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61/917,127，2014年07月15日提交的美国临时专利申请号62/024,581，和2014年9月5日提交的美国临时专利申请号62/046,360，和2014年10月31日提交的美国专利申请号14/530379，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。
背景
消费者电子产品的下一潮流不仅包括软件和硬件创新，还包括具有设计和功能吸引力的变化。在常规基础上发布的新产品在它们之内包括一些三维(3D)形式的玻璃零件。一些示例包括弯曲LCD TV屏幕，弯曲智能手机和可穿戴小配件(手表手机、手表等)，它们是柔性的或具有弯曲形状。这些装置类型中设计的其它元素是背板，其从传统的平坦玻璃盖板变化成具有不同风格的三维弯曲表面。这些创新对由玻璃制成的这些3D零件的制造工艺带来了新的挑战，其一如既往地需要是耐刮擦和抗冲击的。
形成不同形状的难度显著增加，因为大多数的生产线设计用于加工平坦的两维零件。一般来说，这些3D零件进行热冲压并成型为所需的形状，大挑战之一是从热模制的尺寸过大的零件将零件释放到最终和精磨(finished)产品。取决于在现有生产线中布置的技术，使它们适于加工3D形状的第一步是改装它们来具有所需的能力。例如，CNC加工可需要5轴车床移动来实现加工更复杂的形状。类似地，其它技术例如激光、磨料水喷射、划割和破裂等也需要适于切割、研磨、钻孔和精磨在三维件上的一些特征。
增加从2D加工过渡到3D加工复杂性的其它变化来自材料方面。在3D零件中，曲线、弯曲和转角变成机械应力累积的来源，这可大大影响在热成型零件之后的零件加工。例如，如果从尺寸过大的玻璃片热冲压零件，必须从基质切割和释放零件，且取决于零件形状，在弯曲的零件上累积的残留应力会容易地诱导零件在接触工具时发生破碎。
因为存在边缘形状，所以存在许多不同的方法来切割和分离玻璃。可机械地(CNC机械加工、磨料水喷射、划割和破碎等)切割玻璃，使于电磁辐射(激光、放电、回旋振荡管等)和许多其它方法。更加传统和普通的方法(划割和破裂或CNC机械加工)形成边缘，所述边缘包括不同类型和尺寸的缺陷。还常常发现边缘不是精确地垂直于表面。为了消除缺陷和使边缘得到具有改善强度的更均匀的表面，通常对它们进行研磨。研磨过程涉及边缘材料的磨料除去，这可给予边缘所需的精磨，并成形边缘的形式(外圆角(bull nosed)、倒角、铅笔形状等)。为了实现研磨和抛光步骤，必须切割比最终所需尺寸更大的零件。
材料的激光加工领域包括各种应用和不同种类的材料，该应用涉及切割、钻孔、研磨、焊接、熔融等。在这些应用中，特别感兴趣的一种应用是切割或分离不同类型的基材。但是，不是所有现有激光技术和工具都使得它们用于精确切割和精磨。许多摩擦性太高，例如烧蚀过程，并留下大量缺陷和微裂纹。如上所述，缺陷和微裂纹形成较弱的边缘和零件，并需要尺寸过大的基材来进行研磨和抛光步骤直到将零件精磨到所需尺寸。结果，提供比当今市场中所实施的更快、更干净、更便宜、可重复性更高和更可靠的3D玻璃形状切割和提取方法是非常有意义的。
概述
本发明描述用于切割和分离模制3D薄的透明脆性基材的任意形状的方法，对强化或非强化的玻璃特别有意义。所述方法允许在无需加工后精磨步骤的情况下，将3D零件切割和提取到其最终尺寸。所述方法可应用于强化的(例如，化学离子交换的或热回火的)或非强化的(原始玻璃)的3D零件。
所述方法以可控方式分离零件，且具有可忽略的碎片、极少的缺陷和对边缘的较低的表面下损坏，从而保持零件强度。本发明的激光方法非常适用于对选定的激光波长是透明的材料。已使用0.55mm厚玻璃片例如模制的康宁(Corning)玻璃(例如玻璃代码2319)来演示这种方法。
在这种方法中，使用超短脉冲激光来在基材材料中形成垂直缺陷线。一系列的缺陷线形成开裂线，其描绘所需形状的轮廓，且形成用于裂纹扩展的具有最低阻力的路径，并沿着所述路径从基材基质分离和拆分所述形状。可调节和构造激光分离方法来实现从原始的基材手动分离、部分分离或完全分离3D形状。
在第一步中，用超短脉冲激光束辐射待加工的物品(基材)，该脉冲激光束浓缩成具有高能量密度的高长径比的线状聚焦，其穿透过基材的厚度。在这个高能量密度体积之内，通过非线性效应来改性材料。非线性效应提供将能量从激光束转移到基材的机理，其实现缺陷线的形成。需特别指出的是，没有这种高光学强度，就不能引发非线性吸收。在低于用于非线性效应的强度阈值时，材料对激光辐射是透明的，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，较窄的开裂线(多个垂直缺陷线，几微米宽)限定待从基材分离的零件的周界或形状。
在一些实施方式中,脉冲持续时间可为大于约1皮秒-小于约100皮秒,例如大于约5皮秒且小于约20皮秒,重复率(repetition rate)可为约1kHz-4MHz,例如约10kHz-650kHz。除了在上述重复率下的单一脉冲以外,脉冲可以2个或更多个脉冲(例如,例如,3脉冲,4,脉冲,5脉冲,10脉冲,15脉冲,20脉冲,或更多)的脉冲群的形式来产生，且所述脉冲相隔约1纳秒-约50纳秒例如10-30纳秒例如约20纳秒的持续时间,且脉冲群重复频率可为约1kHz-约200kHz。脉冲激光束可具有选定的波长，从而材料在该波长下是基本上透明的。在材料处测量的平均激光功率可为大于40微焦耳/毫米材料厚度,例如40微焦耳/毫米材料厚度-1000微焦耳/毫米材料厚度,或100-650微焦耳/毫米材料厚度。
激光束聚焦线的长度可为约0.1mm-约10mm,例如约1mm,约2mm,约3mm,约4mm,约5mm,约6mm,约7mm,约8mm,或约9mm,或长度是约0.1mm-约1mm,且平均光斑直径是约0.1微米-约5微米。孔或缺陷线各自可具有0.1微米-100微米,例如0.25-5微米的直径。
一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，并打破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，并诱导部分地或全部的自发分离。在两种情况下，分离都取决于加工参数，例如激光扫描速度、激光功率、透镜参数、脉冲宽度、重复率等。
本发明延伸至：
一种激光加工具有3D表面的玻璃工件的方法，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朝向轮廓(contour)的激光束聚焦线，所述轮廓限定待从所述工件分离的零件；
在一个或多个遍数中：
沿着所述轮廓使得所述工件和所述激光束相对于彼此平移，所述激光束聚焦线在所述工件之内沿着所述轮廓在其中所述激光束聚焦线延伸进入所述工件的位置处产生诱导吸收，且所述诱导吸收在每一位置处在所述工件之内沿着所述激光束聚焦线产生缺陷线；和
使得所述工件和所述激光束相对于彼此平移；
选定所述一个或多个遍数，从而在所述工件中沿着零件的所述轮廓产生的缺陷线具有足以促进从所述工件分离所述零件的数目和深度。
本发明延伸至：
一种激光加工平坦的非强化玻璃工件的方法，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沿着轮廓引导进入所述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,所述诱导吸收在工件之内沿着激光束聚焦线产生缺陷线；
沿着轮廓使得所述工件和所述激光束相对于彼此平移，由此在所述工件之内沿着所述轮廓激光形成多个缺陷线，所述轮廓限定待从所述工件分离的零件；和
模制含限定的零件的所述工件来具有3D表面。
本发明延伸至：
一种激光加工模制的非强化玻璃工件的方法，所述方法包括：
对所述模制的玻璃工件进行真空平坦化；
将脉冲激光束聚焦成沿着束传播方向取向并沿着轮廓引导进入所述真空平坦化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,所述诱导吸收在工件之内沿着激光束聚焦线产生缺陷线；
沿着所述轮廓使得所述真空平坦化工件和所述激光束相对于彼此平移，由此在所述工件之内沿着所述轮廓激光形成多个缺陷线，所述轮廓限定待从所述工件分离的零件；和
在含所述限定零件的真空平坦化工件上释放真空。
本发明延伸至：
一种具有3D表面的玻璃制品，所述玻璃制品具有至少一个边缘，所述至少一个边缘具有多个延伸至少250微米的缺陷线，所述缺陷线各自具有小于或等于约5微米的直径。
附图简要说明
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。
图1A-1C显示开裂线，其具有等距间隔的改性玻璃缺陷线。图1A是用激光透过样品形成开裂线的示意图。图1B是在分离之后具有缺陷线的边缘的示意图。图1C是分离的边缘的光学照片。
图2A和2B显示激光束聚焦线的设置,即因沿着聚焦线的诱导吸收而导致的加工对于激光波长透明的材料。
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。
图3B-1到3B-4显示通过相对于基材不同地设置激光束聚焦线来加工基材的各种可能性。
图4显示用于激光加工的光学组装件的第二实施方式。
图5A和5B显示用于激光加工的光学组装件的第三实施方式。
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。
图7A-7C显示用于材料的激光加工的不同激光强度状况(regime)。图7A显示未聚焦的激光束，图7B显示使用球形透镜浓缩的激光束，且图7C显示用轴棱锥或衍生菲涅耳(Fresnel)透镜浓缩的激光束。
图8A-B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“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、脉冲之间的间隔以及脉冲群之间的间隔的时间。
图8C显示根据一种实施方式方法将平坦的玻璃面板加工成3D形状零件。
图9显示根据一实施方式方法的由弯垂的未强化2319制成的精磨的零件。
图10A显示遵循描绘的路径来产生缺陷线的方法。在3D玻璃表面和线状聚焦之间的每一相对位置处，绕其一周(all around)描绘具有圆化角的矩形形状。然后，将相对位置向下步进200微米，并再次描绘相同的形状。重复这个过程，直到在弯曲的玻璃面板中完全限定缺陷线。
图10B放大地显示如何只在玻璃厚度在线状聚焦的范围之内的区域中形成缺陷线。在这种情况下，线状聚焦范围(或长度)是约1毫米，且步进(step)是约100微米。在相邻的矩形的步进扫描之间存在重叠。
图11显示从尺寸过大玻璃零件形成和提取单个零件(顶部行)，和使用相同激光方法来放大该过程的方法(底部行)。
图12显示使用本文所述的方法提取多个零件。
图13显示从热弯垂的玻璃面板形成和提取3D零件的替代方法。
图14显示从热弯垂的玻璃面板形成、强化和提取3D零件的另一替代方法。
图15A显示根据实施方式方法激光穿孔的预制件片材，以促进具有较小曲率半径的玻璃零件的模制。
图15B显示图从15A所示的片材分离的一个单一预制件。
图16A-B是用激光穿孔(缺陷线)实现的形成具有半径的3D表面之前和之后的图15B的单一预制件的侧面截面视图。
图16C-D是用多个激光穿孔(缺陷线)实现的形成具有较小角半径的表面之前和之后的图15B的单一预制件的角截面视图。
发明详细描述
下面将描述示例实施方式。
本发明提供用于精确切割和分离模制3D薄的透明脆性基材的任意形状的方法，对强化或非强化的玻璃特别有意义。在一种实施方式中，玻璃是玻璃(所有代码，可购自康宁有限公司(Corning Inc.))。实施方式方法使得在不需要加工后精磨步骤的情况下，将一个或多个3D零件或具有3D表面的零件切割和提取到它们的最终尺寸。所述方法可应用于强化的(例如，化学离子交换的)或未强化的(原始玻璃)的3D零件。
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。
所述方法使得以可控方式分离零件，且具有可忽略的碎片、极少的缺陷和对边缘的较低的表面下损坏，从而保留零件或工件强度。工件是经受本文所述的激光方法的材料或物品，且在本文中也可称作材料、基材或基材材料。可从工件分离一个或多个零件或制品。零件或制品可包括例如具有弯曲表面的用于手机的玻璃盖板或汽车玻璃。
本发明的激光方法非常适用于在线性强度状况下对选定激光波长透明或基本上透明的材料。在本发明的语境中，当在激光波长处材料的吸收小于约10％/毫米材料深度,或小于约5％/毫米材料深度,或小于约2％/毫米材料深度,或小于约1％/毫米材料深度时，材料或制品对激光波长是基本上透明的。本发明的激光方法可利用基材材料对在功率(较低激光强度(能量密度))的线性状况下激光波长的透明性。在线性强度状况下的透明性减少或阻止对基材表面的损坏以及远离由聚焦激光束限定的高强度区域的表面下损坏。
如本文所使用，表面下破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周界表面中结构缺陷的最大尺寸(例如，长度、宽度、直径)。因为结构缺陷从周界表面延伸，还可将表面下损坏看作来自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。
根据如下所述的方法，在单一遍中，可使用激光来透过材料形成高度受控的完全或部分穿孔，且具有极小的(＜75微米，常常＜50微米)表面下损坏和碎片形成。表面下损坏可限制于下述量级：小于或等于100微米深度，或小于或等于75微米深度，或小于或等于60微米深度，或小于或等于50微米深度，且切割可只产生较少的碎片。这与典型的使用光斑聚焦的激光来烧蚀材料不同，烧蚀材料时常需要多遍的激光来完全穿透玻璃厚度，从烧蚀过程形成大量的碎片，且出现更大范围的表面下损坏(＞100微米)和边缘缺口化。
因此，使用本发明的方法，能使用一个或多个高能脉冲或高能脉冲的一个或多个脉冲群，在透明材料中形成微观(即，直径＜2微米且＞100纳米，在一些实施方式中，直径＜0.5微米且＞100纳米)的细长缺陷线(本文也称作穿孔、孔或损坏痕迹)。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、熔融、移动，重排和键合断开。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，穿孔可以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布一个或多个开放通道(未堵塞的区域)。开放通道的直径可为＜1000nm,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、熔融的或以其它方式改变的)优选地具有<50微米(例如,<10微米)的直径。
单个穿孔可以几百千赫(几十万个穿孔/秒)的速率来形成。因此，借助激光源与材料之间的相对移动，可将这些穿孔邻近彼此设置，且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。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。选定所述空间间距来促进切割。
除了基材材料在线性强度状况下的透明性以外，还基于在透明材料中诱导多光子吸收(MPA)的能力来预测激光源的选择。MPA是同时吸收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幂，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，例如在激光源(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，能量密度可高到足以发生离子化。
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,Na,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以诱导具有一半所需激发能量的激光波长的非线性TPA。
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。键合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。材料的这种除去形成结构缺陷(如上所述的缺陷线、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，可精确地限定裂纹的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。开裂线限定用于从材料分离零件和控制分离的零件形状的优选的轮廓。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限定穿孔的封闭轮廓的开裂线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。
优选的激光是超短脉冲激光(脉冲持续时间在100皮秒的量级或更短)，且可以脉冲模式或脉冲群模式操作。在脉冲模式中，从激光发射一系列标称地相同的单一脉冲，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。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kHz到mHz。
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10-10秒,或小于或等于10-11秒,或小于或等于10-12秒，或小于或等于10-13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10-15。
实施方式方法的一个特征是用超短脉冲激光形成的缺陷线的高长径比。所述高长径比使得形成从基材材料的顶部表面延伸到底部表面的缺陷线。本发明的方法还实现形成在基材材料之内延伸到受控深度的缺陷线。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增加受影响区域的程度(例如，深度和宽度)。
产生线状聚焦可通过使Gaussian激光束输送进入轴棱锥透镜来进行，在这种情况下，形成具有称作Gauss-Bessel束的束轮廓。与Gaussian束相比，这种束衍射得慢得多(例如，与Gaussian束的几十微米或更小的范围不同，其可在几百微米或毫米的范围中保持单一微米光斑尺寸)。因此，与仅使用Gaussian束相比，与材料的强烈相互作用的焦深或长度将大得多。还可使用其它形式的或缓慢衍射的或非衍射的束，例如Airy束。
如图1A-1C所示，切割薄的玻璃板110的方法基于使用超短脉冲激光束140在基材材料130中形成由多个垂直缺陷线120形成的开裂线或轮廓110。取决于材料性质(吸收，热膨胀系数(CTE)，应力，组成等)和选定用于加工材料130的激光参数，只形成开裂线110可足以诱导自发分离。在这种情况下，无需辅助的分离过程，例如张力/弯曲力，加热或CO2激光。
图1B显示在沿着由多个垂直缺陷线120限定的轮廓或开裂线分离工件之后的工件边缘。形成缺陷线的诱导吸收可在分离边缘或表面上形成颗粒，且平均直径小于3微米，这得到非常干净的切割过程。图1C的图片显示使用如图1A所示和在下文中进一步描述的激光方法分离的零件边缘。
在一些情况下，形成的开裂线不足以自发地从基材材料分离零件，且可需要辅助的步骤。如有需要，例如可使用第二激光来形成热应力以分离零件。在0.55mm厚2319的情况下，可通过下述来实现分离：在形成缺陷线之后，例如施加机械力或使用热源(例如红外激光，例如CO2激光)来形成热应力，并迫使零件沿着开裂线从基材材料分离。另一种选择是使用红外激光来启动分离，然后手动地完成分离。可使用在10.6微米下发射的聚焦连续波(cw)激光和使用通过控制其占空度调节的功率，来实现任选的红外激光分离。使用聚焦变化(即，散焦的范围最高达且包括聚焦的光斑尺寸)，来通过改变光斑尺寸来改变诱导的热应力。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CO2激光可使用2mm-20mm，或2mm-12mm,或约7mm,或约2mm和或约20mm的散焦光斑尺寸(1/e2直径)，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。
存在几种方法来形成缺陷线。形成聚焦线或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。激光的类型(皮秒,飞秒等)和波长(IR,绿色,UV等)也可改变，只要在聚焦的区域中达到足够的光学强度来形成基材材料的分解，从而通过非线性光学效应(例如，非线性吸收、多光子吸收)来形成基材材料的分解。
在本发明中，使用超短脉冲激光以一致的、可控的和可重复的方式来形成高长径比的垂直缺陷线。实现形成这种垂直缺陷线的光学装置的细节如下所述，且还参见2014年01月14日提交的美国专利申请号14/154,525，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。这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成分。但是，应特别指出的是，在激光能量强度不高的基材区域中(例如基材表面，环绕中央汇聚线的基材体积)，基材对激光是透明的，且不存在将能量从激光转移到基材的机理。结果，当激光强度在低于非线性阈值时，基材没有发生任何事情。
转向图2A和2B,对材料进行激光加工的方法包含将脉冲激光束2聚焦成沿着束传播方向观察时的激光束聚焦线2b。激光束聚焦线2b可通过多种方法来形成，例如Bessel束、Airy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l)，光学组装件6将入射激光束转变成激光束聚焦线2b。平坦基材1(待加工的材料)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。分别地，附图标记1a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1b表示基材1的逆向(远端)表面。基材厚度(垂直于平面1a和1b，即垂直于基材平面测量)用d标记。
如图2A所示，基材1基本上垂直于纵向束轴线对齐，并因此在由光学组装件6产生的相同聚焦线2b后面(基材垂直于附图平面)。沿着束方向观察时，基材以下述方式相对于聚焦线2b设置：聚焦线2b从基材的表面1a之前开始，并在基材的表面1b之前结束，即聚焦线2b在基材之内终止且没有延伸超出表面1b。在激光束聚焦线2b与基材1的重叠区域中,即在被聚焦线2b覆盖的基材材料中,激光束聚焦线2b产生(假设沿着激光束聚焦线2b形成合适的激光强度,该强度通过激光束2在长度l部分上的聚焦即长度l的线状聚焦来确保)限定部分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。诱导吸收沿着部分2c在基材材料中诱导形成缺陷线。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2b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)的平均直径或平均维度(范围(例如长度或其它相关的线性维度))用附图标记D标记。这种平均维度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。
如图2A所示，因为沿着聚焦线2b的诱导吸收，局部加热基材材料(其对于激光束2的波长λ是透明的)。这个波长可为例如,1064,532,355或266纳米。诱导吸收源自与聚焦线2b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2B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裂纹和缺陷线，且在表面1a处张力最大。
下面描述了可用来产生聚焦线2b的代表性光学组装件6,以及其中可应用这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。
为了确保沿着对零件进行分离的分离零件表面的高质量(涉及破碎强度、几何精确性、粗糙度和避免再次加工的要求),在基材表面上沿着分离或拆离线(开裂线)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(或切割表面)的粗糙度主要由聚焦线的光斑尺寸或光斑直径决定。例如，表面的粗糙度可通过由ASME B46.1标准限定的Ra表面粗糙度参数来表征。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。
在与基材1材料相互作用的给定激光3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。通过使用如下所述的激光光学器件6来满足这些要求。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Abbé公式(N.A.＝nsin(θ),n：待加工的材料或工件的折射率,θ：孔径角的一半；且θ＝arctan(DL/2f)；DL：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，这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。
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,这可通过下述来确保(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。
根据图3A(垂直于基材平面且在激光辐射2的激光束簇中的中央束处的截面；这里，激光束2也垂直地入射到基材平面(在进入光学组装件6之前),即入射角θ是0°，从而聚焦线2b或诱导吸收2c的部分平行于基材法向),由激光3发射的激光辐射2a首先引导至圆形光圈(aperture)8上，其对所用的激光辐射是完全不透明的。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的中心的束簇或中央束(这里用2aZ标记)射击光圈，并被其完全吸收。因为与束直径相比光圈尺寸下降，所以只有在束簇2a外周范围的束(边际射线，这里用2aR标记)没有被吸收，而是从侧边通过光圈8并射击光学组装件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。
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l)的细长聚焦线。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。这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，受制于与透镜中心的距离。越过束方向的光圈8的直径是束簇的直径(由束强度降低到峰值强度的1/e2所需的距离来限定)的约90％，且是光学组装件6的透镜7直径的约75％。因此，使用通过在中心阻挡束簇产生的非像差校正的球形透镜7的聚焦线2b。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2b旋转时，可看见完整的三维束。
用图3A所示的透镜7和系统形成的这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(无熔融、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。这进而意味着可能只有一部分的入射激光由基材材料以所需的方式吸收。这样，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(例如，粘合到基材的零件或层或者固定基材的固定件)，并以不利的方式(例如，加热、扩散、吸收、不想要的改性)与它们相互作用。
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2b的位置：合适地相对于基材1设置和/或对齐光学组装件6以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l，使得它超出基材厚度d(这里是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2b,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2b的长度l可为约0.01mm-约100mm，约0.1mm-约10mm,或约0.1mm-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l。
在图3B-2所示的情况中,产生长度l的聚焦线2b，其或多或少对应于基材厚度d。因为以线2b在基材以外的点处开始的方式来相对于线2b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(远端)表面1b)的长度L小于聚焦线2b的长度l。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2b的起始点以上的情况，从线2b的长度l大于在基材1中的诱导吸收2c部分的长度L。因此，聚焦线在基材之内开始，并在延伸超出逆向表面1b。图3B-4显示其中聚焦线长度l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1a附近从基材之内开始并在表面1b附近在基材之内结束(例如l＝0.75·d)。
以下述方式来设置聚焦线2b是特别优选的：表面1a，1b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。这样，能获得实质上理想的切割，同时避免在表面处烧蚀、羽化和颗粒化。
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，所以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2b，其成形为形成具有限定长度l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)。这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°。这里用附图标记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2b在基材1内部之内开始，可将基材1(这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，还可在同时保持在聚焦线条2b的范围之内的情况下，沿着束方向移动基材1。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。
但是，所示的布局受到下述限制：因为由轴棱锥9形成的聚焦线条2b的区域在轴棱锥9之内开始，当在轴棱锥9和基材材料或工件之间存在间隔时，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条2b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2b的长度l与束直径相关。这是在较薄材料(几个毫米)的情况下，总聚焦线比基材厚度长得多的原因,其具有使大多数的激光能量不聚焦进入材料的影响。
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显示这种光学组装件6，其中将含设计成形成激光束聚焦线2b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,这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(这里是平面-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。在这种情况下，距离Z1是约300mm,其以下述方式来选定：使由轴棱锥10形成的激光辐射在透镜11的外部径向部分上以圆形的方式入射。在限定长度(在这种情况下是1.5mm)的聚焦线2b上，透镜11在距离Z2(在这种情况下，与透镜11相距约20mm)处在输出侧上聚焦该圆形辐射。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SR标记。
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。以下述方式选定两元件10，11的光学特征以及它们的设置：在束方向上的聚焦线2b的长度l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2b的位置精确地在基材1的两个表面1a和1b之间，如图5B所示。
因此，如果在离开激光光学器件一定距离形成聚焦线，以及如果将更大部分的激光辐射聚焦到所需的聚焦线端部，将是优选的。如本文所述，这可通过下述来实现：仅仅在特定的外部径向区域上以圆形(环形)的方式照射主要聚焦元件11(透镜)，这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,在所需的聚焦线条2b之后，在光斑中心中非常短的距离上，扩散的圆的强度下降，因为形成基本上圆形的光斑。通过这样的方式,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的组合满足这个要求。轴棱锥以两种不同方式起作用：因为轴棱锥10，以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l。另一方面,可通过距离Z1(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。这样,可在聚焦线中浓缩全部激光能量。
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–这是由环形照明的区域以及通过其它光学作用设定的所需色差带来的。
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)。
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2b，必需选定非常小的在轴棱锥上入射的激光束的束直径。这具有实际的不足：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，严格准直的激光束是非常分散的，即因为光挠曲，束簇在短距离上变得模糊。
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)，可避免这两种效应。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。以下述方式选定准直透镜12的焦距f’：所需的圆形直径dr来自整体件与准直透镜12的距离Z1a，其等于f’。可通过距离Z1b(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。
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10(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Z1a,聚焦透镜11与准直透镜12的距离称作Z1b,和将聚焦线2b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形成的圆形辐射SR在准直透镜12上发散地入射并具有圆直径dr,且可沿着距离Z1b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dr。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dr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。
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Z1a＝Z1b＝140mm和Z2＝15mm，能获得小于0.5mm的聚焦线长度l。
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。在这种特别的情况下，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阈值。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时，照射的区域减小，且能量密度增加，这引发非线性效应，所述非线性效应改性材料以允许只在满足条件的体积中形成开裂线。这样，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以下，当能量密度低于非线性光学效应时，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，激光强度高到足以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，轴棱锥750或替代的菲涅耳轴棱锥的衍射图案形成干涉，所述干涉产生Bessel状的强度分布(高强度圆筒760)，且只有在这个体积中强度高到足以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以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)/(2πB),其中λ是激光束波长，B是轴棱锥角的函数。计算的或测量的光斑直径可进行平均，例如在本文所述的实施方式中，平均光斑直径可为约0.1微米-约5微米。
激光和光学系统:
在代表性演示中，为了从3D模制的玻璃零件或其它3D工件切割和提取零件，开发了一种方法，所述方法使用1064纳米的皮秒激光器以及形成线状聚焦束的光学器件来在玻璃基材中形成损坏线(在本文中也称作缺陷线、损坏痕迹或开裂线)。
如图8A和8B所示,根据本文所述的选定实施方式,皮秒激光器形成脉冲500A的"脉冲群"500,有时也称作“脉冲群脉冲”。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500A(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之内的这些单独脉冲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的能量或强度可不等于该脉冲群之内的其它脉冲的能量或强度,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，其由激光器设计控制。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Tp(例如10-50纳秒,或10-40纳秒,或10-30纳秒),且该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Tp(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Tp的激光,将脉冲群之内的脉冲到脉冲间隔Tp保持在约±10％之内,或是约±2纳秒之内。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≤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实施方式中,对于约200kHz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1kHz-约4MHz,或约1kHz-约2MHz,或约1kHz-约650kHz,或约10kHz-约650kHz。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(1kHz脉冲群重复率),例如0.5微秒(2MHz脉冲群重复率)-40微秒(25kHz脉冲群重复率),或2微秒(500kHz脉冲群重复率)-20微秒(50kHz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器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。
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。对于这些应用，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，以及激光脉冲随时间的衰减速率(例如，指数衰减速率)，如图8A和图8B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。
对于切割和改性透明材料例如玻璃而言，使用能产生这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展开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，但能量守恒表明这样做时脉冲之内的强度必然下降，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。这种下降可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以实现切割。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Tp隔开时仍然使得每一脉冲之内的强度约比单一10皮秒脉冲高3倍，同时使得激光与材料在大三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500A的这种调节实现以下述方式操控激光-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，以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，能量的铺开程度越大，因此需要更高的脉冲群能量。
当脉冲的单一脉冲群射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射击玻璃。例如，它们可在彼此相距间隔sp处射击玻璃，其中0<sp≤500纳米。例如，当一个玻璃位置用20个脉冲的脉冲群射击时，脉冲群之内的单独脉冲在彼此的250纳米之内射击玻璃。因此,在一些实施方式中1nm＜sp＜250nm。在一些实施方式中，1nm＜sp＜100nm。
在一种实施方式中，设置具有0.55毫米厚度的康宁玻璃代码2319玻璃基材，从而它在有光学系统产生的聚焦线的区域之内。使用长度为约1mm的聚焦线,和产生200kHz脉冲群重复率或频率下大于或等于约40W(约200微焦耳/脉冲群，在材料处测量)输出功率的皮秒激光,聚焦线区域中的光学强度(能量密度)可容易地高到足以在基材材料中形成非线性吸收。在玻璃中形成在基材之内损坏的、烧蚀的、蒸发的或以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。
孔或损坏痕迹形成:
如果基材具有足够的应力(例如，使用离子交换玻璃)，那么零件将沿着由激光过程描绘出的穿孔损坏的路径(开裂线或轮廓)自发地从基材分离。但是，如果基材固有地没有大量应力，那么皮秒激光器只在基材中形成损坏痕迹(缺陷线)。这些损坏痕迹通常具有孔的形式，所述孔的内部尺寸(例如直径)是约0.2微米-2微米，例如0.1-1.5微米。优选地，孔的尺寸非常小(小于或等于一微米)。
缺陷线可穿过或不穿过材料的全部厚度,且可为连续的在材料的全部深度上的开口，或者不是。图1C显示穿过700微米厚玻璃基材工件全部厚度的这种痕迹或缺陷线条的示例。通过解离边缘的侧面观察孔眼或损坏痕迹。通过材料的痕迹不必然通过孔。常常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解离，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，以表明它们存在的来源。
还可对堆叠的玻璃或其它材料片进行穿孔。在这种情况下，聚焦线长度需要长于堆叠件高度。
缺陷线之间的横向间隔(节距)由当在聚焦的激光束下方平移基材时激光的脉冲速率决定。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。为了在不同节距或缺陷线间隔下形成孔,可激发激光来在更长或更短的间隔发射。对于切割操作，激光激发通常与束下方的基材的平台驱动移动同步，从而激光脉冲以固定间隔激发，例如每1微米或每5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。在这种情况下，孔(或损坏痕迹，或穿孔)可相隔较大的间隔(例如，大于或等于7微米的节距)。
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和表面下损坏的特别重要的参数。
一般来说，可用的激光功率越高，可在使用上述方法更快地切割材料。本文所述的方法可以0.25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以脉冲群重复频率(重复率)。一般来说,为了以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。
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100kHz脉冲群重复率的脉冲群激光。对于600毫米/秒的切割速度,3微米节距对应于具有至少200kHz脉冲群重复率的脉冲群-脉冲激光。在200kHz下产生至少40微焦耳/脉冲群并以600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。
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,优选地脉冲群皮秒激光的激光功率是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。
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以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)有时可抑制附近的后续缺陷线(损坏痕迹)的形成，且常常可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，以及在一些玻璃中＞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，且导致玻璃沿着离开预期轮廓的不同的(不需要的)方向形成裂纹。这可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)可导致之前形成的缺陷线的“愈合”或再次熔融，这可抑制玻璃的分离。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，并因此可能必须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。
使用这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/或激光束以至少0.25米/秒的速率相对于彼此平移；例如以0.25米/秒-0.35米/秒,或0.4米/秒-5米/秒的速率相对于彼此平移。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。
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土硼铝硅酸盐玻璃进行穿孔。例如，这可通过下述来实现：利用脉冲群激光(优选地具有至少2个脉冲/脉冲群)，和在碱土硼铝硅酸盐玻璃(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。
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,且工件和激光束以至少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/或激光束以至少0.4米/秒的速率相对于彼此平移。
例如,为了切割0.7毫米厚的非离子交换康宁代号2319或代号2320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,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。
在1米/秒切割速度下，切割Eagle 玻璃或2320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。对于这些切割速度，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；以及激光束和/或工件相对于彼此以至少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。
切割和提取3D模塑的型材：
图8C显示用于从0.55毫米厚康宁代码2319玻璃的较大的预成型面板工件切割和提取出3D型材的方法。通过使用模板来弯垂较大的预成型切割玻璃片，来将它成型为3D形状、较大半径的弯曲面板。将这个3D型材设置在激光束下方，并通过下述方式来在弯曲的玻璃上形成如本文所述的缺陷线：如下文结合图9所述，逐步描绘相同的形状，同时在玻璃形状的表面和线状聚焦(聚焦线)之间向下步进相对距离。表面和聚焦线之间的相对距离的向下步进还如下文结合图10A和10B所述。在每一遍数(pass)上，只有一小部分的玻璃与激光的线状聚焦重叠，并因此形成缺陷线。在每一完整的描绘具有圆化角(圆化半径R2＝12毫米)的矩形以后，使距离改变或步进200微米。当使用缺陷线在弯曲的玻璃形状上形成完整形状的印记时，通过使用释放线(图中未示出)，手动地裂开最终零件来实现最终零件的提取。所述零件具有长度L，宽度W和厚度或高度h。数值R1是用于形成的零件的曲率半径，其与长度L一起决定厚度h。
图9显示根据之前结合图8所述的加工阶段，从弯垂的、未强化的2319加工的成品零件。
图10A显示产生缺陷线的方法，其遵循在玻璃和激光聚焦线之间的几个相对距离处描绘的路径。在3D玻璃表面和激光聚焦线之间的每一相对距离或间隔处，围绕一周描绘具有圆化角的矩形形状。然后，将相对间隔向下步进200微米，并再次描绘相同的形状。重复这个过程，直到在弯曲的玻璃面板中完全限定缺陷线。这个步进扫描也可称作遍数。因此，在一个或多个遍数中，工件和激光束可相对于彼此平移，在4个不同平面中，沿着图10A顶部中所示的轮廓路径，激光束聚焦线与工件相交。例如，当沿着垂直于4个平面中的一个平面的方向使激光束和工件相对于彼此步进或平移时，在轮廓路径处，激光束聚焦平面与工件中的另一平面相交。当在一个或多个遍数中，绕着轮廓在每一平面中形成足够数目的缺陷线时，可将由轮廓限定的零件与工件分离。当促进分离时缺陷线的数目是足够的-不管分离是仅由激光束聚焦线导致的或者分离还涉及机械力或施加分离红外激光束或其它步骤。
图10B是更高放大倍数的示意图，其显示对于在给定平面中的扫描，如何只在其中玻璃厚度在线状聚焦或聚焦线的范围之内的区域中形成缺陷线。应指出，在一些情况下，在不同平面中的扫描之间可存在重叠。例如，在一示例情况下，线状聚焦范围(或聚焦线长度)是约1毫米，且步进是约100微米。因此，在后续步进扫描(或遍数)中的激光束聚焦线与在之前步进扫描(或遍数)中形成的缺陷线重叠。
图11显示可如何放大切割和提取方法来形成多个零件。图11的顶部行显示从尺寸过大的玻璃零件或工件形成和提取单个零件的步骤，如上结合图8-10B所述。顶部行还显示在提取之后强化玻璃零件或工件。图11的底部行显示使用与图11顶部行中所示方法相似的方法，用于平行地形成、提取和强化多个玻璃零件的相应的步骤。
图12显示类似于图9所示零件的2个形成的和分离的零件或工件，但在图12的情况下，同时描绘两个矩形形状。图12中的描绘的矩形和各释放线也是用激光借助缺陷线来描绘的，并用于从基材面板分离所需的具有圆化角的矩形零件。在图12中，将成型为具有500毫米半径的弯曲的玻璃的弯垂的0.55mm厚康宁代码2319玻璃用于演示。这2个矩形具有与图9的零件所用的相同的3D弯曲的形状和12毫米的角半径。
下面总结了用于如上所述的演示的激光条件和速度，用于参考。为了从玻璃基质分离零件，在释放线处手动地施加力。该力在穿孔线(缺陷线)处导致裂开以及沿着缺陷线的裂纹扩展，其最终从玻璃基质分离型材。
到轴棱锥透镜的输入束直径～2毫米
轴棱锥角＝10度
初始准直透镜焦距＝125mm
最终物镜焦距＝40mm
入射束汇聚角＝12.75度
焦距设定为0-10毫米，每一次描绘中步进变化200微米。
激光功率是全功率的75％(～30W)
激光脉冲重复率＝200kHz。
3脉冲/脉冲群
节距＝6微米
图9所示相同痕迹的多遍数。
移动平台速度＝12米/分钟＝200毫米/秒
作为刚刚所述的方法的替代，演示了使用散焦CO2激光来辅助释放零件的另一实施方式。在皮秒激光描绘所需的轮廓(开裂线)时，散焦CO2激光跟随皮秒激光，从而实施将零件从周围基材基质分离。由散焦CO2激光诱导的热应力足以引发和扩展裂纹，其导致沿着由开裂线限定的所需轮廓分离零件，由此从基材面板释放成形的零件。对于这种情况，发现通过下述光学器件和激光参数获得最佳结果：
皮秒激光
到轴棱锥的输入束直径～2毫米
轴棱锥角＝10度
初始准直透镜焦距＝125mm
最终物镜焦距＝40mm
入射束汇聚角＝12.75度
焦距设定为0-10毫米，每一次描绘中步进变化200微米。
激光功率是全功率的75％(～30W)
激光脉冲重复率＝200kHz。
3脉冲/脉冲群
节距＝6微米
图9所示相同痕迹的多遍数。
移动平台速度＝12米/分钟＝200毫米/秒
CO2激光
激光平移速度：130毫米/秒
激光功率＝100％
脉冲持续时间13微秒(95％占空比)
激光调整频率20kHz
激光束散焦是21mm
单一遍
从热弯垂的玻璃面板形成和提取3D零件的替代方法。
图13显示提取3D型材的替代方法中的步骤。在玻璃基材面板进行弯垂和预成型之前，在平坦的玻璃基材面板上形成(激光描绘)缺陷线。在热弯垂过程之后，绕着缺陷线的残留应力形成张力(拉伸应力)，其有助于扩展裂纹直到释放型材。
图14显示从热弯垂的玻璃面板形成、强化和提取3D零件的一个方法实施方式。如图14所示，对于分离具有不同水平的离子交换和压缩应力的各种平坦的强化康宁代码2319玻璃而言，例如如上所述的那些方法也非常良好地凑效。可从已通过离子交换强化的尺寸过大的基材或全面板直接形成和释放3D零件。玻璃是预先强化的事实可促进从基材释放零件，且无需使用红外激光例如CO2激光。
例如，已开发了具有3D表面的盖板玻璃用于手持产品例如手机。但是，当曲率半径更小时，例如从薄的LCD玻璃形成3D零件变得更加困难。例如，使用薄的LCD玻璃能够相对容易地获得10毫米的曲率半径。但是，使用现有方法更难以制备具有例如5毫米或2毫米的更小半径的3D碟状零件，因为在现有方法中玻璃通常太热以至于不能实现良好的2毫米角半径，会出现表面缺陷。可能甚至需要真空和压力来迫使玻璃进入模具的这种紧凑的特征。此外，为了节约成本，在放大生产尺寸和体积时，通常使用较大的形成的薄玻璃片，在零件阵列上形成紧凑的角半径可能甚至更具挑战性。本文所述的实施方式方法可促进生产具有较小曲率半径的3D表面的玻璃零件，如结合图15A-B和图16A-D进一步所述。
图15A显示多个零件1551的预制件片1550。根据实施方式方法，对片1550进行激光穿孔(形成缺陷线)，从而促进具有较小曲率半径的玻璃零件的模制。具体来说，根据如上所述的方法，激光穿孔释放线1554，以促进单个零件预制件1551与单个零件的分离。还激光穿孔零件外形1552，以促进在将玻璃零件1552模制成具有3D弯曲表面之后后续的从单一预制件移除零件。应指出，在其它实施方式中，使用完好无损的整个预制件片1550进行模制。
图15B显示图从15A所示的片材分离的一个单一预制件。此外，图15B显示了零件的角1556，其进行多次激光穿孔以促进具有较小曲率半径的角的模制，如下文结合图16C-D的角截面视图进一步描述。图15B中没有显示其它激光穿孔，其促进在玻璃零件1552表面上模制其它3D曲率，如下文结合图16A-B的侧面截面视图进一步描述。
图16A-B分别是用激光穿孔实现的形成具有半径的3D表面之前和之后的图15B的单一预制件的侧面截面视图。图16A显示具有3D弯曲表面的模具1558，所述3D弯曲表面限定待施加到单一预制件1551中零件表面的3D曲率。预制件1551包括激光穿孔1560，其促进预制件的弯曲同时引发更少的表面缺陷或不引发表面缺陷。图16B显示在模制之后的相同的模具1558和预制件1551，可知穿孔1560减轻了玻璃中的弯曲应力。这种激光穿孔可减少或消除为了完成模制而向预制件1551施加真空或压力的需求。
图16C-D分别是用多个激光穿孔1560实现的形成具有较小角半径的表面之前和之后的图15B的单一预制件的角截面视图。例如，如图16C-D所示，通过多个穿孔可实现例如5毫米或2毫米或更小的特别小的表面曲率半径。多个或更高密度的穿孔带来在模制过程中的应力下降，模制过程中无需施加真空或压力，以及减少的表面缺陷。
如上所述的方法提供下述益处，其可转变成增强的激光加工能力和成本节省，并因此实现更低成本制造。如上所述的实施方式提供以下效果：
完全分离和提取在最终尺寸下的3D模制玻璃零件---方法允许以干净和受控的方式在熔合法(未强化的)直接制备时或者在玻璃基材经历化学强化之后，完整地切割和提取模制3D玻璃零件的任意形状(单个或多个)。已通过下述实现从以大半径形状预模制的基材将零件完全切割和分离到零件的最终尺寸：相对于激光线状聚焦(聚焦线)，向下步进基材表面的相对位置，同时描绘零件形状的轮廓。
减少的表面损坏：因为激光和材料之间的超短脉冲相互作用，存在很少的热相互作用，并因此存在极少的受热影响的区域，该受热影响的区域可在表面和表面下区域中导致不利的应力和微裂纹化。此外，例如，将激光束浓缩进入3D玻璃型材的光学器件在基材表面上形成缺陷线，所述缺陷线直径通常是2-5微米。
在分离之后，表面下损坏限于与表面相距＜75微米深度，例如＜50微米深度或甚至＜30微米深度的距离。这对分离的零件的边缘强度具有很大影响，因为强度通过缺陷数目、用尺寸和深度表示的缺陷统计学分布来控制。这些数目越高，零件的边缘越弱，且分离的零件更倾向于失效。通过本文所述的实施方式实现的方法可提供小于75微米深度、例如小于50微米深度、小于30微米深度或甚至20微米或更小深度的照此切割的边缘的表面下损坏。
由任何切割过程导致的且大致垂直于切割表面的表面下损坏或小微裂纹和材料改性会给玻璃或其它脆性材料的边缘强度带来问题。可通过使用共聚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。当探寻进入材料的裂纹时，忽略表面反射，裂纹显示为明亮的线。然后，将显微镜聚焦进入材料直到不再存在“闪烁”，以整齐间隔收集图象。然后，通过寻找裂纹并透过玻璃深度来追踪它们以获得表面下损坏的最大深度(通常以微米为单位进行测量)，来手动处理图象。通常存在数以千计的微裂纹，因此通常只测量最大的微裂纹。通常在切割边缘的约5个位置上重复这个过程。虽然微裂纹大致垂直于切割表面，但用这种方法可能不能检测直接垂直于切割表面的任何裂纹。
方法清洁度-如上所述的方法能以干净和受控的方式分离/切割3D玻璃型材。使用常规的烧蚀或热激光过程是非常具有挑战性的，因为它们趋于激发受热影响的区域，其诱发微裂纹，并将玻璃或其它基材断裂成几个更小的块。本文所述的方法的激光脉冲和诱导的与材料的相互作用的特征可避免所有这些问题，因为它们在非常短的时间尺度上进行，且因为基材材料对激光辐射的透明性使得引发的热效应最小化。因为在物品或工件之内形成缺陷线，大大消除了在切割步骤中碎片和颗粒物质的存在。如果存在来自形成的缺陷线的任何颗粒，它们将良好地容纳直到分离零件。例如，用本文所述的激光基方法切割和分离的表面上的颗粒可具有小于约3微米的平均直径。
切割不同尺寸的复杂轮廓和形状
本发明的激光加工方法允许切割/分离具有许多形式和形状的玻璃和其它基材或工件，这在其它竞争性技术中是个限制。使用本文所述的方法可切割紧凑的半径(例如，＜2毫米或＜5毫米),这获得弯曲的边缘。此外，因为缺陷线强力地控制任何裂纹扩展的位置，这种方法对切割的空间位置具有很强的控制，并允许切割和分离小至几百微米的结构和特征。
省略工艺步骤
将零件(例如来自来料玻璃面板的任意形状的玻璃板)制造成最终尺寸和形状的方法涉及多个步骤，其包括切割面板、切割到所需尺寸、精磨和边缘成形、将零件薄化到它们的目标厚度、抛光和甚至在一些情况下进行化学强化。就加工时间和资金花费而言，省略这些步骤中的任一项将改善制造成本。例如，本发明的方法可通过下述来减少步骤的数目：减少碎片和边缘缺陷的产生，这潜在地消除洗涤和干燥工位的需求。此外，例如可通过下述来减少步骤的数目：将样品直接切割到其最终尺寸、形状和厚度，消除精磨加工线的需求。
切割堆叠件：
所述方法还能在堆叠的玻璃面板上形成垂直缺陷线。虽然对堆叠件的高度有限制，但通过同时加工多个堆叠的板，可增加产率。这要求材料对激光波长基本上透明，在这里所用的激光波长(1064纳米)下的3D玻璃型材就是这种情况。
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。
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。