纹。通常在切割边缘的约 5个位置上重复运个过程。虽然微裂纹大致垂直于切割表面，但用运种方法可能不能检测直 接垂直于切割表面的任何裂纹。
[0050] 使用本文所述的方法，使得表面下损坏最小化，并将其限制到边缘附近中较小的 区域。相对于边缘表面，可将表面下损坏限制到下述深度:小于或等于100微米，小于或等于 75微米，小于或等于60微米，小于或等于50微米，且切割可只产生较少的碎屑。在本文中，使 用根据本发明的激光切割透明材料也可称作钻孔或激光钻孔或激光加工。
[0051] 激光方法的基础步骤是形成开裂线，其描绘所需零件形状，且形成用于裂纹扩展 的具有最低阻力的路径，并因此对从其周围基材基质分离和拆分所述成形的零件具有最低 阻力。开裂线由用激光形成的一系列的紧密间隔的缺陷线(本文中也称作穿孔、孔或损坏痕 迹)组成。可调节和构造激光分离方法来实现从原始的基材手动或机械分离、部分分离或完 全分离具有所需形状的玻璃零件。
[0052] 在第一步中，用超短脉冲激光束福射待加工的材料(例如物品或工件），该脉冲激 光束浓缩成高长径比线状聚焦(在本文中称作激光束聚焦线），其穿过基材。在运个高能量 密度激光福射体积之内，通过非线性效应来改性材料。应特别指出的是，需要在高于临界阔 值的光学强度下来诱导非线性吸收。在低于运个临界强度阔值的情况下，材料对激光福射 是透明的，且仍然处于其原始状态。通过在所需的线或路径上扫描激光，我们形成由一系列 缺陷线组成的开裂线(几微米宽）。开裂线限定待在后续的加工步骤中分离的零件的周界或 形状。
[0053] 基于在包括烙合形成的玻璃复合材料工件的透明材料中诱导非线性吸收的能力， 来预测激光源的选定。非线性吸收包括多光子吸收(MPA)dMPA是同时吸收多个(两个或更多 个)相同或不同频率的光子，从而将材料从较低能态(通常是基态)激发到较高能态(激发 态）。激发态可为激发的电子态或离子化态。材料的较高和较低能态之间的能量差异等于所 述两个或更多个光子的能量之和。MPA是非线性过程，其通常比线性吸收更弱几个数量级。 其与线性吸收的不同之处在于MPA的强度取决于光强度的平方或更高的幕，因此使得其是 非线性光学过程。在常规光强度下，MPA可忽略。如果光强度(能量密度)极高(在临界阔值W 上），例如在含本文所述的激光束聚焦线的激光源(特别是脉冲激光源）的聚焦区域中，MPA 变得可观并在材料中在其中光源的能量密度足够高的区域中，导致可测量的效应。在聚焦 区域之内，能量密度还可高到足W导致离子化。
[0054] 在原子水平，单独的原子的离子化具有离散的能量要求。玻璃中常用的几种元素 (例如Si,化，K)具有较低的离子化能（~5eV)。在没有MPA现象的情况下，需要在约248纳米 波长来在~5eV下形成线性离子化。有MPA时，能量相隔~5eV的态之间的离子化或激发可使 用长于248纳米的波长来实现。例如，波长为532纳米的光子的能量是~2.33eV，因此例如在 双光子吸收(TPA)中，两个波长为532的光子可诱导能量相隔能量约为4.66eV的态之间的转 变。因此，例如可在材料的区域中选择性地激发或离子化原子和键，其中激光束的能量密度 高到足W例如诱导具有一半所需激发能量的激光波长的非线性TPA。
[0055] MPA可导致激发的原子或键与相邻原子或键的局部重构和分离。键接或构造中的 所得改性可导致非热烧蚀，并从发生MPA的材料区域除去物质。物质的运种除去形成结构缺 陷(例如缺陷线、损坏线或"穿孔"），其机械地弱化材料，并使得它在施加机械应力或热应力 时更容易形成裂纹或断裂。通过控制穿孔的设置，可精确地限定裂纹形成所沿着的轮廓或 路径，并可实现精确地微加工材料。由一系列穿孔限定的轮廓可看作开裂线，并对应于材料 中结构弱化的区域。在一种实施方式中，微加工包括用激光从加工的材料分离零件，其中所 述零件具有由穿孔的封闭轮廓决定的精确限定的形状或周界，其通过由激光诱导的MPA效 应来形成。如本文所使用，术语封闭的轮廓指由激光线形成的穿孔路径，其中所述路径在某 些位置与其自身相交。内部轮廓是一种形成的路径，其中所得形状完全被材料的外部部分 环绕。
[0056] 优选的激光是超短脉冲激光(脉冲持续时间在几十皮秒的量级或更短），其可W脉 冲模式或脉冲群模式操作。在脉冲模式中，从激光器发射一系列标称相同的单一脉冲，并引 导至工件。在脉冲模式中，通过脉冲之间的时间间隔来决定激光的重复率。在脉冲群模式 中，从激光器发射脉冲的脉冲群，其中每一脉冲群包括两个或更多个脉冲(具有相同或不同 的幅度）。在脉冲群模式中，脉冲群之内的脉冲通过第一时间间隔（其限定脉冲群的脉冲重 复率)隔开，且脉冲群通过第二时间间隔(其限定脉冲群重复率)隔开，其中第二时间间隔通 常比第一时间间隔长得多。如本文所使用(无论是在脉冲模式或脉冲群模式的情况下），时 间间隔指脉冲或脉冲群的相应部分(例如，前沿到前沿，峰到峰，或后沿到后沿)之间的时间 差异。通过激光器的设计来控制脉冲和脉冲群重复率，且通常在极限之内可通过调节激光 器的操作条件来进行调节。典型的脉冲和脉冲群重复率是曲Z到mHz范围。
[0057] 激光脉冲持续时间（在脉冲模式中或用于在脉冲群模式中的脉冲群之内的脉冲） 可为小于或等于秒，或小于或等于10^11秒，或小于或等于?0-?2秒，或小于或等于i(ru 秒。在本文所述的示例性实施方式中，激光脉冲持续时间大于?0-?5。
[0058] 可通过控制激光和/或基材或堆叠件的移动W控制基材或堆叠件相对于激光的速 度，来隔开和精确设置穿孔。例如，在暴露于100曲Ζ的系列脉冲(或脉冲群)且W200毫米/秒 的速度移动的薄的透明基材中，单个脉冲将相隔2微米W形成相隔2微米的一系列的穿孔。 运个缺陷线（穿孔)间隔近到足W沿着有该系列穿孔限定的轮廓实现机械分离或热分离。沿 着开裂线方向的相邻缺陷线之间的距离可为例如0.25微米-50微米，或0.50微米-约20微 米，或0.50微米-约15微米，或0.50微米-10微米，或0.50微米-3.0微米或3.0微米-10微米。
[0059] -旦形成具有垂直缺陷的开裂线，可通过下述方式来进行分离：1)在开裂线上或 周围的手动或机械应力;应力或压力应形成张力，其将开裂线的两侧牵拉开，并打碎仍然连 接在一起的区域;2)使用热源来绕着开裂线形成应力区域，从而使垂直缺陷线处于张力中， 并诱导部分的或全部的自发分离。在两种情况下，分离都取决于加工参数中的几个，例如激 光扫描速度、激光功率、透镜参数、脉冲宽度、重复率等。
[0060] 可用多层烙合拉制系统来制备烙合形成的玻璃复合材料片。如图1所示，复合材料 由在忍层的每一表面上的至少一个外部包覆层组成。在本文中，包覆层也称作外层或最外 层，忍层也称作内层。在一种实施方式中，玻璃复合材料具有忍层，所述忍层是中等到高热 膨胀系数(CTE)玻璃，而外层是低CTE玻璃。基于忍层和包覆层之间的组成差异，片具有天然 存在的具有预先施加应力的中央忍。运种复合材料片常常难W在不损坏的情况下切割和分 离成可用的零件。此外，在分离的零件之内形成内部开口（例如，狭缝或孔)可能较困难。
[0061] 本发明设及从复合材料玻璃片，例如如图1所示的具有定制的忍区域和包覆区域 的那些，分离零件(本文中也称作制品）。忍玻璃和包覆玻璃的代表性组成如下所述:包覆层 是玻璃组合物，其包含约60摩尔％ -约66摩尔％ Si化；约7摩尔％-约10摩尔％ Al2〇3;约14摩 尔％-约18摩尔％B2化;和约9摩尔％-约16摩尔％碱±金属氧化物，其中碱±金属氧化物至 少包含化0且化0W约3摩尔％-约12摩尔％的浓度存在于玻璃组合物中；W及其中所述玻璃 组合物基本上不含碱金属和含有碱金属的化合物。具体的包覆层玻璃组合物参见表1。
[0062] 表1:包覆玻璃组合物
[0063]
[0064] 代表性忍玻璃组合物包含:约60摩尔％-约75摩尔％ Si化，约2摩尔％-约11摩尔％ Al203,0摩尔％-约ll摩尔％B203,0摩尔％-约l摩尔％Na20，约l摩尔％-约18摩尔％K20,0摩 尔％-约7摩尔％Mg0,0摩尔％-约9摩尔％Ca0，约l摩尔％-约8摩尔％Sr0,0摩尔％-约4摩 尔％8曰0,和约3摩尔％-约16摩尔％R'0,其中R'O包含组合物中Mg0、Ca0、Sr0和BaO的摩尔％ 之和。具体的忍玻璃组合物参见表2。
[00化]表2:忍玻璃组合物 [0066]
[0067]
[0068] 使用如下所述的方法，实现对如图1所示的烙合形成的玻璃复合材料片的激光钻 孔和分离。
[0069] 激光切割方法依赖于对在线性状况中或较低激光强度下的激光波长的材料透明 度，其实现保持高表面质量，且依赖于减少的表面下损坏，该表面下损坏由围绕激光聚焦的 高强度区域形成。例如，通过使用本文所述的方法，工件边缘可具有最高达小于或等于约75 微米深度的表面下损坏。实现运个过程的关键因素之一是用超短脉冲激光形成的缺陷的高 长径比。它使得形成从待切割材料的顶部表面延伸到底部表面的缺陷线。原则上，缺陷线可 通过单一脉冲或脉冲的单一脉冲群来形成，如有需要，可使用额外的脉冲或脉冲群来形成 缺陷线或增加受影响区域的程度(例如，深度和宽度）。
[0070] 切割和分离透明材料的方法主要基于使用超短脉冲激光在待加工的材料中形成 开裂线，其中开裂线由一系列缺陷线组成，其设置成限定待从材料分离的零件的所需的周 界。取决于材料性质（吸收性，CTE，应力，组成等)和选定用于加工材料的激光参数，只形成 开裂线可足W诱发自发分离。在运种情况下，无需辅助的分离过程，例如张力/弯曲力，加热 或C〇2激光。
[0071] 在一些情况下，沿着由一系列穿孔或缺陷线限定的轮廓形成的开裂线不足W自发 地分离零件，可能需要辅助步骤。如需要运样，例如可使用第二激光来形成热应力W分离零 件。在烙合形成的玻璃复合材料的情况中，我们发现在形成开裂线W后可通过下述方式来 实现分离:施加机械力或使用C〇2激光来形成热应力W实施零件的分离。另一种选择是只用 0)2激光来启动分离，然后手动地完成分离。使用在10.6微米下发射的散焦CW激光和使用通 过控制其占空度调节的功率，来实现任选的C〇2激光分离。通过改变光斑尺寸，聚焦变化 (即，散焦范围）用于改变诱导的热应力。散焦激光束包括产生下述光斑尺寸的激光束:该光 斑尺寸大于在激光波长尺寸量级上的最小、衍射限制的光斑尺寸。例如，对于C〇2激光可使 用约7毫米、2毫米和20毫米的散焦光斑尺寸，考虑到10.6微米的发射波长，例如它的衍射限 制的光斑尺寸小得多。
[0072] 存在几种方法来形成缺陷线。形成线状聚焦的光学方法可具有多种形式，使用圆 环状激光束和球形透镜，轴棱锥透镜，衍射元件，或其它方法来形成高强度的线性区域。只 要在基材材料或烙合形成玻璃复合材料工件的聚焦的区域中达到足W通过非线性光学效 应来形成基材或工件材料的分解的光学强度，激光的类型(皮秒，飞秒等)和波长(IR，绿色， UV等)也可改变。
[0073] 在本发明中，使用超短脉冲激光W-致的、可控的和可重复的方式来形成高长径 比的垂直缺陷线。实现形成运种垂直缺陷线的光学装置的细节如下所述，且还参见2013年1 月15日提交的美国专利申请号61/752,489, W上各文的全部内容通过引用纳入本文。运个 概念的本质是在光学透镜组装件中使用轴棱锥透镜元件，从而使用超短(皮秒或飞秒持续 时间）Bessel束来形成高长径比的、不逐渐减小的微观通道区域。换句话说，轴棱锥在基材 材料中将激光束浓缩成圆筒形状和高长径比(较长的长度和较小的直径)的高强度区域。因 为使用浓缩的激光束形成高强度，出现激光的电磁场和基材材料的非线性相互作用，并将 激光能量转移到基材，从而形成缺陷，所述缺陷变成开裂线的组成。但是，应特别指出的是， 在激光能量强度不高的材料区域中（例如环绕中央汇聚线的基材玻璃体积），材料对激光是 透明的，且不存在将能量从激光转移到材料的机理。结果，当激光强度低于非线性阔值时， 玻璃或工件没有发生任何事情。
[0074] 转向图2A和2B，激光加工材料的方法包含将脉冲激光束2聚焦成沿着束传播方向 取向的激光束聚焦线化。激光束聚焦线2b可通过多种方法来形成，例如Bessel束、Ai巧束、 Weber束和Mathieu束（即，非衍射性束），它们的场轮廓通常通过专用函数给出，与Gaussian 函数相比，它们在横向方向（即，传播方向）衰减更慢。如图3A所示，激光器3(未显示)发射激 光束2,其具有入射到光学组装件6的部分2a。在输出侧上，沿着束方向在限定的膨胀范围上 (聚焦线的长度1)，光学组装件則尋入射激光束转变成激光束聚焦线化。平坦基材1设置在束 路径中，从而至少部分地与激光束2的激光束聚焦线2b重叠。因此，将激光束聚焦线引导进 入基材。分别地，附图标记la表示朝向光学组装件6或激光的平坦基材的表面，附图标记化 表示基材1的逆向（远端)表面。基材或工件厚度(在该实施方式中，垂直于平面la和Ib，即垂 直于基材平面测量）用d标记。例如，基材或工件还可称作材料，且可为对激光束2的波长是 基本上透明的玻璃制品。
[0075] 如图2A所示，基材1(或烙合形成的玻璃复合材料工件)基本上垂直于纵向束轴对 齐，因此在由光学组装件6产生的相同的聚焦线化后面(基材垂直于附图平面）。聚焦线沿着 束方向取向或对齐，相对于聚焦线化设置基材使得聚焦线化从基材的表面la之前开始并在 基材的表面lb之前结束，即聚焦线2b在基材之内终止且不延伸超出表面lb。在激光束聚焦 线化与基材1的重叠区域中，即在被聚焦线化覆盖的基材材料中，激光束聚焦线化产生(假 设沿着激光束聚焦线化形成合适的激光强度，该强度通过激光束2在长度1部分上的聚焦即 长度1的线状聚焦来确保)部分2c(沿着纵向束方向对齐），且沿着部分2c在基材材料中产生 诱导非线性吸收。诱导非线性吸收沿着部分2c在基材材料中形成缺陷线。
[0076] 缺陷线是在基本上透明材料中的微观的（例如直径〉100nm且<0.5微米)细长"孔" (本文中也称作穿孔或损坏痕迹），其通过使用一个或多个高能脉冲或一个或多个高能脉冲 的脉冲群来形成。穿孔表示被激光改变的基材材料的区域。激光诱导的改性打乱基材材料 的结构，并构造机械弱点的位点。结构打乱包括材料的密实化、烙融、移动，重排和键合裂 开。穿孔延伸进入基材材料内部，并具有与激光的横截面形状(通常是圆形)一致的横截面 形状。穿孔的平均直径可为0.1微米-50微米，或1微米-20微米，或2微米-10微米，或0.1微 米-5微米。在一些实施方式中，穿孔是"通孔"，其是从基材材料的顶部延伸到底部的孔或开 口通道。在一些实施方式中，穿孔可不是连续地开放的通道，且包括用激光从基材材料移出 的固体材料部分。移出的材料堵塞或部分堵塞由穿孔限定的空间。在移出材料的部分之间 可分散一个或多个开放通道(未堵塞的区域）。开放通道的直径可为<l〇〇〇nm,或<500nm, 或<400nm,或<300nm或为10nm-750nm，或100nm-500nm。在本文所述的实施方式中，环绕孔 的材料的打乱的或改变的区域(例如实密化的、烙融的或W其它方式改变的）优选地具有< 50微米(例如，< 10微米)的直径。
[0077] 例如，单个穿孔可W几百千赫(几十万个孔眼/秒)的速率来形成。借助激光源与材 料之间的相对移动，可将运些穿孔邻近彼此设置（空间间距根据需要从亚微米变化到几微 米或甚至几十微米）。可选定运种空间间距(节距），W促进材料或工件的分离。在一些实施 方式中，缺陷线是"通孔"，其是基本上从透明材料的顶部延伸到底部的孔或开口通道。缺陷 线的形成不是局部的，而是在诱导吸收的部分2c的全部长度上延伸。部分2c的长度(其对应 于激光束聚焦线化与基材1重叠的长度）用附图标记L标记。诱导吸收2c的部分(或基材1材 料中经历形成缺陷线的部分）的平均直径或范围或附图标记D标记。运种平均范围D基本上 对应于激光束聚焦线2b的平均直径δ，即约0.1微米-约5微米的平均光斑直径。Bessel束的 光斑直径D可书写成D = (2.4048λ)/(2地），其中λ是激光束波长，B是轴棱锥角的函数。
[007引如图2Α所示，因为沿着聚焦线化的诱导吸收，加热基材材料(对激光束2的波长λ是 透明的），其源自与聚焦线化之内的激光束的高强度相关的非线性效应(例如，双光子吸收， 多光子吸收）。图2Β显示加热的基材材料最终发生膨胀，从而相应的诱导张力导致形成微观 裂纹，且在表面la处张力最大。
[0079] 下面描述了可用来产生聚焦线化的代表性光学组装件6, W及其中可应用运些光 学组装件的代表性光学装置。所有组装件或装置基于上述，从而相同的附图标记用于相同 的组件或特征或功能上等同的那些。因此，下面只描述不同之处。
[0080] 为了确保沿着分离零件进行分离的分离零件表面的高质量(设及破碎强度、几何 精确性、粗糖度和避免再次加工的要求），在基材表面上沿着分离线设置的单个聚焦线应使 用如下所述的光学组装件来产生（下文中，光学组装件也可称作激光光学器件）。分离表面 (或切割边缘）的粗糖度主要由聚焦线的光斑尺寸或光斑直径决定。例如，表面的粗糖度可 通过由ASME B46.1标准限定的Ra表面粗糖度参数来表征。如ASME B46.1所述，Ra是在评估 的长度之内记录的表面轮廓高度偏离平均线的绝对值的算术平均值。换句话说，Ra是表面 的单个特征(峰和谷)相对于平均值的一组绝对高度偏差的平均值。
[0081] 在激光3(与基材1材料相互作用）的给定波长λ的情况下，为了获得例如0.5微米-2 微米的较小的光斑尺寸，通常必须对激光光学器件6的数值孔径施加某些要求。运些要求通 过如下所述的激光光学器件6来满足。
[0082] 另一方面，为了获得所需的数值孔径，光学器件必需设置成需要用于给定焦距的 开口，根据已知的Abb自公式(Ν.Α. =nsin(目），η:待加工的玻璃或复合材料工件的折射率，目： 孔径角的一半；且目= arctan(DL/2f);化:光圈直径，f:焦距）。另一方面，激光束必须照射最 高达所需的孔径的光学器件，运通常通过在激光和聚焦光学器件之间使用宽化望远镜的束 扩展来实现。
[0083] 为了沿着聚焦线的均匀的相互作用，光斑尺寸变化不应太大。例如，运可通过下述 来确保(参见下文的实施方式）：只在较小的圆形区域照射聚焦光学器件，从而束开口和因 此数值孔径的百分比只稍微发生变化。
[0084] 根据图3A(垂直于基材平面且在激光福射2的激光束簇中的中央束处的截面;运 里，激光束2也垂直地入射到基材平面，即入射角目是0°，从而聚焦线化或诱导吸收2c的部分 平行于基材法向），由激光器3发射的激光福射2a首先引导至圆形光圈（apedure)8上，其对 所用的激光福射是完全不透明的。使光圈8取向成垂直于纵向束轴并在所示束簇2a的中央 束上居中。选定光圈8的直径，使得靠近束簇2a的中屯、的束簇或中央束(运里用2aZ标记)撞 击光圈，并被其完全吸收。因为与束直径相比光圈尺寸下降，所W只有在束簇2a外周范围的 束(边际射线，运里用2aR标记)没有被吸收，而是从侧边通过光圈8并撞击光学组装件6的聚 焦光学元件的边际区域，在该实施方式中，所述光学组装件6的聚焦光学元件设计成球形切 割的、双凸透镜7。
[0085] 如图3A所示，激光束聚焦线2b不是激光束的单一焦点，而是用于激光束中不同射 线的一系列焦点。所述系列焦点形成具有限定长度(在图3A中显示为激光束聚焦线2b的长 度1)的细长聚焦线。
[0086] 透镜7在中央束上居中，且设计成常用球形切割透镜形式的非校准的双凸聚焦透 镜。运种透镜的球形偏差可为优选的。作为替代，还可使用偏离理想的校准系统的非球形或 多透镜系统，其不形成理想的焦点而是形成具有限定长度的不同的细长聚焦线（即，没有单 一焦点的透镜或系统）。透镜的区域因此沿着聚焦线2b聚焦，受制于与透镜中屯、的距离。越 过束方向的光圈8的直径约为束簇直径的90% (由束强度降低到最大强度的1/e2所需的距 离来限定)且约为光学组装件6的透镜7直径的75%。因此，使用通过在中央阻断束簇而产生 的非色差校准球形透镜7的聚焦线化。图3A显示通过中央束的平面中的截面，且当所示的束 绕着聚焦线化旋转时，可看见完整的Ξ维簇。
[0087] 用图3A所示的透镜7和系统形成的运类聚焦线的一个潜在不足在于条件(光斑尺 寸、激光强度)可沿聚焦线变化(并沿着材料中所需的深度变化），因此所需类型的相互作用 (无烙融、诱导吸收、直至裂纹形成的热塑性变形)可能只在聚焦线的选定部分中发生。运进 而意味着可能只有一部分的入射激光由基材材料W所需的方式吸收。运样，可能会降低该 工艺的效率(用于所需分离速度的所需的平均激光功率），且激光还可能会传输进入不需要 的区域(粘合到基材的零件或层或者固定基材的固定件），并W不利的方式(例如，加热、扩 散、吸收、不想要的改性)与它们相互作用。
[0088] 图3B-1-4表明（不仅用于图3A中的光学组装件，而且还用于任何其它可应用的光 学组装件6)可通过下述来控制激光束聚焦线化的位置:合适地相对于基材1设置和/或对齐 光学组装件6W及合适地选定光学组装件6的参数。如图3B-1所示，可调节聚焦线2b的长度 1，使得它超出基材厚度d(运里是2倍）。如果将基材1设置成(沿纵向束方向观察)居中于聚 焦线化，那么在全部基材厚度上产生诱导吸收2c的部分。例如，激光束聚焦线化的长度1可 为约0.01mm-约100mm或约0.1mm-约10mm,或约0.1mm-约1mm。例如，各种实施方式可构造成 包括约 0.1mm, 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm, 0.7mm, 1mm, 2mm, 3mm 或 5mm 的长度 1。
[0089] 在图3B-2所示的情况中，产生长度1的聚焦线化，其或多或少对应于基材厚度d。因 为W线化在基材W外的点处开始的方式来相对于线化设置基材1，诱导吸收2c的部分(其从 基片表面延伸到限定的基材深度但没有到达逆向表面lb)的长度L小于聚焦线化的长度1。 图3B-3显示其中基材1(沿着垂直于束方向的方向观察)设置在聚焦线化的起始点上方的情 况，从而类似于图3B-2,线化的长度1大于基材1中诱导吸收2c的部分的长度L。因此，聚焦线 在基材之内开始，并延伸超出逆向（远端)表面lb。图3B-4显示其中聚焦线长度1小于基材厚 度d的情况，从而-在相对于聚焦线居中地设置基材且沿入射方向观察的情况下-聚焦线在 表面la附近从基材之内开始并在表面化附近在基材之内结束(例如1 = 0.75 · d)。
[0090] W下述方式来设置聚焦线化是特别优选的：表面la, lb中的至少一个被聚焦线覆 盖，从而诱导吸收2c的部分从基材的至少一个表面上开始。运样，能获得实质上理想的切 害d，同时避免在表面处烧蚀、羽化和颗粒化。
[0091] 图4显示另一可用的光学组装件6。基础构造与图3A所示相同，所W下面只描述不 同之处。所示的光学组装件基于使用非球形自由表面的光学器件，从而产生聚焦线化，其成 形为形成具有限定长度1的聚焦线。为此，可将非球面用作光学组装件6的光学元件。例如， 在图4中使用了所谓的锥形棱柱，其也称作轴棱锥。轴棱锥是特殊的、锥形切割的透镜，其在 沿着光学轴的线上形成光斑源(或者将激光束转换成环）。运种轴棱锥的布置是本技术领域 所公知的；在实施例中的锥角是10。°运里用附图标记9标记的轴棱锥的顶点朝向入射方向， 并在束中央上居中。因为由轴棱锥9产生的聚焦线化在其内部之内开始，可将基材1(运里与 主束轴垂直对齐)设置在束路径中且直接在轴棱锥9后面。如图4所示，因为轴棱锥的光学特 征，还可沿着束方向移动基材1，同时仍然在聚焦线化的范围之内。因此，在基材1的材料中 的诱导吸收2c的部分在全部基材深度d上延伸。
[0092] 但是，所示的布局受到下述限制：因为由轴棱锥9形成的聚焦线化的区域在轴棱锥 9之内开始，当在轴棱锥9和基材或玻璃复合材料工件材料之间存在间隔时，显著部分的激 光能量没有聚焦进入位于材料之内的聚焦线化的诱导吸收2c的部分。此外，通过轴棱锥9的 折射率和锥角，使聚焦线化的长度1与束直径相关。运是在较薄材料(在运种情况下几个毫 米)的情况下，总聚焦线比基材或玻璃复合材料工件厚度长得多的原因，其具有使大多数的 激光能量不聚焦进入材料的影响。
[0093] 为此，可能需要使用同时包含轴棱锥和聚焦透镜的光学组装件6。图5A显示运种光 学组装件6,其中将含设计成形成激光束聚焦线化的非球形自由表面的第一光学元件设置 在激光3的束路径中。在图5A所示的情况中，运个第一光学元件是锥角为5°的轴棱锥10,其 垂直于束方向设置并在激光束3上居中。轴棱锥的顶点朝着束方向取向。第二聚焦光学元件 (运里是平面-凸透镜11(其弯曲部分朝向轴棱锥取向））沿束方向设置，并与轴棱锥10相距 距离Z1。在运种情况下，距离Z1是约300mm，其W下述方式来选定:使由轴棱锥10形成的激光 福射在透镜11的外部径向部分上W圆形的方式入射。在限定长度(在运种情况下是1.5mm) 的聚焦线化上，透镜11在距离Z2(在运种情况下，与透镜11相距约20mm)处在输出侧上聚焦 该圆形福射。在该实施方式中，透镜11的有效焦距是25毫米。通过轴棱锥10对激光束进行的 圆形变换用附图标记S財示记。
[0094] 图5B详细显示根据图5A在基材1材料中形成聚焦线2b或诱导吸收2c。W下述方式 选定两元件1〇，11的光学特征W及它们的设置:在束方向上的聚焦线化的长度1与基材1的 厚度d精确地相同。结果，需要沿着束方向精确地设置基材1，从而聚焦线化的位置精确地在 基材1的两个表面la和化之间，如图5B所示。
[00%]因此，如果在离开激光光学器件一定距离形成聚焦线，W及如果将更大部分的激 光福射聚焦到所需的聚焦线端部，将是优选的。如本文所述，运可通过下述来实现:仅仅在 特定的外部径向区域上W圆形(环形）的方式照射主要聚焦元件11(透镜），运一方面用于获 得所要求的数值孔径和因此获得所要求的光斑尺寸，然而另一方面，在所需的聚焦线化之 后，在光斑中屯、中非常短的距离上，扩散的圆的强度下降，因为形成基本上圆形的光斑。通 过运样的方式，在所要求的基材深度的较短距离之内停止缺陷线形成。轴棱锥10和聚焦透 镜11的组合满足运个要求。轴棱锥W两种不同方式起作用：因为轴棱锥10, W环的形式将通 常为圆形的激光光斑发射到聚焦透镜11，且轴棱锥10的的非球形具有下述效果:超过透镜 的焦平面形成聚焦线，而不是在焦平面内的焦点上形成聚焦线。可通过轴棱锥上的束直径 来调节聚焦线2b的长度1。另一方面，可通过距离ZU轴棱锥-透镜间距）和通过轴棱锥的锥 角，来调节沿着聚焦线的数值孔径。运样，可在聚焦线中浓缩全部激光能量。
[0096]如果希望缺陷线的形成继续到基材背面，圆形(环形）照射仍然具有下述优势：（1) 最佳地使用激光功率，因为大多数的激光仍然在聚焦线的所要求的长度中浓缩和(2)能获 得沿着聚焦线的均匀的光斑尺寸-和因此获得沿着聚焦线的零件与基材的均匀分离-运是 由环形照明的区域W及通过其它光学作用设定的所需色差带来的。
[0097] 与图5A所示的平面-凸透镜不同，还可使用聚焦半月形透镜或另外的较高程度校 准的聚焦透镜(非球形的、多透镜系统）。
[0098] 为了使用图5A所示的轴棱锥和透镜的组合来产生非常短的聚焦线化，必需选定非 常小的在轴棱锥上入射的激光束的束直径。运具有实际的不足:将束居中到轴棱锥的顶点 上必须非常精确，结果对激光的方向变化(束漂移稳定性)非常敏感。此外，严格准直的激光 束非常分散的，即因为光晓曲，束簇在短距离上变得模糊。
[0099] 如图6所示，通过在光学组装件6中包括另一透镜(准直透镜12)，可避免运两种效 应。额外的正像(positive)透镜12用于非常紧密地调节聚焦透镜11的圆形照射。W下述方 式选定准直透镜12的焦距f'：所需的圆形直径化来自整体件与准直透镜12的距离Zla，其等 于f'。可通过距离Z化(准直透镜12到聚焦透镜11)来调节环的所需宽度br。作为纯几何学的 问题，较小的圆形照射的宽度导致较短的聚焦线。在距离f'处可获得极小值。
[0100] 因此，在图6中描述的光学组装件6基于图5A所示的光学组装件，因此下文只描述 不同之处。准直透镜12在本文中也设计成平面-凸透镜(其弯曲部分朝向束方向），将其额外 地居中设置在一侧上的轴棱锥1〇(其顶点朝向束方向）和在另一侧上的平面-凸透镜11之间 的束路径上。将准直透镜12与轴棱锥10的距离称作Zla，聚焦透镜11与准直透镜12的距离称 作Z化，和将聚焦线化与聚焦透镜11的距离称作Z2(总是沿束方向观察）。如图6所示，由轴棱 锥10形成的圆形福射SR在准直透镜12上发散地入射并具有圆直径化，可沿着距离nb将其 调节到所要求的圆形宽度br，使得至少在聚焦透镜11处形成近似恒定的圆直径化。在所示 的情况中，预期产生非常短的聚焦线2b，从而因为透镜12的聚焦性质（在该实施例中，圆直 径化是22mm)，将透镜12处约4mm的圆宽度br降低到透镜11处的约0.5mm。
[0101] 在所示实施例中，使用2mm的典型激光束直径、焦距f = 25mm的聚焦透镜11、焦距f ' =150mm的准直透镜，和选定距离Zla = Z化=140mm和Z2 = 15mm，能获得小于0.5mm的聚焦 线长度1。
[0102] 图7A-7C显示在不同激光强度状况下的激光-物质相互作用。在第一种情况下，如 图7A所示，未聚焦的激光束710穿过透明基材720且没有对所述透明基材720带来任何改性。 在运种特别的情况下，不存在非线性效应，因为激光能量密度(或激光能量/用激光束照射 的单位面积)低于诱导非线性效应所需的阔值。能量密度越高，电磁场的强度越高。因此，如 图7B所示，当用球形透镜730将激光束聚焦到更小的光斑尺寸(如图7B所示)时，照射的区域 减小，且能量密度增加，运引发非线性效应，所述非线性效应改性材料W允许只在满足条件 的体积中形成开裂线。运样，如果聚焦的激光的束腰部设置在基材表面，那么将发生表面的 改性。相反，如果聚焦的激光的束腰部设置在基材表面W下，当能量密度低于非线性光学效 应阔值时，在表面处不发生任何事情。但是在设置于基材720本体中的焦点740处，激光强度 高到足W引发多光子非线性效应，由此诱导对材料的破坏。最终，如图7C所示，在轴棱锥的 情况下(如图7C所示），轴棱锥750或替代的菲涅耳轴棱锥的衍射图案形成干设，所述干设产 生Bessel状的强度分布(高强度圆筒760)，且只有在运个体积中强度高到足W形成非线性 吸收和对材料720的改性。其中Bessel状的强度分布高到足W形成非线性吸收和对材料的 改性的圆筒760的直径，也是激光束聚焦线的光斑直径，如本文所述。Bessel束的光斑直径D 可表达成D = (2.4048λ) /(2地），其中λ是激光束波长，B是轴棱锥角的函数。
[0103] 激光和光学系统：
[0104] 为了切割烙合形成的玻璃复合材料工件，开发了一种方法，所述方法使用1064纳 米皮秒激光器W及形成线状聚焦束的光学器件来在玻璃复合材料中形成多行缺陷线。设置 最高达0.7毫米厚的玻璃复合材料，从而它在由光学器件产生的聚焦线的区域之内。使用长 度为约1毫米的聚焦线和在玻璃复合材料工件处测量的20〇ωζ(脉冲模式中约120微焦耳/ 脉冲，或脉冲群模式中约120微焦耳/脉冲群)重复率下大于或等于约24W的输出功率的皮秒 激光器，聚焦线区域中的光学强度可容易地高到足W在玻璃复合材料工件中形成非线性吸 收。在复合材料处测量的脉冲激光束的平均激光能量可大于40微焦耳/毫米材料厚度。运种 "平均激光能量"还可称作平均、每脉冲、线性能量密度或每激光脉冲平均能量/毫米材料厚 度。在玻璃工件之内形成损坏的、烧蚀的、蒸发的或W其它方式改变的材料的区域，其近似 遵循高强度的线性区域。
[0105] 超短(脉冲持续时间在几十皮秒的量级或更短)激光可W脉冲模式或脉冲群模式 操作。在脉冲模式中，从激光器发射一系列标称地相同的单一脉冲，并引导至基材。在脉冲 模式中，通过脉冲之间的时间间隔来决定激光的重复率。在脉冲群模式中，从激光发射脉冲 的脉冲群，其中每一脉冲群包括两个或更多个脉冲(具有相同或不同的幅度）。在脉冲群模 式中，脉冲群之内的脉冲通过第一时间间隔（其限定脉冲群的脉冲重复率)隔开，且脉冲群 通过第二时间间隔（其限定脉冲群重复率)隔开，其中第二时间间隔通常比第一时间间隔长 得多。如本文所使用(无论是在脉冲模式或脉冲群模式的情况下），时间间隔指脉冲或脉冲 群的相应部分(例如，前沿到前沿，峰到峰，或后沿到后沿)之间的时间差异。通过激光的设 计来控制脉冲和脉冲群重复率，且通常在极限之内可通过调节激光的操作条件来进行调 节。典型的脉冲和脉冲群重复率是曲巧Ij恤Ζ。激光脉冲持续时间化脉冲模式中或用于在脉 冲群模式中的脉冲群之内的脉冲)可为小于或等于秒，或小于或等于10^11秒，或小于或 等于10-?2秒，或小于或等于10-?3秒。在本文所述的示例性实施方式中，激光脉冲持续时间大 于10-化。
[0106] 具体来说，如图8Α所示，根据本文所述的选定实施方式，皮秒激光器形成脉冲500Α 的"脉冲群"500，有时也称作"群脉冲"。脉冲群是一种激光操作，其中脉冲发射不是均匀和 稳定的流，而是脉冲的紧密簇。每一"脉冲群"500可包含多个脉冲500Α(例如2脉冲，3脉冲，4 脉冲，5脉冲，10，15，20，或更多），其具有最高达100皮秒的非常短的持续时间Td(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 在它们之间）。脉冲持续时间通常是约1皮秒-约1000皮秒，或约1皮秒-约100皮秒，或约2皮 秒-约50皮秒，或约5皮秒-约20皮秒。单一脉冲群500之内的运些单独脉冲500A也可称作"子 脉冲"，其只是表示它们在出现在脉冲的单一脉冲群之内的事实。脉冲群之内每一激光脉冲 500A的能量或强度可与该脉冲群之内的其它脉冲的能量或强度不相同，且脉冲群500之内 多个脉冲的强度分布可遵循随时间的指数衰减，其由激光设计控制。优选地，在本文所述的 示例性实施方式中的脉冲群500之内的每一脉冲500A在时间上与所述脉冲群中的后续脉冲 相隔1纳秒-50纳秒的持续时间Τρ(例如10-50纳秒，或10-40纳秒，或10-30纳秒），且时间常 常由激光腔设计来控制。对于给定激光，脉冲群500之内每一脉冲之间的时间间隔Τρ(脉冲 到脉冲间隔）是较均匀的（± 10 % )。例如，在一些实施方式中，每一脉冲在时间上与后续的 脉冲相隔约20纳秒(50mHz脉冲重复频率）。例如，对于产生约20纳秒脉冲到脉冲间隔Τρ的激 光，将脉冲群之内的脉冲到脉冲间隔Τρ保持在约± 10%之内，或是约± 2纳秒。每一"脉冲 群"之间的时间（即，脉冲群之间的时间间隔Tb)将大得多，（例如，0.25《孔《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实施方式中，对于约200曲Z 的激光重复率或重复频率，Tb可为约5微秒。在本文中，激光重复率也称作脉冲群重复频率 或脉冲群重复率，且定义为脉冲群中第一脉冲到后续的脉冲群中第一脉冲之间的时间。在 其它实施方式中，脉冲群重复频率是约IMz-约4M化，或约IMz-约2M化，或约IMz-约 650kHz，或约lOkHz-约650曲Z。在每一脉冲群中的第一脉冲到后续脉冲群中第一脉冲之间 的时间Tb可为0.25微秒(4MHz脉冲群重复率)-1000微秒（1曲Z脉冲群重复率），例如0.5微秒 (2MHz脉冲群重复率)-40微秒(2化化脉冲群重复率），或2微秒(500曲Z脉冲群重复率)-20微 秒(50曲Z脉冲群重复率）。确切的时机、脉冲持续时间和重复率可根据激光设计和用户可控 的操作参数而改变。已证明具有高强度的短脉冲(Td<20皮秒，优选地Td《15皮秒)非常有用。
[0107] 改变材料所要求的能量可通过脉冲群能量-在脉冲群之内包含的能量(每一脉冲 群500包含一系列脉冲500A)来描述，或通过在单一激光脉冲之内包含的能量(其中的许多 可包含脉冲群)来描述。对于运些应用，能量/脉冲群(/毫米待切割的材料)可为10-2500微 焦耳，或20-1500微焦耳，或25-750微焦耳，或40-2500微焦耳，或100-1500微焦耳，或200- 1250微焦耳，或250-1500微焦耳，或250-750微焦耳。脉冲群之内的单个脉冲的能量更小，且 确切的单个激光脉冲能量取决于脉冲群500之内的脉冲500A的数目，W及激光脉冲随时间 的衰减速率(例如，指数衰减速率），如图8A所示。例如，对于恒定能量/脉冲群，如果脉冲群 包含10个单个激光脉冲500A，那么每个单个激光脉冲500A的能量将低于相同的脉冲群脉冲 500只具有2个单个激光脉冲时的能量。
[0108] 对于切割和改性透明材料例如玻璃而言，使用能产生运种脉冲群的激光是优选 的。与使用在时间上通过单一脉冲激光重复率隔开的单一脉冲相反，与使用单一脉冲激光 所能形成的相比，使用在脉冲群500之内的脉冲的快速序列上铺展激光能量的脉冲群脉冲 序列使得实现在更长的时间尺度上与材料的高强度相互作用。虽然单一脉冲可在时间上扩 展，但能量守恒表明，运样做时脉冲之内的强度必须下降，且下降倍数大约与脉冲宽度增加 倍数相同。因此，如果将10皮秒单一脉冲扩展到10纳秒脉冲，强度将下降大约3个数量级。运 种下降可能会将光学强度下降到其中非线性吸收不再显著的程度，且光材料相互作用不再 强烈到足W实现切割。相反，使用脉冲群脉冲激光时，在脉冲群500之内的每一脉冲或子脉 冲500A中的强度可仍然非常高-例如脉冲持续时间Td为10皮秒的3个脉冲500A在时间上通 过约10纳秒的间隔Τρ隔开时仍然使得每一脉冲之内的强度比约为单一 10皮秒脉冲高约3 倍，同时使得激光与材料在大Ξ个数量级的时间尺度上相互作用。因此，在脉冲群之内的多 个脉冲500Α的运种调节实现W下述方式操控激光-材料相互作用的时间尺度:所述方式可 促进更多或更少的与预先存在的等离子体羽流(plume)的光相互作用，更多或更少的光-材 料相互作用且材料的原子和分子已通过初始的或之前的激光脉冲进行预激发，W及材料之 内可促进缺陷线（穿孔)的受控生长的更多或更少的加热效应。改性材料所需的脉冲群能量 的量取决于基材材料组成和用来与基材相互作用的线状聚焦的长度。相互作用区域越长， 能量铺开的程度越大，则需要更高的脉冲群能量。
[0109] 当脉冲的单一脉冲群撞击玻璃上基本上相同位置时，在材料中形成缺陷线或孔。 即，单一脉冲群之内的多个激光脉冲可在玻璃中形成单一缺陷线或孔位置。当然，如果使玻 璃进行平移(例如通过恒定的移动台）或束相对于玻璃移动，脉冲群之内的单独脉冲不能精 确地在玻璃上相同的空间位置处。但是，它们彼此肯定在1微米之内-即它们在基本上相同 的位置撞击玻璃。例如，它们可在彼此相距间隔SP处撞击玻璃，其中0<sp《500纳米。例如， 当玻璃位置用20个脉冲的脉冲群撞击时，脉冲群之内的单独脉冲在彼此的250纳米之内撞 击玻璃。因此，在一些实施方式中lnm<sp<250nm。在一些实施方式中，lnm<sp<100nm。
[0110] 孔或损坏痕迹形成：
[0111] 如果基材具有足够的应力（例如，离子交换玻璃），那么零件将沿着由激光过程描 绘出的穿孔损坏的路径(开裂线）自发地进行分离。但是，如果基材没有大量固有的应力，那 么皮秒激光器只在复合材料工件中形成缺陷线（损坏痕迹）。运些缺陷线通常为孔的形式， 且内部尺寸(直径)是~0.5-1.5微米。
[0112] 缺陷线可穿过材料的全部厚度或不穿过材料的全部厚度，且可为连续或不连续的 在材料的全部深度上的开口。图8B显示缺陷线的示例，其在700微米厚2320NI0X基材工件的 全部厚度上穿孔。如图9所示，在烙合形成的玻璃组合物上观察到相似的效果。通过裂开的 边缘的侧面观察到缺陷线。通过材料的缺陷线不必然是通孔。可存在堵塞孔的玻璃的区域， 但玻璃尺寸通常较小，例如在微米量级。应指出在分离零件之后，沿着缺陷线进行断裂，从 而提供零件，所述零件具有含衍生自缺陷线的特征的周界表面(边缘）。在分离之前，缺陷线 通常是圆筒状。在分离零件之后，缺陷线断裂，且缺陷线的残余物在分离的零件的周界表面 的轮廓中是明显的。在理想的模型中，在分离时缺陷线对半裂开，从而分离的零件的周界表 面包括对应于一半圆筒的齿突起(serration)。实践中，分离可偏离理想模型，且周界表面 的齿突起可为原始缺陷线的形状的任意断裂。与具体形式无关，将周界表面的特征称作缺 陷线，W表明它们存在的来源。
[0113] 还可对包含堆叠的玻璃片的工件进行穿孔。在运种情况下，缺陷线长度需要长于 堆叠件高度。
[0114] 孔(缺陷线，穿孔)之间的横向间隔(节距）由当在聚焦的激光束下方平移基材时激 光的脉冲率决定。通常，只需要单一皮秒激光脉冲或脉冲群来形成一个完整的孔，但如有需 要，可使用多个脉冲或脉冲群。为了在不同节距形成孔，可激发激光来在更长或更短的间隔 灼烧。对于切割操作，激光激发通常与束下方的工件的平台驱动移动同步，从而激光脉冲W 固定间隔激发，例如每1微米或每5微米。例如在一些实施方式中，沿着开裂线方向的相邻穿 缺陷线之间的距离或周期性可为大于0.1微米且小于或等于约20微米。更优选地，间隔是 0.5-3.0微米。甚至更优选地，间隔可为0.5-1.0微米。在给定基材中的应力水平下，相邻缺 陷线之间的确切间隔由促进从穿孔到穿孔的裂纹扩展的材料性质决定。但是，与切割基材 不同，还可使用相同的方法来只对材料进行穿孔。在本文所述的的方法中，孔或缺陷线可相 隔较大的间隔(例如，大于或等于7微米的节距）。
[0115] 激光功率和透镜焦距(其决定聚焦线长度和因此决定功率密度)是确保完全穿透 玻璃和下表面W及表面下损坏的特别重要的参数。
[0116] -般来说，可用的激光功率越高，可在使用上述方法更快地切割材料。本文所述的 方法可W0.25米/秒或更快的切割速度来切割玻璃。切割速度是激光束相对于基材材料(例 如玻璃)的表面移动的速率，同时形成多个缺陷线孔。较高切割速度例如400毫米/秒，500毫 米/秒，750毫米/秒，1米/秒，1.2米/秒，1.5米/秒，或2米/秒，或甚至3.4米/秒-4米/秒常常 是所需的，从而使得用于制造的资金投资最小化，且优化设备利用率。激光功率等于激光的 脉冲群能量乘w脉冲群重复频率(重复率）。一般来说，为了 w较高切割速度切割玻璃材料， 缺陷线通常相隔1-25微米，在一些实施方式中，间隔优选地大于或等于3微米，例如3-12微 米，或例如5-10微米。
[0117] 例如，为了获得300毫米/秒的线性切割速度，3微米孔节距对应于具有至少100曲Z 脉冲群重复率的脉冲群激光。对于600毫米/秒切割速度，3微米节距对应于具有至少200曲Z 脉冲群重复率的脉冲群-脉冲激光。在200曲Z下产生至少40微焦耳/脉冲群并W600毫米/秒 切割速度切割的脉冲群激光需要具有至少8瓦的激光功率。更高的切割速度相应地需要更 高的激光功率。
[0118] 例如，在3微米节距和40微焦耳/脉冲群下的0.4米/秒的切割速度需要至少5W激 光，在3微米节距和40微焦耳/脉冲群下的0.5米/秒的切割速度将需要至少6W激光。因此，优 选地脉冲群PS激光的激光功率是6W或更高，更优选地至少8W或更高，和甚至更优选地至少 10W或更高。例如，为了获得在4微米节距(缺陷线间隔，或损坏痕迹间隔)和100微焦耳/脉冲 群下的0.4米/秒的切割速度需要至少10W激光，为了获得在4微米节距和100微焦耳/脉冲群 下的0.5米/秒的切割速度将需要至少12W激光。例如，为了获得在3微米节距和40微焦耳/脉 冲群下的1米/秒的切割速度将需要至少13W激光。还例如，在4微米节距和400微焦耳/脉冲 群下的1米/秒的切割速度将需要至少100W激光。
[0119] 缺陷线(损坏痕迹)之间的最佳节距和确切的脉冲群能量是取决于材料的，且可根 据经验决定。但是，应指出升高激光脉冲能量或W更密的节距制备损坏痕迹不总是使基材 材料更好地分离或具有改善的边缘质量的条件。缺陷线(损坏痕迹)之间的过小的节距(例 如<0.1微米，或在一些示例性实施方式中<1微米，或在其它实施方式中<2微米)有时会 抑制附近的后续缺陷线(损坏痕迹）的形成，且常常会抑制绕着穿孔轮廓的材料的分离。如 果节距过小，还导致玻璃之内的不想要的微裂纹化增加。过长的节距(例如，>50微米，W及 在一些玻璃中> 25微米或甚至> 20微米)可导致不受控的"微裂纹化"-即，微观裂纹不是沿 着预期的轮廓从缺陷线到缺陷线的扩展，而是沿着不同路径扩展，且导致玻璃沿着远离预 期轮廓的不同的（不希望的）方向形成裂纹。运会最终降低分离的零件的强度，因为残留的 微裂纹构成弱化玻璃的瑕疵。用于形成缺陷线的脉冲群能量过高（例如，>2500微焦耳/脉 冲群，和在一些实施方式中>500微焦耳/脉冲群)会导致之前形成的缺陷线的"愈合"或再 次烙融，运会抑制玻璃的分离。因此，优选地脉冲群能量是<2500微焦耳/脉冲群，例如，《 500微焦耳/脉冲群。此外，使用过高的脉冲群能量可导致形成极大的微裂纹，并形成可降低 分离之后的零件的边缘强度的结构缺陷。过低的脉冲群能量(例如<40微焦耳/脉冲群)可 导致在玻璃之内没有可观的缺陷线形成，并因此可必需使用特别高的分离力或导致完全不 能沿着穿孔的轮廓分离。
[0120] 使用运种方法能获得的典型的示例性切割速率(速度)是例如0.25米/秒和更高。 在一些实施方式中，切割速率是至少300毫米/秒。在一些实施方式中，切割速率是至少400 毫米/秒，例如，500毫米/秒-2000毫米/秒，或更高。在一些实施方式中，皮秒(PS)激光利用 脉冲群来产生缺陷线，其周期性是0.5微米-13微米，例如0.5微米-3微米。在一些实施方式 中，脉冲激光的激光功率是10W-100W，材料和/或激光束W至少0.25米/秒的速率相对于彼 此平移;例如W0.25米/秒-0.35米/秒，或0.4米/秒-5米/秒的速率。优选地，脉冲激光束的 每一脉冲群在工件处测量的平均激光能量大于40微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度。优选地， 脉冲激光束的每一脉冲群在工件处测量的平均激光能量大于小于2500微焦耳/脉冲群/毫 米工件厚度，优选地小于约2000微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度，且在一些实施方式中，小于 1500微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度;例如，不大于500微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度。
[0121] 我们发现需要高得多的（更高5-10倍）的体积脉冲能量密度(微焦耳/立方微米）， 来对不含碱金属或含较少碱金属含量的碱±棚侣娃酸盐玻璃进行穿孔。例如，运可通过下 述来实现:利用脉冲群激光(优选地具有至少2个脉冲/脉冲群），和在碱±棚侣娃酸盐玻璃 (具有很少碱金属或不含碱金属)之内提供大于或等于约0.05微焦耳/立方微米，例如至少 0.1微焦耳/立方微米，例如0.1-0.5微焦耳/立方微米的体积能量密度。
[0122] 因此，优选地激光产生具有至少2个脉冲/脉冲群的脉冲群。例如，在一些实施方式 中，脉冲激光的功率是10W-150W(例如，10W-100W)，并产生具有至少2脉冲/脉冲群(例如，2- 25脉冲/脉冲群）的脉冲群。在一些实施方式中，脉冲激光的功率是25W-60W，并产生具有至 少2-25脉冲/脉冲群的脉冲群，且用激光脉冲群产生的相邻缺陷线之间的周期或距离是2- 10微米。在一些实施方式中，脉冲激光的功率是10W-100W，其产生具有至少2脉冲/脉冲群的 脉冲群，且工件和激光束W至少0.25米/秒的速率相对于彼此平移。在一些实施方式中，工 件和/或激光束W至少0.4米/秒的速率相对于彼此平移。
[012引例如，为了切害do. 7毫米厚的非离子交换康宁代号2319或代号2320Gorilla'i''玻璃， 观察到3-7微米的节距可良好地凑效，且脉冲群能量是约150-250微焦耳/脉冲群，和脉冲群 脉冲数目是2-15，和优选地节距是3-5微米和脉冲群脉冲数目（脉冲数目/脉冲群)是2-5。
[0124] 在1米/秒切割速度下，切割EagleXG''玻璃通常需要利用15-84W的激光功率，且 30-45W常常已足够。一般来说，对于各种玻璃和其它透明材料而言，
【申请人】发现为了获得 0.2-1米/秒的切割速度，10W-100W的激光功率是优选地的，且25-60W的激光功率对于许多 玻璃就足够(或是最佳的）。对于0.4米/秒-5米/秒的切割速度，激光功率应优选地是10W- 150W，脉冲群能量是40-750微焦耳/脉冲群，2-25脉冲群/脉冲(取决于被切割的材料），缺陷 线间隔(节距)是3-15微米，或3-10微米。对于运些切割速度，使用皮秒脉冲群激光将是优选 的，因为它们产生高功率和所需的脉冲数目/脉冲群。因此，根据一些示例性实施方式，脉冲 激光产生10W-100W功率，例如25W-60W，并产生至少2-25脉冲/脉冲群的脉冲群，且缺陷线之 间的距离是2-15微米；W及激光束和/或工件相对于彼此W至少0.25米/秒，在一些实施方 式中至少0.4米/秒，例如0.5米/秒-5米/秒，或更快的速率平移。
[0125] 切割和分离板的形状：
[0126] 如图10所示，从更大的复合材料玻璃片形成具有或不具有孔或狭缝的制品是非常 需要的。图11显示示例性分离的复合材料制品，其具有用于功能按钮或用于待设置的扬声 器或麦克风的孔和狭缝。
[0127] 仅通过皮秒激光或通过皮秒激光和后续C〇2激光的组合来描绘开裂线，从而释放 周界和/或内部孔或狭缝。需特别指出的是，应小屯、地规划引入由散焦C〇2激光描绘的释放 线和路径，W避免问题，例如：
[0128] 避免同时发生的启动/停止设置。一般来说，移动台的缓慢加速/减速可足W形成 准时的应力源，其将在之后使零件形成裂纹或甚至粉碎零件。
[0129] 在描绘的轮廓上停止或"驻留"散焦C〇2激光或任意光斑-最常见地运可烙融表面 和/或形成微裂纹。应规划C〇2激光的路径，从而在待释放的轮廓W外启动和结束。
[0130] 示例性皮秒激光条件是：1064纳米波长，4脉冲/脉冲群，功率水平100%，200曲z重 复率。示例性C〇2激光条件是：10.6微米波长，20米/分钟下的2次激光通过(pass),焦距28.5 毫米，100 %功率，20kHz重复率下的17微秒脉冲。
[0131] 与刚用激光切割的片相比，通过酸蚀刻进一步加工提取的制品可得到非常高的边 缘强度制品。在一些情况下，刚切割的片的强度可足W用于特定应用，但对于许多应用而言 其通常需要具有更高的边缘强度。
[0132] 然后，对零件（制品）进行标准的酸蚀刻处理(例如，1.5M HF和0.9M此S化的溶液） W减少或完全除去由激光切割方法诱导的表面缺陷。然后，如图12所示，在韦布尔 (We化ull)图中对边缘强度数据作图，并与"刚切割(as-cutr的实施例进行对比。如从图12 可知，经过处理的制品现在可具有显著更高的强度值，高达650兆帕斯卡(MPa)。
[0133] 图13A-13C显示具有改性玻璃等距间隔柱的缺陷线的示例。
[0134] 拉制时切割玻璃
[0135] 机械划割和破裂是用于连续烙合玻璃制造法的传统玻璃切割方法。虽然较快(实 现1米/秒的直线切割），但就切割轮廓玻璃形状而言，它是高度受限的，因为对于运种应用 其变得极具挑战性，运是由缓慢的速度、玻璃边缘缺口化、高的切割边缘粗糖度等造成的。 运些应用需要多个研磨和抛光步骤来降低表面下损坏(SSD)，W及洗涂步骤，运不仅因更高 的资金要求和因较低产率造成的更高成本而增加工艺成本，而且简单地不能满足技术要 求。
[0136] 最近，已开发将二氧化碳(0)2)激光划割和破裂方法用于切割显示器玻璃组合物。 运种技术依赖于机械(或激光)裂纹引发，然后进行C〇2激光裂纹扩展。最常见地，将在10.6 微米波长下的C〇2激光福射用作精确热源，然后进行冷却剂喷射来形成热冲击，并沿着用C〇2 激光横贯的直线扩展裂纹。运种方法的困难在于不能成功地控制和扩展运种裂纹，特别是 沿着轮廓控制和扩展运种裂纹。虽然对于有些应用，通过机械或激光划割和破裂技术的直 线切割可良好地凑效，但仍然持续地需要高度精确的、清洁的和柔性的玻璃切割解决方案。
[0137] 机械和C〇2划割的困难的示例之一是液晶显示器化CD)玻璃烙合法。在LCD烙合法 中，形成薄的平坦玻璃的连续带，其从高的拉制塔涌出。运种薄的玻璃形成为0.050mm-2mm 厚W及24"-150"宽。通过机械划割砂轮来划割玻璃带，运与划割或切割玻璃窗户相似。然 后，运个划割的玻璃在拉制塔底部机械弯曲和破裂带，W形成24"-150"宽乘W24"-150"高 的片。运种片在片的右侧和左侧上具有非常粗糖的部分。机械划割只能在玻璃片的高质量 区域中进行，且不能在玻璃片的较厚的球边部分中进行。然后，机器人将夹持玻璃片，弯曲 玻璃片，并将划割的片从玻璃带破裂下来。运个破裂作用导致高幅度振动，其在带上并进入 拉制塔，其导致在最终的片中形成平坦度变化。运还可导致婉艇形态(rubicons)，因为振动 可在拉制上形成微裂纹。机械划割和破裂玻璃产生像羽毛的非常轻的玻璃屑，但运些玻璃 屑尺寸是10-200微米且厚度是3-20微米。运些玻璃屑在拉制塔中上浮并连接到片的表面， 运些颗粒中的一些(称作始壳玻璃屑)永久地连接到带玻璃表面，运导致形成玻璃的不合格 部分。
[0138] 然后将运个玻璃片从带区域移动到第二切割区域，其中将玻璃片设置在称作垂直 球边划割机器的另一机器上，且随后机械划割玻璃的球边化部分或低质量区域，然后从母 片机械破裂掉球边化部分。同样地，细小的始壳玻璃屑从片上飞落到缺陷的区域上，运导致 形成玻璃的不合格的部分。
[0139] 在一些情况下，随后将所有的片包装进入包装箱，并运输到精磨位置。同样地，始 壳玻璃屑从玻璃的边缘迁移到表面，并导致形成玻璃的不合格部分。卸载运种玻璃的包装 箱，并设置在精磨加工线中，其中机械地或C〇2划割片，并机械地破裂成稍微更小的玻璃片， 但运种划割过程比精确划割机更精确得多。同样地，更多的始壳玻璃屑飞到玻璃表面上，并 导致形成运些玻璃的不合格部分。
[0140] 接下来，将片移动到边缘研磨机，其将薄的玻璃板粗研磨和精细研磨成最终长度 和宽度。然后，将片移动到另一研磨机，其研磨4个角。接下来，将片移动到在线洗涂机，其清 洁表面上大多数的松散颗粒，但始壳颗粒除外。
[0141] 本文所述的激光玻璃切割技术极精确地、极快地和在不形成玻璃屑的情况下切割 薄玻璃，包括薄玻璃。IRIS技术可用极小的孔(例如，小于1微米)和较短的节距间隔(例如，1 微米)对玻璃进行穿孔。此外，可W极高的速度(例如，1-2米/秒），对玻璃进行穿孔。在测试 的情况中，在玻璃边缘上没有观察到碎片。激光过程可从较大的玻璃片穿孔和分离出较小 玻璃制品，例如手机尺寸(70mm X 150mm)形状。薄玻璃的运种穿孔和分离过程得到边缘，所 述边缘具有小于40化m的表面粗糖度Ra和深度限制于小于或等于60微米的表面下微裂纹。 运种边缘质量接近研磨的玻璃片的质量。考虑到运种能力，可在制备薄玻璃片的烙合拉制 过程中对热玻璃进行激光切割。
[0142] 图14显示用于连续的烙合玻璃制造法的现有玻璃切割方法。在现有方法中，玻璃 片1464从拉制塔1462向下流动。玻璃片1464的更深的阴影表明更高的溫度。当例如在烙合 拉制机上形成玻璃片时，通过夹持机械装置例如漉来牵拉热而软的玻璃片，其在玻璃片的 两个外部边缘上形成印记。将具有印记的边缘称为"球边"，且运些边缘延伸过玻璃片的全 部长度。因为与玻璃片的中央部分相比，运些球边化区域常常是扭曲的和不平坦的，在将玻 璃用于制备最终装置之前，除去球边(或球边化区域）。如通过拉制移动1465所述，使用漉轮 向下牵拉玻璃片，其沿着玻璃片1466的边缘形成玻璃球边1464。沿着划割线1468施加机械 或C〇2激光源，运促进将划割的片1470从玻璃片1464破裂下来。
[0143] 本文所述的方法提供用于显示器玻璃组合物的玻璃切割解决方案，用于在线和离 线玻璃切割需求。可在玻璃片从拉制出来时，特别是在其中玻璃开始从其形成溫度冷却的 称作拉制底部(B0D)的区域处，在线地施加运些方法，用于玻璃片的切割和球边除去。本文 所述的方法提供玻璃切割解决方案，其可提供透过玻璃片的整体厚度的全-主体(全厚度） 穿孔。一系列全厚度穿孔可形成开裂线，在沿开裂线进行片分离时，开裂线可在玻璃片中形 成非常精确的和可控的切割。
[0144] 图15A-15B显示根据本文所述的方法在拉制时进行激光玻璃切割的两种方法，其 使用例如结合图2-6本文所述的那些的激光光学系统。根据激光切割工艺1500A，将由一系 列缺陷线组成的激光切割线1468'施加到由拉制塔1462形成的玻璃片1464。在工艺1500A 中，将激光(未显示)构造成切穿玻璃片1464的整体厚度。激光切割线1468'延伸越过在拉制 时新形成的玻璃片1464,运包括在不振动玻璃带或形成任何玻璃碎屑或颗粒的情况下切割 球边1466。
[0145] 图15B显示在拉制时的激光玻璃切割的替代方法1500B，其中使用激光来切穿玻璃 片的高质量区域，并移除玻璃的较大的矩形片1470'。在拉制区域的底部1472处，从玻璃片 除去废弃玻璃1472。应认识到在其它实施方式中，移除的玻璃片1470'无需是矩形的。玻璃 片1470'可为正方形或圆形，或具有任意其它所需形状。
[0146] 图16显示在拉制时激光玻璃切割的又一替代方法。在图16中，邻近玻璃球边1466 在拉制路径中的相对上方的更高处，施加垂直激光切割线1468 '。然后，在拉制路径的相对 较低处，施加水平激光切割线1468'来从拉制切割和除去玻璃片1470'。
[0147] 图17显示在拉制时激光玻璃切割的其它替代方法。在图17中，在拉制时越过玻璃 片1464的全部宽度来施加激光切割线1468'，从而从拉制移下激光切割的片1470'。在运之 后，将垂直的激光切割线1468施加到切割片1470'，从而在拉制底部处从切割片除去球边。
[0148] 图18显示使用本文所述的激光方法来在离开拉制处从片1470'除去裁剪或废弃玻 璃1472。在精磨区域中，同时施加水平的和垂直的激光切割线1468'，W从激光切割的玻璃 片1470'除去裁剪或废弃玻璃1472的水平和垂直的块。
[0149] 对于有些应用，玻璃应力也会受到特别关注，特别是对于使用具有高应力的玻璃 片或层压的玻璃片的应用而言。使用传统方法在运种情况下切割片具有显著的困难。例如， 在烙合拉制法中，在拉制LCD玻璃片的过程中，引发显著量的应力。因为片和球边之间的不 同厚度W及不同的相关冷却速率，在玻璃冷却过程中，在片和球边界面处的应力甚至更大。 对于烙合拉制层压片(大于300MPa)的情况，应力水平可显著更大，其中相邻的片层之间的 粘度和CTE差异导致非常高的外层压缩应力。运种高压缩应力层性质可显著改善层压玻璃 片的玻璃强度。然而，在具有高应力水平的片中，可能难W用传统方法来切割玻璃片。
[0150] 如本领域普通技术人员所理解，使用烙合拉制法制备的LCD玻璃片具有高应力，其 中在将玻璃从高于玻璃软化点的溫度冷却到比玻璃应变点低得多的过程中引发该应力。因 为厚度和热质量的差异，在玻璃球边界面处的应力还显著更高。对于层压玻璃片的情况，应 力更高得多（大于300MPa)，其中玻璃层CTE和粘度的不匹配可导致强化玻璃应用所需的高 压缩应力。运些高水平的应力使得非常难W在比玻璃应变点（<30(TC)低得多的溫度下切割 玻璃片。
[0151] 批露方法和不同实施方式来使用激光技术切割片和从片分离球边，其使得需要穿 过玻璃片厚度的单一激发(single shot)穿透。本文所述的方法实现在拉制处基于激光切 割片，并分离球边，从而改善烙合拉制法的制造效率。此外，在一些实施方式中，可在高溫 (接近玻璃的退火点）下切割单一层片和层压的片，运使得诱导的应力更小得多。在高溫下 切割片和随后通过预定的溫度分布后处理片的能力还可供应具有较低玻璃密实化、较低残 留应力的片，消除独立的精磨步骤成本的可能性，加工有更高应变点玻璃的能力，和因为在 退火溫度下停留更久而带来的增加的生产通量。
[0152] 图19显示使用多阶段炉子1971的一种示例方法，该多阶段炉子1971设计成将玻璃 片部分1470'（待切割的）保持在接近其退火点的溫度下。在拉制的下部部分，将玻璃片 1470'（待切割的）引入炉子1971a，其保持在近似等于玻璃的退火溫度下。在接近退火点的 升高的溫度下的较低的应力水平有助于切割片。首先通过经历水平激光束平移1976的激光 束1974在拉制处水平地切割片1464,从而在玻璃中形成多个缺陷线。
[0153] 然后，将玻璃片1470 '平移到炉子197化，其也保持在玻璃的退火溫度下。使用激光 束1974分离玻璃球边1466，该激光束1974构造成经历垂直平移1674来对邻近球边1466的玻 璃片1470'进行激光划割。水平和垂直切割步骤可包括沿着激光损坏的轮廓施加拉伸或弯 曲应力，从而从拉制分离玻璃，且如有需要，从切割玻璃片1470 '分离玻璃球边。例如，可使 用机器人来施加应力。
[0154] 在除去玻璃球边之后，将切割玻璃片1470'平移到第Ξ炉子1971c，其中热源1980 经历垂直平移1982, W将热量输送到玻璃板1470'的切割边缘。施加热量来使得切割的垂直 边缘平滑化和圆化，且虽然没有在图19中示出，但还可将热量施加到板1470'的水平切割边 缘，用于平滑化和圆化。热源可包括气体火焰、C〇2激光等。
[0155] 玻璃片1464可为层压片，其中片包括多个层，每一层具有不同的材料性质例如CTE 等。运种层压的片可通过使用双等压槽(isopipe)拉制塔来形成，其中每一等压槽用于提供 用于层压件的不同层的玻璃。层压件的玻璃层之间的CTE差异导致在将玻璃片从高于软化 点的溫度冷却到比应变点低很多时引入显著量的应力。例如，当内部和表面层之间的CTE差 异大于60x lO^/C，且内部层厚度与总层压件厚度的比例是0.8-1时，可在层压件片表面的 表面上引发大于400MPa的压缩应力（参见，例如谭东（Tandon )等，美国专利申请号 20110318555,该文的全部内容通过引用纳入本文）。
[0156] 在其中玻璃片1464是层压件的情况下，炉子1971a和197化可构造成将层压件保持 在层压件的两个层的退火溫度之间的溫度下。对于其中需要高表面压缩应力的应用中（例 如，用于高强度应用的层压玻璃中），提供在退火溫度下的时间将降低应力大小，运促进使 用激光束1974来进行切割。在运些情况中，还可通过在切割后冷却过程中对玻璃进行巧冷， 在成品的玻璃片中获得高应力。
[0157] 图20显示一种过程，其中通过使片物理地横贯通过具有渐进的冷却器阶段2071a、 207化和2071c的多阶段炉子2071，将片1470'冷却到远低于玻璃退火点的溫度。所述系列炉 子施加预定的溫度分布W使得残留应力最小化，形成后密实化，改善玻璃片性能特征并调 整玻璃性质。应理解，在其它实施方式中，通过使用具有时间变化的溫度分布的单一阶段炉 子，获得相似的受控的冷却分布。
[0158] 在其它实施方式中，在高于玻璃退火点的溫度下，使用在拉制时的玻璃制备激光 穿孔，在缺陷线之间存在一些间隔。在运个拉制位置，运对玻璃强度没有显著影响。但是，运 可导致当在拉制时位置下游形成CTE应力(例如，用于层压玻璃)时，玻璃片自发分离或仅使 用非常微弱的外部扰动来分离。自发的分离，或者使用微弱的外部扰动来分离，可用于除去 玻璃球边和用于玻璃采集。
[0159] 由于能够在高溫下切割片且随后通过预定的溫度分布后处理片，可使得片具有更 低的玻璃密实化和更低的残留应力。运种能力还可消除独立的精磨步骤的成本，允许加工 具有更高应变点的玻璃，且因为在退火溫度下玻璃停留得较久而带来的增加生产通量。
[0160] 通过两个缺陷线之间的节距来控制沿着全厚度切割的玻璃分离。用于切割许多显 示器玻璃组合物的典型示例性节距是约1-5微米(例如，2-5微米）。但是，还显示最高达8微 米巧-8微米)的节距也提供良好的质量切割。控制节距的能力也是重要的，因为其决定切割 速度，其还受到激光脉冲频率或脉冲群重复率、脉冲群模式之内的脉冲数目和平均能量/脉 冲和/或平均能量/脉冲群的影响。
[0161] 当绕着缺陷线的微裂纹朝向相邻的缺陷线取向时，促进玻璃切割，因为微裂纹与 开裂线对齐并引导分离的方向。在运种情况下，缺陷线之间较大的节距(例如3-50微米，例 如3-20微米），可足W形成完全的玻璃分离，因此简化加工（因为需要更少的缺陷线来实施 分离）。或者，在一些玻璃类型中，当没有形成微裂纹或微裂纹没有朝着相邻的缺陷线进行 取向时，对于干净的分离而言，可需要孔(或缺陷线)之间较小的节距(0.1-3微米，例如1-3 微米)。
[0162] 本文引用的所有专利、专利申请公开和参考文献的相关教导都通过引用全文纳入 本文。
[0163] 虽然本文描述了示例性实施方式，但本领域普通技术人员应理解在不偏离所附权 利要求所包含的范围的情况下，可改变其中的各种形式和细节。
【主权项】
1. 一种激光加工熔合形成的玻璃复合材料工件的方法，所述方法包括： 将脉冲激光束聚焦成沿着束传播方向取向并引导进入熔合形成的玻璃复合材料工件 的激光束聚焦线，所述激光束聚焦线在所述工件之内产生诱导吸收，且所述诱导吸收在工 件之内沿着激光束聚焦线产生缺陷线;和 沿着轮廓使得工件和激光束相对于彼此平移，由此在所述工件之内形成多个缺陷线， 其中缺陷线以0.5微米-20微米的距离隔开。2. -种通过如权利要求1所述的方法制备的玻璃制品。3. 如权利要求1所述的方法或权利要求2所述的制品，其特征在于，所述缺陷线相隔1微 米-7微米的距离。4. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述缺陷线延伸至少250 微米。5. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述熔合形成的玻璃复 合材料工件包括具有不同热膨胀系数的包覆层和芯层，且总计包括3个或更多个层。6. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，还包括沿着轮廓分离所 述工件。7. 如权利要求6所述的方法或制品，其特征在于，沿着轮廓分离所述工件包括沿着所述 轮廓或靠近所述轮廓将二氧化碳激光引导进入所述工件，以促进沿着轮廓分离所述工件。8. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，重复率是约lkHz-4MHz。9. 如权利要求8所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光束的重复率是约10kHz-650kHz〇10. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光束的脉冲 持续时间是大于约1皮秒且小于约100皮秒。11. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲持续时间是大 于约5皮秒且小于约20皮秒。12. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，在材料处测量的脉冲激 光束的平均激光能量大于40微焦耳/毫米材料厚度。13. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光束具有波 长，且在所述波长下所述材料是基本上透明的。14. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束聚焦线具有 约0 · 1mm-约10mm的长度。15. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束聚焦线具有 约0.1微米-约5微米的平均光斑直径。16. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述熔合形成的玻璃复 合材料工件具有大于5兆帕斯卡(MPa)的中央张力。17. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲以相隔约1纳 秒-约50纳秒持续时间的至少两个脉冲的脉冲群的形式来产生，以及脉冲群重复频率是约 1kHz-约650kHz。18. 如权利要求17所述的方法或制品，其特征在于，所述至少两个脉冲相隔约20纳秒的 持续时间。19. 如前述权利要求中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述熔合形成的玻璃复 合材料工件是玻璃片的形式，以及其中聚焦所述脉冲激光束和沿着轮廓使得所述工件和激 光束相对于彼此平移的操作在玻璃片处于在线拉制时进行。20. 如权利要求19所述的方法或制品，其特征在于，在玻璃片处于玻璃片退火温度附近 的温度下的情况下，进行聚焦和平移。21. 如权利要求19所述的方法或制品，其特征在于，所述玻璃片包括具有至少两种不同 的各自退火温度的至少两个层，以及其中在所述玻璃片处于所述至少两种不同的各自退火 温度之间的温度下的情况下，进行聚焦和平移。22. 如权利要求19所述的方法或制品，其特征在于，所述玻璃片包括至少两层，且其中 在所述玻璃片处于高于该玻璃片的退火温度的温度的情况下，进行聚焦和平移。23. 如权利要求19-22中任一项所述的方法或制品，其特征在于，还包括沿着轮廓从拉 制分离所述玻璃片，以及在轮廓处向分离的玻璃片施加热源来在轮廓处使得分离的玻璃片 平滑化或圆化使得分离的玻璃片平滑化或圆化。24. 如权利要求19-22中任一项所述的方法或制品，其特征在于，在拉制顶部或靠近拉 制顶部处进行聚集和平移。25. 如权利要求19-22中任一项所述的方法或制品，其特征在于，在拉制底部或靠近拉 制底部处进行聚集和平移。26. 如权利要求19-22中任一项所述的方法或制品，其特征在于，还包括在轮廓的区域 中，将热源、拉伸应力或弯曲应力中的至少一种施加到所述玻璃片，以促进沿着所述轮廓从 拉制分尚所述玻璃片。27. 如权利要求19-22中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述轮廓邻近玻璃片 的球边，且其中沿着轮廓激光形成多个缺陷线促进从所述玻璃片分离球边。28. 如权利要求19-22中任一项所述的方法或制品，其特征在于，还包括沿着轮廓从拉 制分离所述玻璃片，以及在轮廓处向分离的玻璃片施加热源来在轮廓处使得分离的玻璃片 平滑化或圆化。29. -种玻璃制品，其包括:玻璃复合材料，所述玻璃复合材料具有第一表面、第二表面 和至少一个边缘，所述至少一个边缘具有在所述第一表面和第二表面之间延伸至少250微 米的多个缺陷线，所述缺陷线各自具有小于或等于约5微米的直径。30. 如权利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一个边缘具有小于约0.5微 米的Ra表面粗糙度。31. 如权利要求29或30所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一个边缘具有最高达小 于或等于约75微米深度的表面下损坏。32. 如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品包括3个层， 其中最外面的层包含第一组合物，并具有热膨胀系数CTE1和厚度TH1;以及在所述最外面的 层之间的内层，所述内层包含不同于第一组合物的第二组合物，且具有热膨胀系数CTE2,和 厚度TH2;其中CTE1大于CTE2。33. 如权利要求32所述的玻璃制品，其特征在于，所述最外面的玻璃层处于压缩应力 下，且所述内层处于中央应力下，且TH2和TH1的比例是4-20。34. 如权利要求29-31中任一项所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品具有大于 5MPa的内层中央张力。35. 如权利要求29-31中任一项所述的玻璃制品，其特征在于，所述缺陷线在所述至少 一个边缘的全部厚度上延伸。36. 如权利要求29-31中任一项所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一个边缘具有 小于约0.5微米的Ra表面粗糙度。37. 如权利要求29-31中任一项所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一个边缘具有 最高达小于或等于约75微米深度的表面下损坏。
【文档编号】C03B17/02GK106029589SQ201480075647
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年12月16日
【发明人】S·马加诺维克, G·A·皮切, S·楚达, R·S·瓦格纳
【申请人】康宁股份有限公司