CN106029588A - 可离子交换玻璃基材的激光切割 - Google Patents

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Abstract

该激光切割过程使用短脉冲激光结合产生焦线的光学件，从而使得多种可离子交换玻璃组合物的主体发生完全穿孔。玻璃相对于激光束移动，产生描绘出任意所需部件的形状的穿孔线。玻璃可以在离子交换之前进行切割，或者可以在离子交换之后进行切割。激光产生孔状缺陷区，其渗透玻璃的整个深度，其直径约为1微米。这些穿孔或者缺陷区域通常间隔1‑15微米。

Description

可离子交换玻璃基材的激光切割
相关申请
本申请根据35U.S.C.§120，要求2014年10月31日提交的美国申请系列第14/529697号的优先权，其要求2013年12月17日提交的美国临时申请第61/917,128号以及2014年7月11号提交的美国临时申请第62/023251号的优先权。这些申请的全部说明通过参考纳入本文。
技术背景
离子交换或者化学强化玻璃它们抵抗来自划痕和表面冲击的破坏性的能力是已知的。近年来，这些玻璃组合物已经受到了许多关注，因为平板PC、智能手机和各种可交互触摸电子产品形式的手持式电子装置得到了蓬勃发展。对于康宁公司(Corning)，这类玻璃的商标名是玻璃。
但是，出于各种原因，可离子交换玻璃组合物的切割会是具有挑战性的。首先，如果是在离子交换(IOX)之后切割，玻璃会经受高度拉伸，这导致其易于粉碎成碎片，如果由于切割过程诱发的开裂扩展没有良好地受到控制或者诱发了过多的二次损伤超过切割边缘的话。其次，离子交换过程本身会是可变的，因而产生部件的内部应力中心张力(CT)的水平发生显著变化。这意味着调节至在特定中心张力水平实现开裂或玻璃分离控制的切割工艺可能在一批经离子交换部件的切割时是成功的，但是对于另一批经离子交换的部件就是失败的。
第三点，对于部分应用，可能希望在离子交换之前切割玻璃。在该情况下，离子交换之前的玻璃在切割之前会具有非常小的内应力，并且切割和分离工艺必须可适用于加工这种材料。
发明内容
该激光切割过程使用短脉冲激光结合产生焦线的光学件，从而使得多种可离子交换玻璃组合物的主体发生完全穿孔。玻璃相对于激光束移动，产生描绘出任意所需部件的形状的穿孔线。玻璃可以在离子交换之前进行切割，或者可以在离子交换之后进行切割。激光产生孔状缺陷区，其渗透玻璃的整个深度，其直径约为1微米。这些穿孔或者缺陷区域、破坏痕迹，通常间距为1-20微米(例如，1-15微米)。
除了单片玻璃之外，该工艺还可用于切割玻璃堆叠，并且可以以单次激光通过完全穿孔总高度高至数个mm的玻璃堆叠。包含玻璃堆叠的片材还可经由空气间隙在各个位置是分开；激光加工仍然会在单次通过中，对该堆叠的上层玻璃层和下层玻璃层都完全穿孔。
一旦对玻璃进行了穿孔，如果玻璃具有足够的内应力(例如，许多离子交换强化玻璃的情况)，裂纹会沿着穿孔线扩展，并且会将玻璃片分离成所需的部件。如果玻璃处于低应力，可以施加机械应力来分离部件，或者使用沿着穿孔线或者靠近穿孔线的CO2激光的后续通过来产生热应力，这会使得玻璃沿着相同的预定程序的穿孔线发生分离。
结果是具有高质量边缘的可离子交换切割玻璃片，切割边缘的整个宽度上具有均匀表面织构，表面粗糙度<0.5微米，表面下损坏小于100微米，例如，小于75微米、小于50微米、小于30微米或者甚至小于20微米或更低。
由于通过前述工艺进行切割，玻璃部件通常会具有>100兆帕斯卡(MPa)的边缘强度。但是，如果需要的话，然后可以使得玻璃部件经受后续加工，从而进一步强化边缘强度或可靠性。
氢氟酸(HF)中的酸蚀刻使得缺陷边缘和小的表面下损坏水平得以钝化或去除，并提升边缘强度。
研磨和抛光去除较少量的表面下损坏，并提升边缘强度和/或形成斜角或斜切边缘。
对于IOX之前的部件，部件可以进行离子交换以增加压缩应力，从而增强边缘强度。
该激光加工可以对IOX之前或者IOX之后的可离子交换玻璃进行切割。
如果不需要稍后的CO2激光分离步骤的话，可以采用该工艺来切割中心张力(CT)水平范围是例如24-104兆帕斯卡(MPa)的IOX后(离子交换后)的玻璃。
该工艺对于刚切割的边缘可实现非常严格或良好的受控强度分布，这导致较高的制造产率以及处理和运输过程中更高的可靠性。
该激光工艺还在玻璃的顶侧/底侧实现了几乎对称的强度，这对于其他切割方法是非常难以做到的。这省略了对切割后的玻璃片的顶表面/底表面进行轨迹追踪(track)的需求。
该工艺导致可离子交换玻璃的切割边缘中的表面下损坏低至例如25微米，这极大地降低了后续研磨和抛光所需时间或步骤数。
激光加工可有利地结合切割后加工，以实现最终部件可靠性所需的特别高的边缘强度(>500MPa)。
激光加工甚至可以以明显的飞行高度变化来切割玻璃，***不需要精确地控制光学件与玻璃的距离。这实现了对于大的玻璃片中通常存在的翘曲的容纳，而不需要对此类片材翘曲的大小进行绘图，所述绘图需要额外的昂贵设备和更长的加工时间来进行翘曲测量。
激光加工可以切割极高中心张力的材料，例如中心张力高于100MPa的玻璃，这无法用其他方法进行高产率的可靠切割。
激光加工可以以激光参数的通用设定来对宽范围的CT进行切割，容纳IOX工艺变化并且省略对于供给到切割过程的片材的昂贵且耗时的应力测量。
通过对堆叠进行切割，激光加工可以增加机器产出，降低成本。
本文所述的激光过程可以切割通过空气间隙，不会在间隙中发生束膨胀和失焦。
在一个实施方式中，对可离子交换玻璃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，所述激光束焦线取向沿着脉冲激光束的束扩展方向。将激光束焦线导向进入可离子交换玻璃工件中，激光束焦线在材料内产生感应吸收，感应吸收沿着工件内的激光束焦线产生缺陷线或者损坏轨迹。该方法还包括使得工件和激光束相互沿着轮廓平移，从而激光沿着轮廓在工件内形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的周期性是0.5-20微米。
在另一个实施方式中，根据上文所述的方法制造了玻璃制品。
在另一个实施方式中，玻璃制品包括可离子交换玻璃，并且玻璃制品具有至少一个边缘，所述至少一个边缘具有多条延伸至少250微米的缺陷线，缺陷线分别具有小于或等于约5微米的直径。所述多条缺陷线的相邻缺陷线之间的间距(或者缺陷线之间的距离或周期性)可以是0.1-20微米。距离也可小于或等于约7微米。
附图说明
通过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，相反地，进行了突出强调来显示示例性实施方式。
图1是钻孔方法的示意图，其采用激光束的线聚焦从而在玻璃片中产生损坏轨迹或孔。
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。
图3A所示是根据一个实施方式的用于激光加工的光学组件。
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方式。
图4所示是用于激光加工的光学组件的第二个实施方式。
图5A和5B所示是用于激光加工的光学组件的第三个实施方式。
图6是用于激光加工的光学组件的第四个实施方式的示意图。
图7A-7C示意性显示对于示例性皮秒激光，激光辐射(示例性脉冲群内的激光脉冲的强度)与时间的关系。
图8显示通过本文所述的激光加工形成的特征的扫描电子显微图。节距是这些特征之间的分隔距离。
图9显示购自康宁有限公司(Corning Incorporated)的IOX前的编号2320(离子交换前的)玻璃的切割边缘的电子显微图。
图10显示玻璃的离子交换前和离子交换后样品的内应力水平和应力曲线的示例性对比。
图11是中心张力(CT)为101MPa的400微米厚的编号2320玻璃的单次通过激光切割边缘的图像。
图12的表格显示用本文所述的工艺切割的0.7mm厚的2320部件的切割边缘的表面下损坏(SSD)测量。采用共焦显微镜对值进行测量。
图13的表格显示用本文所述的工艺切割的0.7mm厚的2320部件的切割边缘的表面粗糙度。
图14显示化学强化的0.4mm厚2320的4点弯曲边缘强度的韦布尔图，CT约为100MPa。
图15显示化学强化的0.7mm厚2320的4点弯曲边缘强度的韦布尔图，CT约为50MPa。
图16显示飞高变化对于4点弯曲边缘强度的影响。
图17的表格总结了切割用各种离子交换条件制造的一组玻璃片所进行的测试。
图18显示采用根据本发明的工艺切割的0.7mm厚的编号2320玻璃(45MPa中心张力(CT))进行酸蚀刻所得到的改善的边缘强度。
图19是用本文所述的激光工艺切割的0.7mm厚的2320玻璃的边缘强度。
图20是单次激光通过的0.55mm厚的编号2320玻璃的4堆叠片材的切割的边缘图像。
具体实施方式
以下描述了示例性实施方式。
本文描述了应用激光切割技术来切割可离子交换的玻璃组合物。本文所称的“由可离子交换玻璃组合物制造的工件”或者“可离子交换玻璃”是由如下玻璃制造的工件或玻璃，其可以进行离子交换但是还未进行离子交换，或者是由如下玻璃制造的，其初始是可以进行离子交换并且经过了离子交换的玻璃(即，IOX和玻璃，以及IOX前玻璃(离子交换前))玻璃。玻璃是例如，铝硅酸盐玻璃，其经过化学强化或者可以通过离子交换(IOX)过程进行化学强化。此类玻璃通常包括大于或等于约10摩尔％的总碱性氧化物(例如，Li2O、Na2O和K2O)含量，在强化之前以及在强化之后。
该激光加工能够对具有极宽范围的中心张力(CT)水平的可离子交换玻璃进行切割，包括IOX前玻璃(非常低张力，例如，<20MPa或者甚至≤5MPa)以及具有市场上最高中心张力(>100兆帕斯卡(MPa))的玻璃。注意的是，离子交换过程改变了玻璃，从而使得CT<20MPa的组成均匀的可离子交换玻璃通过离子交换过程得以强化，形成“层状”结构，位于靠近表面的层处于压缩应力。由于在靠近玻璃的暴露表面处，离子交换过程通过例如用来自盐浴的较大钾(K)离子替换了玻璃中初始存在的较小钠(Na)离子，对玻璃进行化学改性，从而建立起了该压缩应力层。然后，这些外部压缩区域或压缩层迫使离子交换后的玻璃的内部层或者中心层处于拉伸应力。相反地，离子交换前的玻璃不含有这种具有不同应力或化学组成的层。在所有这些玻璃中，所述的激光加工可以用来制造笔直切割，例如，速度大于或等于1m/s，来切割锋利半径外角(<1mm)，并且产生任意的曲线形状，包括形成内孔和缝。可离子交换玻璃组合物应该优选对于选定的激光波长是基本透明的(即，每mm的材料深度的吸收小于约10％，优选小于约1％)。该波长可以是例如，1064、532、355或266纳米。除了具有适应于该宽范围的玻璃内应力的适应性之外，该工艺对于玻璃中心张力水平的输入变化也是非常不敏感的，完全无需改变激光加工条件。此外，本申请描述了切割玻璃的方法，然后用各种方法来对部件进行后续加工，从而将切割玻璃部件的边缘强度提升到远高于单独切割工艺所能实现的水平。本文所述的方法还可在单次通过中对这些玻璃的堆叠进行切割，改善加工时间和机器利用率。
激光和光学***
出于切割透明基材(特别是玻璃)的目的，建立了一种方法，其使用皮秒激光(例如，1064nm皮秒脉冲群激光)结合形成线聚焦束的光学件，从而在基材中产生损坏线。这如下文所详述，2013年1月15日提交的美国申请第61/752,489号描述了类似的光学***，其通过引用结合入本文。线聚焦实现了在介质中产生高纵横比的缺陷线，这是通过超短脉冲激光(其产生了例如，多个脉冲的群，脉冲宽度小于100微微秒)产生的。这能够产生断层线(本文也称作缺陷线)，其可以从待切割材料的顶表面延伸到底表面。在一些实施方式中，单个脉冲的脉冲持续时间范围是大于约1皮秒至小于约100皮秒，例如大于约5皮秒至小于约20皮秒，以及单个脉冲的重复频率可以约为1kHz至4MHz，例如约为10-650kHz。
除了以前述重复频率运行的单次脉冲操作之外，可以以两个或更多个脉冲(例如，3个脉冲、4个脉冲、5个脉冲、10个脉冲、15个脉冲、20个脉冲或者更多个脉冲)的脉冲群来产生脉冲，它们被脉冲群中的单个脉冲之间的持续时间所分隔开，该持续时间约为1-50毫微秒，例如10-30毫微秒，例如约20毫微秒，以及脉冲群重复频率可以约为1-200kHz。
脉冲群的爆裂或产生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，而是以紧密脉冲束的方式进行。每个脉冲群包括至少两个紧密间隔开的脉冲。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对应玻璃中的单条缺陷线或者孔位置。当然，由于玻璃是移动的(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1μm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，1nm<sp<250nm。在一些实施方式中，1nm<sp<100nm。
可以选择脉冲群激光束的波长，使得材料在该波长是基本透明的。材料处测得的平均激光功率可以大于40微焦每mm材料厚度，例如，40-2000微焦/mm，或者175-1500微焦/mm，或者例如40-1000微焦/mm，或者200-900微焦/mm。例如，对于0.4-0.7mm厚的康宁编号2320玻璃，可以使用200μJ的脉冲群来切割和分离玻璃，其得到280-500μJ/mm的示例性范围。玻璃相对于激光束移动(或者激光束相对于玻璃移动)，产生描绘出任意所需部件的形状的穿孔线或轮廓。
本文所定义的缺陷线的直径或者内直径是玻璃或工件中的开放通道或者空气孔的内直径。例如，在本文所述的一些实施方式中，缺陷线的内直径<500nm，例如，≤400nm或者≤300nm。此外，例如缺陷线的内直径可以大到如同激光束焦线的斑直径。因此，孔或缺陷线(本文也称作损坏轨迹)分别可具有0.1-100微米的直径，例如，1.5-3.5微米或者0.25-5微米或者(例如0.2-0.75微米)。激光束焦线的长度可以约为0.1-10mm，或者约为0.5-5mm，例如，约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、约5mm、约6mm、约7mm、约8mm、或者约9mm，或者长度可以约为0.1-1mm，以及平均斑直径约为0.1-5微米。这些穿孔、缺陷区域、损坏轨迹或者缺陷线通常间隔1-15微米(例如，3-12微米，或者更优选5-10微米)。例如，对于非离子交换(NIX)玻璃为3-5微米，或者对于IOX玻璃为5-8微米。
可以通过将高斯激光束输送到锥透镜来进行线聚焦的产生，在该情况下，产生已知称为高斯-贝塞尔束的束曲线。这种束的衍射比高斯束要慢得多(例如，单个微米斑尺寸可以维持数百微米或毫米的范围，而不是数十微米或更小)。因此，焦距的深度或者与材料强烈相互作用的长度可以远大于仅使用高斯束的情况。也可使用其他形式或者缓慢衍射或不衍射束，例如艾里束(Airy beam)。例如，缺陷线延伸通过玻璃片的厚度，并且与玻璃片的主表面(平坦表面)基本正交(1度之内)。
图1示意性显示本发明概念的一个实施方式，其中，使用锥光学元件和其他透镜将光线聚焦成会具有线型形状的式样，其平行于***的光轴。将基材放置成使其处于线聚焦内。在该示例性实施方式中，对于约1mm程度(长度)的线聚焦以及以约100kHz的重复频率产生大于或等于约20W的输出功率的皮秒激光(在材料处测得约为200微焦/脉冲)，线区域中的光学强度容易地足够高至在材料中产生非线性吸收。脉冲群激光束在材料处测得的每个脉冲群的平均激光能可以大于40微焦每mm材料厚度。为了切割可离子交换的玻璃，所使用的平均激光脉冲群能量可以高至2000μJ每mm材料厚度，例如，40-100μJ/mm，175-500μJ/mm是优选的，200-900μJ/mm更为优选，以及250-600μJ/mm甚至更为优选。该“平均激光能”也可称作平均、每脉冲群、线性能量密度，或者平均能量每激光脉冲群每mm材料厚度。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。然后使得基材相对于光学束移动，在材料中产生一系列的损坏轨迹或损坏线，有效地使其沿着所需的路径或轮廓进行穿孔。
转到图2A和2B，对材料(例如可离子交换的玻璃工件)进行激光加工的方法包括：将脉冲激光束2聚焦成激光束焦线2b，所述激光束焦线2b取向沿着束扩展方向。如图3A所示，(未示出的)激光3发射激光束2，其具有入射到光学组件6的部分2a。光学组件6将入射的激光束在输出侧上转变成广泛的激光束焦线2b，其是在限定膨胀范围上沿着束方向(焦线的长度l)。将平面基材1放在束路径中，至少部分重叠激光束2的激光束焦线2b。激光束焦线从而被导向到材料中。附图标记1a表示平坦基材分别朝向光学组件6或者激光的表面，以及附图标记1b表示基材1的相反表面。基材或工件厚度(在该实施方式中，垂直于平面1a和1b测量，即，垂直于基材平面测量)标记为d。
如图2A所示，基材1(或者玻璃复合工件)与束纵轴垂直对准，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)。焦线取向成沿着束方向或者与束方向对准，基材相对于焦线2b放置的方式使得焦线2b在基材的表面1a之前开始并在基材的表面1b之前停止，即，焦线2b仍然在基材内终止并且没有超过表面1b。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，(假定沿着激光束焦线2b合适的激光强度，该强度通过将激光束2聚焦到长度l的区段上，即长度l的线聚焦，得以确保)广泛的激光束焦线2b产生(沿着束纵向方向对准的)广泛的区段2c，沿着该广泛的区段2c，在基材材料中产生感应吸收。感应吸收在基材材料中沿着区段2c产生形成缺陷线。缺陷线是基本透明的材料、基材或工件中，由于使用多激光脉冲的单次高能脉冲群所产生的显微镜级别(例如，直径>100nm且<0.5微米)的拉长的“孔”(也称作穿孔或缺陷线)。例如，可以以数百千赫的速率(每秒几十万个穿孔)产生单个穿孔。由于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)。可以对该空间分隔(节距)进行选择，以有助于材料或工件的分离。在一些实施方式中，缺陷线是“通孔”，这是从基本透明材料的顶部延伸到底部的孔或开放通道。缺陷线的形成不仅是局部的，而是在感应吸收的广泛区段2c的整个长度上。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)标记为附图标记L。感应吸收2c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附图标记D。该平均程度D基本上对应于激光束焦线2b的平均直径δ，也就是说，约为0.1-5微米的平均斑直径。贝塞尔束的斑直径D可以计作D＝(2.4048λ)/(2πB)，其中，λ是激光束波长，以及B是锥形角的函数。
如图2A所示，由于与焦线2b内的激光束的高强度相关的非线性效应所引起的沿着焦线2b的感应吸收，(对于激光束2的波长λ是透明的)基材材料被加热。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1a处最高。
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)代表性光学设备。所有这些组件或设备是基于上文的描述，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。
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)。具体地，分离表面(或者切割边缘)的粗糙度由焦线的斑尺寸或斑直径产生。例如，表面粗糙度可以通过Ra表面粗糙度统计表征(取样表面的高度的绝对值的粗糙度算术平均值，其包括由于焦线的斑直径导致的凸块高度)。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λ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(θ)，n：待加工的玻璃或复合工件的折射率；θ：孔径半角；以及θ＝arctan(D/2f)；D：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。
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，得以确保(参见下文实施方式)。
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入射到基材平面，其入射角使得焦线优选约为0°，即，使得焦线2b或者感应吸收的广泛区段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。
透镜7处于中心束的中心，并且设计成常用球形切割透镜形式的非修正双凸聚焦透镜。该透镜的球形光行差(spherical aberration)可能是有利的。作为替代，也可以使用与理想修正***发生偏差的非球形或者多透镜***，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***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％(定义为束的强度降低至峰值强度的1/e2所需的距离)以及是光学组件6的透镜的直径的约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，当所示的束绕着焦线2b转动时，可以看到完整的三维束群。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基材材料以所需的方式吸收。以这种方式，可能削弱(对于所需的分离速度需要平均激光功率的)加工效率，并且激光光线还可能传输到不合乎希望的区域(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(例如，加热、扩散、吸收、不合乎希望的改性)。
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的位置进行控制。如图3B-1所示，可以对焦线2b的长度l进行如下方式的调节，使其超过基材或玻璃工件厚度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广泛区段2c。激光束焦线2b的长度l可以是例如约为0.01-100mm。激光束焦线2b的长度l可以是例如约为0.01-100mm，或者例如约为0.1-10mm。各种实施方式可以构造成长度l是例如约为0.1mm、0.5mm-5mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、1.2mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm或5mm。
在图3B-2所示的情况中，产生长度l的焦线2b，其差不多对应于基材厚度d。由于基材1相对于线2b放置的方式使得线2b的起始点在基材外部，所以感应吸收的广泛区段2c(其在这里是从基材表面延伸到限定的基材深度，而没有到达相反表面1b)的长度L小于焦线2b的长度l。图3B-3显示如下情况，其中，(沿着垂直于束方向观察的)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l大于基材1中感应吸收的区段2c的长度L。因而，焦线在基材内开始并延伸超过相反表面1b。图3B-4显示如下情况，其中，焦线长度l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1a开始，并在基材内靠近表面1b终止(例如，l＝0.75d)。
特别有利的是将焦线2b以如下方式放置，使得表面1a、1b中的至少一个被焦线覆盖，从而感应吸收的区段2c至少是在基材的一个表面上开始。以这种方式，可以实现实际上理想的切割，同时避免表面的烧蚀、起毛和颗粒化。
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l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°。也可以采用其他锥棱镜锥角范围。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产生的焦线2b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的区段2c延伸超过整个基材深度d。
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的区域在锥棱镜9内开始，显著部分的激光能没有被聚焦到焦线2b的感应吸收的区段2c中，该区段位于材料内，在该情况下，在锥棱镜9与基材或玻璃复合工件材料之间存在分隔。此外，焦线2b的长度l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，总焦线远长于基材或玻璃复合工件厚度的原因：许多激光能没有被聚焦到材料中的影响。
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，设计成形成广泛的激光束焦线2b的具有非球形自由表面的第一光学元件被放置在激光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。
图5B具体显示根据图5A，在玻璃工件或者基材1的材料中形成焦线2b或者感应吸收2c。对两个元件10、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的长度l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1a和1b之间，如图5B所示。
因此，如果焦线形成在距离激光光学件一定距离，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：仅在特定外半径区域以圆环状(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l。另一方面，可以通过锥棱镜-透镜的距离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。
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部件与基材的均匀分开，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。
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***)。
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。这具有如下实际上的缺点：将束中心化至锥棱镜的顶点上必须非常精确，并且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。
如图6所示，通过在光学组件6中包括另一个透镜，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z1a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z1b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。
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(此处也涉及成平-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10(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z1a，聚焦透镜11与准直透镜12的距离称作z1b，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z1b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)。
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，焦距f’＝150mm的准直透镜，以及选择距离Z1a＝Z1b＝140mm且Z2＝15mm。
例如，出于切割Gorilla玻璃组合物的目的，建立了一种方法，其使用皮秒脉冲激光(例如，1064nm皮秒脉冲激光，其产多个脉冲的群)结合形成线聚焦束的光学件，从而在玻璃组合物中产生损坏线(缺陷线)。放置具有高至0.7mm厚度的玻璃组合物，从而其处在光学件产生的焦线的区域内。对于长度约1mm的焦线，以及以200kHz的重复频率产生大于或等于约24W的输出功率的皮秒激光(在玻璃组合物处测得约为120微焦/脉冲)，焦线区域中的光学强度可以容易地足够高至在玻璃组合物中产生非线性吸收。脉冲激光束在材料处测得的平均激光脉冲群能可以大于40微焦每mm材料厚度。所使用的平均激光脉冲群能可以高至2000μJ每mm的材料厚度，例如40-1500μJ/mm，优选175-1500μJ/mm，以及甚至更优选200-900μJ/mm，因为能量密度足够强，制造贯穿玻璃的完全损坏轨迹，同时使得垂直于穿孔线或切割边缘的微开裂的程度最小化。在一些示例性实施方式中，激光脉冲群能是250-600μJ/mm。该每mm的“平均脉冲群激光能”也可称作平均、每脉冲群、线性能量密度，或者平均能量每激光脉冲群每mm材料厚度。近似随着由激光束焦线产生的高光学强度的线性区域，在玻璃组合物中产生损坏、烧蚀、蒸发或者其他方式改性的材料区域。
注意到该皮秒激光的典型操作产生脉冲群或者脉冲的“群”。这如图7A-7C所示。每个“群”可在非常短的持续时间(约10皮秒)内含有多个脉冲(例如，至少2个脉冲，至少3个脉冲，至少4个脉冲，至少5个脉冲，或者更多)。更具体来说，如图7B和7C所示，根据本文所述的实施方式，皮秒激光产生脉冲720的“群”710，本文也称作“脉冲群”，每个“群”710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720(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)。单个群710内的这些单独的脉冲720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720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710内的多个脉冲的强度分布通常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710中的每个脉冲720与群内的后续脉冲的时间间隔的持续时间Tp为1-50毫微秒(例如，10-50毫微秒，或者10-50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710内的每个脉冲的时间间隔Tp(脉冲-脉冲间隔)较为均匀(±10％)。例如，在一些实施方式中，每个单独的脉冲与后续脉冲的时间间隔近似为20毫微秒(50MHz)。例如，对于产生约20毫微秒的脉冲间隔Tp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Tb)会长得多(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，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。更优选地，激光重复频率可以是例如约为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Tb可以是0.25微秒(4MHz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)。确切的时间选择、脉冲持续时间和重复频率可以取决于激光设计发生变化，但是显示高强度的短脉冲(Td<20微微秒，优选Td≤15微微秒)工作特别好。
对材料进行改性所需的能量可以描述为脉冲群能量(群内所含的能量，每个脉冲群710含有一系列的脉冲720)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，每脉冲群的能量可以是25-750μJ，更优选50-500μJ或者50-250μJ。在一些实施方式中，每脉冲群的能量是100-250μJ。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710内的脉冲720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7B和7C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720，则每个激光脉冲720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710而言。
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。不同于使用通过激光的重复频率在时间上间隔开的单个脉冲，使用在群710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，每个子脉冲720(或者群710内的脉冲720)期间的强度仍然可以是非常高的，例如时间间隔约为10毫微秒的3个10微微秒脉冲720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现如今大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720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(可促进微裂纹的受控生长)。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线聚焦的长度。相互作用区域越长，展开的能量越多，则会需要的群能量也越高。
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(参见附图标记1)。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，只要抵达了足够的光学强度，通过非线性光学效应产生基材或玻璃材料工件的开裂即可。一个关键的元素是产生这种长的线聚焦，这能够以单次激光群在材料中产生非常长的损坏轨迹或孔，这不同于常规高斯状激光束(其发散得如此之快，使得仅会产生非常短的损坏轨迹，因而必须在不同焦点位置进行多次扫描，来制造充分的基材穿孔)。
孔或损坏轨迹的形成
这些孔或损坏轨迹通常是内尺寸约为0.1-2微米(例如约为0.5-1.5微米)的孔的形式。优选地，孔的尺寸非常小(数个微米或更小)。例如，在一些实施方式中，孔的内尺寸约为0.2-0.7微米，或者0.3-0.6微米。
此类特征的扫描电子显微图像如图8所示。孔可以刺穿材料的整个厚度，但是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9显示刺穿700微米厚的康宁编号2320玻璃片的整个厚度的此类轨迹的例子。以200mm/s，在基材上，以单次激光束通过进行切割。图像显示穿孔与玻璃的整个厚度是横向的。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，经常存在玻璃堵塞住孔的区域，但是它们通常是小尺寸的，约为微米级。
还可以对堆叠的玻璃片进行穿孔。在该情况下，焦线长度需要长于堆叠高度。
孔或缺陷线(或者损坏轨迹或穿孔)之间的横向间距(节距或周期性)由激光的脉冲速率以及当基材移动到聚焦激光束下方时基材的移动速度所决定。通常，仅需要单次皮秒激光群来形成完整孔，但是如果需要的话，可以使用多个脉冲。为了以不同节距形成孔，激光可以触发成以较长或较短的时间间隔射击。相邻缺陷线之间的周期性可以是0.1至20微米。例如，0.5-20微米，例如周期性是0.5-15微米，或者3-10微米，或者5-8微米，或者0.5-3.0微米。甚至更优选地，相邻缺陷线之间的周期性(或者节距或横向间距)可以是例如约为3-12微米。例如，在用于切割非强化(IOX之前)的可离子交换玻璃的一些实施方式中，优选相邻缺陷线之间的距离(节距距离)是3-5微米。相反地，在一些实施方式中，如果这些相同的玻璃经离子交换至高于40MPa的中心张力(CT)水平，则相邻缺陷线之间的优选距离是5-8微米。这是可以理解的，因为在IOX后的材料中，应力较大并且损坏轨迹的穿孔会产生较大的裂纹这会在缺陷线之间扩展，使得节距比IOX之前的材料的情况更大。另一方面，为了防止切割边缘过多的表面下损坏(这会降低所得到部件的边缘强度)，通常希望使得缺陷线之间的节距尽可能的大，同时仍然使得材料容易发生分离。因此，如果材料仍然会发生分离的话，较大的节距是合乎希望的，因为较大的节距意味着每个材料区域中沉积较小的能量，导致对于最终部件边缘的较小损坏。
但是，在IOX前玻璃的情况下，缺陷线的节距通常需要较小，以实现穿孔之间的裂纹接合，提供以施加尽可能小的外部应力来分离部件的可能性。如果使用诸如CO2激光的二次分离步骤的话，这是特别重要的。在缺陷线之间制造的裂纹网络越彻底，诱发分离所需的CO2能量会越少。这实现更快速的CO2激光横移速度穿过穿孔轮廓，因而实现更快的生产工艺。
对于切割操作，激光触发通常与束下方的工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1微米，或者每5微米。在一些实施方式中，沿着断层线的方向的相邻缺陷线之间的距离或周期性可以是例如大于0.1微米且小于或等于约20微米。更优选地，在一些实施方式中，间距是1-15.0微米。甚至更优选的是，间距可以是3-8微米。确切的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。但是，不同于切割基材，也可以使用相同的方法仅对材料进行穿孔。在本文所述的方法中，孔或缺陷线可以分隔开更大的间距(例如，7微米或更大的节距)。
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开裂是特别重要的参数。
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。切割速度(或者切割的速度)是激光束相对于透明材料(例如玻璃)的表面移动同时产生多个孔或者改性区域的速率。高的切割速度(例如，至少250mm/s，至少300mm/s，至少350mm/s，400mm/s，500mm/s，1m/s，1.2m/s，1.5m/s或者2m/s，或者甚至3.4-4m/s)通常是合乎希望的，从而使得制造的基建投资最小化。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此类玻璃材料，损坏轨迹间隔1-25微米，优选3微米或更大，例如，在一些实施方式中，间距是3-12微米，例如5-10微米。
例如，为了实现300mm/s的线性切割速度，3微米孔节距对应于具有至少100kHz重复频率的群-脉冲激光。对于600mm/s切割速度，3微米节距对应于具有至少200kHz重复频率的群-脉冲激光。对于以200kHz产生至少40μJ/群的脉冲群激光，这相当于8瓦特的激光功率。因此，更高的切割速度需要甚至更高的激光功率。
例如，以3μm节距和40μJ/群的0.4m/s切割速度会要求至少5瓦特激光，以3μm节距和40μJ/群的0.5m/s切割速度会要求至少6瓦特激光。因此，优选脉冲群ps激光的激光功率大于或等于6瓦特，更优选至少8瓦特或更高，以及甚至更优选至少10瓦特或更高。例如，以4μm节距和100μJ/群的0.4m/s切割速度会要求至少10瓦特激光，以4μm节距和100μJ/群的0.5m/s切割速度会要求至少12瓦特激光。例如，以3μm节距和40μJ/群的1m/s切割速度会要求至少13瓦特激光。例如，以3μm节距和40μJ/群的1m/s切割速度会要求至少13瓦特激光。此外，例如，以4μm节距和400μJ/群的1m/s切割速度会要求至少100瓦特激光。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基材材料更好地分离或者具有改进的边缘质量的情况。损坏轨迹之间过于致密的节距(例如，<3μm或<2μm)实际上会抑制邻近后续损坏轨迹的形成，并且通常会抑制材料绕着穿孔轮廓的分离，以及还可能导致玻璃中不合乎希望的微开裂增加。过长的节距(>20μm)可能导致“不受控的微开裂”，即作为从孔到孔的扩展的替代，微裂纹沿着不同路径扩展，并导致玻璃以不同(不合乎希望)的方向开裂。这最终会导致分离的玻璃部件的强度降低，因为残留的微裂纹会起到使得玻璃弱化的瑕疵的作用。过高的群能量(例如，>2500μJ/群)会导致相邻损坏轨迹已经形成的微裂纹的“愈合”或再熔化，这会抑制玻璃的分离。此外，使用过高的群能量会导致形成极大的微裂纹，并产生降低分离后部件的边缘强度的瑕疵。过低的群能量(<40μJ/群)可能导致在玻璃中没有形成可见的损坏轨迹，因而导致非常高的分离强度或者完全无法沿着穿孔轮廓进行分离。因此，损坏轨迹之间的最佳节距和确切群能量是依赖于材料的。
该工艺所能达到的典型示例性切割速率(速度)是例如300mm/s或更高。在本文所述的一些实施方式中，切割速率至少400mm/s，例如，500-2000mm/s或更高。在一些实施方式中，(群脉冲)ps激光产生周期性为0.5-13微米(例如，0.5-10微米，以及在一些实施方式中，3-7微米)的缺陷线。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0.25-0.35m/s或0.4-5m/s的速率移动。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40微焦每个群每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2000微焦每个群每mm工件厚度，以及优选地，小于1000微焦每个群每mm工件厚度，以及在一些实施方式中，小于7500微焦每个群每mm工件厚度。
例如，为了切割0.7mm厚的未离子交换康宁编号2319或者编号2320Gorilla玻璃，观察到3-7微米的节距可以良好地工作，脉冲群能量约为150-250μJ/群，每个脉冲群的脉冲数量为2-15，更优选地，每个群的脉冲数量为2-10，对于IOX前的玻璃，3-5微米的节距是优选的，以及对于IOX后的玻璃，5-8微米的节距是优选的。
以1m/s的切割速度，切割此类编号2319或者玻璃，通常需要15-84瓦的激光功率，20-45瓦通常是足够的。通常来说，对于各种玻璃和其他透明材料，申请人发现需要10-100W的激光功率来实现0.2-1m/s的切割速度，对于许多玻璃而言，25-60W的激光功率是足够(且最佳)的。对于0.4-5m/s的切割速度，激光功率应该优选为10-150W，群能量为40-750μJ/群，2-25群每脉冲(取决于切割的材料)，以及孔间隔(或节距)为3-15μm或3-10μm。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25-60瓦)，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2-10微米；以及激光束和工件相对于彼此以至少0.4m/s的相对速度(例如，0.5-5m/s或更快)的速率移动。
当绕着穿透缺陷线的孔的微裂纹取向朝着下一个最接近的孔时，这在某种意义上帮助了玻璃切割：通过沿着切割线的微裂纹额外地强化了以切割方向使得一个孔扩展到下一个最接近的孔。在该情况下，对于完全玻璃分离，孔或缺陷线之间的较大节距(例如，3-50微米，例如3-20微米)是优选的。或者，当没有形成微裂纹或者微裂纹取向不是朝向相邻缺陷线时，对于完全玻璃分离，孔(或缺陷线)之间较小的节距(例如，0.1-3微米)是优选的。
分离
如果基材具有足够的应力(例如，离子交换玻璃)，则部件会自发性地开裂并沿着通过激光加工描绘出的穿孔损坏路径分离。图9显示此类玻璃的非离子交换样品和离子交换样品的应力曲线的差异。此类玻璃片中的内应力水平可以近似如下：
其中，CT是中心张力(单位兆帕斯卡(MPa))，DOL是离子交换区域的层深度，CS是离子交换层中的压缩应力(单位为MPa)，以及所使用的厚度是玻璃片的厚度。这描述了经强化的玻璃材料，例如康宁编号2318、2319、2320，他们经过离子交换至20-110MPa的中心张力水平。通常来说，玻璃的中心张力越高，其在飞秒激光加工之后会越容易进行分离。
但是，如果基材中没有足够的应力，则飞秒激光只不过会在片中形成损坏轨迹，基材仍然会保持完好。在这种情况下，可以施加机械弯曲作用力来沿着穿孔线对片进行分离。或者，通常是更优选的情况，可以通过使用诸如CO2激光之类的热源来施加热应力。玻璃吸收CO2激光束(通过CO2激光沿着由ps激光形成的穿孔线或者靠近其的后续通过提供)，并且当轨迹通过穿孔线时，其产生局部化热应力，这会引起玻璃沿着穿孔分离。
例如，采用以10.6微米发射且功率通过控制其负载循环进行调节的失焦连续波(cw)激光，实现了CO2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，对于CO2激光(例如，CO2 10.6μm激光)，可以使用1-20mm(例如，1-12mm，3-8mm，或者约7mm、2mm和20mm)的斑尺寸。也可以使用发射波长也被玻璃吸收的其他激光，例如发射波长为9-11微米范围的激光。在此类情况下，可以使用功率水平为100-400瓦的CO2激光，以及束可以以50-1000mm/s的速度沿着缺陷线或者与其相邻进行扫描，这产生足以诱发分离的热应力。确切的功率水平、斑尺寸和扫描速度在特定范围内的选择可取决于所使用的材料，其厚度、热膨胀系数(CTE)、弹性模量，因为所有这些因素都影响在给定空间位置上由特定能量沉积速率赋予的热应力量。如果斑尺寸太小(即，<1mm)或者激光功率过高(>400W)或者扫描速度太慢(小于1mm/s)，则玻璃可能过热，产生烧蚀、熔化或者在玻璃中产生热裂纹，这是不合乎希望的，因为他们会降低分离部件的边缘强度。优选地，CO2激光束扫描速度>50mm/s，以诱发足够且可靠的部件分离。但是，如果斑尺寸太大(>20mm)或者激光功率过低(<10W，或者在一些情况下<30W)，或者扫描速度太高(>1000mm/s)，加热不足导致对于诱发可靠部件分离过低的热应力。例如，在一些实施方式中，可以使用功率为80瓦的CO2激光，玻璃表面处的斑直径约为2mm，扫描速度为233mm/s，以诱发部件分离，对于IOX前的0.7mm厚的康宁编号2318玻璃而言，其已经用上文所述的皮秒激光进行穿孔。确切的功率水平、斑尺寸和扫描速度可取决于所使用的材料，其厚度、热膨胀系数(CTE)、弹性模量，因为所有这些因素都影响在给定空间位置上由特定能量沉积速率赋予的热应力量。例如，相比于较薄的康宁2318基材，较厚的康宁2318玻璃基材可能需要更多的每单位时间的CO2激光热能来进行分离，或者，相比于具有较低CTE的玻璃，具有较低CTE的玻璃可能需要更多的CO2激光热能来进行分离。在CO2斑通过给定位置之后，沿着穿孔线的分离会发生得非常快速(小于1秒)，例如100毫秒内，50毫秒内，或者25毫秒内。
使用产生约为2.1mm丝长度和约10皮秒脉冲宽度1064nm激光的光学传送***，可以使用如下示例性皮秒激光条件来对离子交换之后的这些玻璃进行穿孔：
表1：皮秒激光条件
上述条件会使得此类玻璃分离，但是并不旨在代表可以使用的所有可能工艺条件的全部范围。优选地，激光是脉冲群激光，其能够通过调节给定群内的脉冲数量来控制随时间的能量沉积。
以下示例性CO2激光条件可容易地用于产生热应力，从而在未强化(离子交换之前的)玻璃被上文所列的皮秒加工穿孔之后进行分离。
表2：CO2激光条件
上述条件在玻璃上产生约25瓦特/mm2的激光功率密度，其沿着穿孔线以14m/分钟(233mm/s)移动，产生足够的热应力使得沿着穿孔完全分离。
图10显示玻璃的离子交换前和离子交换后样品的内应力水平和应力曲线的示例性对比。图10并不代表对于所有离子交换、组成或玻璃厚度水平的所有可能的张力水平，而仅仅是举例而言。
边缘质量
图12显示在一系列0.7mm厚的康宁玻璃编号2320部件上测量的表面下损坏(SSD)结果，离子交换之前和离子交换之后两者。SSD值对应于通过激光方法产生并隐藏在织构化表面下方的缺陷和裂纹。某一边缘区域的共焦显微镜是用于评估表面下缺陷渗透进入表面下的玻璃体积中有多深的方法。SSD通过如下方式测量：用共焦显微镜看穿玻璃的暴露(切割)边缘，对下降进入到玻璃部件中的显微镜焦距所必须进行的调节进行记录，直至来自开裂或破裂玻璃的光散射消失。可以看出SSD的程度近似为60+/-15微米。康宁玻璃编号2320样品所测得的值较低，并且对于通过本文讨论的该技术切割的几乎所有玻璃是一致的。通常存在数千条微裂纹，所以通常仅测量最大的微裂纹。对于切割边缘，该过程通常在约为5个位置进行重复。虽然微裂纹粗略地垂直于切割表面，任意直接垂直于切割表面的裂纹可能没有被该方法检测到。
这明显优于机械划线和破裂方法所能实现的SSD(高度变化且不受控，SSD高至200微米)，CO2激光方法所能实现的SSD(高度变化且不受控，高至200微米)，许多毫微秒脉冲激光工艺所能实现的SSD(约150微米)等。如此低水平的SSD(刚切割时平均为58微米)以及重要的是这种一致且可靠的低水平SSD(所有值都<75微米)意味着可以使得稍后花费用于对玻璃边缘进行研磨和抛光的时间量可以最小化，并且事实上可以省略对于完全加工步骤(例如，粗研磨)的需求。该SSD值低于通过其他切割技术(包括其他激光方法)产生的那些值，并且这指出了在切割之后使得后加工最小化从而获得具有最少缺陷的牢固边缘和较低生产成本的可能性。
图13显示对于玻璃编号2320的相同样品组测得的表面粗糙度数据。采用光学干涉计对值进行测量。如上文所述，图9和11中所示的边缘具有非常均匀和看上去光滑的织构。这通过Ra统计进行量化，所述Ra统计是表面高度相对于平均值的偏差的平均值，定义如下：
R a = 1 n &Sigma; i = 1 n | y i |
其中，yi表示在表面内的不同位置所进行的高度测量。中间值约为400nm，标准偏差总是<50nm，表明产生了至始至终低粗糙度的表面，没有粘附的玻璃片，如果分离不一致或者不稳定的话则会产生这种情况。
边缘强度
当采用上述条件时，切割边缘如图9和11所示。边缘从顶部到底部均匀织构化，这反映了激光加工对于产生损坏轨迹的一致性。可以通过数个可测量参数对边缘的这种视觉评估进行转换或量化，例如，表面下损坏、表面粗糙度、断裂模量(MOR)、抗冲击性等。注意到在图11的情况下，这种高CT材料(CT>100MPa)极难采用其他方法进行切割。其他方法可能能够从这种玻璃的片材切割出部分部件，但是通常具有低产率并且对于使得切割符合半径轮廓也是极难的。但是，通过这种线聚焦皮秒激光技术产生的整体穿孔能够牢固地在该玻璃中引导裂纹扩展，从而使得穿孔轮廓是跟着裂纹的。容易地实现严格半径轮廓(r<1mm)，部件具有高产率，并且没有裂纹扩展进入到不合乎希望的部件区段中。
工业中量化边缘强度所采用的一种测试是四点弯曲强度测试。该测试测量了对于给定负荷应力，边缘发生失效的累积可能性。其在韦布尔图中显示，所述韦布尔图提供如下参数：例如，B10(失效可能性低于10％的情况下的负荷)、斜率(表明瑕疵种群分布的尺寸和深度)以及如果斜率变化的话，其还表明失效是不同缺陷来源或类型所构成的。例如，对于分离的玻璃样品，当它们以一个表面朝上或朝下在支撑条下负载时，发现不同的强度曲线是常见的。在机械划线和破裂的玻璃中，经过划线的表面导致边缘具有更多且更大的缺陷，相比于相对表面的底边缘而言。这在韦布尔图中是显而易见的，两条曲线明显不同和分开，表明一个边缘比另一个边缘更牢固。类似地，在激光分离的玻璃样品中，还常常观察到相同的性质：激光入射侧通常比相对侧较弱。
图14和15分别显示化学强化的0.4mm和0.7mm厚的玻璃编号2320的“刚切割”的边缘强度。图14的韦布尔图显示CT约为100MPa的玻璃的边缘强度，而图15显示CT约为50MPa的玻璃的边缘强度。将激光标记为张力的曲线(或者LIT)指的是如下情况：其中，激光进入表面产生的边缘测试了张力。该边缘上的任何缺陷会被不断地撕开直至失效。将激光标记为压缩的另一曲线(或者LIC)指的是相反情况：其中，激光暴露边缘处于压缩应力。注意的是，在两幅图中，顶边缘和底边缘的强度近乎相同，这表明激光分离过程在两侧产生实际上相同的边缘质量，这独立于CT水平或厚度。该特征是所揭示的激光分离方法非常独特的，并且通常无法由(总是具有较弱的LIT边缘的)其他激光工艺获得。附图曲线的其他主要信息是它们类似的B10值以及它们较为陡峭和均匀的斜率，这表明瑕疵尺寸较小并且其种群分布非常窄(产生的几乎所有缺陷都是相同尺寸)，大部分的分布落在中间值的+/-30MPa之内。
加工稳健性与飞高变化
图16显示采用线聚焦方法的0.7mm厚的强化玻璃编号2320(CS793/DOL42)(CT＝54MPa)的激光切割样品的边缘强度的韦布尔图曲线。通过使用相同玻璃编号和厚度的不同部件组(其沿着线聚焦延伸在样品的顶表面的不同相对位置进行切割)，来获得这些曲线。然后使这些切割样品进行4点弯曲强度测量，其在该附图中显示为各个“高度”。令人非常印象深刻地观察到边缘强度(对于B10，125-155MPa)在1.1mm范围上的“聚焦”变化是几乎相同的。以另一种方式表述该值，表明了切割工艺对于例如玻璃平坦度、厚度、弓形、变形或振动的容差。扩大范围的飞高加工窗口使得工艺能够运行而不需要对于聚焦或玻璃位置变化敏感的其他激光切割技术所要求的主动聚焦补偿。
对于离子交换过程变化的稳健性
化学强化过程会具有变化性，以及玻璃片名义上仅在给定“窗口”内进行离子交换，其中，层深度(DOL)可落在某一数值范围内。进而，这意味着由于层变化引起的压缩应力(CS)以及整体中心张力(CT)会发生变化。因此，可以将片材供给到CT仅表征在某些名义范围内的切割工艺。理想地，希望切割工艺具有宽的加工窗口，从而不需要对于每个输入玻璃批次进行调节，这节约了测量和表征时间、设定时间，并最终导致更低的成本。
图17详细显示了如下进行的实验，其中，皮秒激光加工条件保持恒定(135微焦，2个脉冲/群，8微米节距，约2mm长焦线)以及在离子交换之后从0.4mm厚的2320玻璃切割出部件。这使得穿孔通过玻璃部件的整个厚度。不需要CO2加工，因为这是高中心张力的玻璃，因而会自动分离。测试了5种不同离子交换条件(A-E)，同时改变DOL和CS，这种组合引起片材的中心张力从近似78.5MPa变化到103.1MPa。
从200x 300mm的片材切割出一系列44x 60mm的部件。对于每块片材，这会产生约18个部件，对于每种离子交换条件切割10块片材，例外情况是最后一种条件(E)，其仅使用了6块片材。经由成功的部件边缘分离和不存在玻璃片的破裂所测得的产率，对于所有5种条件都是高的，边缘分离为96％至100％，一种离子交换条件仅发生一块片材的破裂部件。这显示激光切割工艺同时是对于输入的玻璃离子交换条件非常不敏感(并且甚至对于该极高的CT玻璃(CT>80MPa)也是如此)和实现了高产率(这对于其他切割方法是极为困难的)。
更高的边缘强度-切割后加工
尽管本文所述的激光切割工艺的实质得到了测得的低SSD和Ra值以及还有韦布尔图的证实，但是对于诸如消费者电子器件和LCD TV、OLED TV等中所使用的显示器通常适用所要求的边缘强度性能通常要高得多(通常来说，对于4点弯曲强度，>500MPa)。如下所示是可以使得边缘强度增加至符合所需性能的方法和结果。
例如，可以使用酸蚀刻来分离工件。例如，在一个实施方式中，使用的酸可以是10体积％HF/15体积％HNO3。或者，可以使用1.5M氢氟酸/0.9M硫酸来提供所需的蚀刻。这可以在室温下或者在提升的温度下完成，使用或者不使用超声振动。图18显示酸蚀刻对于所得部件的强度的影响。酸从玻璃外侧去除材料，使得特征边缘钝化。显示4种结果：无蚀刻、2.5微米蚀刻去除、5微米蚀刻去除以及10微米蚀刻去除。可以看到，酸改善了边缘强度，以及超过5微米蚀刻不再获得明显的进一步强度。这可能是因为，通过穿孔工艺产生的约为1-3微米的特征尺寸可能是强度极限边缘特征，它们被5微米蚀刻完全去除了。但是，虽然通过对这些边缘进行蚀刻产生了一些非常高强度的部件(约为1000MPa)，一些部件对于边缘强度仍然几乎没有改善(约200MPa)。
图19显示对原材料玻璃编号2320的刚切割部件进行离子交换，会使得边缘强度增加约4X(B10＝稍低于600MPa)。附图显示对于非离子交换(NIX)玻璃(即离子交换前玻璃)的刚切割部件、在切割之前进行离子交换玻璃的刚切割部件(IOX)以及切割然后在切割时候进行离子交换部件的韦布尔图。特别重要的是，这种边缘结合离子交换产生了高强度数据组，具有非常窄的强度分布(高斜率)。虽然通常已知离子交换提升了任意切割边缘的强度，但是使得激光切割部件经过离子交换并实现如此紧密的强度分布并非微不足道的。如果切割边缘具有任何明显的微开裂，则来自离子交换浴的应力会导致部件碎裂，导致明显的产率损失。在该情况下，经受离子交换过程的所有(100％)部件都存活，表明激光切割工艺没有带来大的瑕疵。并且如果边缘具有不一致的特征尺寸的话，也不会实现如此严格的强度分布。这是如下事实的特性：激光切割边缘是一致的并且通过材料的整体，没有留下粘附有玻璃或其他缺陷的区域。显示皮秒线聚焦切割部件结合离子交换，最终导致比其他可能的方法具有更高可靠性的产品(更多的部件超过给定强度阈值)。
因此，根据一些实施方式，本文所述的切割工艺可以提供如下玻璃制品，其包含CT<20MPa的离子交换前的非层状玻璃，具有至少一个边缘具有多条从一个主表面延伸到另一个主表面的薄缺陷线。具有缺陷线的边缘具有小于20微米的缺陷间隔，以及表面粗糙度为100-1000nm RA。例如，在一些实施方式中，CT<5MPa，以及表面粗糙度为300-700nm Ra。含凹坑(开放或部分开放管状结构)的缺陷线具有小于1微米的凹坑内(空穴)宽度。例如，根据一些实施方式，所述多条缺陷线延伸至少250微米，例如250微米至2mm，或者300微米至1mm。然后可以对该玻璃制品或工件进行离子交换，以改善制品或工件的边缘强度，将其转变为IOX(离子交换)玻璃制品。
的堆叠切割
最后，图20显示对4块0.55mm厚的2320IOX(离子交换)玻璃片进行同时(单次通过)切割的结果。整体切割一次性穿透所有4个部件，在所有4片上都产生低表面粗糙度和质量边缘。这显示了相比于切割单块玻璃片，这种激光切割工艺数倍增加切割输出的能力。边缘的强度以及对通过IOX或者其他方法对玻璃边缘进行后处理以使得它们提升至具有非常高强度水平的能力，得到了维持，甚至在当切割这些材料的堆叠时也是如此。此外，该工艺不仅能够切割通过堆叠的透明基材，还能够切割通过被宏观空气间隙(例如，间隙>10微米或者>100微米)分隔开的基材(例如玻璃片)，例如，组装液晶显示器中可能存在的那些情况。不同于聚焦高斯束，入射到玻璃-空气-玻璃复合结构上的贝塞尔束不会发生失焦。聚焦的高斯束在进入第一玻璃层之后会发生发散并且不会钻孔至大的深度，或者当玻璃钻孔时发生自聚焦时，束会从第一玻璃层显现出来并衍射不会钻孔进入第二玻璃层。即使是在使用基于克尔效应的自聚焦(有时称作“丝状”)激光工艺在材料内实现较长的相互作用长度的情况下，使得激光束离开上方玻璃片并进入空气也是有问题的，因为在空气中，相比于在玻璃中维持克尔效应自聚焦的功率，空气需要约20倍的功率来诱发基于克尔效应的自聚焦。相反地，贝塞尔束或线聚焦形成的束会在整个线聚焦程度上钻孔所有玻璃层。这实现了采用线聚焦对大的基材堆叠进行切割，而不用考虑基材之间的间隙，只要材料和基材之间的间隙对于入射激光束是基本透明的即可。
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。
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。

Claims (20)

1.一种对可离子交换玻璃工件进行激光加工的方法，所述方法包括：
将脉冲激光束聚焦成激光束焦线，其取向沿着束传播方向并且被导向到所述可离子交换玻璃工件中，所述激光束焦线在所述工件中产生感应吸收，所述感应吸收在所述工件中产生沿着所述激光束焦线的缺陷线；以及
使得所述工件和所述激光束相互沿着轮廓平移，从而激光沿着所述轮廓在所述工件内形成多条缺陷线，其中，相邻缺陷线之间的空间周期性是0.5-20微米。
2.一种通过如权利要求1所述的方法制备的玻璃制品。
3.一种玻璃制品，其包括CT<20MPa的离子交换前的非层状的可离子交换玻璃，所述玻璃制品的至少一个边缘具有多条从一个主表面延伸到另一个主表面的薄的缺陷线，所述缺陷线的间隔小于20微米，以及所述表面具有100和1000nm的表面粗糙度Ra。
4.如权利要求1所述的方法或者如权利要求2或3所述的制品，其还包括沿着所述轮廓对所述工件进行分离。
5.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，所述方法或制品还包括在酸溶液中蚀刻所述工件，从而从分离的工件去除材料。
6.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，所述工件包括离子交换前的玻璃，以及所述方法还包括对分离的工件施加离子交换过程。
7.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，所述工件包括多块可离子交换玻璃基材的堆叠。
8.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，所述可离子交换玻璃工件包括离子交换前的玻璃。
9.如权利要求1-2、4-5或7中任一项所述的方法或制品，其特征在于，所述可离子交换玻璃工件包括离子交换后的玻璃。
10.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光束的脉冲持续时间大于约1皮秒至小于约100皮秒。
11.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，所述脉冲激光束的重复频率约为1kHz至4MHz。
12.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，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。
13.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束焦线的长度约为0.1-10mm。
14.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束焦线的平均斑直径约为0.1-5微米。
15.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，感应吸收在所述工件内产生高至小于或等于约75微米的深度的表面下损坏。
16.如前述任一项权利要求所述的方法或制品，其特征在于，所述感应吸收产生小于或等于约0.5微米的表面粗糙度Ra。
17.一种包含可离子交换玻璃的玻璃制品，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条延伸至少250微米的缺陷线，所述缺陷线分别具有小于或等于约5微米的直径。
18.如权利要求17所述的玻璃制品，其特征在于，相邻缺陷线的间距为0.1-20微米。
19.如权利要求17或18所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃的四点弯曲边缘强度大于600兆帕斯卡(MPa)。
20.如权利要求17、18或19所述的玻璃制品，其特征在于，所述边缘的表面粗糙度Ra小于约0.5微米。
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