边缘斜切方法

边缘斜切方法
【专利摘要】本文描述了采用激光对任意形状的玻璃或其他基材的边缘进行斜切和/或斜角化的方法。揭示了在玻璃基材上产生斜切的三种通用方法。第一种方法涉及采用超短脉冲激光将边缘切割成所需斜切形状。用超短激光处理之后可任选地跟有CO2激光进行完全自动分离。第二种方法基于锋利边缘角的热应力剥离，并且已经证实与超短脉冲和/或CO2激光的不同组合可用于此。第三种方法依赖通过离子交换诱发的应力来实现材料沿着断层线的分离，所述断层线通过超短激光产生，以形成所需形状的斜切边缘。
【专利说明】边缘斜切方法
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年12月17日提交的美国临时申请第61/917,213号以及2014年7月 10日提交的美国临时申请第62/022,885号和2014年10月31日提交的美国申请第14/530410 号的优先权，其全文通过引用结合入本文。 技术背景
[0003] 在玻璃面板被切割应用于建筑、车辆、消费者电子产品（这里仅举例而言）的所有 情况下，会存在边缘，这会是非常有可能需要进行关注的。由于存在边缘形状，存在许多不 同的方法来切割和分离玻璃。玻璃可以进行机械切割(CNC机械加工、磨料水射流、划线和破 裂等），采用电磁辐射进行切割(激光、放电、陀螺振子等）以及许多其他方法。较为常规和常 用的方法(划线和破裂或者CNC机械加工)产生的边缘存在不同类型和尺寸的缺陷。边缘并 非完美垂直于表面也是常见的。为了消除缺陷并使得边缘是具有改善强度的更为平滑的表 面，通常对它们进行研磨。研磨过程涉及边缘材料的研磨去除，这会使其具有所需的精整以 及对其形状进行成形(外圆角、斜面、铅笔状等）。为了实现研磨和抛光步骤，必须将部件切 割得比最终所需尺寸要大。
[0004] 虽然消除缺陷会增加边缘强度是众所周知和广泛理解的，但是对于形状对边缘强 度的影响还没有达成一致。干扰主要在于，众所周知的是，形状有助于增加边缘冲击和处理 的抗破坏性。事实在于，边缘形状实际上并不决定边缘强度(这是由对挠曲力(或弯曲力）的 抗性所限定的），但是缺陷尺寸和分布确实具有大的影响。但是，具有形状的边缘确实有助 于通过产生较小的横截面和含有缺陷来改善抗冲击性。例如，具有同时垂直于两个表面的 直面的边缘在这些直角拐角处积累应力，当其受到另一物体冲击时，会发生碎裂和破裂。由 于积累的应力，缺陷尺寸会非常大，这会显著降低边缘强度。另一方面，由于其较为光滑的 形状，圆角"外圆角"形状的边缘会具有较低的应力积累和较小的横截面，这有助于降低尺 寸和缺陷渗透进入边缘的体积中。因此，在冲击之后，具有形状的边缘应该比平坦边缘具有 更高的"弯曲"强度。
[0005] 出于上文所述，通常希望使得边缘具有形状，而不是平坦和垂直于表面。这些机械 切割和边缘成形方法的一个重要方面是机械的维护度。对于切割和研磨这两者而言，用旧 和磨损的切割头或研磨辊会产生损坏，这会显著影响边缘的强度，即使裸眼无法看出来差 异。机械切割和研磨方法的其他问题在于，它们是非常劳动密集型的，并且需要许多研磨和 抛光步骤直至最终所需的精整，这产生大量碎片且需要清洁步骤以避免引入表面损坏。
[0006] 从工艺发展和成本观点来看，对于玻璃基材的切割和斜切边缘存在许多机会。得 到相比于如今市场中实际使用的方法更为快速、干净、廉价、可重复且可靠的方法是非常令 人感兴趣的。在数种替代技术中，已经尝试激光和其他热源，并证实产生了具有形状的边 缘。
[0007] 通常来说，由于低的材料去除速率，烧蚀激光技术倾向于是缓慢的，并且它们还产 生大量碎片和热影响区，这导致残留应力和微裂纹。出于相同原因，边缘的熔化和再成形也 有受到大量变形和会剥离该加工区域的热应力积累的麻烦。最后，对于热剥离或裂纹扩展 技术，遭遇到的一个主要问题在于剥离是不连续的。
[0008] 由于任意切割过程所引起的表面下损坏或者小的微裂纹和材料改性，对于玻璃或 者其他脆性材料的边缘强度是一项考量。对于表面下损坏而言，机械和烧蚀激光工艺是特 别成问题的。这些工艺的边缘切割通常需要大量切割后研磨和抛光以去除表面下的破损 层，从而使得边缘强度增加至诸如消费者电子产品之类的应用所需的性能水平。

【发明内容】

[0009] 根据本文所述的一些实施方式，提出了采用激光对任意形状的玻璃基材的边缘进 行斜切和/或斜角化的方法。一个实施方式涉及采用超短脉冲激光将边缘切割成所需的斜 切形状，之后可任选地跟有C0 2激光从而完全自动化分离。另一个实施方式涉及采用超短脉 冲和/或C02激光的不同组合，对锋利边缘拐角进行热应力剥离。另一个实施方式包括用任 意切割方法(例如采用超短脉冲激光)来切割玻璃基材，之后通过使用C0 2激光来单独进行 斜切。
[0010] 在一个实施方式中，对材料进行激光加工的方法包括:将脉冲激光束聚焦成激光 束焦线，以及将激光束焦线以相对于材料的第一入射角导向到材料中，激光束焦线在材料 内产生感应吸收，感应吸收沿着激光束焦线在材料内产生缺陷线。该方法还包括使得材料 和激光束相对于彼此位移，从而沿着材料内呈第一角度的第一平面形成多条缺陷线，以及 将激光束焦线以相对于材料的第二入射角导向到材料中，激光束焦线在材料内产生感应吸 收，感应吸收沿着激光束焦线在材料内产生缺陷线。该方法还包括使得材料或激光束相对 比彼此位移，从而沿着材料内呈第二角度的第二平面形成多条缺陷线，第二平面与第一平 面相交。
[0011] 根据另一个实施方式，对材料进行激光加工的方法包括:将脉冲激光束聚焦成激 光束焦线，以及沿着材料内的N平面中的每一个形成多条缺陷线。该方法还包括将激光束焦 线以相对于材料的对应入射角导向到材料中，激光束焦线在材料内产生感应吸收，感应吸 收沿着激光束焦线在材料内产生缺陷线。该方法还包括使得材料和激光束相对于彼此位 移，从而沿着N平面的对应平面形成多条缺陷线。
[0012] 根据另一个实施方式，对工件进行激光加工的方法包括:将脉冲激光束聚焦成激 光束焦线以相对于工件的入射角导入到工件中，该角度与工件的边缘相交，激光束焦线在 工件内产生感应吸收，感应吸收沿着激光束焦线在工件内产生缺陷线。该方法还包括使得 工件和激光束相对于彼此位移，从而沿着工件内呈角度的平面形成多条缺陷线，以及通过 对工件施加离子交换过程使得工件沿着平面分离。
[0013] 在另一个实施方式中，对材料进行激光加工的方法包括:将脉冲激光束聚焦成激 光束焦线导向到材料中，激光束焦线在材料内产生感应吸收，以及感应吸收沿着激光束焦 线在材料内产生缺陷线。该方法还包括使得材料和激光束相对于彼此沿着轮廓位移，从而 沿着轮廓在材料内形成多条缺陷线，来对待分离的部件进行印痕(trace )，以及从材料分离 部件。该方法还包括将聚焦红外激光沿着与部件的第一表面的边缘相邻的线导向到部件 内，从而剥离限定了第一斜切边缘的第一条带，以及将聚焦红外激光沿着与部件的第二表 面的边缘相邻的线导向到部件内，从而剥离限定了第二斜切边缘的第二条带。
[0014] 本文延伸至：
[0015] 一种激光加工的方法，该方法包括：
[0016] 将脉冲激光束聚焦成激光束焦线；
[0017] 将激光束焦线以相对于材料的第一入射角导向到材料中，激光束焦线在材料内产 生感应吸收，感应吸收沿着激光束焦线在材料内产生缺陷线；
[0018] 使得材料和激光束相对于彼此位移，从而沿着材料内呈第一角度的第一平面形成 多条缺陷线；
[0019] 将激光束焦线以相对于材料的第二入射角导向到材料中，激光束焦线在材料内产 生感应吸收，感应吸收沿着激光束焦线在材料内产生缺陷线；以及
[0020] 使得材料或激光束相对比彼此位移，从而沿着材料内呈第二角度的第二平面形成 多条缺陷线，第二平面与第一平面相交。
[0021] 本文延伸至：
[0022] -种对材料进行激光加工的方法，该方法包括：
[0023] 将脉冲激光束聚焦成激光束焦线；
[0024] 沿着材料内的N平面中的每一个形成多条缺陷线，形成多条缺陷线包括：
[0025] (a)将激光束焦线以相对于对应于N平面中的每一个的材料的入射角导向到材料 中，激光束焦线在材料内产生感应吸收，感应吸收沿着激光束焦线在材料内产生缺陷线；
[0026] (b)使得材料和激光束相对于彼此位移，从而沿着N平面的中的一个形成所述多条 缺陷线；
[0027] (c)对于N平面中的每一个重复(a)和(b)。
[0028] 本文延伸至：
[0029] -种对工件进行激光加工的方法，该方法包括：
[0030] 将脉冲激光束聚焦成激光束焦线；
[0031 ]将激光束焦线以相对于工件的入射角导向到工件中，入射角与工件的边缘相交， 激光束焦线在工件内产生感应吸收，感应吸收沿着激光束焦线在工件内产生缺陷线；
[0032] 使得工件和激光束相对于彼此位移，从而沿着工件内呈角度的平面形成多条缺陷 线；以及
[0033] 通过使得工件经受离子交换过程来沿着平面分离工件。
[0034] 本文延伸至：
[0035] -种对材料进行激光加工的方法，该方法包括：
[0036] 将脉冲激光束聚焦成激光束焦线；
[0037] 将激光束焦线导向到材料中，激光束焦线在材料内产生感应吸收，感应吸收沿着 激光束焦线在材料内产生缺陷线；
[0038] 使得材料和激光束相对于彼此沿着轮廓位移，从而沿着轮廓在材料内形成多条缺 陷线，轮廓描绘了待从材料分离的部件的周界；
[0039]从材料分离部件；
[0040]将聚焦红外激光沿着与部件的第一表面处的边缘相邻的线导向到分离部件内，从 而剥离限定了分离部件的第一斜切边缘的第一条带；以及
[0041]将聚焦红外激光沿着与部件的第二表面处的边缘相邻的线导向到分离部件内，从 而剥离限定了分离部件的第二斜切边缘的第二条带。
[0042] 本文延伸至：
[0043] 玻璃制品，所述玻璃制品包括至少一个斜切边缘，所述至少一个斜切边缘具有多 条延伸至少250M1的缺陷线，所述缺陷线分别具有小于或等于约5mi的直径。
【附图说明】
[0044] 通过本文示例性实施方式更为具体的描述使得前述内容是更为清楚的，在所示附 图中，对于所有不同视图，相似附图标记表示相同部件。附图不一定是成比例的，进行了突 出强调来显示本文的实施方式。
[0045]图1A-1C显示具有改性玻璃的等间距缺陷线的断层线。
[0046]图2A和2B显示激光束焦线的定位，即对激光波长透明的材料由于沿着焦线的感应 吸收的加工。
[0047]图3A所示是用于激光钻孔的光学组件。
[0048]图3B-1至3B-4所示是通过将激光束焦线相对于基材的不同定位来对基材进行加 工的各种可能性。
[0049] 图4所示是用于激光钻孔的第二光学组件。
[0050] 图5A和5B所示是用于激光钻孔的第三光学组件。
[0051]图6是用于激光钻孔的第四光学组件的示意图。
[0052]图7A是本申请所述用于形成更为牢靠边缘(产生斜切和牺牲边缘）的各种方法的 流程图。
[0053]图7B显示用缺陷线产生斜切边缘的过程。
[0054]图7C显示采用沿着预定平面产生缺陷线的聚焦和呈角度的超短激光来对玻璃边 缘进行激光斜切。上图显示采用3个缺陷线平面的例子，相比较而言，下图经使用2个。
[0055]图8A和8B显示对于皮秒激光，激光发射与时间的关系。每次发射表征为脉冲"群"， 其可以含有一个或多个子脉冲。显示对应于脉冲持续时间、脉冲之间的分隔以及群之间的 分隔的时间。
[0056]图9显示被玻璃高度吸收的聚焦激光所产生的热梯度。裂纹线在应变区和软化区 之间。
[0057]图10显示通过热剥离的边缘斜切。
[0058]图11A显示采用缺陷线然后使用热剥离的边缘斜切工艺。首先，以一定的角度聚焦 皮秒激光，以及在呈角度的平面上产生缺陷线。然后以受控的横向偏移，使得聚焦c〇2激光 贴近缺陷线进行扫描。从该角剥离玻璃的条带，并形成斜切。
[0059] 图11B显示，通过图11A所示工艺形成的玻璃的条带不需要完全沿着缺陷线平面进 行剥离(如边缘的侧视图所示）。
[0060] 图12显示仅采用聚焦C02激光的边缘斜切的剥离速度的变化。其他C02激光参数都 保持相同。
[0061] 图13显示使用在切割部件之后得以保留的缺陷线，释放作为牺牲区域，捕获由于 对部件边缘的冲击所引起的裂纹扩展。
[0062]图14A显示切割部件，内缺陷线进行离子交换，这增加了足够的应力来去除打孔边 缘并形成所需的边缘斜切。
[0063]图14B使用离子交换（I0X)来释放斜切角，类似于图14A所示，但是仅有两个缺陷线 平面。
[0064]图14C显示具有多种角度的斜切(超过3个缺陷线平面）。
【具体实施方式】
[0065]以下描述了示例性实施方式。
[0066] 本文所述的实施方式涉及采用激光对任意形状的玻璃基材和其他基本透明材料 的边缘进行斜切和/或斜角化的方法。在本文内容中，材料对于激光波长是基本透明指的是 在该波长处，吸收率小于约10% (优选小于1%)每mm材料深度。第一个实施方式涉及采用超 短脉冲激光将边缘切割成所需的斜切形状，之后可任选地跟有红外（例如C0 2)激光从而完 全自动化分离。第二个实施方式涉及采用超短脉冲和/或C02激光的不同组合，对锋利边缘 角进行热应力剥离。另一个实施方式包括用任意切割方法(例如采用超短脉冲激光)来切割 玻璃基材，之后通过使用C0 2激光与超短脉冲和/或C02激光的不同组合来单独进行斜切。
[0067] 在第一个方法中，加工基础步骤是在相交平面上产生断层线，其描绘出所需边缘 形状并建立路径，所述路径至少对于裂纹扩展具有抗性，因而对于形状从其基材基质的分 离和分开具有抗性。该方法基本产生了具有形状的边缘，同时从主基材切割出部件。可以将 激光分离方法调节和配置成实现具有形状的边缘从原始基材发生手动分离、部分分离或者 自分离。产生这些断层线的基本原理详细见下文以及2013年1月15日提交的美国申请第61/ 752，489号，其全文通过引用结合入本文。
[0068] 在第一个步骤中，待加工的物体用超短脉冲激光束辐射，所述超短脉冲激光束浓 缩成高纵横比线聚焦，其渗透通过基材的厚度。在该高能密度体积内，材料经由非线性效应 发生改性。重要的是要注意到，在没有该高光学强度的情况下，不会引发非线性吸收。低于 该强度阈值，材料对于激光辐射是透明的，并且保持其初始状态。
[0069] 激光源的选择是在透明材料中诱发多光子吸收(MPA)能力的基础。MPA是相同或不 同频率的多光子的同时吸收，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）。激发态可以是电子激发态或者电离态。材料的较高能态与较低能态之间的能量差等于 两个或更多个光子的能量总和。MPA是非线性过程，通常比线性吸收弱数个数量级。其不同 于线性吸收之处在于，MPA的强度取决于光强度功率的平方或者更高情况，从而使其是非线 性光学过程。在普通光强度情况下，MPA是可忽略的。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变得可感知并在材料中的光源能量密度足够 高的区域中导致可测量的效应。在聚焦区域内，能量密度可能变得足够高，导致离子化。
[0070] 在原子水平，单个原子的离子化具有离散能量要求。玻璃中常用的数种元素（例 如，Si、Na、K)具有较低电离能（约5eV)。在无 MPA现象的情况下，会需要约248nm的波长以产 生约5eV的线性离子化。在MPA的情况下，能态的离子化或激发之间的约5eV的能量间隔可以 用长于248nm的波长实现。例如，波长为532nm的光子具有约2.33eV的能量，所以两个波长为 532nm的光子会在例如双光子吸收(TPA)中诱发约4.66eV的能态间隔之间的转变。因此，可 以在材料的区域中（其中，激光束的能量密度足够高，诱发具有例如一半所需激发能的激光 波长的非线性TPA)对原子和键进行选择性激发或离子化。
[0071] MPA会导致激发原子或键的局部再构造以及与相邻原子或键发生分离。所得到的 键或构造的改性会导致非热烧蚀以及从发生MPA的材料区域去除物质。该物质去除产生结 构缺陷(例如，缺陷线、损坏线或"打孔"），其使得材料机械弱化并使其在施加了机械或热应 力之后更易于发生开裂或破裂。通过控制打孔的布置，可以精确地限定沿其发生开裂的轮 廓或路径，并可以实现对材料的精确微机械加工。由一系列打孔限定的轮廓可以视为断层 线并对应于材料中结构弱化的区域。在一个实施方式中，微机械加工包括从被激光加工的 材料分离部件，其中，部件具有精确限定的形状或周界，其是由打孔的闭合轮廓决定的，所 述打孔的闭合轮廓是由通过激光诱发的MPA效应形成的。如本文所用术语闭合轮廓指的是 由激光线形成的打孔路径，其中路径与其自身在相同位置相交。内轮廓是形成的路径，其 中，所得到的形状完全被材料的外部分包围。
[0072] 激光是超短脉冲激光(脉冲持续时间约为数十皮秒或更短），并且可以以脉冲模式 或者群模式操作。在脉冲模式中，从激光发射出一系列标称一致性单个脉冲，并被导向到工 件。在脉冲模式中，激光的重复频率由脉冲之间的时间间隔所决定。在群模式中，从激光发 射出脉冲群，其中，每个群包括两个或更多个(相同或不同振幅的）脉冲。在群模式中，群内 的脉冲被第一时间间隔分隔开(其限定了群的脉冲重复频率），以及群被第二时间间隔分隔 开(其限定了群重复频率），其中，第二时间间隔通常远长于第一时间间隔。如本文所用(无 论是脉冲模式还是群模式的内容中），时间间隔指的是脉冲或群的对应部分之间的时间差 (例如，前缘_前缘、峰-峰或尾缘-尾缘）。脉冲和群的重复频率受到激光设计的控制，并且通 常可以通过调节激光的运行模式在限制内进行调节。典型的脉冲和群重复频率是kHz至MHz 范围。
[0073] (在脉冲模式或者群模式的群内脉冲的）激光脉冲持续时间可以是1(T1()S或更短， 或者10_ns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实施方式中， 激光脉冲持续时间大于1 〇_15。
[0074] 打孔可以分隔开并且经由控制激光和/或基材或堆叠的运动通过控制基材或堆叠 相对于激光的速度来精确定位。例如，在薄透明基材以200mm/s移动暴露于100kHz系列脉冲 (或脉冲群）的情况下，单个脉冲会间隔2微米，产生间隔为2微米的一系列打孔。该缺陷线 (打孔)间隔足够紧密，以实现沿着由打孔系列限定的轮廓进行机械或热分离。
[0075]图1A-1C显示切割和分离基材材料(例如，蓝宝石或玻璃）的方法可以是基本基于 如下:在基材材料130中用超短脉冲激光140形成多条垂直缺陷线120,产生断层线110。取决 于材料性质（吸收率、CTE、应力、组成等）以及对于加工材料130所选择的激光参数，产生断 层线110单独就足以诱发自分离。在该情况下，不需要二次分离过程，例如，拉伸/弯曲作用 力、加热或C0 2激光。沿着断层线110方向的相邻缺陷线120之间的距离可以是例如，0.25-50um，或者 0.50um 至约 20um，或者 0.50 至约 15um，或者 0.50-10um，或者 0.50-3.0um，或者 3.0-10um〇
[0076]通过使得激光扫描过特定路径或轮廓，产生一系列打孔(数微米宽），其限定了待 从基材分离的部分的周界或形状。本文中，一系列穿孔也可称作断层线。（下文所述的)所使 用的特定激光方法的优势在于，在单次通过中，其产生通过材料的高度受控的打孔，具有极 小(〈75WH，通常〈50WH)的表面下损伤和碎片产生。这不同于对材料进行烧蚀所通常使用的 斑聚焦激光，其中，通常需要多次通过来完全打穿玻璃厚度，由于烧蚀过程产生大量碎片， 并且发生更为广泛的表面下损坏(>l〇〇wii)和边缘碎片。如本文所用，表面下损坏指的是根 据本文经受激光加工从基材或材料分离的部分的周界表面中的结构不完美性的最大尺寸 (例如，长度、宽度、直径）。由于从周界表面延伸的结构不完美性，表面下损坏还可被称作来 自根据本文的激光加工所发生的损坏距离周界表面的最大深度。分开部分的周界表面在本 文中可称作分开部分的边缘或边缘表面。结构不完美性可以是裂纹或空穴，并且表示机械 弱化点，其促进了从基材或材料分离部分的破裂或失效。通过使得表面下损坏最小化，本发 明的方法改善了分离部分的结构完整性和机械强度。
[0077] 在一些情况下，产生的断层线不足以从基材自发地分离部件，可能需要第二步骤。 如果希望的话，可以使用第二激光来产生热应力从而使其发生分离。可以在产生断层线之 后实现分离，例如通过施加机械作用力或者通过使用热源（例如，红外激光，如C0 2激光)产 生热应力并迫使部件与基材发生分离。另一个选项是仅使用C02激光来引发分离，然后手动 完成分离。例如，采用以10.6um发射且功率通过控制其负载循环进行调节的失焦cw激光，实 现了任选的C0 2激光分离。聚焦变化（即，失焦程度和包括聚焦斑尺寸）用于通过改变斑尺寸 来改变诱发的热应力。失焦激光束包括如下那些激光束，其产生大于最小衍射限的斑尺寸 (约为激光波长尺寸）的斑尺寸。例如，约为2-12mm(或者7mm、2mm和20mm)的失焦斑尺寸（1/ e2直径)可用于C02激光，例如，在给定发射波长为10.6um的情况下，其衍射限斑尺寸要小得 多。对cw激光的功率密度进行控制或选择，以提供较低强度束，使得激光斑加热基材材料的 表面从而产生热应力而不发生烧蚀也不诱发形成裂纹，所述裂纹明显偏离含缺陷线的平 面。偏离缺陷线的裂纹长度小于20um，或者小于5um，或者小于lum〇
[0078] 产生缺陷线有数种方法。形成线聚焦的光学方法可以具有多种形式，采用圆环形 激光束和球形透镜、锥棱镜透镜、衍射元件，或者其他方法来形成高强度的线性区域。激光 的类型（皮秒、飞秒等）以及波长（IR、绿色、UV等）也可以发生变化，只要在聚焦区域中抵达 了足够的光学强度，通过非线性光学效应产生基材材料的开裂即可。基材材料包括玻璃、玻 璃层叠体、玻璃复合物、蓝宝石、玻璃-蓝宝石堆叠，以及其他对于激光波长基本透明的材 料。例如，可以将蓝宝石层粘结到玻璃基材上。玻璃基材可以包括高性能玻璃，例如康宁公 司（Corning)的EagleX6?，或者廉价玻璃，例如钠钙玻璃。
[0079] 在本申请中，使用超短脉冲激光，以一致、可控和可重复的方式产生高纵横比垂直 缺陷线。能够产生该垂直缺陷线的光学设定的细节见下文以及2013年1月15日提交的美国 申请第61/752,489号所述(其在上文也进行了引用），其全文通过引用结合入本文。该概念 的基础在于，在光学透镜组件中使用锥棱镜透镜元件，采用超短(皮秒或飞秒持续时间）贝 塞尔束，产生高纵横比、无锥角微通道区域。换言之，锥棱镜将激光束在基材材料中浓缩成 圆柱形状和高纵横比（长的长度和小的直径)的高强度区域。由于浓缩激光束所产生的高强 度，发生激光的电磁场与基材材料的非线性相互作用，激光能被传输到基材，实现形成缺 陷，所述缺陷变得构成断层线。但是，重要的是，认识到在激光能量强度不够高的材料区域 中（例如，基材表面，围绕中心会聚线的基材体积），材料对于激光是透明的，以及没有机制 使得能量从激光转移到材料。作为结果，当激光强度低于非线性阈值时，对于基材没有发生 情况。
[0080] 如上文所述，可以采用一个或多个高能脉冲或者一个或多个高能脉冲的群，在透 明材料中产生微观(例如，直径〈0.5mi以及>100nm，或者直径<2wii以及>100nm)拉伸的缺陷 线(本文也称作打孔或损坏轨迹）。打孔表示基材材料被激光改性的区域。激光诱发的改性 破坏了基材材料的结构并构成机械弱化位点。结构破坏包括压缩、熔化、材料的移走、重新 排列和键裂开。打孔延伸进入基材材料的内部，并且具有与激光的横截面形状一致的横截 面形状(大致圆形）。打孔的平均直径可以是0.1-50咖，或者l-20um，或者2-10um，或者0.1-5um。在一些实施方式中，打孔是"通孔"，这是从基材材料的顶部延伸到底部的孔或开放通 道。在一些实施方式中，打孔可能不是连续开放的通道并且可能包含通过激光从基材材料 移除的固体材料部分。移除的材料阻挡或者部分阻挡了由打孔限定的空间。可能在移除的 材料部分之间分散有一个或多个开放通道(未阻挡区域）。开放通道的直径可〈lOOOnm，或者 <500nm，或者<400nm，或者<300nm，或者10-750nm或者100-500nm。在本文所揭示的实施方式 中，围绕孔的材料的被破坏或被改性区域(例如，压缩、熔化或者其他方式发生改变)的直径 优选〈50iim(例如，〈lOym)。
[0081]可以以数百千赫的速率(例如每秒几十万个穿孔)产生单个穿孔。因而，由于激光 源和材料之间的相对运动，这些穿孔会相互相邻放置（空间间隔变化是按照需要的亚微米 至数微米，或者如果需要的话甚至数十微米）。选择这种空间间隔从而有助于切割。
[0082]转到图2A和2B，对材料进行激光钻孔的方法包括:将脉冲激光束2聚焦成激光束焦 线2b，沿着束扩展方向观察。激光束焦线2b可以通过数种方式产生，例如，贝塞尔束、艾里 束、韦伯束和马修束（即，非衍射束），其场分布通常由特殊函数给出，其在横向方向（即，传 播方向）比高斯函数衰减的更慢。如图3A所示，（未示出的）激光3在光学组件6的入射侧(称 作2a)发射激光束2,其入射到光学组件6上。光学组件6将入射的激光束在输出侧上转变成 激光束焦线2b，其是在限定膨胀范围上沿着束方向（焦线的长度1)。将待加工的平面基材1 放在光学组件之后的束路径中，至少部分重叠激光束2的激光束焦线2b。分别地，标记la表 示平坦基材朝向光学组件6或者激光的表面，以及标记lb表示基材1的相反表面(远离或者 相对于光学组件6或激光较远的表面）。基材厚度(垂直于平面la和lb测量，即，垂直于基材 平面测量)标记为d。
[0083] 如图2A所示，基材1与束纵轴基本垂直对准，从而在由光学组件6产生的相同焦线 2b的后面(基材垂直于附图平面），以及沿着束方向观察，其相对于焦线2b布置成以束方向 观察，焦线2b在基材的表面la之前开始，并且在基材的表面lb之前停止，即仍然在基材内。 在激光束焦线2b与基材1的重叠区域中，即，被焦线2b覆盖的基材材料中，（沿着激光束焦线 2b合适的激光强度，该强度通过将激光束2聚焦到长度1的区段上，即长度1的线聚焦，得以 确保的情况下)激光束焦线2b产生与束纵向方向对准的区段2c，沿着该区段2c，在基材材料 中产生感应的非线性吸收。此类线聚焦可以通过数种方式产生，例如，贝塞尔束、艾里束、韦 伯束和马修束（即，非衍射束），其场分布通常由特殊函数给出，其在横向方向（即，传播方 向）比高斯函数衰减的更慢。诱发的非线性吸收在基材材料中沿着区段2c诱发形成缺陷线。 缺陷线的形成不仅是局部的，而是在感应吸收的区段2c的整个长度上延伸。区段2c的长度 (其对应于激光束焦线2b与基材1重叠的长度)标记为参照L。感应吸收的区段(或者基材1的 材料中发生形成缺陷线的区段）的平均直径或程度标记为参照D。平均程度D基本上对应于 激光束焦线2b的平均直径8,也就是说，约为0.1-5微米的平均斑直径。
[0084] 如图2A所示，由于沿着焦线2b的感应吸收，加热了基材材料(其对于激光束2的波 长入是透明的）。图2B显示被加热的基材材料会最终膨胀使得对应的感应拉伸导致形成微裂 纹，拉伸在表面la处最高。
[0085]下面描述(可用于产生焦线2b)的代表性光学组件6以及（可以将这些光学组件用 于其中的）光学系统。所有这些组件或系统是基于上文的描述，从而对于相同的组件或特征 或者功能相同的那些使用相同标记。因此，下面仅描述不同的地方。
[0086] 为了确保分离部件沿着进行分离的表面的高质量(关于破裂强度、几何形貌精确 度、粗糙度以及避免再次进行机械加工的需求而言），应该采用下文所述的光学组件产生沿 着分离线（断层线)置于基材表面上的单条焦线（下文，也替代性地将光学组件称作激光光 学件）。分离表面(或者分离部分的周界表面)的粗糙度结果主要由焦线的斑尺寸或斑直径 决定。表面的粗糙度可以通过例如由ASME B46.1标准定义的Ra表面粗糙度参数进行表征。 如ASMEB46.1所述，Ra是表面轮廓高度与中线的偏差的绝对值的算术平均，记录在估值长度 内。换言之，Ra是表面的单个特征(峰和谷)相对于中值的一组绝对高度偏差的平均值。
[0087] 为了实现小的斑尺寸(例如在与基材1的材料相互作用的激光3的给定波长A的情 况下，0.5-2微米），通常必须对激光光学件6的数值孔径施加某些要求。下文所述的激光光 学件6符合这些要求。为了实现所需的数值孔径，一方面，对于给定的焦距长度，光学件必须 根据已知的阿贝公式(N.A.=n sin(0)，n:待加工的玻璃的折射率；0:孔径半角；以及0 = arCtan(DL/2f);DL:孔径，f:焦距长度)布置所需的开口。另一方面，激光束必须将光学件照 亮至所需的孔径，这通常是通过采用在激光和聚焦光学件之间的加宽望远镜的束加宽的方 式实现的。
[0088]出于沿着焦线均匀相互作用的目的，斑尺寸不应该变化过于强烈。例如，这可以通 过仅在小的圆形区域中照射聚焦光学件，从而使得束开口略微变化进而使得数值孔径的百 分比仅略微变化，得以保证(参见下文实施方式）。
[0089] 根据图3A(垂直于在激光辐射2的激光束群中的中心束的水平的基材平面的区段； 此处，也是激光束2 (在进入光学组件6之前)垂直入射到基材平面，即，角0是0°，使得焦线2b 或者感应吸收的区段2c平行于基材法线），激光3发射的激光辐射2a首先被导向到圆形孔径 8上，其对于所使用的激光辐射是完全不透明的。孔径8取向垂直于束纵轴，并且处于所示的 束群2a的中心束上。对孔径8的直径进行选择，使得靠近束群2a的中心的束群或者中心束 (此处标记为2aZ)撞击孔径，并被其完全吸收。由于相比于束直径降低的孔径尺寸，导致仅 绕着束群2a的外周界中的束(边缘射线，此处标记为2aR)没有被吸收，而是横向地通过孔径 8并撞击光学组件6的聚焦光学元件的边缘区域，这在该实施方式中，设计成球形切割双凸 透镜7。
[0090] 透镜7处于中心束的中心，并且故意设计成常用球形切割透镜形式的非修正双凸 聚焦透镜。在该设计实施方式中，故意使用此类透镜的球形光行差。作为替代，也可以使用 与理想修正系统发生偏差的非球形或者多透镜系统，其没有形成理想的焦点，而是形成限 定长度的不同的拉伸的焦线（即，透镜或系统不具有单个焦点）。因而，透镜的区域沿着焦线 2b聚焦，受制于来自透镜中心的距离。孔径8在束方向上的直径近似为束群直径的90% (束 群直径定义为程度降低至1/e2)以及是光学组件6的透镜7的直径的约75%。从而使用通过 在中心将束群阻挡掉所产生的非光行差修正球形透镜7的焦线2b。图3A显示贯穿中心束的 一个平面中的区段，以及当所示的束绕着焦线2b转动时，可以看到完整的三维束群。
[0091]通过如图3A所示的透镜7和系统所形成的这种类型焦线的一个潜在缺点在于，状 态(斑尺寸、激光强度)可能沿着焦线变化（以及进而沿着所需的材料中的深度变化），因而 可能仅在选定的焦线部分中产生所需类型的相互作用(不发生熔化、感应吸收、裂纹形成的 热塑性变形）。这进而意味着可能仅有部分入射激光光线被以所需的方式吸收。以这种方 式，一方面削弱了（对于所需的分离速度需要平均激光功率的）加工效率，并且另一方面激 光光线可能传输到不合乎希望的更深区域(与基材附着的部件或层或者基材保持固定器） 且与它们以不合乎希望的方式发生相互作用(加热、扩散、吸收、不合乎希望的改性）。
[0092] 图3B-1-4显示（不仅是对于图3A中的光学组件，而是基本上还对于任意其他可适 用的光学组件6而言），可以通过使得光学组件6相对于基材1合适地定位和/或对准以及通 过合适地选择光学组件6的参数，来对激光束焦线2b的进行不同定位。如图3B-1所示，可以 对焦线2b的长度1进行如下方式的调节，使其超过基材厚度d(此处超过的系数为2)。如果 (以束纵向方向）将基材1放在焦线2b的中心，则在整个基材厚度上产生感应吸收的区段2c。 激光束焦线2b的长度1可以是例如约为0. l-100mm，或者约为0. l-10mm，或者约为0.1-lmm。 各种实施方式可以构造成长度1是例如约为〇. lmm、〇. 2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、 2mm、3mm、4mm或5mm〇
[0093]在图3B-2所示的情况中，产生长度1的焦线2b，其差不多对应于基材程度d。由于基 材1相对于线2放置的方式使得线2b的起始点在基材之前，即基材外部，所以感应吸收的区 段2c(其在这里是从基材表面延伸到限定的基材深度，但是没有到达相反表面lb)的长度L 小于焦线2b的长度1。图3B-3显示如下情况，其中，（沿着束方向观察的)基材1放置在焦线2b 的起始点的上面，从而如图3B-2的情况，线2b的长度1大于基材1中感应吸收区段2c的长度 L。因而，焦线在基材内开始并延伸超过相反(远端）表面lb，越过基材。图3B-4显示如下情 况，其中，焦线长度1小于基材厚度d，从而在以入射方向观察使得基材相对于焦线中心放置 的情况下，焦线在基材内靠近表面la开始，并在基材内靠近表面lb终止(1 = 0.75d)。
[0094]特别有利的是实现焦线的如下方式放置，使得表面la、lb中的至少一个被焦线覆 盖，即感应吸收的区段2c至少是在一个表面上开始。以这种方式，可以实现实际上理想的钻 孔或切割，避免表面的烧蚀、起毛和颗粒化。
[0095]图4显示另一种可适用的光学组件6。基本构造符合图3A所述的那种情况，从而下 面仅对差异进行描述。所示的光学组件基于使用具有非球形自由表面的光学件，从而产生 焦线2b，其形状使得形成具有限定长度1的焦线。出于该目的，可以将非球面用作光学组件6 的光学元件。例如，在图4中，使用了所谓的锥形棱镜，通常也称作锥棱镜。锥棱镜是特殊的 锥形切割棱镜，其在沿着光轴的线上形成斑源(或者将激光束转变成环）。此类锥棱镜的设 计是本领域技术人员周知的；例子中的锥角是10°。这里标记为附图标记9的锥棱镜的顶点 导向入射方向并且处于束中心处。由于锥棱镜9的焦线2b已经开始于其内部，基材1(此处与 主束轴垂直对准)可以放置在束路径中，直接位于锥棱镜9的后面。如图4所示，由于锥棱镜 的光学特性，还可以沿着束方向偏移基材1，同时仍然在焦线2b的范围内。因此，在基材1的 材料中的感应吸收2c的区段延伸超过整个基材深度d。
[0096]但是，所示的设计具有如下限制：由于通过锥棱镜9形成的焦线2b的区域以锥棱镜 9开始，显著部分的激光能没有被聚焦到焦线2b的感应吸收区段2c中，该区段位于材料内， 在该情况下，在锥棱镜9与待加工的材料之间存在分隔。此外，焦线2b的长度1与束直径经由 折射率和锥棱镜9的锥角相关联。这是在较薄材料(数毫米)的情况下，总焦线远长于基材厚 度的原因：激光能同样没有被具体聚焦到材料中的影响。
[0097]出于该原因，可能希望使用同时包括锥棱镜和聚焦透镜的光学组件6。图5A显示该 光学组件6,其中，设计成形成激光束焦线2b的具有非球形自由表面的第一光学元件（以束 方向观察)被放置在激光3的束路径中。在图5A所示的情况中，该第一光学元件是具有5°锥 角的锥棱镜10,其放置成垂直于束方向并且位于激光束3的中心。锥棱镜的顶点取向朝向束 方向。第二聚焦光学元件(此处为平-凸透镜11，其曲率取向朝向锥棱镜)放置在束方向中， 距离锥棱镜10的距离为Z1。对距离Z1进行选择(在该情况下约为300mm)，使得通过锥棱镜10 形成的激光辐射圆环状入射到透镜11的外半径部分上。透镜11将圆环辐射聚焦到距离为Z2 的输出侧上，在该情况下，距离透镜11约为20mm，具有限定长度的焦线2b，在该情况下为 1.5mm。该实施方式中，透镜11的有效焦距为25mm。经由锥棱镜10的激光束的圆形转变标记 为附图标记SR。
[0098]图5B具体显示根据图5A，在基材1的材料中形成焦线2b或者感应吸收2c。对两个元 件1〇、11的光学特性以及它们的位置进行选择，使得束方向中焦线2b的程度1与基材1的厚 度d完全一致。因此，要求基材1沿着束方向的精确定位，从而将焦线2b精确地放在基材1的 两个表面la和lb之间，如图5B所示。
[0099]因此，如果焦线形成在距离激光光学件的一定距离，以及如果较大部分的激光辐 射调焦至焦线的所需端的话，则是有利的。如所述，这可以通过如下方式实现:仅在所需区 域以圆环状(环状)照射主聚焦元件11(透镜），这在一方面，起到了实现所需的数值孔径进 而实现所需的斑尺寸的作用，但是，在另一方面，在非常短距离上的斑中心处的所需的焦线 2b之后，漫射环减小了强度，因为形成了基本圆环形斑。以这种方式，在所要求的基材深度 的短距离内，停止了缺陷线的形成。锥棱镜10和聚焦透镜11的组合符合该要求。锥棱镜以两 种不同方式起作用：由于锥棱镜10,将通常圆形激光斑以环形式输送到聚焦透镜11，以及锥 棱镜10的非球面性具有形成超过透镜焦平面的焦线而不是形成在焦平面内的焦点的作用。 可以通过锥棱镜上的束直径来调节焦线2b的长度1。另一方面，可以通过锥棱镜-透镜分离 的距离Z1以及锥棱镜的锥角，来调节沿着焦线的数值孔径。以这种方式，可以将全部的激光 能集中到焦线中。
[0100] 如果缺陷线的形成旨在持续到基材的背侧，则圆环形(环形）照射仍然具有如下优 势：（1)使用的激光功率优化，在该意义上，大部分的激光仍然集中在所需的焦线长度中，以 及(2)可以实现沿着焦线的均匀斑尺寸，因而实现沿着焦线的均匀分开过程，这是由于圆环 状照射区结合由于其他光学功能的方式设定的所需光行差所导致的。
[0101] 作为图5A所示的平-凸透镜的替代，也可以使用聚焦弯月形透镜或者另一较高修 正的聚焦透镜(非球形、多透镜系统）。
[0102] 为了采用图5A所示的锥棱镜和透镜的组合产生非常短的焦线2b，会需要选择非常 小的激光束的束直径入射到锥棱镜上。这具有如下实践上的缺点：将束中心化至锥棱镜的 顶点上必须非常精确，因此结果对于激光的方向变化非常敏感(束漂移稳定性）。此外，严格 准直的激光束是非常发散的(divergent)，即由于光偏转，束群在短距离内变得模糊。
[0103] 参见图6,通过在光学组件6中插入另一个透镜，准直透镜12,可以避免这两种影 响。额外的正透镜12的作用是非常严格地调节聚焦透镜11的圆形照射。对准直透镜12的焦 距f'进行选择，使得由于从锥棱镜到准直透镜12的距离Zla导致的所需的圆形直径dr等于 f'。可以通过(准直透镜12到聚焦透镜11的)距离Zlb来调节所需的环宽度br。作为纯几何学 问题，小的圆环照射宽度导致短的焦线。可以在距离f'实现最小值。
[0104]因而，图6所示的光学组件6基于图5A所示的那种情况，从而下面仅对差异进行描 述。将准直透镜12(此处也设计成平-凸透镜，其曲率朝向束方向）额外地放置在束路径的中 心，在(位于一侧的)锥棱镜1〇(其顶点朝向束方向）和(位于另一侧的)平-凸透镜11之间。准 直透镜12与锥棱镜10的距离称作Zla，聚焦透镜11与准直透镜12的距离称作Zlb，以及焦线 2b与聚焦棱镜11的距离称作Z2(总是以束方向观察）。如图6所示，由锥棱镜10形成的圆形辐 射SR(其发散入射并在准直透镜12上具有圆形直径dr)被调节至沿着距离Zlb所需的圆形宽 度br，至少在聚焦透镜11处具有近似恒定的圆形直径dr。在所示的情况下，旨在产生非常短 的焦线2b，从而透镜12处近似4mm的圆形宽度br减少至透镜11处近似0.5mm，这是由于透镜 12的聚焦性质(在该例子中，圆形直径dr是22mm)。
[0105] 在所示的例子中，可以通过如下方式实现小于0.5mm的焦线1的长度:采用2mm的典 型激光束直径，焦距f = 25mm的聚焦透镜11，以及焦距f'=150mm的准直透镜，以及选择距离 Zla = Zlb = 140mm 且 Z2 = 15mm 〇
[0106] -旦产生了断层线，可以通过如下方式发生分离：1)在断层线上或者断层线附近 的手动或机械应力；应力或压力应该产生拉伸，将断层线的两侧拉开使得仍然粘结在一起 的区域破裂;2)使用热源在断层线周围产生热应力区，使得缺陷线处于张力并沿着断层线 诱发部分或整体分离；以及3)使用离子交换过程在断层线周围的区域中引入应力。此外，下 面描述了对于非斜切边缘或者不完全斜切边缘(但是具有由于边缘冲击引起的受控损失的 "牺牲"区域)使用皮秒激光加工。
[0107] 第二种方法利用了已有边缘通过施加非常靠近边缘表面和基材之间的相交的聚 焦(通常C02)激光来产生斜切。基材材料必须高度吸收激光束，以产生跨越材料的熔化温度 到其应变点的温度梯度。该热梯度产生应力曲线，其导致非常薄的材料条的分离或剥离。薄 的材料条从材料本体卷曲和剥离，尺寸由应变区和软化区之间所限定的区域深度所决定。 这种方法可以结合之前的方法，从被断层线规定的平面剥离薄的材料条。在该实施方式中， 在断层线附近建立热梯度。热梯度与断层线的组合可产生斜切边缘形状和表面织构的更好 控制，相比于单纯使用热方式所可能会产生的其他情况而言。
[0108] 图7A给出了本申请所述的工艺总览。
[0109] -种方法依赖于采用短脉冲激光诱发的非线性吸收来产生上文所述的断层线，用 于形成所需的部件和边缘形状。工艺依赖于材料在线性状态中对于激光波长的透明（低激 光强度），这提供了高的表面和边缘质量，具有减少的表面下损坏，通过绕着激光聚焦的高 强度区域产生。实现该过程的一个关键在于通过超短脉冲激光所产生的缺陷线的高纵横 比。这能够产生断层线(长且陡峭缺陷线），其可以从待切割和斜切材料的顶表面延伸到底 表面。原则上来说，可以通过单个脉冲形成每条缺陷线（打孔），以及如果需要的话，可以使 用额外的脉冲来增加受影响区域的程度(深度和宽度）。
[0110] 使用图1A-1C所示的分离具有平坦边缘的玻璃基材的相同原理，生产斜切边缘的 工艺可以如图7B所示进行改性。为了分离并形成斜切边缘，可以在材料中形成三个分开的 缺陷线平面，其相交并限定了所需的边缘形状的边界。如图7C所示，可以使用仅仅两个相交 缺陷线平面来形成不同形状，但是可能需要在没有任何缺陷线的情况下对边缘的内部平坦 部分进行破裂或分离(例如，通过机械或者热方式）。
[0111] 激光和光学系统：
[0112] 出于切割玻璃或者其他透明脆性材料的目的，建立了使用1064nm皮秒激光结合形 成线聚焦束的光学件的工艺，在基材中产生缺陷线。将〇 . 7 m m厚度的样品 Corning? Gorilk?玻璃编号2320基材放置成使其处于线聚焦内。对于程度约1mm的线聚 焦，以及以200kHz的重复频率产生大于或等于约30W的输出功率的皮秒激光(约为150uJ/脉 冲），则线区域中的光学强度可以容易地足够高至在材料中产生非线性吸收。近似随着高强 度的线性区域，产生损坏、烧蚀、蒸发或者其他方式改性的材料区域。
[0113] 注意到该皮秒激光的典型操作产生脉冲的"群"。每个"群"可含有非常短持续时间 的多个子脉冲(约10皮秒）。每个子脉冲的时间间隔约为20毫微秒(50MHz)，时间通常由激光 腔设计控制。每个"群"之间的时间可以长得多，通常约为5us，对于约200kHz的激光重复频 率而言。确切的时间间隔、脉冲持续时间和重复频率可取决于激光设计发生变化。但是已经 显示高强度的短脉冲(〈15皮秒)与该技术工作良好。
[0114] 更具体来说，如图8A和8B所示，根据本文所述选定的实施方式，皮秒激光产生脉冲 500A的"群"500,有时也称作"群脉冲"。群是这样一类激光操作，其中，脉冲的发射不是以均 匀且稳定流的方式进行，而是以紧密脉冲群的方式进行(参见参考文献）。每个"群"500在高 至100微微秒的非常短的持续时间Td内（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微微秒或其间范围)含有多 个脉冲500A(例如，2个脉冲、3个脉冲、4个脉冲、5个脉冲、10个脉冲、15个脉冲、20个脉冲或 者更多）。脉冲持续时间通常约为1-1000微微秒，或者约为1-100微微秒，或者约为2-50微微 秒，或者约为5-20微微秒。这些单个群500内的这些单独的脉冲500A也可被称作"子脉冲"， 这不过是表示它们存在于单个脉冲群内这个事实。脉冲群内的每个激光脉冲500A的能量或 强度可能不等于脉冲群内的其他脉冲的能量或强度，并且脉冲群500内的多个脉冲的强度 分布可符合由激光设计所管理的随时间的指数衰减。优选地，本文所述的示例性实施方式 的脉冲群500中的每个脉冲500A与群内的后续脉冲的时间间隔的持续时间T P为1-50毫微秒 (例如，10-50ns，或者10-40或10-30毫微秒），时间通常由激光腔设计所管理。对于给定激 光，脉冲群500内的每个脉冲的时间间隔T P (脉冲-脉冲间隔)较为均匀（± 10 % )。例如，在一 些实施方式中，每个脉冲与后续脉冲的时间间隔近似为20毫微秒(50MHz脉冲重复频率）。例 如，对于产生约20毫微秒的脉冲-脉冲间隔T P的激光，群内的脉冲-脉冲间隔TP维持在约为± 10%，或者约为±2毫微秒。每个"群"之间的时间（即，群之间的时间间隔T b)会长得多（例 如，0.25< K1000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，对于约为200kHz的激光重复频率或者频率，其约为5微秒。本文中，激光重复 频率也称作群重复频率或者脉冲群重复频率，定义为群中的第一个脉冲与后续群中的第一 个脉冲之间的时间。在其他实施方式中，群重复频率约为1kHz至4MHz，或者约1kHz至2MHz， 或者约l-650kHz，或者约为10-650kHz。每个群中的第一个脉冲与后续群中的第一个脉冲之 间的时间T b可以是0.25微秒(4MHz群重复频率)至1000微秒（1kHz群重复频率），例如0.5微 秒(2MHz群重复频率)至40微秒(25kHz群重复频率），或者2微秒(500kHz群重复频率)至20微 秒(50kHz群重复频率）。确切的时间间隔、脉冲持续时间和重复频率可取决于激光设计以及 用户可控的操作参数发生变化。显示高强度的短脉冲(Td〈20微微秒以及优选Td<15微微秒） 工作良好。
[0115] 对材料进行改性所需的能量可以描述为群能量(群内所含的能量，每个群500含有 一系列的脉冲500A)或者描述为单个激光脉冲中所含的能量(许多个它们可构成群）。对于 这些应用，每个群的能量(每毫米待切割的材料）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。群内单个脉冲的能量会较小，单个激光脉冲的确切能量会取决于群500内的脉冲 500A数量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8B所示。例如， 对于恒定的能量/群，如果脉冲群含有10个单个激光脉冲500A，则每个激光脉冲500A会含有 较少的能量，相比于如果仅具有2个单个激光脉冲的相同脉冲群500而言。
[0116] 对于切割或改性透明材料（例如玻璃），使用能够产生此类脉冲群的激光是有利 的。不同于使用通过单脉冲激光的重复频率在时间上间隔开的单个脉冲，使用在群500内的 脉冲的快速序列上使得激光能铺展开的脉冲群序列实现了与材料的较大时间跨度的高强 度相互作用，相比于单脉冲激光可能的情况而言。虽然单脉冲可以在时间上膨胀，但是能量 守恒意味着如果这样的话，脉冲内的强度必然在脉冲宽度上粗略地下降。因此，如果10微微 秒的单脉冲膨胀到10毫微秒脉冲的话，强度粗略地下降3个数量级。该下降会使得光学强度 降低至非线性吸收不再显著的点，并且光-材料相互作用不再强到足以实现切割。相反地， 利用脉冲群激光，每个脉冲或者群500内的子脉冲500A期间的强度仍然可以是非常高的，例 如时间间隔T P约为10毫微秒的3个脉冲持续时间Td为10微微秒的脉冲500A仍然实现每个脉 冲中的强度近似高于3倍的单个10微微秒脉冲，同时激光能够与材料在大3个数量级的时间 规格上与材料相互作用。因而，这种群内的多脉冲500A的调节实现了激光-材料相互作用的 时间规格的操纵，其方式可以有助于更大或更小的光与预先存在的等离子体羽毛状物，更 大或更小的光_材料相互作用（与通过初始或先前的激光脉冲预激发的原子和分子），以及 材料内更大或更小的加热效应(可促进缺陷线(打孔)的受控生长）。对材料进行改性所需的 群能量大小会取决于基材材料组成和用于与基材相互作用的行焦距的长度。相互作用区域 越长，展开的能量约多，则会需要的群能量也越高。
[0117] 当单个脉冲群撞击玻璃上基本相同位置时，在材料中形成缺陷线或者孔。也就是 说，单个群内的多个激光脉冲可在玻璃中产生单条缺陷线或者孔位置。当然，如果玻璃发生 移动（例如，恒定移动阶段)或者束相对于玻璃移动，群内的单独脉冲无法处于玻璃上完全 相同的空间位置。但是，它们很好地相互在lMi之内，即，它们基本上撞击玻璃的相同位置。 例如，它们可以以相互之间的间距sp撞击玻璃，其中，0〈sp<500nm。例如，当玻璃位置被20 个脉冲的群撞击时，群内的单个脉冲撞击玻璃相互之间处于250nm之内。因此，在一些实施 方式中，111111〈8口〈25〇111]1。在一些实施方式中，lnm〈sp〈100nm〇
[0118]孔或损坏轨迹的形成：
[0119]如果基材具有足够的应力（例如，离子交换玻璃），则部件会自发性地沿着通过激 光加工描绘出的断层线分离。但是，如果基材并非固有很多应力的话，则皮秒激光会仅在基 材中形成缺陷线。这些缺陷线可以是内尺寸(直径)约为0.5-1.5um的孔的形式。
[0120]孔或缺陷线可以刺穿或者不刺穿材料的整个厚度，以及可以是穿过整个材料深度 的连续开口或者可以不是这种情况。图1C显示刺穿700um厚的未强化的Gorilla?玻璃基材 片的整个厚度的此类轨迹的例子。通过劈开边缘的侧面，观察穿孔或损坏轨迹。穿过材料的 轨迹不一定是通孔，可能存在玻璃堵塞住孔的区域，但是它们通常是小尺寸的。
[0121] 注意的是，在断层线处分离之后，沿着缺陷线发生破裂，以提供具有表面的部件或 边缘，其具有源自缺陷线的特征。在分离之前，缺陷线的形状通常是圆柱形。在分离之后，缺 陷线破裂并且缺陷线的剩余部分在分离部件或边缘的表面的轮廓中是明显的。在理想模型 中，在分离之后缺陷线对半劈开，从而分离部件或边缘的表面包括对应于半圆柱形的锯齿 状。在实践中，分离可能与理想模型具有偏差，以及表面的锯齿状可能是初始缺陷线的形状 的任意部分。不考虑特定形式，分离表面的特征会被称作缺陷线，以表明它们存在的来源。
[0122] 缺陷线之间的横向间距(节距）由基材在聚焦激光束下位移时的激光的脉冲频率 所决定。仅需要单次皮秒激光脉冲或群来形成完整孔，但是如果需要的话，可以使用多个脉 冲或群。为了以不同节距形成缺陷线，激光可以触发成以较长或较短的时间间隔射击。对于 切割操作，激光触发通常与束下方的部件的阶段驱动运动同步，从而激光脉冲以固定时间 间隔触发，例如每lum，或者每5um。相邻缺陷线之间的确切间距由材料性质所决定，其有助 于裂纹从穿孔扩展到穿孔，产生基材中的应力水平。作为切割基材的替代，也可以使用相同 的方法仅对材料进行打孔。在此情况下，缺陷线的间隔可以是较大间距(例如，5um节距或更 大)。
[0123] 激光功率和透镜焦距(其决定了焦线长度进而决定了功率密度)对于确保玻璃的 完全穿透和低微表面和表面下损坏是特别重要的。
[0124] 通常来说，可用的激光功率越高，以上述工艺可以对材料进行切割越快。本文所揭 示的工艺可以以〇.25m/s或更快的切割速度来对玻璃进行切割。切割速度(或者切割的速 度)是激光束相对于基材材料(例如玻璃）的表面移动同时产生多个缺陷线孔的速率。高的 切割速度(例如，400mm/s，500mm/s，750mm/s，lm/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，从而使得制造的基建投资最小化并优化装备利用率。激光功率等 于激光的群能量乘以群重复频率(速率）。通常来说，为了以高切割速度切割玻璃材料，缺陷 线间隔通常为l-25um，在一些实施方式中，间距优选是3um或更大，例如3-12um，或者例如5-10um〇
[0125] 例如，为了实现300mm/s的线性切割速度，3um孔节距对应于具有至少100kHz群重 复频率的脉冲群激光。对于600mm/s切割速度，3um节距对应于具有至少200 kHz群重复频率 的群-脉冲激光。以200kHz产生至少40uJ/群以及以600mm/s的切割速度进行切割的脉冲群 激光需要具有至少8瓦的激光功率。因此，更高的切割速度需要更高的激光功率。
[0126] 例如，以3mi节距和40yJ/群的0 ? 4m/s切割速度会要求至少5W激光，以3圓节距和40 yj/群的〇. 5m/s切割速度会要求至少6W激光。因此，优选脉冲群ps激光的激光功率大于或等 于6W，更优选至少8W或更高，以及甚至更优选至少10W或更高。例如，为了实现4mi节距(缺陷 线间隔或损坏轨迹间隔）和1〇〇幻/群的〇.4m/s切割速度会要求至少10W激光，以及为了实现 4wii节距和100yJ/群的0.5m/s切割速度会要求至少12W激光。例如，为了实现3wii节距和40y J/群的lm/s切割速度会要求至少13W激光。此外，例如，以4mi节距和400yJ/群的lm/s切割速 度会要求至少100W激光。
[0127] 缺陷线（损坏轨迹)之间的最佳节距和确切群能量是依赖于材料的并且可以通过 经验确定。但是，应注意的是，提升激光脉冲能量或者以更靠近的节距制造损坏轨迹并不总 是使得材料更好地分离或者具有改进的边缘质量的情况。缺陷线(损坏轨迹)之间过小的节 距(例如，〈0.1微米或者在一些示例性实施方式中，<1M1或者在其他实施方式中<2wii)有时 会抑制后续邻近缺陷线(损坏轨迹）的形成，并且通常会抑制打孔轮廓附近的材料的分离。 如果节距太小的话，还可能发生玻璃中不合乎希望的微开裂的增加。过长的节距(例如，>50 Mi以及在一些玻璃中>25wii或者甚至>20wii)可能导致"不受控的微开裂"，即作为沿着预期 轮廓的从缺陷线到缺陷线的扩展的替代，微裂纹沿着不同路径扩展，并导致玻璃以不同于 预期轮廓的（不合乎希望）的方向开裂。这可能最终导致分离部件的强度降低，因为残留的 微裂纹构成了使得玻璃弱化的瑕疵。过高的形成缺陷线的群能量(例如，>2500uJ/群以及在 一些实施方式中>500uJ/群)会导致先前形成的缺陷线的"愈合"或再熔化，这可能抑制玻璃 的分离。因此，优选群能量<2500uJ/群，例如，<500uJ/群。此外，使用过高的群能量会导致 形成极大的微裂纹，并产生会降低分离后部件的边缘强度的结构不完美性。过低的群能量 (例如，<40iiJ/群)可能导致在玻璃中没有形成可见的缺陷线，因而可能必须要特别高的分 离作用力或者导致完全无法沿着打孔轮廓进行分离。
[0128] 该工艺所能达到的典型示例性切割速率(速度)是例如0.25m/s和更高。在一些实 施方式中，切割速率至少为300mm/s。在一些实施方式中，切割速率至少400mm/s，例如，500-2000mm/s或更高。在一些实施方式中，皮秒(ps)激光采用脉冲群来产生缺陷线，其周期性为 0? 5-13um，例如0 ? 5-3um。在一些实施方式中，脉冲激光的激光功率为10-100W，以及材料和/ 或激光束相对于彼此以至少〇. 25m/s的速率移动；例如，速率为0.25-0.35m/s或0.4-5m/s。 优选地，脉冲激光束的每个脉冲群在工件处测得的平均激光能量大于40uJ每个群每mm工件 厚度。优选地，脉冲激光束的每个脉冲群在工件处测得的平均激光功率小于2500uJ每个群 每mm工件厚度，以及优选小于约2000uJ每个群每mm工件厚度，以及在一些实施方式中，小于 1500uJ每个群每mm工件厚度，例如不超过500uJ每个群每mm工件厚度。
[0129] 我们发现为了打孔具有低碱性含量或者没有碱性含量的碱土硼铝硅酸盐玻璃，需 要高得多的体积脉冲能量密度(uj/um3) (5-10倍）。这可以通过例如采用脉冲群激光(优选 具有至少2个脉冲/群)并且在碱土硼铝硅酸盐玻璃中提供约为0.05uJ/um 3或更高(例如，至 少0. luj/um3，例如，0.1-0.5yJ/wii3)的体积能量密度来实现。
[0130] 因此，优选激光产生每个群具有至少2个脉冲的脉冲群。例如，在一些实施方式中， 脉冲激光的功率为10_150W(例如，10-100W)，并且产生每个群至少2个脉冲的脉冲群(例如， 2-25个脉冲/群）。在一些实施方式中，脉冲激光的功率为25-60W，并且每个群至少2个脉冲 的脉冲群，以及由激光群产生的相邻缺陷线之间的周期性或者间距为2-lOum。在一些实施 方式中，脉冲激光的功率为10-100W，产生每个群至少2个脉冲的脉冲群，以及工件和激光束 相对于彼此位移的速率至少为〇.25m/s。在一些实施方式中，工件和/或激光束相对于彼此 位移的速率至少为〇. 4m/s。
[0131] 例如，为了切割0.7mm厚的非离子交换康宁公司编号2319或者编号232〇G〇rilla? 玻璃，观察到3-7um的节距可以良好工作，脉冲群能量约为150-250uJ/群，以及群脉冲数量 为2-15,以及优选地，节距为3-5um和群脉冲数量(每个群的脉冲数量)为2-5。
[0132] 以lm/s的切割速度，切割EagleXGk玻璃，通常需要使用15-84W的激光功率，30-45W通常是足够的。通常来说，对于各种玻璃和其他透明材料，
【申请人】发现10-100W的激光功 率来实现0.2-lm/s的切割速度是优选的，对于许多玻璃而言，25-60W的激光功率是足够(或 最佳)的。对于〇.4-5m/s的切割速度，激光功率应该优选为10-150W，群能量为40-750yJ/群， 2-25群每脉冲(取决于切割的材料），以及缺陷线间距(或节距）为3-15wii或3-IOmi。对于这 些切割速度，使用皮秒脉冲群激光会是优选的，因为他们产生了高的功率和所需的每个群 的脉冲数量。因此，根据一些示例性实施方式，脉冲激光产生10-100W的功率(例如25-60W)， 以及产生至少2-25个脉冲/群的脉冲群，并且缺陷线之间的距离为2-15um;以及激光束和/ 或工件相对于彼此以至少〇. 25m/s的相对速度(在一些实施方式中，至少0.4m/s，例如，0.5-5m/s或更快）的速率移动。
[0133] 斜切边缘的切割和分离：
[0134] 斜切方法1:
[0135] 发现采用未强化Gorillai)玻璃(具体是康宁编号2320)，能够实现斜切边缘的分离 的不同条件。第一种方法是使用皮秒激光产生缺陷线，从而形成具有与所需形状(在该情况 下，斜切边缘)一致的断层线。在该步骤之后，可以通过使用断裂镊，手动弯曲部件，或者沿 着断层线引发和扩展分离(产生张力）的任意方法，来实现机械分离。为了通过700um厚的未 强化Gorilla?玻璃中的缺陷线产生斜切边缘并机械地分离部件，发现如下光学和激光参数 得到最佳结果：
[0136] 皮秒激光（lOMnm)
[0137] 到达锥棱镜透镜的输入束直径，约2mm
[0138] 锥角=l〇度
[0139] 初始校准透镜焦距=125mm
[0140] 最终物镜焦距=40mm
[0141] Z处的聚焦设定= 0.7mm(即，对于玻璃厚度处于中心的线聚焦设定）
[0142] 100 %完全功率的激光功率(约40瓦特）
[0143] 激光的群重复频率= 200kHz
[0144] 每个群的能量=200uJ (40W/200kHz)
[0145] 节距= 5um
[0146] 3个脉冲/群
[0147] 每个缺陷线单次通过
[0148] 实现分离的替代方法是使用较为失焦的C02激光束(约2mm斑直径），其是在皮秒激 光步骤之后，在皮秒激光完成所需轮廓的描绘之后。C0 2激光诱发的热应力足以沿着所需轮 廓引发和扩展分离或者对边缘进行成形。对于该情况，发现如下光学和激光参数具有最佳 结果：
[0149] 皮秒激光（1064nm)
[0150] 到达锥棱镜透镜的输入束直径，约2mm
[0151] 锥角=1〇度
[0152] 初始校准透镜焦距=125mm
[0153] 最终物镜焦距= 40mm
[0154] Z处的聚焦设定= 0.7mm(即，对于玻璃厚度处于中心的线聚焦设定）
[0155] 75%完全功率的激光功率(约30瓦特）
[0156] 激光的群重复频率= 200kHz
[0157] 3个脉冲/群
[0158] 每个群的能量=150uJ (30W/200kHz)
[0159] 节距= 5um
[0160] 单次通过
[0161] C02 激光
[0162] 激光是200W完全功率激光
[0163] 激光位移速度：10m/分钟
[0164] 激光功率=1〇〇%
[0165] 脉冲持续时间17us
[0166] 激光调制频率20kHz
[0167] 激光负载循环= 17/50us = 34%负载(约68瓦特输出）
[0168] 激光束失焦(相对于玻璃的入射表面）=20_
[0169] 斜切方法2:
[0170] 方法 2A:
[0171] 第二种斜切方法利用了已有边缘通过施加非常靠近边缘表面和基材之间的相交 的高度聚焦C02激光来产生斜切。不同于上文所述的C0 2激光条件，在该情况下，聚焦C02束在 基材表面的尺寸约为l〇〇um直径，这使得束能够将玻璃局部加热至比方法1中所述的失焦束 高得多的温度。基材材料必须高度吸收激光，以产生跨越材料的熔化温度到材料应变点的 温度范围的剧烈温度梯度。热梯度产生应力曲线，其诱发非常薄的材料条的分离或剥离，其 从材料块体发生分离或剥离。薄条的尺寸由具有应变点和软化点之间的温度的材料区域的 深度所决定。
[0172] 这种方法可以结合之前的方法，从被断层线规定的平面进行剥离。换言之，如上文 所述，可以使用皮秒激光来形成断层线（其具有与边缘的所需形状或轮廓一致的形状），以 及可以在断层线中或者断层线附近建立热梯度，以促进薄的材料条的释放。在该实施方式 中，通过皮秒激光产生的断层线引导了薄的材料条进行分离或剥离的方向，并且可以实现 更好的边缘形状或轮廓的控制。
[0173]如图9所示，第二种方法依赖于基材的激光波长吸收(例如，10.6um的C02)。通过材 料吸收激光导致建立起了热梯度，其包括至少从材料的应变点至少延伸到材料的软化点的 温度。如图10所示，当产生此类热梯度时，分离自基材块体的玻璃条形成卷曲剥离。如图9所 示，当激光靠近边缘紧密聚焦时(例如，距离边缘〈100M1)，从右角落剥离卷曲的玻璃条并形 成大致凹陷的斜切，如图10所示。为了对2个角进行斜切，可以翻转样品，并且可以在第二个 角上重复工艺。如图10所示，边缘的平坦部分的缺陷线显示织构，其与图1C所示的通过通孔 打孔形成的平坦边缘的情况一致。图12显示，通过改变斜切速度(定义为C0 2束扫描速度）， 可以改变斜切边缘的特性:斜切角、平坦面的宽度(A)或高度/宽度(B/C)。通过改变C0 2激光 扫描速度，激光能沉积到材料上的速率发生变化，以及热梯度的特性(例如，空间程度、温度 范围）发生变化。通过更快速地移动激光，断层线变得更浅，剥离的材料条变得更窄和更浅。 在图12所示的例子中，斜切速度从3m/分钟变化为10m/分钟。C0 2激光的峰值功率为200W，设 定为30kHz的重复频率与2.9us的脉冲宽度，这产生C02输出功率约为18W的约9%负载循环。
[0174] 剥离的C02激光条件
[0175] 激光是200W完全功率激光
[0176] 激光位移速度:3m/分钟(50mm/s)
[0177] 激光功率=1〇〇%
[0178] 脉冲持续时间2.9us
[0179] 激光调制频率30kHz
[0180] 激光负载循环= 2.9/33us = 9%负载(约18W输出）
[0181] 激光束失焦=0.7mm
[0182] 方法 2B:
[0183] 在该例子中，将斜切方法1的皮秒打孔部分与斜切方法2A的热剥离结合，产生受控 剥离，分离由缺陷线平面引导。如图11A和11B所示，发生右角落的剥离。但是，可能没有沿着 缺陷平面发生完整剥离和脱离，因为在软化区中的热梯度提供可能影响脱离路径的第二驱 动作用力。取决于缺陷平面和裂纹线之间的相对位置（由热梯度限定），可能沿着断层线或 多或少的发生分离。图11B显示一部分的剥离路径偏离由缺陷线限定的路径的例子。偏移最 主要是沿着边缘平坦部分。但是，通过缺陷线特性与C0 2激光适当加热的适当组合，应该可 以在缺陷线平面分离角落。
[0184] 牺牲边缘：
[0185] 即使剥离的玻璃没有完全符合缺陷线平面，玻璃内残留缺陷线的存在也会是有利 的，因为其可以捕获当边缘冲击时形成的裂纹扩展。在该情况下，残留的内部缺陷平面可用 作损失捕获位置，实现产生在残留的内部缺陷线的表面侧上的基材材料区域的"牺牲"边缘 部分。事实上，产生牺牲边缘，所述牺牲边缘包括在分离边缘的内侧上的残留内部缺陷线 (或者一组残留内部缺陷线，其相交在真实边缘内侧形成更为复杂的内部斜角），这可能是 改善斜切部分可靠性的方法，而无需部件的外侧边缘上的物理斜切特征并且无需机械研磨 和抛光来产生该特征。这类牺牲边缘的一些选项如图13所示。由于上文所述的皮秒激光过 程以单次通过产生此类缺陷线，并且速度高至lm/s，这非常容易且以成本节约的方式产生 额外的"损坏停止"线。当经受应力(例如，冲击力)时，玻璃会沿着牺牲边缘分离并防止来自 冲击的裂纹扩展进入部件内部从而使得部件的余下部分是完好的。
[0186] 斜切方法3:
[0187] 最后，通过缺陷线形成的外侧玻璃边缘片的分离不需要通过施加 C02激光或者施 加机械作用力完成。在许多情况下，将从玻璃基材分尚的玻璃部件输送到尚子交换过程进 行化学强化。离子交换自身可产生足够的应力来促进部件的切线区域或斜切角的剥离或分 离。将新的离子引入到玻璃表面中会产生足够的应力来引起外侧角片的剥离或分离。此外， 用于离子交换过程的高温盐浴可提供热应力，其足以诱发沿着断层线的剥离或分离，以提 供斜切或者其他形状边缘。在任意情况下，最终结果是边缘更紧密地符合内部缺陷线，以形 成所需的斜切形状(参见图14)。
[0188] 作为补充或替代，在酸溶液(例如，1.5M HF和0.9M H2S〇4的溶液）中对部件进行蚀 刻可以产生足够的应力引起外侧角落片发生剥离或分离。
[0189] 本文所述的斜切方法还可用于C〇rning?EagleXG?玻璃(不同之处在于方法包 括离子交换），如题为"Laser Cutting of Display Glass Compositions(显示器玻璃组合 物的激光切割)"的申请所述(美国临时专利申请序列号62/023471)。
[0190] 上文所述的方法提供了以下益处:位移增强激光加工能力和成本节约，从而更低 成本制造。在本实施方式中，切割和斜切过程提供了如下内容：
[0191] 斜切或完全切割具有斜切边缘的部件:所揭示的方法能够以干净且受控的方式完 全分离/切割Gorilla?玻璃和其他类型的透明玻璃(强化或未强化）。采用数种方法证实了 完全分离和/或边缘斜切。对于斜切方法1，将部件切割成尺寸或者从玻璃基质分离，具有斜 切边缘，原则上来说，不再需要其他后加工。对于斜切方法2,部件已经切割成尺寸，具有预 先存在的平坦边缘，以及激光被用于斜切边缘。
[0192] 减少的表面下缺陷：对于斜切方法1，由于激光和材料之间的超短脉冲相互作用， 几乎没有热相互作用，因而使得会导致不合乎希望的应力和裂纹的热影响区最小化。此外， 将激光束浓缩到玻璃中的光学件产生缺陷线，其通常在部件的表面上是2-5微米直径。在分 离之后，表面下损坏可以低至<30wii。这对于部件的边缘强度具有重要影响，并且减少了对 边缘进行进一步研磨和抛光的需求，因为这些表面下损坏会生长并发展成微裂纹，当部件 经受拉伸应力时，使得边缘强度弱化。
[0193] 工艺清洁度:斜切方法1能够以干净且受控的方式斜切玻璃。使用常规烧蚀过程来 进行斜切是非常成问题的，因为它们产生大量碎片。此类烧蚀产生的碎片是有问题的，因为 其难以去除，甚至是使用各种清洁和清洗方案的情况下。任何粘附的微粒会造成后续工艺 (其中，对玻璃进行涂覆或金属化以产生薄膜晶体管等）的缺陷。所揭示方法的激光脉冲以 及所诱发的与材料的相互作用的特性避免了该问题，因为它们进行的时间规格非常短，并 且对于激光辐射透明的材料使得诱发的热效应最小化。由于在物体内产生缺陷线，事实上 消除了在切割步骤期间的碎片和粘附颗粒的存在。如果存在由于产生缺陷线所导致的任意 微粒，它们会被良好地容纳直至部件分离。
[0194] 省略工艺步骤
[0195] 从输入玻璃面板将玻璃板制造成最终尺寸和形状的工艺涉及以下数个步骤，其包 括:切割面板，切割成尺寸，精整和边缘成形，将部件薄化至它们的目标厚度，抛光，以及甚 至在一些情况下进行化学强化。任意这些步骤的省略会改善加工时间和基建花费方面的制 造成本。本发明的方法可以通过如下方式减少步骤数量，例如：
[0196]减少碎片和边缘缺陷的产生-潜在地消除清洗和干燥工作站
[0197] 将样品直接切割成具有形状边缘、形状和厚度的最终尺寸，减少或消除对于机械 精整线和与其相关的大量无价值的成本增加的需求。
[0198] 本文引用的所有专利、公开申请和参考文献的全部教导都通过引用全文纳入本 文。
[0199] 虽然本文描述了示例性实施方式，但本领域技术人员应理解可在不背离所附权利 要求所包含的本发明精神和范围的情况下对形式和细节作出各种改变。
【主权项】
1. 一种激光加工的方法，该方法包括： 将脉冲激光束聚焦成激光束焦线； 将所述激光束焦线以相对于材料的第一入射角导向到所述材料中，所述激光束焦线在 所述材料内产生感应吸收，所述感应吸收沿着所述激光束焦线在所述材料内产生缺陷线； 使得所述材料和所述激光束相对于彼此位移，从而沿着所述材料内呈该第一角度的第 一平面形成多条缺陷线； 将所述激光束焦线以相对于所述材料的第二入射角导向到所述材料中，所述激光束焦 线在所述材料内产生感应吸收，所述感应吸收沿着所述激光束焦线在所述材料内产生缺陷 线；以及 使得所述材料或所述激光束相对于彼此位移，从而沿着所述材料内呈该第二角度的第 二平面形成多条缺陷线，所述第二平面与所述第一平面相交。2. -种对材料进行激光加工的方法，该方法包括： 将脉冲激光束聚焦成激光束焦线； 沿着所述材料内的N平面中的每一个形成多条缺陷线，形成多条缺陷线包括： (a) 将所述激光束焦线以相对于对应于所述N平面中的一个的所述材料的入射角导向 到所述材料中，所述激光束焦线在所述材料内产生感应吸收，所述感应吸收沿着所述激光 束焦线在所述材料内产生缺陷线； (b) 使得所述材料和所述激光束相对于彼此位移，从而沿着所述N平面的中的一个平面 形成所述多条缺陷线； (c) 对于N平面中的每一个重复(a)和(b)。3. -种对工件进行激光加工的方法，该方法包括： 将脉冲激光束聚焦成激光束焦线； 将所述激光束焦线以相对于所述工件的入射角导向到所述工件中，所述入射角与所述 工件的边缘相交，所述激光束焦线在所述工件内产生感应吸收，所述感应吸收沿着所述激 光束焦线在所述工件内产生缺陷线； 使得所述工件和所述激光束相对于彼此位移，从而沿着所述工件内呈该角度的平面形 成多条缺陷线；以及 通过使得所述工件经受离子交换过程来沿着所述平面分离所述工件。4. 一种激光加工的方法，该方法包括： 将脉冲激光束聚焦成激光束焦线； 将所述激光束焦线导向到材料中，所述激光束焦线在所述材料内产生感应吸收，所述 感应吸收沿着所述激光束焦线在所述材料内产生缺陷线； 使得所述材料和所述激光束相对于彼此沿着轮廓位移，从而沿着所述轮廓在所述材料 内形成多条缺陷线，所述轮廓描绘了待从所述材料分离的部件的周界； 从所述材料分离所述部件； 将聚焦红外激光沿着与所述部件的第一表面处的边缘相邻的线导向到分离部件内，从 而剥离限定了所述分离部件的第一斜切边缘的第一条带；以及 将所述聚焦红外激光沿着与所述部件的第二表面处的边缘相邻的线导向到分离部件 内，从而剥离限定了所述分离部件的第二斜切边缘的第二条带。5. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，将所述激光束焦线以相对于材料 的第一入射角导向到所述材料中是导向到所述材料的第一表面，以及将所述激光束焦线以 相对于材料的第二入射角导向到所述材料中是导向到所述材料的第二表面。6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料沿着所述第一平面和所述第二平面 分离以限定斜切边缘。7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面分别在所述材 料内限定了牺牲边缘。8. 如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过产生热应力，沿着所述第一平面和所 述第二平面分离所述材料，所述热应力是通过如下方式产生的： 将红外（IR)激光束导向到沿着所述材料内呈所述第一角度的所述第一平面的所述多 条缺陷线上；以及 将所述红外（IR)激光束导向到沿着所述材料内呈所述第二角度的所述第二平面的所 述多条缺陷线上。9. 如权利要求4或8所述的方法，其特征在于，所述IR激光束是C02激光束。10. 如权利要求4或8所述的方法，其特征在于，所述IR激光束是失焦的。11. 如权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括通过向所述材料施加离子交换过程， 使得所述材料沿着所述多条缺陷线发生分离。12. 如权利要求1所述的方法，所述方法还包括： 将所述激光束焦线以相对于所述材料的第三入射角导向到所述材料中，所述激光束焦 线在所述材料内产生感应吸收，所述感应吸收沿着所述激光束焦线在所述材料内产生缺陷 线；以及 使得所述材料和所述激光束相对于彼此位移，从而沿着所述材料内呈所述第三角度的 第三平面形成多条缺陷线； 其中所述第一平面、第二平面和第三平面中的至少两个相交。13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述材料沿着所述第一平面、所述第二平 面和所述第三平面分离以限定斜切边缘。14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一平面、所述第二平面和所述第三 平面分别在所述材料内限定了牺牲边缘。15. 如权利要求12所述的方法，所述方法还包括通过如下方式沿着所述第一平面、所述 第二平面和所述第三平面来分离所述材料： 将红外激光束导向到沿着所述材料内呈所述第一角度的所述第一平面的所述多条缺 陷线上； 将所述红外激光束导向到沿着所述材料内呈所述第二角度的所述第二平面的所述多 条缺陷线上；以及 将所述红外激光束导向到沿着所述材料内呈所述第三角度的所述第三平面的所述多 条缺陷线上。16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述红外激光束是失焦C02激光束。17. 如权利要求12所述的方法，所述方法还包括通过向所述材料施加离子交换过程，沿 着所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面来分离所述材料。18. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一角度、第二角度和第三角度中的 一个垂直于所述材料的表面。19. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束的脉冲持续时间 大于约1皮秒至小于约100皮秒。20. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述激光的重复频率约为1kHz至 2MHz〇21. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束在所述材料处测 得的平均激光能大于40微焦每mm材料厚度。22. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在至少两个脉冲的群内产生脉 冲，间隔的持续时间约为1-50毫微秒，以及群重复频率约为l_650kHz。23. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述脉冲间隔的持续时间约为20 毫微秒。24. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述激光束焦线的长度约为0.1-100mm〇25. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述激光束焦线的平均斑直径约 为0·l_5um。26. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光束具有波长，以及 所述材料对于所述波长是基本透明的。27. 如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述激光束焦线的长度约为0.1-1mm 〇28. -种玻璃制品，其采用前述任一项权利要求所述的方法制备。29. -种玻璃制品，所述玻璃制品包括至少一个斜切边缘，所述至少一个斜切边缘具有 多条延伸至少250μπι的缺陷线，所述缺陷线分别具有小于或等于约5μπι的直径。30. 如权利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品包括化学强化玻璃。31. 如权利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品包括非强化玻璃。32. 如权利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述斜切边缘的Ra表面粗糙度小于约 0.5um〇33. 如权利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述斜切边缘的表面下损坏最深至小 于或等于约75um的深度。
【文档编号】B23K26/00GK106029285SQ201480075622
【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, A·R·尼伯, G·A·皮切, H·席林格, S·楚达, R·S·瓦格纳
【申请人】康宁股份有限公司