CN107073642A - 使用长度和直径可调的激光束焦线来加工透明材料的***和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于使用可调激光束线状焦点来加工诸如玻璃等透明材料的***和方法。所述用于加工透明材料的***包括可操作用于发射脉冲激光束的激光源、以及布置在所述脉冲激光束的光学路径内的光学组件(6’)。所述光学组件(6’)被配置成用于将所述脉冲激光束转变为具有可调长度和可调直径的激光束焦线。所述激光束焦线的至少一部分可操作用于被定位在所述透明材料的块内，从而使得所述激光束焦线沿着所述激光束焦线产生材料改性。还公开了一种通过调节所述激光束焦线的长度和所述激光束焦线的直径中的至少一项来激光加工透明材料的方法。

Description

使用长度和直径可调的激光束焦线来加工透明材料的***和 方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2014年7月14日提交的美国临时申请号62/024122的优先权权益，该临时申请的内容被用作依据并且通过引用以其全部内容结合在此。

背景技术

近年来，精密微机械加工及其为了满足顾客需求以减小尖端设备的尺寸、重量和材料成本的工艺开发的改进已经引起在用于触摸屏、平板电脑、智能手机和电视的平板显示器的高科技产业的快步伐增长。超快工业激光器正在变成用于需要高精度微加工的应用的重要工具。

存在各种已知的方式来切割玻璃。在常规的激光玻璃切割工艺中，玻璃的分离依赖于激光划线或穿孔，接着用机械力或热应力诱发的裂纹扩展分离。几乎所有目前的激光切割技术表现出一个或多个缺点。例如，通过采用高斯激光束的激光工艺进行的玻璃切割需要大量的脉冲以便在玻璃基板内产生由于激光束的紧密焦点而引起的所期望的缺陷线。这种激光切割工艺可能是费时的并且因此限制产出。

发明内容

在此公开的实施例涉及出于钻孔、切割、分离、穿孔、或以其他方式加工材料的目的在透明材料(玻璃、蓝宝石等)中产生小(几微米和更小)“孔”的方法和***。更具体地，超短(即从10^-10至10^-15秒)脉冲激光束(波长，如1064、532、355或266纳米)被聚焦至具有高于在透明材料的表面处或在透明材料内的焦点的区域中产生缺陷所需的阈值的能量密度的线状焦点。根据透明材料的类型和厚度调节所述线状焦点的长度和直径。通过重复该过程，可以产生沿预定路径对齐的一系列激光诱导缺陷。通过间隔开充分靠近在一起的激光诱导特征，可以产生在透明材料内的机械薄弱的受控区域并且所述透明材料可以沿着由一系列激光诱导缺陷限定的路径精确地断裂或分离(立即、或稍后利用附加机械或热分离步骤)。在高内部应力材料(诸如化学强化玻璃)的情况下，所述材料可以沿着由激光诱导缺陷限定的路径立即断裂和分离。在低应力材料(诸如针对TFT(薄膜晶体管)显示器应用而制作的玻璃)的情况下，可能需要附加的分离步骤。因此，(多个)超短、线状焦点激光脉冲可以任选地跟随着二氧化碳(CO₂)激光或其他热应力源以例如实现透明材料或部分与基板的完全自动化分离。

在一个实施例中，一种用于加工透明材料的***包括可操作用于发射脉冲激光束的激光源、以及布置在所述脉冲激光束的光学路径内的光学组件。所述光学组件被配置成用于将所述脉冲激光束转变为具有可调长度和可调直径的激光束焦线。所述激光束焦线的至少一部分可操作用于被定位在所述透明材料的块内，从而使得所述激光束焦线在所述透明材料内生成诱导多光子吸收。所述诱导多光子吸收沿着所述激光束焦线在所述透明材料内产生材料改性。

在另一实施例中，一种加工透明材料的方法包括：聚焦脉冲激光束以便沿着光束传播方向形成激光束焦线，其中，所述激光束焦线具有长度和直径。所述方法进一步包括：调节所述激光束焦线的所述长度和所述激光束焦线的所述直径中的至少一项；以及将所述激光束焦线引导进入所述透明材料中，从而使得所述激光束焦线的至少一部分在所述材料的块内。所述激光束焦线在所述透明材料内产生诱导多光子吸收。所述诱导多光子吸收沿着所述激光束焦线在所述材料内产生材料改性。

附图说明

前述内容将从以下示例实施例的更具体描述中而变得清楚，如在附图中示出的，其中贯穿不同视图相似的参考符号指代相同的部分。这些附图并不必须是按比例的，而是将重点放在展示代表性实施例上。

图1是三个层的堆叠的示意性图示：面向激光能量的薄材料A、改性的界面、和厚材料B，该改性的界面中断激光能量免于与该改性的界面的远离激光束的一侧上的堆叠的部分相互作用；

图2A和图2B是激光束焦线的定位的示意性图示，即，由于沿焦线的诱导吸收激光加工对激光波长透明的材料；

图3A是用于激光加工的光学组件的示意性图示；

图3B-1、图3B-2、图3B-3和图3B-4展示了通过相对于基板在透明材料内的不同位置处形成激光束焦线来加工基板的各种可能性。

图4是用于激光加工的第二光学组件的示意性图示；

图5A和图5B是用于激光加工的第三光学组件的示意性图示；

图6A是用于激光加工的第四光学组件的示意性图示；

图6B是用于激光加工的轴锥镜的示意性图示；

图6C是用于激光加工的第五光学组件的示意性图示；

图6D是用于激光加工的第六光学组件的示意性图示；

图6E是用于激光加工的第七光学组件的示意性图示；

图6F是用于激光加工的第八光学组件的示意性图示；

图6G是用于激光加工的第九光学组件的示意性图示；

图7是根据皮秒激光的时间的激光发射的简图。每个发射特征在于可以包含一个或多个次脉冲的脉冲“脉冲串”。脉冲串的频率是激光的重复率，通常大约为100kHz(10微秒)。次脉冲之间的时间更短，例如大约为20纳秒(nsec)；

图8是入射到玻璃-空气-玻璃复合结构上的聚焦高斯(Gaussian)光束与贝塞尔(Bessel)光束之间的比较；

图9是堆叠有透明保护层以切割多个板同时减小磨损或污染的示意性图示；

图10是封装设备的空气间隙和切割的示意性图示；

图11是用激光穿孔然后蚀刻或激光穿孔并且CO₂激光释放来切割中介层(interposer)或窗口的示意性图示；

图12是切割物品如涂覆有透明导电层(例如氧化铟锡(ITO))的电致变色玻璃的示意性图示；以及

图13是堆叠中的一些层的精密切割而不损伤其他层的示意性图示。

具体实施方式

在此描述的实施例涉及用于在透明材料中或穿过透明材料光学地产生高精度切割的方法和***。来自切割工艺的表面下损伤可以被限制为60微米的深度或小，并且切割可以仅产生少量碎屑。用根据本公开的激光切割透明材料还可以在此被称为钻孔或激光钻孔或激光加工。当在此波长下的吸收是每毫米的材料深度小于约10％，优选小于约1％时，材料对于激光波长是基本上透明的。

通常，激光束被变换成定位在材料(诸如玻璃)的块内的激光束焦线以便在所述材料内产生缺陷线。然后可以沿着这些缺陷线分离所述材料。激光束焦线还可以用于在材料中制备孔，诸如在半导体设备组件的中介层中的孔。在此描述了用于调节激光线状焦点的长度和直径的***和方法。可以根据不同类型的材料以及不同厚度的材料来调节激光线状焦点的长度和/或直径。

根据以下描述的方法，在单次通过(pass)中，激光可以用于穿过材料产生高度受控的全线穿孔，具有极小(<75μm，常常<50μm)表面下损伤和碎屑产生。这与用于烧蚀材料的光点聚焦激光的典型使用相反，其中多个通路经常必须完全地穿透玻璃厚度，大量碎片从烧蚀过程形成，并且更广泛的表面下的损伤(>100μm)和边缘碎裂发生。

因此，有可能使用单个高能量脉冲串脉冲在透明材料中产生微观(即直径<0.5μm且>100nm)的细长的“孔”(亦被称为穿孔或缺陷线)。根据在此描述的示例性实施例，典型的穿孔将具有：>100nm且小于5微米(例如0.2微米到2微米、0.2微米到1微米或其之间)的直径；以及50微米或更大(例如，0.1mm到100mm、150微米到2mm、或150微米到5mm、或150微米到10mm)的长度。这些穿孔、缺陷区、损伤轨迹或缺陷线总体上相隔从1微米至25微米，在一些实施例中相隔1微米-15微米(例如，2微米-12微米、5微米-10微米)，但是在一些实施例中相隔15微米-25微米。这些单独的穿孔能够以数百千赫兹(例如，每秒数十万个穿孔)的速率产生。因此，在具有在源与材料之间的相对运动下，这些穿孔可以彼此相邻放置(如所希望的，空间间隔从亚微米至数微米变化)。选择这种空间间隔以便有利于切割。在一些实施例中，所述缺陷线是“通孔”，其是从透明材料的顶部至底部延伸的孔或开放通道。在一些实施例中，所述缺陷线可以不是连续通道，并且可以由固体材料(流入，玻璃)的多个部分或多个区段阻挡或部分阻挡。如在此限定的，缺陷线的内径是开放通道或空气孔的内径。例如，在此描述的实施例中，缺陷线的内径<500nm，例如≤400nm、或≤300nm。在此处公开的实施例中围绕孔的材料的中断的或改性的区域(例如，压实的、熔融的、或以其他方式改变的)，优选具有<50μm的直径(例如，<10μm)。

透明材料的堆叠的微机械加工和选择性切割是用通过选择适当的激光源和波长连同光束传递光学器件，以及光束中断元件在希望的层的边界处的布置来精确控制切割深度而完成的。该光束中断元件可以是材料层或界面。该光束中断元件在此可以被称为激光束中断元件、中断元件或类似物。该光束中断元件的实施例在此可以被称为光束中断层、激光束中断层、中断层、光束中断界面、激光束中断界面、中断界面、或类似物。

该光束中断元件反射、吸收、散射、散焦或以其他方式干涉入射激光束以抑制或防止激光束损伤或以其他方式改性堆叠中下面的层。在一个实施例中，该光束中断元件位于其中将发生激光钻孔的透明材料层的下面。如在此使用的，当该光束中断元件的安置是使得激光束在遇到该光束中断元件之前必须穿过透明材料时，该光束中断元件位于透明材料的下面。该光束中断元件可以位于透明层的下面并且与该透明层直接邻近，在该透明层中将发生激光钻孔。堆叠材料可以通过***层或改性该界面以高选择性进行微机械加工或切割，使得在堆叠的不同层之间存在光学特性的对比。通过使堆叠中的材料之间的界面在感兴趣的激光波长下更加反射、吸收、和/或散射，切割可以被限制于堆叠的一个部分或一个层。

选择激光的波长，使得待激光加工(钻孔、切割、烧蚀、损伤或通过激光以其他方式明显改性)的堆叠内的材料对于该激光波长是透明的。在一个实施例中，待通过激光加工的材料对于该激光波长是透明的，如果它吸收每mm厚度的该材料小于10％的该激光波长的强度。在另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于该激光波长是透明的，如果它吸收每mm厚度的该材料小于5％的该激光波长的强度。在还另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于该激光波长是透明的，如果它吸收每mm厚度的该材料小于2％的该激光波长的强度。在又另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于该激光波长是透明的，如果它吸收每mm厚度的该材料小于1％的该激光波长的强度。

激光源的选择是进一步基于在透明材料中诱导多光子吸收(MPA)的能力。MPA是相同或不同频率的多个光子的同时吸收以将材料从较低能态(通常是基态)激发至较高能态(激发态)。激发态可以是激发电子态或电离态。材料的较高与较低的能态之间的能量差等于该两个或更多个光子的能量的总和。MPA是非线性过程，其比线性吸收弱若干个数量级。在双光子吸收的情况下，它与线性吸收的不同之处在于吸收的强度取决于光强度的平方，从而使其成为非线性光学过程。在普通的光强度下，MPA是可忽略不计的。如果光强度(能量密度)非常高，如在激光源(特别是脉冲激光源)的焦点的区域中，MPA变得明显并且在其中光源的能量密度足够高的区域内导致材料中的可测量的效应。在焦点区域内，能量密度可以为足够高以导致电离、分子键的断裂、以及材料的汽化。

在原子能级上，单个原子的电离具有离散的能量需要。在玻璃中常用的几种元素(例如，Si、Na、K)具有相对低的电离能(约5eV)。没有MPA现象的情况下，将需要约248nm的波长以产生在约5eV下的线性电离。具有MPA的情况下，由约5eV的能量分开的态之间的电离或激发可以用长于248nm的波长完成。例如，具有532nm的波长的光子具有约2.33eV的能量，所以两个具有波长532nm的光子可以例如在双光子吸收(TPA)中诱发由约4.66eV的能量分开的态之间的跃迁。

因此，在其中激光束的能量密度足够高以诱导具有例如一半所需激发能量的激光波长的非线性TPA的材料的区域中，原子和键可以被选择性地激发或电离。MPA可以导致激发的原子或键与相邻的原子或键的局部重构和分离。得到的键或构型的改性可以导致非热烧蚀以及从其中发生MPA的材料区域中去除物质。这种物质的去除产生机械地削弱该材料的结构缺陷(例如，缺陷线或“穿孔”)并使其在施加机械或热应力时更容易破裂或断裂。通过控制穿孔的位置，破裂发生所沿着的轮廓或路径可以被精确地限定并且可以完成材料的精确微机械加工。由一系列的穿孔限定的轮廓可以被视为断裂线(fault line)并且对应于材料的结构薄弱区域。在一个实施例中，微机械加工包括从由激光加工的材料中分离一部分，其中该部分具有通过由激光诱导的MPA作用形成的穿孔的闭合轮廓决定的精确限定的形状或外周。如在此使用的，术语闭合轮廓是指由激光线形成的穿孔路径，其中该路径在一些位置与自身相交。内部轮廓是其中得到的形状完全由材料的外部部分围绕形成的路径。

可利用在时间上更靠近在一起的单个高能量短持续时间脉冲“脉冲串”来完成穿孔。激光脉冲持续时间可以是10^-10s或更小、或10^-11s或更小、或10^-12s或更小、或10^-13s或更小。可以以高重复率(例如，kHz或MHz)来重复这些“脉冲串”。这些穿孔可以通过控制激光器和/或基板或堆叠的运动控制基板或堆叠相对于激光器的速度来间隔开并且精确定位。

作为示例，在暴露于100kHz的一系列脉冲的以200毫米/秒移动的薄透明基板中，单独脉冲将被间隔开2微米以产生一系列分隔开2微米的穿孔。此缺陷(穿孔)间隔足够接近以允许沿着由该系列的穿孔限定的轮廓的机械或热分离。

热分离：

在一些情况下，沿着由一系列穿孔或缺陷线限定的轮廓产生的断裂线不足以自发地分离该部分，并且第二步骤可能是必要的。如果希望的话，则例如可以使用第二激光产生热应力以分离它。在蓝宝石的情况下，可以实现分离，在产生断裂线后，通过施加机械力或通过利用热源(例如，红外线激光，例如CO₂激光或CO激光)产生热应力并迫使一部分从基板分离。任选的热分离可以是例如用散焦CO₂激光连续波(cw)激光实现，该散焦CO₂光连续波激光在10.6μm发射并且具有通过控制其占空比调节的功率。焦点变化(即，散焦达到的程度并且包括聚焦光斑尺寸)用于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大于在激光波长尺寸数量级下的最小衍射极限的光斑尺寸的光斑尺寸的那些激光束。例如，大约7mm、2mm、和20mm的光斑尺寸可以用于CO₂激光，例如，其为10.6μm的发射波长更小。在一些实施例中，例如，沿着断裂线110方向的相邻缺陷线120之间的距离可以是大于0.5μm且小于或等于约15μm或20μm。另一种选择是使CO₂激光只启动分离并且然后手动完成分离，即通过施加机械力以便沿着激光穿孔的轮廓分离所述部分。

蚀刻：

例如，可以使用酸蚀刻，以分离具有例如玻璃层的工件。为了将孔放大至用于金属填充和电连接的尺寸，可对多个部分进行酸蚀刻。在一个实施例中，例如，所使用的酸可以是按体积计10％HF/15％HNO₃。例如，可在24℃-25℃的温度下对所述部分蚀刻53分钟以便移除大约100μm的材料。所述部分可以浸没在此酸浴中，并且在40kHz和80kHz频率的组合下的超声搅拌可用于促进在这些孔中的流体的渗透和流体交换。此外，可以进行在超声场内的该部分的人工搅拌以防止来自超声场的驻波图在该部分上产生“热点”或空穴相关的损伤。该酸组合物和蚀刻速率可以有意地设计成缓慢蚀刻该部分-例如仅1.9μm/分钟的材料去除速率。例如，小于约2μm/分钟的蚀刻速率允许酸充分渗透窄孔并且搅拌允许交换新鲜流体并从初始地非常窄的孔中去除溶解的材料。

在图1中示出的实施例中，在多层堆叠中的切割深度的精确控制是通过包含光束中断界面(标记为“改性的界面”)实现的。该光束中断界面防止激光辐射与超出中断界面的位置的多层堆叠的部分相互作用。虽然实施例在此被示出和描述为利用多层堆叠，但是应当理解的是，实施例不限于此。使用在此描述的激光束线状焦点属性的激光切割工艺可以应用于单个材料层，诸如玻璃基板。

在一个实施例中，该光束中断元件被定位在堆叠的层的直接下方，在该层中将发生经由双光子吸收的改性。图1中示出了这种构型，其中，该光束中断元件是在材料A直接下方定位的改性的界面并且材料A是其中将发生通过在此描述的双光子吸收机制形成穿孔的材料。如在此使用的，提及在另一位置下方或低于另一位置的位置假定顶部或最上面的位置是多层堆叠的表面，激光束首先入射在该表面上。在图1中，例如，材料A的最接近激光源的表面是顶表面并且光束中断元件在材料A下方的放置意味着激光束在与光束中断元件相互作用之前穿过材料A。

该中断元件具有与待切割的材料不同的光学特性。例如，该光束中断元件可以是散焦元件、散射元件、半透明元件、或反射元件。该散焦元件是包含防止激光在该散焦元件上或下方形成激光束焦线的材料的界面或层。该散焦元件可以由具有散射或扰乱光束的波前的折射率不均匀性的材料或界面构成。半透明元件是材料的界面或层，其允许光通过，但仅在散射或衰减激光束以充分降低能量密度来防止在半透明元件的远离激光束的一侧的堆叠的部分中形成激光束焦线之后。在一个实施例中，该半透明元件实现至少10％的激光束光线的散射或偏移。

更具体地，可以采用中断元件的反射性、吸收性、散焦、衰减、和/或散射以产生对激光辐射的屏障或障碍。该激光束中断元件可以通过若干手段产生。如果整个堆叠***的光学特性不是重要的，那么可以在该堆叠的希望的两个层之间沉积一个或多个薄膜作为一个或多个光束中断层，其中该一个或多个薄膜比在它直接上方的层吸收、散射、散焦、衰减、反射、和/或消散更多的激光辐射以保护在(多个)薄膜下方的层免于从激光源接收过多的能量密度。如果整个堆叠***的光学特性的确重要，则该光束中断元件可以作为陷波滤波器实现。这可以通过几种方法来完成：

a)在该中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，从而使得在特定波长或波长范围下发生入射激光辐射的衍射；

b)在该中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，使得发生入射激光辐射的散射(例如，纹理化的表面)；

c)在该中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，使得发生激光辐射的衰减相移；以及

d)在该中断层或界面处经由薄膜堆叠产生分布式布拉格反射器以仅反射激光辐射。

没有必要的是，由该中断元件的激光束的吸收、反射散射、衰减、散焦等是完全的。该中断元件在使用时对激光束的影响应当足以将聚焦激光束的能量密度或强度降低至低于用于由该中断元件保护(在该光束中断元件下面)的堆叠的层的切割、烧蚀、穿孔等所要求的阈值的水平。在一个实施例中，该中断元件将聚焦激光束的能量密度或强度降低至低于诱导双光子吸收所需要的阈值的水平。该中断层或中断界面可以被配置成用于吸收、反射、或散射激光束，其中，该吸收、反射、或散射足以将传递至载体(或其他下面的层)的激光束的能量密度或强度降低至低于诱导载体层或下面的层中的非线性吸收所需要的水平的水平。

转向图2A和图2B，激光钻孔材料的方法包括沿着脉冲激光束2传播方向查看，使该光束聚焦成激光束焦线2b。激光束焦线2b为高能量密度的区域。如图3所示，激光器3(未示出)发射激光束2，该激光束具有入射到光学组件6的一部分2a。光学组件6沿着光束方向(焦线的长度l)在输出侧上在所限定外延范围内将入射激光束转变为外延的激光束焦线2b。

本公开的实施例利用非衍射光束(“NDB”)来形成激光束焦线2b。典型地，激光加工已经使用了高斯激光束。具有高斯强度分布的激光束的紧密焦点具有由以下等式给出的瑞利范围ZR：

瑞利范围表示光束的光斑尺寸w₀在波长η₀的折射率η₀的材料中将增加的距离。此限制是由衍射强加的。在等式(1)中注意的是，瑞利范围与光斑尺寸直接相关，从而导致包含不具有长瑞利范围的紧密焦点(即小光斑尺寸)的光束。这种光束将仅针对非常短的距离维持此小光斑尺寸。这还意味着，如果这种光束用于通过改变焦点区域的深度来钻取材料，则该焦点的任一侧的光斑的快速膨胀将需要没有光学失真的大区域，该光学失真可能限制光束的焦点特性。这种短瑞利范围还需要多个脉冲以便切穿厚样本。

然而，本公开的实施例利用NDB而非以上讨论的光学高斯光束。在衍射效应不可避免地限制光束焦点之前，非衍射光束可以针对相当远的距离进行传播。虽然无限NDB不遭受衍射效应，但是在物理上可实现的NDB将具有有限的物理范围。光束的中心波瓣可以是相当小的半径并且因此产生高强度光束。具有若干种类型的NDB，包括但不限于：贝塞尔光束、艾里(Airy)光束、韦伯(Weber)光束和马蒂厄(Mathieu)光束，它们的场分布典型地是由在横向方向上比高斯函数衰减更缓慢的特殊函数给出。

应当理解的是，虽然在此在贝塞尔光束的上下文中描述了所描述的NDB，但是实施例不限于此。贝塞尔光束的中心光斑尺寸由以下等式给出：

其中，NA是由利用光轴(参见图6B)形成角度的平面波的圆锥体给出的数值孔径。贝塞尔光束与高斯光束之间的关键差异是瑞利范围由以下等式给出：

其中，D是由某个孔口或光学元件强加的光束的有限范围。因此示出的是，孔口尺寸D可以用于在由中心光斑的尺寸强加的限制之外增加瑞利范围。一种用于生成贝塞尔光束的实际方法是通过轴锥镜或具有如图6B中示出的径向线性相位元件的光学元件来穿过高斯光束。

通常，形成线状焦点(即激光束焦线)的光学方法可采取多种形式(诸如但不限于)，使用环形激光束和球面透镜、轴锥透镜、衍射元件、或其他方法来形成高强度的线性区域。激光的类型(皮秒、飞秒等等)和波长(IR、可见光、UV等等)也可以被改变，只要达到足够的光学强度以便产生基板材料的断裂。

激光功率和透镜焦距(其确定线状焦点的长度并且因此功率密度)是确保完全穿透用于切割和钻孔的基板的参数，同时在切割的情况下有目的地在穿孔(损伤轨迹)之间生成裂纹、或者在钻孔的情况下可能地尝试抑制微裂纹。从而，在基板中形成的线状焦点的尺寸应当受到精确控制。

本公开的实施例涉及用于调节线状焦点的直径和长度两者的***和方法，从而使得能够利用单个激光机来切割薄材料和厚材料、以及对材料(该材料与具有非常高的材料改性的光学阈值的材料相比更容易破裂)进行加工。这允许单个***快速适用于切割和钻孔不同的基板，从而增加了制造效率并提升了资本利用。

再次参考图2A和图2B，层1是多层堆叠的层，其中会发生通过激光加工和双光子吸收的内部改性。层1是更大的工件的部件，该工件典型地包括在其上形成多层堆叠的基板或载体。层1是多层堆叠内的层，其中孔、切口、或其他特征将通过如在此描述的双光子吸收辅助的烧蚀或改性形成。层1被定位于光束路径上以至少部分地与激光束2的激光束焦线2b重叠。参考号1a表示层1的面向(最靠近或邻近)光学组件6或激光的表面，分别地，参考号1b表示层1的相反表面(与光学组件6或激光器远离、或更远的表面)。层1的厚度(垂直于平面1a和1b，即垂直于基板平面测量的)用d标记。

如图2A描绘的，层1垂直于纵向光束轴线对齐并且因此在由光学组件6产生的相同焦线2b后面(基板垂直于该图的平面)。沿着光束方向查看，层1相对于焦线2b以这样的方式定位，即，使得焦线2b(在光束的方向上查看)在层1的表面1a之前开始并且在层1的表面1b之前停止，即焦线2b在层1内终止并且不延伸超出表面1b。在激光束焦线2b与层1的重叠区域中(即在层1的被焦线2b重叠的部分中)，延伸的激光束焦线2b产生在层1中的非线性吸收。(假设沿着激光束焦线2b的合适的激光强度，其强度由激光束2在长度l的区段上的适当聚焦(即长度l的线状焦点)保证)，其限定了外延区段2c(沿着纵向光束方向对准)，沿着该区段在层1中产生诱导非线性吸收。诱导非线性吸收导致在层1中沿着区段2c的缺陷线或裂纹的形成。缺陷线或裂纹形成不仅是局部的，而是可以在诱导吸收的区段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与层1的重叠的长度)利用参考号L被标记。诱导吸收区段2c(或经受缺陷线或裂纹形成的层1的材料中的区段)的平均直径或范围利用参考号D被标记。此平均范围D可以对应于激光束焦线2b的平均直径δ，也就是说，在约0.1μm与约5μm之间的范围内的平均光斑直径。

如图2A所示，由于沿着焦线2b的诱导吸收，层1(其对于激光束2的波长λ是透明的)被局部加热。该诱导吸收起因于与焦线2b内的激光束的高强度(能量密度)相关联的非线性效应。图2B示出了被加热的层1最终将膨胀，使得对应的诱导张力导致微裂纹形成，其中张力在表面1a处是最高的。

下面将描述可应用于产生焦线2b的代表性光学组件6和其中可应用这些光学组件的代表性光学装置。所有组件或装置是基于以上描述，这样相同的参考号用于相同的部件或特征或在其功能上相等的那些部件或特征。因此，以下仅描述差异。

为了确保在沿着由一系列穿孔限定的轮廓的破裂后分离表面的高质量(关于断裂强度、几何精度、粗糙度和再加工要求的避免)，用于形成限定破裂轮廓的穿孔的单独焦线应使用下述光学组件产生(在下文中，光学组件可替代地还被称为激光光学器件)。该分离的表面的粗糙度主要由焦线的光斑尺寸或光斑直径决定。表面的粗糙度特征可在于例如Ra表面粗糙度统计(被采样表面的高度的绝对值的粗糙度算法求平均)。为了在给定波长λ的激光器3(与层1的材料相互作用)的情况下实现例如0.5μm至2μm的小光点大小，某些需求必须通常被强加在激光组件6的数值孔径上。

为了实现所需的数值孔径，光学器件一方面必须根据已知阿贝(Abbé)公式(N.A.＝n sin(θ)，n：待加工的材料的折射率，θ：孔径角的一半；以及θ＝arctan(D/2f)，D：孔径，f：焦距)解决给定焦距所需的开口。另一方面，激光束必须照射该光学器件直到所需孔径，这典型地借助于光束加宽利用激光与聚焦光学器件之间的加宽望远镜实现。

为了沿着焦线均匀相互作用的目的，光点大小不应当变化太强烈。这可以例如通过仅在小的圆形区域中照射聚焦光学器件来加以确保(见以下实施例)，这样使得光束开口以及因此数值孔径的百分比仅稍微改变。

图3A描绘了生成线状焦点的一种方法。根据图3A(在激光辐射2的激光束丛(bundle)中的中央光束的水平处垂直于基板平面的截面；在此，同样，激光束2垂直入射至层1，即入射角β为0°，从而使得焦线2b或诱导吸收的外延区段2c平行于基板法线)，由激光器3发射的激光辐射2a被首先引导在对于所使用的激光辐射是完全不透明的圆形孔口8上。孔口8垂直于纵向光束轴定向并且以所描绘的光束丛2a的中央光束为中心.孔口8的直径以这样的方式进行选择，即，使得靠近光束丛2a的中心的这些光束丛或中心光束(在此用2aZ标记)撞击孔口并且被其完全阻断。只有光束丛2a的外周边范围内的光束(边缘光线，在此用2aR标记)由于与光束直径相比的减小的孔口尺寸而不被阻挡，但是侧向地穿过孔口8并且撞击光学组件6的聚焦光学元件(在此实施例中，其被设计为球形切割的双凸透镜7)的边缘区域。

透镜7以中心光束为中心并且被有意设计为呈常见的球形切割透镜形式的非校正的、双凸聚焦透镜。这种透镜的球面像差可以是有利的。作为替代方案，也可以使用偏离理想校正***的非球面或多透镜***，这些非球面或多透镜***不形成理想焦点但是形成限定长度的不同狭长焦线(即，不具有单个焦点的透镜或***)。透镜的区因此沿着焦线2b聚焦，受限于距透镜中心的距离。横越光束方向的孔口8的直径是该光束丛的直径的约90％(由对于光束的强度降低至峰强度的1/e所要求的距离限定的)并且是光学组件6的透镜的直径的约75％。因此使用通过阻挡掉中心的光束丛产生的非像差校正的球面透镜7的焦线2b。图3A示出了通过中心光束的一个平面中的截面，当所描绘的光束绕着焦线2b旋转时，可看到完整的三维丛。

这种类型的焦线的一个潜在缺点是这些条件(光斑尺寸、激光强度)可能沿着焦线(并且因此沿着该材料中的期望深度)变化并且因此可能有可能仅在焦线的选定部分中发生期望类型的相互作用(无熔化、诱导吸收、热塑性形变直至裂纹形成)。这进而意味着可能仅入射激光的一部分被待加工的材料以希望的方式吸收。以这种方式，该方法的效率(对于希望的分离速率要求的平均激光功率)可能被损害，并且激光还可能被传输到不希望的区域(粘附到基板或基板保持夹具上的部分或层)并且与它们以不希望的方式(如加热、扩散、吸收、不想要的改性)相互作用。

图3B-1-4示出(不仅对于图3A中的光学组件，而且还对于任何其他适用的光学组件6)激光束焦线2b的位置可以通过相对于层1适当地定位和/或对齐光学组件6以及通过适当地选择光学组件6的参数来控制：如图3B-1示出，焦线2b的长度l可以按这样的方式调节，即使得它超过层厚度d(在此2倍)。如果层1相对于焦线2b中心地放置(在纵向光束方向上查看)，诱导吸收的外延区段2c在整个基板厚度上生成。

在图3B-2中所示的情况下，产生或多或少对应于层厚度d的长度l的焦点线2b。由于层1相对于线2b以这样的方式定位，即使得线2b在待加工的材料外部的点处开始，诱导吸收的外延区段2c的长度L(其在此从基板表面延伸至限定的基板深度，但不延伸至相反表面1b)比焦线2b的长度l更小。图3B-3示出了其中层1(沿着光束方向查看)定位于焦线2b的起点上方的情况，使得，如在图3B-2中，线2b的长度l大于在层1中的诱导吸收区段2c的长度L。因此该焦线在层1内开始并延伸超出相反表面1b。图3B-4示出了其中焦线长度l小于层厚度d的情况，使得-在入射方向上查看的基板相对于焦线中央定位的情况下-焦线在层1内的表面1a附近开始并且在层1内的表面1b附近结束(例如，l＝0.75d)。例如，激光束焦线2b可具有在约0.1mm与约100mm之间的范围内或在约0.1mm与约10mm之间的范围内的长度l。例如，不同实施例可以被配置为具有约0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm的长度l。

特别有利的是以这样一种方式定位焦线2b，使得表面1a、1b中的至少一个被焦线覆盖，以便诱导非线性吸收的区段2c至少在待加工的层或材料的一个表面上开始。以这种方式有可能实现几乎理想的切割，同时避免在表面处的烧蚀、羽化和微粒生成。

图4描绘了另一种可应用的光学组件6。基本构造遵循图3A中描述的基本构造，所以以下仅描述不同之处。所描绘的光学组件基于具有非球面自由表面的光学器件的使用，以便生成焦线2b，所述光学组件被成形，其方式为使得形成具有限定长度l的焦线。为此目的，非球面透镜可以用作光学组件6的光学元件。在图4中，例如，使用所谓的圆锥形棱镜，也经常被称为轴锥镜。轴锥镜是在沿着光轴的线上形成光斑源(或将激光束转变为环)的圆锥形切割透镜。这种轴锥镜的布局原则上是本领域技术人员已知的；在该实例中，锥角为10°。在此用参考号9标记的轴锥镜的顶点指向入射方向并且以光束中心为中心。由于由轴锥镜9产生的焦线2b在其内部开始，层1(在此垂直于主光束轴对齐)可以定位在光束路径中在轴锥镜9的正后方。如图4所示，还有可能由于轴锥镜的光学特性，沿着光束方向移动层1同时仍然在焦线2b的范围内。在层1的材料中的诱导吸收外延区段2c因此在整个深度d上延伸。

然而，所描绘的布局受限于以下约束：由于由轴锥镜9形成的焦线2b的区域在轴锥镜9内开始，激光能量的显著部分不被聚焦到焦线2b的诱导吸收区段2c(其位于该材料内)内，在轴锥镜9与待加工的材料之间存在间隔的情况下。此外，焦线2b的长度l通过轴锥镜9的折射率和锥角与光束直径有关。这是为什么，在相对薄的材料(数毫米)的情况下，总焦线比待加工的材料的厚度长得多，具有许多激光能量没有聚焦到该材料内的影响。

由于这个原因，可能希望的是使用包括轴锥镜和聚焦透镜二者的光学组件6。图5A描绘了此类光学组件6，其中具有设计为形成延伸激光束焦线2b的非球面自由表面的第一光学元件(沿着光束方向查看)定位在激光器3的光束路径中。在图5A中所示的情况下，此第一光学元件是具有5°锥角的轴锥镜10，该轴锥镜垂直于光束方向定位并且以激光束为中心。轴锥镜的顶点朝向光束方向被定向。第二聚焦光学元件在此为平凸透镜11(其弯曲朝向该轴锥镜定向)在光束方向上与轴锥镜10相距距离z1定位。距离z1(在这种情况下约300mm)以这样的方式进行选择，即使得由轴锥镜10形成的激光辐射圆形地入射到透镜11的外部径向部分上。透镜11将该圆形辐射聚焦到与透镜11相距距离z2(在此情况下为约20mm)处的输出侧，在具有限定长度(在此情况下为1.5mm)的焦线2b上。在这个实施例中，透镜11的有效焦距为25mm。通过轴锥镜10的激光束的圆形转换用参考号SR标记。

图5B详细描绘了根据图5A的层1的材料中焦线2b或诱导吸收2c的形成。元件10、11二者的光学特性及其定位以这样的方式进行选择，即，使得焦线2b在光束方向上的长度l与层1的厚度d完全相同。因此，沿着光束方向精确定位层1应当被设置为将焦线2b精确定位在层1的两个表面1a与1b之间，如图5B中所示。

因此，如果距激光光学器件一定距离形成焦线并且如果激光辐射的更大部分聚焦到焦线的期望末端，则是有利的。如描述的，这可以通过仅在特定外部径向区域上圆形地(环形地)照射主要聚焦元件11(透镜)实现，这一方面用于实现所需的数值孔径以及因此所需的光斑尺寸，并且，然而在另一方面，由于形成基本上圆形光斑，漫射圈在光斑中心上的非常短的距离内的所需焦线2b之后强度减少。以此方式，裂缝形成在所需基板深度中的短距离内停止。轴锥镜10与聚焦透镜11的组合满足此要求。轴锥镜以两种不同方式起作用：由于轴锥镜10，通常圆形的激光光斑以环形式被发送到聚焦透镜11，并且轴锥镜10的非球面性具有在透镜焦面(而非在焦面中的焦点)之外形成焦线的作用。焦线2b的长度l可通过轴锥镜上的光束直径调节。另一方面，沿着焦线的数值孔径可通过轴锥镜-透镜距离z1并且通过轴锥镜的锥角调节。以此方式，全部激光能可集中在焦线中。

如裂纹的形成旨在持续至待加工的层或材料的背面，该圆形(环形)照射仍然具有以下优点：(1)在大部分激光仍然集中在焦线的所要求的长度中的意义下，激光功率被最佳地使用，以及(2)有可能实现沿焦线的均匀光斑尺寸-以及因此沿着由焦线产生的穿孔的均匀分离过程-由于圆形照射的区域结合借助于其他光学功能设置的希望的像差。

代替图5A中所描绘的平凸透镜，还有可能使用聚焦弯月形透镜或另一种更高校正聚焦透镜(非球面、多透镜***)。

为了使用图5A中所描绘的轴锥镜与透镜组合来生成非常短的焦线2b，则可能需要的是入射到轴锥镜上的非常小的光束直径的激光束。这具有实际的缺点：将光束定中心在轴锥镜顶点上必须是非常精确的，并且结果对于激光的方向变化(光束漂移稳定性)是非常敏感的。此外，紧密准直的激光束是非常发散的，即由于光偏转，光束丛在短距离内变得模糊。

如图6A所示，通过在光学组件6中包括另一个透镜(准直透镜12)两种影响均可以避免。附加准直透镜12用于非常紧密地调节聚焦透镜11的圆形照射。准直透镜12的焦距f’是以这样的方式进行选择，即，使得希望的圆形直径dr产生自从轴锥镜至准直透镜12的距离z1a(其等于f’)。该环的期望宽度br可以经由距离z1b(准直透镜12至聚焦透镜11)被调节。作为纯几何学问题，圆形照射的小宽度导致短焦线。最小值可以在距离f’处实现。

图6A中所描绘的光学组件6因此是基于图5A中所描绘的光学组件，这样使得以下仅描述差异。准直透镜12(此处还被设计为平凸透镜(其曲率朝向光束方向))另外地居中放置在一侧上的轴锥镜10(其顶点朝向光束方向)与另一侧上的平凸透镜11之间的光束路径中。准直透镜12距轴锥镜10的距离被称为z1a，聚焦透镜11距准直透镜12的距离被称为z1b，并且焦线2b距聚焦透镜11的距离被称为z2(始终在光束方向上查看)。如图6A所示，由轴锥镜10形成的圆形辐射SR(其是发散地并且在圆直径dr下入射到准直透镜12上)对于在聚焦透镜11处的至少近似恒定的圆直径dr被调节成沿着距离z1b的所需的圆宽度br。在所示的情况下，旨在生成非常短的焦线2b，这样使得准直透镜12处的大约4mm的圆形宽度br由于准直透镜12的聚焦特性在透镜11处减少至大约0.5mm(圆形直径dr在这个示例中是22mm)。

在所描绘的实例中，有可能使用2mm的典型激光束直径，具有焦距f＝25mm的聚焦透镜11，具有焦距f’＝150mm的准直透镜，以及选择距离Z1a＝Z1b＝140mm和Z2＝15mm来实现小于0.5mm的焦线l的长度。

参考图6B，现在将描述由轴锥镜10形成的NDB的特性。图6B示意性地描绘了照射透光轴锥镜10的平坦入射表面的高斯激光束2。轴锥镜10的出射表面偏转如示出的激光束2。位于与轴锥镜的尖端的距离z处的平面中的典型能量分布由以下等式给出：

I(r,z)＝Io(Rz)Rz 2πk(sin(β)/cos2(β))Jo²(k r sin(β)) 等式(4.1)，

Rz＝z*tan(β) 等式(4.2)。

因此，β是由轴锥镜10产生的射线角，其是由轴锥镜10的成角度的出射表面和折射率提供的轴锥镜圆锥体的角度的函数。Io(Rz)是照亮轴锥镜10的激光束2的辐照度分布，该辐照度分布被假设为是高斯分布，并且k是波矢k＝2π/λ，并且Jo指示一阶贝塞尔函数。

为了以最坚硬的材料制造最强的损伤轨迹或洞，线状焦点的直径应当尽可能的小。基于以上公式，在与轴锥镜10的顶点的某个距离z处的任何平面中的辐照度分布的全宽半最大值(“FWHM”)由以下等式给出：

FWHM＝2.52λ/(2πsin(β)) 等式(4.3)。

如从等式(4.3)可见的，线状焦点的直径与单个几何***参数(如图6B中所示的孔径角β)相关。

从等式4.1，在线状焦点的中心，峰值功率由以下等式给出：

I_峰值(z)＝Io(Rz)Rz 2πk(sin(β)/cos2(β)) 等式(4.4)。

如从等式(4.4)可见的，峰值功率是光瞳辐照度分布Io(Rz)的函数、以及孔径角β的函数。

如果我们检查到同轴强度衰减至近似其最大强度的一半，则线状焦点的长度(或沿着光轴的范围)可由以下等式求近似值：

L～0.8*Rz/sin(β) 等式(4.5)

因此，聚焦线的长度是输入光束尺寸(Rz)和孔径角β两者的函数。

在激光切割机中，待切割的材料可以在厚度上发生变化。作为示例，这种激光机可以用于切割厚度从0.1mm到2.0mm变化的玻璃。从而，为了确保钻孔和切割厚材料(即玻璃)是可能的，应当例如通过将光瞳辐照度分布伸展到更大的区域来将线状焦点的有用部分设定为例如至少2.0mm。然而，通过这样做，线状焦点内的峰值功率密度将降低，因为Io(Rz)的最大值降低。为了保持峰值功率密度大于材料改性能量密度阈值，应当增加孔径角β，这意味着线状焦点的FWHM将增加。

因此，在固定选择光学器件的***中，针对最困难的情况参数应当是可调的。当切割更薄的基板(例如，100μm厚的显示器玻璃)时，如果长的线状焦点被设定位允许切割厚材料(例如，离子交换玻璃的堆叠)，则可能浪费更多的激光能量。类似地，如果光学器件被设定成用于产生非常短且小的直径的线状焦点(高能量密度)以便切割非常薄且坚硬的材料(例如，蓝宝石)，则针对更厚的材料(例如，厚的碱石灰玻璃基板或离子交换玻璃基板)光学***可能不再很好地工作。

出于至少这些理由，可能期望的是使得辐照度分布Io(Rz)和/或孔径角β可调。期望的是，使得可调的参数两者应用以下策略：针对每个玻璃厚度和材料：

·调节输入辐照度分布以便实现期望的线状焦点长度；以及

·调节孔径角以便设定线状焦点处的激光束的FWHM(或直径)，从而使得能量密度针对给定材料的改性保持最佳。

可以期望的是，将线状焦点2b的FWHM(或直径)设定为尽可能的窄，这允许使用最低激光功率在材料内产生损伤轨迹并且因此提供最多的进程余量。然而，在一些情况下，可以期望具有更大直径的线状焦点，这降低了损伤痕迹周围的微裂纹的量。例如，更大直径的光斑在对随后被酸蚀刻的孔进行钻孔时是有帮助的，其中，微裂纹不是如它们可以产生蚀刻不对称所期望的。对线状焦点的直径的上限是：给定激光源可用的最大激光脉冲能量，仍必须达到足够的能量密度以便允许材料的改性以及损伤轨迹的产生。

针对线状焦点2b的长度，期望的是使其至少等于但优选地大于材料的厚度，从而解释了此事实：根据斯涅尔的折射定律，材料的折射率(例如，针对玻璃n-1.5)增加了材料自身内的线状焦点2b的有效长度。更长的焦线给出更大的焦点容差，并且还允许适应各种基板厚度。对焦线长度的上限再次为：给定激光源可用的最大激光脉冲能量，仍必须达到足够的能量密度以便允许材料的改性并且产生通过基板厚度的损伤轨迹。

图6C和图6E至图6G描绘了允许调节激光束焦线2b(即线状焦点)的长度和FWHM(即直径)的非限制性光学***。图6C描绘了用于使用激光束焦线2b来切割材料(未示出)的***。该***包括激光源3(未示出)以及被配置成用于将高斯分布激光束2转变成具有焦线2b的贝塞尔分布激光束的光学组件6’。光学组件6’布置在激光束2的光学路径1内，并且包括透明(即充当折射元件)轴锥镜10、具有第一焦距F1的第一透镜元件5、以及具有第二焦距F2的第二透镜元件11(即聚焦透镜元件)。

透明轴锥镜10形成由第一透镜元件5和第二透镜元件11成像的线状焦点2b’，所述第一透镜元件和第二透镜元件充当将由轴锥镜10形成的线状焦点2b’中继并放大至被应用于材料的线状焦点2b的望远镜。由第一透镜元件5和第二透镜元件11限定的望远镜的放大率由M＝F2/F1给出，其可以通过改变这两个透镜元件之一或两者来发生改变以便实现不同的放大率M。利用放大率的平方来缩放线状焦点2b的长度，同时利用放大率来线性地缩放给定z平面中的线状焦点的直径。

当一起缩放线状焦点长度和宽度两者时，改变第一透镜5和/或第二透镜11的焦距在一些应用中可能不是最佳的。假设M是由第一和第二焦距提供的放大率：

FWHM₁＝FWHM₀*M 等式(5.1)；

长度₁＝长度₀*M² 等式(5.2)。

此处，FWHM₀指示在轴锥镜10之后立即形成的线状焦点的全宽半最大直径，并且FWHM₁指示在第二透镜元件11之后形成的线状焦点的全宽半最大直径。类似地，长度₀指示在轴锥镜10之后立即形成的线状焦点的长度、或者沿着光轴的空间范围，并且长度₁指示在第二透镜元件11之后形成的线状焦点的长度。如果假设所产生的线状焦点2b采取长度和直径尺寸长度₁×FWHM₁的圆柱体，则该圆柱体内部的功率(或能量)密度将按比例为那个物体的1/体积，其中，体积＝(pi/4)*直径²*长度。这意味着功率密度将缩放为：

功率密度₁＝功率密度₀/M⁴ 等式(5.3)。

因此，线状焦点的直径随着由第一透镜5和第二透镜11提供的望远镜的放大而线性地增加，线状焦点2b的长度随着放大率的平方而增加，并且功率或能量密度以放大率的第4次幂之上加一进行缩放。这意味着当较短的焦距透镜用于F2时，焦点的直径下降，长度变得更短，并且功率密度快速增加。

在一些实施例中，具有可调角度的轴锥镜10被设置为第三自由度以便实现能够调节线状焦点2b的长度和直径两者的***。假设以上讨论的原始轴锥镜10的角度放大A倍。则假设小角度(即sin(α)≈α)，以下等式为真：

FWHM₂＝FWHM₁/A 等式(6.1)；以及

长度₂＝长度₁/A 等式(6.2)。

在此，如果放大率A产生了更大的轴锥镜角度，则线状焦点2b的FWHM(即直径)变得更小并且线状焦点2b的长度也变得更小。通常，为了实现针对给定***的线状焦点2b的期望FWHM和长度，计算A和M是可能的从而使得：

M/A＝FWHM₂/FWHM₀ 等式(6.3)；以及

M²/A＝长度₂/长度₀ 等式(6.4)。

因此，第一透镜元件5、第二透镜元件11以及轴锥镜10的光学元件可以交换以便实现针对线状焦点2b的期望直径和长度。在一些实施例中，这些光学元件在物理上从光学组件6’中被移除并且由具有期望的光学特性的其他元件来代替。然而，这可能需要光学组件6’在切换至另一种配置时对其进行重对准。在一些实施例中，多个光学元件设置在用于选择性地选择在光束路径中的期望光学元件的转轮(类似于滤光轮)或滑块上。例如，如果轴锥镜被选择作为可移除/可调元件，则可以在单个基板上制作多个轴锥镜。现在参考图6D，示意性地展示了包括在单个基板中具有不同角度的多个单独轴锥镜10A-10D的轴锥镜组件600。可以提供任何数量的轴锥镜。期望的单独轴锥镜10A-10D可以手动地或者通过电机化控制平移进入激光束2的光学路径中。

作为示例并且不进行限制，金刚石车削可以用于形成透光材料的所述多个单独轴锥镜10A-10D。金刚石车削允许待制作的非常高的精度特征(约1μm)，具体地相对于为了对准而机械参考的物理部分的外部特征的光学表面。基板可以具有矩形形状，并且因此可横向地平移以便选择不同的轴锥镜。针对在这些激光切割***中使用的波长(常见的1064nm)，ZnSe是与金刚石车削兼容的适当的透光光学材料。同样，由于金刚石车削具有放置相对于彼此的物体的极高精准度，因此基板可包括机械重定位特征，诸如槽或锥形孔。应当理解的是，相似的透镜元件组件可以被制作并且用于选择具有不同焦距的各种第一和透镜元件(即第一透镜组件和/或第二透镜组件)。

在一些实施例中，输入激光束2在轴锥镜10之前在光学路径中放大N倍，如在图6E中展示的光学组件6″中示出的。在图6E中展示的光学组件6″包括轴锥镜10、第一透镜元件5、以及第二透镜元件11，这与图6C中描绘的实施例类似。在图6E中展示的示例光学组件6″中，提供了包括具有第三焦距的第三透镜元件13以及具有第四焦距的第四透镜元件15的望远镜组件。如以上关于图6C指示的，第三透镜元件13和第四透镜元件15的焦距是可调的，诸如通过交换透镜元件。

通过放大激光束2(每等式(4.3)和(4.5))，受影响的唯一参数是线状焦点2b的长度-直径仍保持不变。因此，定位在轴锥镜10之前的望远镜允许仅改变线状焦点2b的长度，同时保持直径不变。

互换光学元件(诸如第一至第四透镜)对于在工业环境下操作的激光切割***可能不是期望的。在一些实施例中，提供放大率因数N的第三透镜元件13和第四透镜元件15和/或第一透镜元件5和第二透镜元件11相反可以被配置为一个或多个可变变焦组件。这种可变变焦组件可以允许连续地调节激光束焦线长度，这与通过互换轴锥镜或透镜元件可用的离散步骤相反。这种可变变焦组件可以手动地或者通过电动化被衰减，其中，后者允许对***的编程调节，这可能与制造要求兼容。

图6F中示意性地描绘了用于使用激光束线状焦点2b来分离材料的另一光学组件4。通常，示例光学组件4利用反射轴锥镜19以及具有成角度的反射表面的环形反射组件18，所述成角度的反射表面具有与反射轴锥镜19相同的角度。第一透镜元件17在反射轴锥镜19之前会聚(或发散)激光束2。反射轴锥镜19和环形反射组件18产生准直光环。第二透镜元件11聚焦圆形辐射SR以便生成激光束线状焦点2b。可以通过相对于如由箭头A指示的环形反射组件18(反之亦然)平移反射轴锥镜19来连续改变圆形辐射的半径h。由于第二透镜元件11的焦距在基本上与第二透镜元件11的距离F2处聚焦射线，因此环半径的此变化将进而改变最终的孔径角β，从而产生激光束焦线2b的长度变化，每等式(4.5)。通过将反射轴锥镜19移动至右边而产生的更大的环半径h将产生更小的焦线长度。然而，激光束焦线2b的直径也将改变，每等式(4.3)。更大的环半径h将产生更小的焦线直径。

图6G示意性地展示了用于产生连续可调的准直光环SR的另一光学组件4’。示例光学组件4’包括第一透光轴锥镜20之前的第一透镜元件17、第二透光轴锥镜21、以及所述第二透光轴锥镜21之前的第二透镜元件11。第一透镜元件17产生激光束2的小会聚(或在一些实施例中发散)，其在***中产生球面像差以便形成线状焦点。

激光束2在其成角度的出射表面处离开第一透光轴锥镜20。第二透光轴锥镜21在其成角度的入射表面处接收激光束并且产生准直光环SR。第一透光轴锥镜20的偏转角基本上等于第二透光轴锥镜21的偏转角。第二透镜元件11然后聚焦光以便生成激光束线状焦点2b。调节环半径h可以通过改变第一透光轴锥镜20与第二透光轴锥镜21之间的可调距离D被实现。此移动调节了激光束线状焦点2b的长度和直径。

注意，如图7所示，这种皮秒激光器的典型操作产生脉冲720“脉冲串”710。每个“脉冲串”710可以包含非常短的持续时间(约10皮秒)的多个脉冲720(诸如如图7中示出的两个脉冲、三个脉冲，四个脉冲、五个脉冲、10个脉冲、15个脉冲、20个脉冲、25个脉冲或更多)。每脉冲720(在此亦被称为次脉冲)在时间上间隔开约1纳秒与约50纳秒之间的范围中的持续时间，例如，10纳秒至30纳秒，诸如近似地20纳秒(50Mhz)，所述时间经常由激光腔设计调控。每个“脉冲串”710之间的时间将更长，对于大约100kHz的激光重复率经常是大约10微秒。在一些实施例中，脉冲串重复频率在约1kHz与约200kHz之间的范围内。确切定时、脉冲持续时间和重复率可以取决于激光设计发生改变，但具有高强度的短脉冲(即小于约15皮秒)已经被示出为与此技术一起良好地工作。(爆发或产生脉冲串是激光操作的类型，其中脉冲发射并非呈均匀且稳定的流，而是呈紧凑的脉冲簇。)

在该材料处测量的每脉冲串的平均激光功率可以是大于40微焦耳/mm材料厚度，例如在40微焦耳/mm与2500微焦耳/mm之间或在500与2250微焦耳/mm之间。例如，对于0.1mm-0.2mm厚的康宁(Corning)Eagle玻璃，可以使用200μJ脉冲串，这给出1000-2000μJ/mm的示例性范围。例如，针对0.5mm-0.7mm厚的康宁(Corning)Eagle玻璃，可以使用400μJ-700μJ的脉冲串以便穿孔玻璃，这对应于示例性实施例，出于穿孔一些碱土金属硼硅铝酸盐玻璃组合物的目的，与形成光学器件的线状焦点光束组合产生多个脉冲串的皮秒脉冲激光(例如，1064nm、或532nm皮秒脉冲激光)可以用于在玻璃组合物中产生损伤线(缺陷线)。在一个实施例中，具有高达0.7mm厚度的玻璃组合物被定位以使得其在由光学器件产生的焦线的区域内。利用长度约为1mm的焦线、以及以在玻璃处测量的脉冲串重复率200kHz(大约120微焦耳/脉冲串)产生约24W输出功率或更多的1064nm皮秒激光，焦线区域中的光学强度足够高以便在玻璃中产生非线性吸收。脉冲激光束可具有在材料处测量的大于40微焦耳每毫米材料厚度的平均激光脉冲串能量。所使用的平均激光脉冲串能量可高达2500μJ每毫米透明材料厚度，例如40μJ/mm-2500μJ/mm，500μJ/mm-2250μJ/mm是优选的，并且550μJ/mm到2100μJ/mm是甚至更优选的，因为能量密度足够强以使得损伤轨迹彻底穿过玻璃，同时最小化与穿孔线或切割边缘成正交的微裂纹的范围。在一些示例性实施例中，激光脉冲串的能量是40-1000μJ/mm。此“平均脉冲串激光能量”每毫米还可被称为平均每脉冲串线性能量密度、或者平均能量每激光脉冲串每毫米材料厚度。产生大致仿效由激光束焦线产生的高光学强度线性区域的玻璃组合物内的损伤、汽化或以其他方式进行改性的材料区域。

图8示出了入射到玻璃-空气-玻璃复合结构上的聚焦高斯光束与贝塞尔光束之间的对比。聚焦高斯光束将在进入第一玻璃层时发散并且不会钻孔到大的深度，或者如果随着钻孔玻璃发生自聚焦，该光束将从第一玻璃层中露出并且衍射，并且不会钻孔入第二玻璃层。相比之下，贝塞尔光束将在线状焦点的整个范围内对两个玻璃层钻孔(并且更具体地损伤、穿孔或切割)。图8的插图中示出了用贝塞尔光束切割的玻璃-空气-玻璃复合结构的实例，其示出了暴露的切割边缘的侧视图。顶部和底部玻璃片为0.4mm厚2320，CT101。两层玻璃之间的示例性空气间隙是约400μm。切割是以200毫米/秒用激光的单次通过进行的，使得这两片玻璃被同时切割，即使它们分隔开>400μm。

在此处描述的实施例的一些实施例中，空气间隙在50μm与5mm之间，例如在50μm与2mm之间，或在200μm与2mm之间。

示例性中断层包括聚乙烯塑料片(例如，Visqueen)。透明层(如图9所示)包括透明的乙烯树脂(例如，Penstick)。注意，不像使用其他聚焦激光方法，为了获得阻挡或停止层的效果，不需要精确地控制精确的焦点，中断层的材料也不需要是特别耐用的或昂贵的。在许多应用中，人们只需要稍微干涉激光的层以中断激光并防止线状焦点的发生。Visqueen防止用皮秒激光切割和线状焦点的事实是很好的例子-其他聚焦皮秒激光束将十分肯定地钻孔直接穿过Visqueen，并且人们若希望用其他激光方法避免钻孔直接穿过这种材料，人们将不得不非常精确地将激光焦点设定为不靠近Visqueen。

图10示出了堆叠有透明保护层以切割多个板同时减小磨损或污染。同时切割显示玻璃板的堆叠是非常有利的。透明聚合物如乙烯树脂可被放置在玻璃板之间。透明聚合物层充当保护层用于降低对彼此紧密接触的玻璃表面的损伤。这些层将允许切割过程运行，但将保护玻璃板免受彼此划伤，并将进一步防止任何切割碎屑(尽管使用此过程的情况下它是小的)污染玻璃表面。保护层也可以包含沉积在基板或玻璃板上的蒸发介电层。

图11示出了封装器件的空气间隙和切割。此线状焦点方法可以同时切穿堆叠的玻璃板，即使存在显著宏观的空气间隙。这使用其他激光方法是不可能的，如图8所示。许多装置需要玻璃封装，例如OLED(有机发光二极管)。能够同时切穿两个玻璃层对于可靠且有效的装置分割过程是非常有利的。被分割是指一个组件能够从可以包含多个其他组件的较大的材料片中分离。可以通过在此描述的方法分割、切去、或者生产的其他组件是，例如，OLED(有机发光二极管)组件、DLP(数字光处理器)组件、LCD(液晶显示器)单元、半导体器件基板。

图12示出了切割制品如涂覆有透明导电层(例如ITO)的电致变色玻璃。切割已经具有透明导电层例如氧化铟锡(ITO)的玻璃对于电致变色玻璃应用以及还有触摸面板装置具有高价值。这种激光过程能够以对透明导电层的最小损伤和很少的碎屑产生而切穿这样的层。所穿孔的孔的极小的尺寸(<5um)意味着非常少的ITO将受到切割过程的影响，而其他切割方法将要产生多得多的表面损伤和碎屑。

图13示出了堆叠中的一些层的精密切割而不损害其他层，如也在图1中示出的，将概念延伸至多个层(即，多于两个层)。在图13的实施例中，中断元件是散焦层。

其他示例。

一般而言，可用激光功率越高，利用以上过程切割所述材料可以进行得越快。在此公开的过程可以0.25米/秒或更快的切割速度切割玻璃。切削速度(或切割速度)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修改区域的速率。高的切割速度，例如像，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、5米/秒、5米/秒、7米/秒、或10米/秒是通常希望的以最小化用于制造的资本投资，并且以优化设备利用率。激光功率等于由激光器的脉冲串重复频率(速率)倍增的突发能量。一般而言，为了以高切割速度切割此类玻璃材料，损伤痕迹典型地间隔开1-25微米，在一些实施例中，所述间隔优选地是3微米或更大-例如3-12微米、或例如5-10微米、或10-20微米。

例如，为了实现300毫米/秒的线性切割速度，3微米孔间距对应于具有至少100kHz脉冲串重复率的突发脉冲激光器。对于600毫米/秒的切割速度，3微米间距对应于具有至少200kHz脉冲串重复率的突发脉冲激光器。在200kHz时产生至少40μJ/脉冲串并且以600mm/s切割速度切割的突发脉冲激光器需要具有至少8瓦特的激光功率。更高的切削速度因此需要甚至更高的激光功率。

例如，在3μm间距和40μJ/脉冲串时的0.4米/秒切削速度将需要至少5瓦特激光器，在3μm间距和40μJ/脉冲串时的0.5米/秒切割速度将需要至少6瓦特激光器。因此，优选地，突发脉冲皮秒激光器的激光功率是6瓦特或更高，更优选地至少8瓦特或更高，并且甚至更优选地至少10W或更高。例如，为了实现在4μm间距(缺陷线调步或在损伤痕迹间隔之间)和100μJ/脉冲串时的0.4米/秒切削速度将需要至少10瓦特激光器，并且为了实现在4μm间距和100μJ/脉冲串时的0.5米/秒切削速度将需要至少12瓦特激光器。例如，为了实现在3μm间距和40μJ/脉冲串时的1米/秒切削速度，将需要至少13瓦特激光器。还例如在4μm间距和400μJ/脉冲串时的1米/秒切削速度将需要至少100瓦特激光器。损伤痕迹之间的最佳间距和精确突发能量是材料相关的，并且可以经验地确定。然而，应当注意的是以更近的间距提升激光脉冲能量或产生损伤痕迹不是始终使基板材料更好地分离或具有改善的边缘质量的条件。损伤痕迹之间的太密集的间距(例如<0.1微米，在一些示例性实施例中<1μm，或在一些实施例中<2μm)有时可以禁止附近后续损伤痕迹的形成，并且经常可以禁止围绕穿孔轮廓的材料的分离，并且还可以导致玻璃内增加不想要的微裂纹。太长的间距(>50μm，并且在一些玻璃中>25μm)可以导致“不受控制的微裂纹”-即，替代从孔到孔传播，所述微裂纹沿着不同路径传播，并且致使所述玻璃在不同(不希望的)方向上裂开。这可以最终降低所分离玻璃部分的强度，因为剩余微裂纹将作为削弱玻璃的裂纹。用来形成每个损伤痕迹的太高的突发能量(例如，>2500μJ/脉冲串，并且在一些实施例中>500μJ/脉冲串)可以致使相邻损伤痕迹的已经形成的微裂纹的“愈合”或再熔化，这将禁止玻璃的分离。因此，优选的是突发能量<2500μJ/脉冲串，例如，≤500μJ/脉冲串。并且，使用太高的突发能量可以致使极大的微裂纹的形成并且产生在分离后减小所述部分的边缘强度的裂纹。太低的突发能量(<40μJ/脉冲串)可以导致玻璃内不形成可观的损伤痕迹，以及因此导致非常高的分离强度或完全不能沿着穿孔轮廓分离。

由这个过程实现的典型的示例性切割速率(速度)是例如0.25米/秒和更高。在一些实施例中，切割速率是至少300毫米/秒。在此描述的一些实施例中，切割速率是至少400毫米/秒，例如500毫米/秒至2000毫米/秒或更高。在一些实施例中，皮秒(ps)激光器利用脉冲串以产生具有0.5微米与13微米(例如0.5微米与3微米)之间的周期的缺陷线。在一些实施例中，脉冲激光器具有10W-100W的激光功率并且材料和/或激光束相对于彼此以至少0.25米/秒的速率平移，例如，以0.25至0.35米/秒或0.4米/秒至5米/秒的速率。优选地，脉冲激光束的每个脉冲串具有在工件处测得的大于40微焦耳每脉冲串每毫米工件厚度的平均激光能量。优选地，脉冲激光束的每个脉冲串具有在工件处测得的大于或小于2500微焦耳每脉冲串每毫米工件厚度的平均激光能量，并且优选地小于约2000微焦耳每脉冲串每毫米，并且在一些实施例中小于1500微焦耳每脉冲串每毫米工件厚度，例如，不多于500微焦耳每脉冲串每毫米工件厚度。

已经发现，与诸如Corning的玻璃相比，更高(高5至10倍)的体积脉冲能量密度(μj/μm³)对于穿孔具有较少或不具有含碱玻璃的碱土金属硼硅铝酸盐玻璃是需要的。这可以例如通过利用突发脉冲激光器实现，优选地具有每脉冲串至少2个脉冲并且提供碱土金属硼硅铝酸盐玻璃(具有较少或不具有碱)内的约0.05μJ/μm³或更高，例如至少0.1μJ/μm³，例如0.1-0.5μJ/μm³的体积能量密度。

因此，优选的是激光器产生具有每脉冲串至少2个脉冲的脉冲串。例如，在一些实施例中，脉冲激光器具有10W-150W(例如，10W-100W)的激光功率并且产生具有每脉冲串至少2个脉冲(例如，每脉冲串2-25个脉冲)的脉冲串。在一些实施例中，脉冲激光器具有25W-60W的功率，并且产生具有每脉冲串至少2-25个脉冲的脉冲串，并且由激光脉冲串产生的相邻缺陷线之间的周期或距离是2-10微米。在一些实施例中，脉冲激光器具有10W-100W的激光功率，产生具有每脉冲串至少2个脉冲的脉冲串，并且工件和激光束相对于彼此以至少0.25米/秒的速率平移。在一些实施例中，工件和/或激光束相对于彼此以至少0.4米/秒的速率平移。

例如，对于切割0.7mm厚的非离子交换康宁代码2319或代码2320的Gorilla玻璃，查看到3-7微米的间距可以良好工作，脉冲突发能量是约150-250μJ/脉冲串，并且突发脉冲数的范围是从2-15，并且优选地3-5微米间距和2-5的突发脉冲数(每脉冲串的脉冲数)。

以1米/秒切割速度，Eagle玻璃的切割典型地需要15-84瓦特的激光功率的利用，30-45瓦特通常是足够的。一般而言，遍及多种玻璃和其他透明材料，申请人发现10与100W之间的激光功率对于实现从0.2-1米/秒的切割速度是优选的，25-60瓦特的激光功率对于许多玻璃是足够的(并且最佳)。对于0.4米/秒至5米/秒的切割速度，激光功率应当优选地是10W-150W，具有40μJ/脉冲串-750μJ/脉冲串的突发能量、2-25脉冲每脉冲串(取决于被切割的材料)以及3至15μm或3-10μm的孔间隔(或间距)。皮秒脉冲突发激光器的使用将对于这些切割速度是优选的，因为它们产生高功率和每脉冲串所需数量的脉冲。因此，根据一些示例性实施例，脉冲激光产生10-100W的功率(例如25W至60瓦特)并且以至少2-25脉冲每脉冲串产生脉冲串，并且缺陷线之间的距离是2-15微米；并且激光束和/或工件相对于彼此以至少0.25米/秒的速度平移，在一些实施例中至少0.4米/秒，例如0.5米/秒至5米/秒，或更快。

现在应当理解的是，在此描述的实施例提供了用于通过应用激光束焦线来间隔基板(诸如玻璃基板)的***和方法。在此描述的***允许快速调节激光束焦线的长度和/或直径以便解释不同类型的材料以及不同厚度的材料。

虽然在此已经描述了示例性实施例，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离由所附权利要求所涵盖的范围的情况下，可以在其中做出在形式和细节上的不同改变。

Claims (32)

1.一种用于加工透明材料的***，所述***包括：

激光源，所述激光源可操作用于发射脉冲激光束；以及

光学组件，所述光学组件布置在所述脉冲激光束的光学路径内并且被配置成用于将所述脉冲激光束转变为具有可调长度和可调直径的激光束焦线，其中，所述激光束焦线的至少一部分可操作用于被定位在所述透明材料的块内，从而使得所述激光束焦线在所述透明材料内生成诱导多光子吸收，多光子诱导吸收沿着所述激光束焦线在所述透明材料内产生材料改性。

2.如权利要求1所述的***，其中，所述光学组件包括轴锥镜。

3.如权利要求2所述的***，其中，所述轴锥镜是透光的，并且所述光学组件进一步包括定位在所述轴锥镜与所述透明材料之间的所述脉冲激光束的光学路径中的可变变焦组件。

4.如权利要求2所述的***，其中，

所述轴锥镜是透光的；

所述光学组件进一步包括具有第一焦距的第一透镜元件和具有第二焦距的第二透镜元件；

所述第一透镜元件和所述第二透镜元件布置在所述轴锥镜之后的所述脉冲激光束的光学路径内，从而使得所述第一透镜元件定位在所述轴锥镜与所述第二透镜元件之间；并且

所述第一焦距和所述第二焦距为使得所述激光束焦线至少部分地布置在所述透明材料的所述块内；并且

通过改变所述第一透镜元件的所述第一焦距和所述第二透镜元件的所述第二焦距中的至少一项来调节所述激光束焦线的可调长度和可调直径。

5.如权利要求4所述的***，其中，

所述光学组件进一步包括：包括多个第一透镜元件的第一透镜组件，每个第一透镜元件具有不同的第一焦距；以及包括多个第二透镜元件的第二透镜组件，每个第二透镜元件具有不同的第二焦距；

通过选择性地将所述多个第一透镜元件中的期望第一透镜元件定位在所述脉冲激光束的所述光学路径内来调节所述第一透镜元件的所述第一焦距；并且

通过选择性地将所述多个第二透镜元件中的期望第二透镜元件定位在所述脉冲激光束的所述光学路径内来调节所述第二透镜元件的所述第二焦距。

6.如权利要求2所述的***，其中，

所述轴锥镜包括入射表面和出射表面；

所述出射表面具有相对于所述入射表面的角度；并且

通过改变所述轴锥镜的所述出射表面的角度来调节所述激光束焦线的所述可调长度和所述可调直径。

7.如权利要求6所述的***，其中，

所述光学组件进一步包括轴锥镜组件，所述轴锥镜组件包括多个轴锥镜，每个单独的轴锥镜包括在所述出射表面上的不同角度；并且

通过选择性地将所述多个轴锥镜中的期望单独轴锥镜定位在所述脉冲激光束的所述光学路径内来改变所述轴锥镜的所述出射表面的所述角度。

8.如权利要求7所述的***，其中，

所述光学组件进一步包括具有第一焦距的第一透镜元件和具有第二焦距的第二透镜元件；

所述第一透镜元件和所述第二透镜元件布置在所述轴锥镜之后的所述脉冲激光束的所述光学路径内，从而使得所述第一透镜元件定位在所述轴锥镜与所述第二透镜元件之间；并且

通过改变所述第一焦距和/或所述第二焦距来进一步调节所述激光束焦线的所述可调长度和所述可调直径。

9.如权利要求2所述的***，其中，通过调节所述脉冲激光束在所述轴锥镜的入射表面处的直径来调节所述激光束焦线的所述可调长度。

10.如权利要求9所述的***，其中，

所述光学组件进一步包括具有第三焦距的第三透镜、以及具有第四焦距的第四透镜；并且

所述第三焦距和所述第四焦距中的至少一项是可调的以便调节所述脉冲激光束在所述轴锥镜的所述入射表面处的直径。

11.如权利要求9所述的***，其中，所述光学组件进一步包括可变变焦组件，所述可变变焦组件可操作用于调节所述脉冲激光束在所述轴锥镜的入射表面处的直径。

12.如权利要求1所述的***，其中，所述光学组件包括：

反射轴锥镜，所述反射轴锥镜定位在所述脉冲激光束的所述光学路径内；

环形反射组件，所述环形反射组件轴向地与所述反射轴锥镜间隔开可调距离D，所述环形反射组件包括成角度的反射表面，其中，所述脉冲激光束由所述反射轴锥镜反射朝向所述成角度的反射表面，并且所述脉冲激光束然后由所述成角度的反射表面反射；以及

透镜元件，所述透镜元件定位在所述环形反射组件之后的所述脉冲激光束的光学路径内，其中，所述透镜元件聚焦所述脉冲激光束以便形成所述激光束焦线；

其中，所述脉冲激光束在所述反射轴锥镜之前会聚或发散。

13.如权利要求12所述的***，其中，通过改变所述可调距离D来调节所述激光束焦线的可调直径或所述焦线的可调长度。

14.如权利要求12所述的***，其中，

所述光学组件进一步包括第二透镜元件，所述第二透镜元件定位在所述反射轴锥镜之前的所述脉冲激光束的光学路径中；

所述第二透镜元件使所述脉冲激光束在所述反射轴锥镜之前会聚或发散；并且

调节所述第二透镜元件的焦距调节了所述激光束焦线的所述可调长度和所述可调直径。

15.如权利要求1所述的***，其中，所述光学组件包括：

第一透镜元件，所述第一透镜元件定位在所述脉冲激光束的光学路径内，所述第一透镜元件被配置成用于产生所述脉冲激光束的发散或会聚；

第一透光轴锥镜，所述第一透光轴锥镜定位在所述第一透镜元件之后的所述脉冲激光束的光学路径内，从而使得所述脉冲激光束在成角度的出射表面上离开所述第一透光轴锥镜；

第二透光轴锥镜，所述第二透光轴锥镜定位在所述第二透光轴锥镜之后的所述脉冲激光束的光学路径内，从而使得所述脉冲激光束在所述第二透光轴锥镜的成角度的入射表面处进入所述第二透光轴锥镜，其中，所述第一透光轴锥镜的所述成角度的出射表面的偏转角基本上等于所述第二透光轴锥镜的所述成角度的入射表面的偏转角；以及

第二透镜元件，所述第二透镜元件定位在所述第二透光轴锥镜之后的所述脉冲激光束的光学路径内，所述第二透镜元件具有焦距，从而使得所述第二透镜元件聚焦所述脉冲激光束以便形成所述激光束焦线。

16.如权利要求15所述的***，其中，

通过改变所述第一透镜元件的焦距来调节所述激光束焦线的所述可调长度；并且

通过改变所述第一透光轴锥镜与所述第二透光轴锥镜之间的距离D来调节所述激光束焦线的所述可调直径。

17.一种加工透明材料的方法，所述方法包括：

聚焦脉冲激光束以便沿着光束传播方向形成激光束焦线，所述激光束焦线具有长度和直径；

调节所述激光束焦线的长度和所述激光束焦线的直径中的至少一项；以及

将所述激光束焦线引导进入所述透明材料中，从而使得所述激光束焦线的至少一部分在所述材料的块内，其中，所述激光束焦线在所述透明材料内生成诱导多光子吸收，所述多光子诱导吸收沿着所述激光束焦线在所述透明材料内产生材料改性。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述激光束焦线的长度和所述激光束焦线的直径是可连续调节的。

19.如权利要求17所述的方法，其中，所述激光束焦线的长度等于或大于所述透明材料的厚度。

20.如权利要求17所述的方法，其中，所述激光束焦线的长度是可调的，而不影响所述激光束焦线的直径。

21.如权利要求17所述的方法，其中，所述激光束焦线的直径在0.5μm和5μm的范围内。

22.如权利要求17或21所述的方法，其中，所述激光束焦线的长度在0.1mm到100mm的范围内。

23.如权利要求17、21、或22所述的方法，其中，所述透明材料是玻璃基板。

24.如权利要求1-16所述的***、或如权利要求17-23所述的方法，其中，所述脉冲激光束是突发脉冲激光束，其中，每脉冲串2-25个脉冲。

25.如权利要求1-16或24所述的***、或如权利要求17-23或24所述的方法，其中，所述激光束焦线是贝塞尔光束焦线。

26.如权利要求1-16所述的***，其中，所述激光源结合所述光学组件产生以下光束之一：艾里光束、韦伯光束和马蒂厄光束。

27.如权利要求1-16所述的***，其中，所述激光源产生每脉冲串至少2个脉冲的脉冲串。

28.如权利要求1-16所述的***，其中，所述激光源具有10W-150W的激光功率并且产生每脉冲串至少2个脉冲的脉冲串。

29.如权利要求28所述的***，其中，所述激光源具有10W-100W的激光功率并且产生每脉冲串2-25个脉冲的脉冲串。

30.如权利要求28所述的***，其中，所述激光源具有25W-60W的激光功率并且产生每脉冲串2-25个脉冲的脉冲串。

31.如权利要求17-23所述的方法，使用具有10W-100W的激光功率的脉冲激光器生成所述脉冲激光束，所述脉冲激光束具有每脉冲串2-25个脉冲的脉冲串；以及将所述激光束焦线引导至透明材料中以便形成缺陷线，从而使得相邻缺陷线之间的间隔为2-10微米。

32.如权利要求31所述的方法，其中，所述激光源具有25W-60W的激光功率。