用于透明工件的大角度激光加工的相位修改准非衍射激光射束的制作方法

本说明书总体涉及用于激光加工透明工件的装置和方法，并且更具体地涉及包括激光射束焦线的激光射束，该激光射束焦线是准非衍射的，并且当以非法向入射角被引导到透明工件中时保持准非衍射特性。

背景技术：

1、材料的激光加工领域涵盖涉及对不同类型材料的切割、钻孔、铣削、焊接、熔化等的各种应用。在这些工艺中，特别感兴趣的一种工艺是在可用于生产用于薄膜晶体管(tft)或电子设备的显示材料的材料(诸如玻璃、蓝宝石或熔融石英)的工艺中切割或分离不同类型的透明基板。

2、从工艺开发和成本角度来看，在切割和分离玻璃基板方面存在许多改进的机会。与目前在市场上实施的方法相比，具有更快、更清洁，更便宜、更可重复且更可靠的分离玻璃基板的方法是非常有意义的。许多分离玻璃基板的方法导致方形分离的边缘，这些边缘容易破裂并且通常被加工为具有斜面或被加工为圆形以使破裂的可能性最小化。当前，非方形边缘通常使用机械手段(诸如机械研磨和抛光)来实现。然而，所述工艺产生玻璃粉尘和颗粒，这些玻璃粉尘和颗粒必须通过涉及清洗或化学处理的附加工艺步骤来清洁。因此，需要用于分离玻璃基板的替代改进方法，该方法用无颗粒且高产量工艺替代常规的边缘精加工(finishing)工艺。

技术实现思路

1、根据本公开的第一方面，一种用于加工透明工件的方法包括在沿着第一射束路径的第一取向上将激光射束引导至透明工件中，该激光射束在冲击位置处通过透明工件的冲击表面，其中：被引导至透明工件中的激光射束的第一部分包括第一激光射束焦线并产生诱导吸收以在透明工件内产生第一缺陷段；以及将激光射束调整到沿着第二射束路径的第二取向上，使得激光射束在第二冲击位置处通过冲击表面以进入透明工件，其中：引导至透明工件中的激光射束的第二部分包括第二激光射束焦线并产生诱导吸收以在透明工件内产生第二缺陷段，其中：第一激光射束焦线和第二激光射束焦线中的每一者都包括透明工件内的圆形角谱；并且第一激光射束焦线和第二激光射束焦线中的至少一者包括相对于在冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°的内部焦线角。

2、本公开的第二方面包括第一方面的方法，其中第一激光射束焦线和第二激光射束焦线中的每一者都包括：波长λ；光斑尺寸wo；以及大于的瑞利范围zr，其中fd是包括10或更大的值的无量纲发散因子。

3、本公开的第三方面包括第一方面或第二方面的方法，其中第一激光射束焦线和第二激光射束焦线中的每一者都包括由一系列点限定的长度，这些点中的每个点是从来自激光射束的多条相交射线形成，这些相交射线在相位上匹配。

4、本公开的第四方面包括前述方面中任一方面的方法，其中激光射束包括第一射线集和第二射线集，第一射线集限定激光射束的第一环形段，并且第二射线集限定激光射束的第二环形段，使得第一射线集和第二射线集中的至少一者包括透明工件内的圆形角谱。

5、本公开的第五方面包括前述方面中任一方面的方法，其中第一射线集和第二射线集中的一者在透明工件内形成有像差的激光射束。

6、本公开的第六方面包括前述方面中任一方面的方法，进一步包括将激光射束冲击到相变光学元件上以对激光射束施加相位改变。

7、本公开的第七方面包括前述方面中任一方面的方法，其中具有相位改变的激光射束在自由空间中产生时包括非圆形角谱。

8、本公开的第八方面包括前述方面中任一方面的方法，其中激光射束包括沿着冲击表面上游的第一射束路径、第二射束路径或这两者的非圆形角谱。

9、本公开的第九方面包括前述方面中任一方面的方法，其中相变光学元件包括静态相变光学元件。

10、本公开的第十方面包括前述方面中任一方面的方法，其中静态相变光学元件包括具有基部和从基部延伸的锥形部分的长圆形轴棱镜；并且基部包括长圆形周边，该长圆形周边具有从具有第一曲率半径的第一轴端延伸到具有第二曲率半径的第二轴端的对称轴，其中基部的第一曲率半径和基部的第二曲率半径不同。

11、本公开的第十一方面包括前述方面中任一方面的方法，其中相变光学元件包括自适应相变光学元件。

12、本公开的第十二方面包括前述方面中任一方面的方法，其中自适应相变光学元件包括空间光调制器、可变形镜或自适应相位板。

13、本公开的第十三方面包括前述方面中任一方面的方法，其中第一激光射束焦线和第二激光射束焦线中的至少一者的内部焦线角是从大于10°至40°。

14、本公开的第十四方面包括前述方面中任一方面的方法，其中第一激光射束焦线和第二激光射束焦线中的至少一者的内部焦线角是从15°至40°。

15、本公开的第十五方面包括前述方面中任一方面的方法，其中第一激光射束焦线和第二激光射束焦线中的至少一者的内部焦线角是从20°至40°。

16、本公开的第十六方面包括前述方面中任一方面的方法，进一步包括沿着轮廓线将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移，以形成包括多个缺陷的轮廓。

17、本公开的第十七方面包括前述方面中任一方面的方法，其中轮廓线包括弯曲轮廓线，轮廓包括弯曲轮廓，并且该方法进一步包括：在沿着弯曲轮廓线将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移的同时旋转激光射束，使得多个缺陷中的每个缺陷相对于弯曲轮廓线径向向内或径向向外定向。

18、本公开的第十八方面包括前述方面中任一方面的方法，其中弯曲轮廓线包括闭合弯曲轮廓线，并且弯曲轮廓包括闭合弯曲轮廓。

19、本公开的第十九方面包括前述方面中任一方面的方法，进一步包括向轮廓施加应力以沿着轮廓分离透明工件。

20、本公开的第二十方面包括前述方面中任一方面的方法，其中应力包括热应力、机械应力或其组合。

21、本公开的第二十一方面包括前述方面中任一方面的方法，其中激光射束包括由射束源输出的脉冲激光射束，该射束源产生脉冲串，每个脉冲串包括2个或更多个子脉冲。

22、本公开的第二十二方面包括前述方面中任一方面的方法，其中无量纲发散因子fd包括约10至约2000的值。

23、本公开的第二十三方面包括前述方面中任一方面的方法，其中相邻缺陷之间的间距是约50μm或更小。

24、本公开的第二十四方面包括前述方面中任一方面的方法，其中透明工件包括碱金属铝硅酸盐玻璃材料。

25、本公开的第二十五方面包括前述方面中任一方面的方法，其中冲击表面包括非平面形貌。

26、本公开的第二十六方面包括前述方面中任一方面的方法，其中激光射束包括第一射线集和第二射线集，并且该方法进一步包括将激光射束冲击到相变光学元件上以对激光射束施加相位改变。

27、本公开的第二十七方面包括前述方面中任一方面的方法，其中第一射线集限定激光射束的第一环形段，并且第二射线集限定激光射束的第二环形段，使得第一射线集和第二射线集中的至少一者包括透明工件内的圆形角谱；第一环形段的平均半径小于第二环形段的平均半径；第一射线集形成第一激光射束焦线的终止于透明工件内的终止点处的至少一部分；并且第二射线集被对准，使得如果第二射线集包括透明工件内的圆形角谱，则第二射线集将形成第二激光射束焦线的在射束传播方向上延伸超过终止点的至少一部分。

28、本公开的第二十八方面包括前述方面中任一方面的方法，其中第一射线集限定激光射束的第一环形段，并且第二射线集限定激光射束的第二环形段；第一环形段的平均半径小于第二环形段的平均半径；第一射线集形成第一激光射束焦线的开始于透明工件内的原点的至少一部分；并且第二射线集被对准，使得如果第二射线集包括透明工件内的圆形角谱，则第二射线集将形成第二激光射束焦线在射束传播方向上延伸至原点的至少一部分。

29、本公开的第二十九方面包括前述方面中任一方面的方法，其中激光射束进一步包括限定第三环形段的第三射线集；并且该方法进一步包括将激光射束调整至沿着第三射束路径的第三取向，使得激光射束在第三冲击位置处穿过冲击表面以进入透明工件。

30、本公开的第三十方面包括前述方面中任一方面的方法，其中第二环形段的平均半径小于第三环形段的平均半径；并且第二射线集形成第二激光射束焦线终止于透明工件内的第二终止点处的至少一部分；并且第三射线集被对准，使得如果第三射线集包括透明工件内的圆形角谱，则第三射线集将形成第三激光射束焦线在射束传播方向上延伸超过第二终止点的至少一部分。

31、本公开的第三十一方面包括前述方面中任一方面的方法，其中相变光学元件包括具有基部和从基部延伸的锥形部分的非圆形轴棱锥；并且基部包括非圆形周边。

32、本公开的第三十二方面包括前述方面中任一方面的方法，其中相变光学元件包括自适应相变光学元件。

33、本公开的第三十三方面包括前述方面中任一方面的方法，其中自适应相变光学元件包括空间光调制器、可变形镜或自适应相位板。

34、本公开的第三十四方面包括前述方面中任一方面的方法，其中冲击表面的非平面形貌是可变形貌。

35、根据本公开的第三十五方面，一种用于加工透明工件的方法包括将激光射速冲击到相变光学元件上以对激光射束施加相位改变；以及在沿着第一射束路径的第一取向上将激光射束引导到透明工件中，该激光射束在冲击位置处穿过透明工件的冲击表面，其中：激光射束包括第一射线集和第二射线集，第一射线集限定激光射束的第一环形段，并且第二射线集限定激光射束的第二环形段，使得第一射线集和第二射线集中的仅一者包括透明工件内的圆形角谱，并且被引导至透明工件中的激光射束的第一部分包括第一激光射束焦线并产生诱导吸收以在透明工件内产生缺陷段，其中第一激光射束焦线包括：波长λ；光斑尺寸wo；大于的瑞利范围zr，其中fd是包括10或更大值的无量纲发散因子；以及由一系列点限定的长度，其中每个点由来自激光射束的多条相交射线形成，相交射线在相位上匹配。

36、本公开的第三十六方面包括第三十五方面的方法，其中第一激光射束焦线进一步包括相对于在冲击位置处与冲击表面正交的平面大于10°的内部焦线角。

37、本公开的第三十七方面包括第三十五方面或第三十六方面的方法，其中第一射线集和第二射线集中的一者在透明工件内形成有像差的激光射束。

38、本公开的第三十八方面包括第三十五方面至第三十七方面中任一方面的方法，其中激光射束包括沿着冲击表面上游的第一射束路径的非圆形角谱。

39、本公开的第三十九方面包括第三十五方面至第三十八方面中任一方面的方法，其中在透明工件内形成圆形角谱的射线集在自由空间中产生时包括非圆形角谱。

40、本公开的第四十方面包括第三十五方面至第三十九方面中任一方面的方法，其中第二环形段的平均半径小于第一环形段的平均半径；并且第一射线集包括透明工件内的圆形角谱并形成第一激光射束焦线的开始于透明工件内的原点处的至少一部分；并且第二射线集被对准，使得如果第二射线集包括透明工件内的圆形角谱，则第二射线集将形成第二激光射束焦线的在射束传播方向上延伸至原点的至少一部分。

41、本公开的第四十一方面包括第三十五方面至第四十方面中任一方面的方法，进一步包括将激光射束调整到沿着第二射束路径的第二取向，使得激光射束在第二冲击位置处穿过冲击表面以进入透明工件，其中：被引导至透明工件中的激光射束的第二部分包括第二激光射束焦线并产生诱导吸收以在透明工件内产生第二缺陷段；由第一射线集形成的第一激光射束焦线的部分包括相对于与冲击表面正交的平面的0°至10°或170°至180°的内部焦线角；并且由第二射线集形成的第二激光射束焦线的部分包括相对于与冲击表面正交的平面大于10°且小于80°或大于100°且小于170°的内部焦线角。

42、本公开的第四十二方面包括第三十五方面至第四十一方面中任一方面的方法，其中第一环形段的平均半径小于第二环形段的平均半径；并且第一射线集包括透明工件内的圆形角谱并形成第一激光射束焦线的终止于透明工件内的终止点处的至少一部分；并且第二射线集被对准，使得如果第二射线集包括透明工件内的圆形角谱，则第二射线集将形成第二激光射束焦线的在射束传播方向上延伸超过终止点的至少一部分。

43、本公开的第四十三方面包括第三十五方面至第四十二方面的方法，进一步包括将激光射束调整到沿着第二射束路径的第二取向，使得激光射束在第二冲击位置处穿过冲击表面以进入透明工件，其中：被引导至透明工件中的激光射束的第二部分包括第二激光射束焦线并产生诱导吸收以在透明工件内产生第二缺陷段；由第一射线集形成的第一激光射束焦线的部分包括相对于与冲击表面正交的平面0°至10°或170°至180°的内部焦线角；并且由第二射线集形成的第二激光射束焦线的部分包括相对于与冲击表面正交的平面大于10°且小于80°或大于100°且小于170°的内部焦线角。

44、本公开的第四十四方面包括第三十五方面至第四十三方面的方法，其中第一射线集包括第二射线集的部分；并且第二射线集包括第一射线集的部分。

45、本公开的第四十五方面包括第三十五方面至第四十四方面的方法，其中激光射束进一步包括限定第三环形段的第三射线集；并且该方法进一步包括将激光射束调整至沿着第三射束路径的第三取向，使得激光射束在第三冲击位置处穿过冲击表面以进入透明工件。

46、本公开的第四十六方面包括第三十五方面至第四十五方面的方法，其中第二环形段的平均半径小于第三环形段的平均半径；第二射线集形成第二激光射束焦线的终止于透明工件内的第二终止点处的至少一部分；并且第三射线集被对准，使得如果第三射线集包括透明工件内的圆形角谱，则第三射线集将形成第三激光射束焦线的在射束传播方向上延伸超过第二终止点的至少一部分。

47、本公开的第四十七方面包括第四十六方面的方法，其中由第一射线集形成的第一激光射束焦线的部分包括相对于与冲击表面正交的平面大于10°且小于80°或大于100°且小于170°的内部焦线角；由第二射线集形成的第二激光射束焦线的部分包括相对于与冲击表面正交的平面的0°至10°或170°至180°的内部焦线角；由第三射线集形成的第三激光射束焦线的部分包括相对于与冲击表面正交的平面大于10°且小于80°或大于100°且小于170°的内部焦线角。

48、本公开的第四十八方面包括第四十六方面的方法，其中第一射线集包括第二射线集的部分；第二射线集包括第一射线集的部分和第三射线集的部分；并且第三射线集包括第二射线集的部分。

49、本公开的第四十九方面包括第三十五方面至第四十八方面的方法，其中相变光学元件包括静态相变光学元件。

50、本公开的第五十方面包括第三十五方面至第四十九方面的方法，其中静态相变光学元件包括具有基部和从基部延伸的锥形部分的长圆形轴棱镜；并且基部包括长圆形周边，该长圆形周边具有从具有第一曲率半径的第一轴端延伸到具有第二曲率半径的第二轴端的对称轴，其中基部的第一曲率半径和基部的第二曲率半径不同。

51、本公开的第五十一方面包括第三十五方面至第五十方面的方法，其中相变光学元件包括自适应相变光学元件。

52、本公开的第五十二方面包括第三十五方面至第五十一方面的方法，其中自适应相变光学元件包括空间光调制器、可变形镜或自适应相位板。

53、本公开的第五十三方面包括第三十五方面至第五十二方面的方法，其中缺陷包括透明工件内相对于与冲击位置处的冲击表面正交的平面大于10°的缺陷角。

54、本公开的第五十四方面包括第三十五方面至第五十三方面的方法，其中内部焦线角是从大于10°至40°。

55、本公开的第五十五方面包括第三十五方面至第五十四方面的方法，其中内部焦线角是从15°至40°。

56、本公开的第五十六方面包括第三十五方面至第五十五方面的方法，其中内部焦线角是从20°至40°。

57、本公开的第五十七方面包括第三十五方面至第五十六方面的方法，进一步包括沿着轮廓线将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移，以形成包括多个缺陷的轮廓。

58、本公开的第五十八方面包括第三十五方面至第五十七方面的方法，其中轮廓线包括弯曲轮廓线，轮廓包括弯曲轮廓，并且该方法进一步包括：在沿着弯曲轮廓线将透明工件和激光射束中的至少一者相对于彼此平移的同时旋转激光射束，使得多个缺陷中的每个缺陷相对于弯曲轮廓线径向向内或径向向外定向。

59、本公开的第五十九方面包括第三十五方面至第五十八方面的方法，其中弯曲轮廓线包括闭合弯曲轮廓线，并且弯曲轮廓包括闭合弯曲轮廓。

60、本公开的第六十方面包括第三十五方面至第五十九方面的方法，进一步包括向轮廓施加应力以沿着轮廓分离透明工件。

61、本公开的第六十一方面包括第三十五方面至第六十方面的方法，其中应力包括热应力、机械应力或其组合。

62、本公开的第六十二方面包括第三十五方面至第六十一方面的方法，其中激光射束包括由射束源输出的脉冲激光射束，该射束源产生脉冲串，每个脉冲串包括2个或更多个子脉冲。

63、本公开的第六十三方面包括第三十五方面至第六十二方面的方法，其中无量纲发散因子fd包括约10至约2000的值。

64、本公开的第六十四方面包括第三十五方面至第六十三方面的方法，其中相邻缺陷之间的间距是约50μm或更小。

65、本公开的第六十五方面包括第三十五方面至第六十四方面的方法，其中透明工件包括碱金属铝硅酸盐玻璃材料。

66、本公开的第六十六方面包括第三十五方面至第六十五方面的方法，其中冲击表面包括非平面形貌。

67、本公开的第六十七方面包括第三十五方面至第六十六方面的方法，其中相变光学元件包括具有基部和从基部延伸的锥形部分的非圆形轴棱锥；并且基部包括非圆形周边。

68、本公开的第六十八方面包括第三十五方面至第六十七方面的方法，其中相变光学元件包括自适应相变光学元件。

69、本公开的第六十九方面包括第三十五方面至第六十八方面的方法，其中自适应相变光学元件包括空间光调制器、可变形镜或自适应相位板。

70、本公开的第七十方面包括第三十五方面至第六十九方面的方法，其中冲击表面的非平面形貌是可变形貌。

71、本文中所描述的过程和系统的附加特征和优点将在以下具体实施方式中阐述，并且将部分地从所述描述中对本领域的技术人员变得显而易见，或可通过实践本文中所描述的实施例(包括下面的具体实施方式、权利要求书以及附图)而被认识。

72、应当理解，以上一般描述和以下详细描述两者描述了各种实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的主题的本质和特性的概观或框架。附图被包括以提供对各个实施例的进一步的理解，并且附图被结合到本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本文所述的各个实施例，并与说明书一起用于说明所要求保护的主题的原理和操作。