CN110997220B

CN110997220B - 同步多激光加工透明工件的装置和方法

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Publication number: CN110997220B
Application number: CN201880052196.5A
Authority: CN
Inventors: M·I·黑斯; U·斯图特; R·J·特布鲁根
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2038-08-08
Also published as: TW201919807A; KR20200040808A; EP3664956A1; KR102582719B1; WO2019032639A1; US20210122663A1; JP2020530400A; US10906832B2; TWI801405B; CN110997220A; US20190047894A1

Abstract

一种用于对透明工件进行激光加工的方法，该方法包括将由脉冲激光束源输出的脉冲激光束聚焦成脉冲激光束焦线，该脉冲激光束焦线被引导到透明工件中，从而在透明工件上形成脉冲激光束斑，并在透明工件中产生缺陷；将红外激光束输出引导到透明工件上，以形成环形红外束斑，该环形红外束斑在成像表面处包围脉冲激光束斑，并加热透明工件。此外，该方法包括沿着分离路径使透明工件和脉冲激光束焦线相对于彼此平移，以及与透明工件和脉冲激光束焦线相对于彼此的平移同步地沿着分离路径使透明工件和环形红外束斑相对于彼此平移。

Description

同步多激光加工透明工件的装置和方法

背景

本申请根据35U.S.C.§119要求2017年8月11日提交的美国临时申请系列第62/544,208号的优先权，其内容作为本申请的基础并且通过参考完整地结合于此。

领域

本说明书总体上涉及用于激光加工透明工件的设备和方法，并且更具体地涉及分离透明工件。

技术背景

材料的激光加工领域涵盖了广泛应用，其中包括不同类型材料的切割、钻孔、铣削、焊接、熔化等。在这些加工中，特别感兴趣的是在可用于生产诸如玻璃、蓝宝石或熔融石英这样的薄膜晶体管(TFT)用材料或者电子设备用显示材料的过程中，切割或分离不同类型的透明基板。

从工艺开发和成本的角度来看，在切割和分离玻璃基板方面有许多改进的机会。与市场上目前正在实践的相比，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引起了极大的兴趣。因此，需要用于分离玻璃基板的替代的改进方法。

概述

根据一个实施方式，一种用于对透明工件进行激光加工的方法包括：将由脉冲激光束源输出的脉冲激光束聚焦成脉冲激光束焦线，该脉冲激光束焦线沿光束传播方向定向并被引导到透明工件中，从而在透明工件的成像表面上形成脉冲激光束斑。脉冲激光束焦线在透明工件内产生感应吸收，并且该感应吸收沿透明工件内的脉冲激光束焦线产生缺陷。该方法还包括将由红外束源输出的红外激光束引导到透明工件上，使得红外激光束在成像表面上形成环形红外束斑。环形红外束斑在成像表面包围脉冲激光束斑，并且红外激光束加热透明工件。此外，该方法包括使透明工件和脉冲激光束焦线沿着分离路径相对于彼此平移，从而在透明工件内沿分离路径通过激光形成限定轮廓线的多个缺陷，并且与透明工件和脉冲激光束焦线相对于彼此的平移同步地使透明工件和环形红外束斑沿着分离路径相对于彼此平移，使得环形红外束斑在透明工件和脉冲激光束焦线的相对运动期间包围脉冲激光束斑，并且沿着轮廓线或靠近轮廓线照射透明工件，以沿着轮廓线分离透明工件。

根据另一个实施方式，一种用于对透明工件进行激光加工的方法，该方法包括：将由脉冲激光束源输出的脉冲激光束聚焦成脉冲激光束焦线，该脉冲激光束焦线沿光束传播方向定向并被引导到透明工件中，从而在透明工件的成像表面上形成脉冲激光束斑。脉冲激光束焦线在透明工件内产生感应吸收，并且该感应吸收沿透明工件内的脉冲激光束焦线产生缺陷。该方法还包括将由红外束源输出的红外激光束引导到透明工件上，使得红外激光束在成像表面上形成红外束斑。红外束斑在成像表面上与脉冲激光束斑间隔一间距，并且红外激光束加热透明工件。此外，该方法包括使透明工件和脉冲激光束焦线沿着分离路径相对于彼此平移，从而在透明工件内沿分离路径通过激光形成限定轮廓线的多个缺陷，并且与透明工件和脉冲激光束焦线相对于彼此的平移同步地使透明工件和红外束斑沿着分离路径相对于彼此平移，使得在透明工件和脉冲激光束焦线的相对运动期间，脉冲激光束斑与红外束斑保持间隔所述间距，并且沿着轮廓线或靠近轮廓线照射透明工件，以沿着轮廓线分离透明工件。

在以下的详细描述中给出了本文所述方法和装置的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都描述了各种实施方式，用来提供理解要求权利的主题的性质和特性的总体评述或框架。所包括的附图用来提供对各种实施方式的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求权利的主题的原理和操作。

附图简述

图1A示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式被红外束斑包围的脉冲激光束斑，其中它们各自都穿过透明工件的分离路径；

图1B示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式与红外束斑偏离的脉冲激光束斑，其中它们各自都穿过透明工件的分离路径；

图2A示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式的光学***，该光学***包含用于激光加工透明工件的脉冲束光学组件和红外光学组件；

图2B示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式的光学***，该光学***包含用于激光加工透明工件的图2A所示脉冲束光学组件和另一红外光学组件；

图3示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式在图2A和2B 所示的透明工件中形成和分离缺陷轮廓线；

图4示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式在加工透明工件期间脉冲激光束焦线的示例定位；

图5A示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式用于脉冲束激光加工的光学组件；

图5B-1示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式的脉冲束激光焦线与透明工件的关系的第一实施方式；

图5B-2示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式的脉冲束激光焦线与透明工件的关系的第二实施方式；

图5B-3示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式的脉冲束激光焦线与透明工件的关系的第三实施方式；

图5B-4示意性描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式的脉冲束激光焦线与透明工件的关系的第四实施方式；

图6A以图形方式描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式的一个示例性脉冲串内的激光脉冲相对强度与时间的关系，其中每个示例性脉冲串具有7个子脉冲；和

图6B以图形方式描绘了根据本文所述的一个或多个实施方式的一个示例性脉冲串内的激光脉冲相对强度与时间的关系，其中每个示例性脉冲串具有9 个子脉冲。

详细描述

下面将详细描述用于激光加工透明工件的方法的实施方式，其实例示于附图中。在任何可能的情况下，相同的附图标记在所有附图中用来指示相同或类似的部分。根据本文所述的一个或多个实施方式，可以对透明工件进行激光加工以将透明工件分离成两个或更多个部分。通常，该方法至少包括在透明工件中形成包括缺陷的轮廓线，以及通过在轮廓线处或附近使透明工件经受红外激光束作用而沿着轮廓线分离透明工件。例如，可以利用脉冲激光束在透明工件中产生一系列缺陷，从而限定轮廓线。这些缺陷在本文中可以称为透明工件中的穿孔或纳米穿孔。

然后可以利用红外激光来加热透明工件的邻近和/或沿着轮廓线的区域，以在轮廓线处分离透明工件。沿着轮廓线的分离可能是由于透明工件在其不同部分处的温度差异所引起的透明工件中的机械应力所致，该温度差异是由红外激光束的加热引起的。此外，在本文所述的实施方式中，通过激光形成多个缺陷和利用红外激光束加热这些缺陷可以在单个同步步骤中发生。在一些实施方式中，红外激光束可以在透明工件上形成红外束斑(在一些实施方式中可以是环形红外束斑)，并且脉冲激光束可以被引导到透明工件中，使得红外束斑(例如，环形红外束斑)在透明工件的成像表面上围绕(例如包围)由脉冲激光束形成的脉冲激光束斑。在其他实施方式中，红外激光束可以在透明工件上形成红外束斑，并且脉冲激光束可以被引导到透明工件中，使得由脉冲激光束形成的脉冲激光束斑与红外激光束间隔一间距。在这些实施方式的每一个实施方式中，缺陷线由脉冲激光束形成并由红外激光束分离，并且透明工件通过透明工件与脉冲激光束和红外激光束两者之间的同步相对运动沿缺陷线分离。这里将具体参考附图描述用于分离透明工件的方法和设备的各种实施方式。

根据一个或多个实施方式，本公开提供了用于加工透明工件的方法。如本文所使用，“激光加工”可以包括在透明工件中形成轮廓线、分离透明工件或其组合。如本文所用，短语“透明工件”是指由玻璃、玻璃陶瓷或半导体材料形成的工件，它们是透明的，其中如本文所用，术语“透明”是指：对于指定的脉冲激光波长，该材料的光吸收性小于约10％每毫米材料深度，例如小于约1％每毫米材料深度。根据一些实施方式，透明工件的至少一部分，例如被分离的部分，具有小于约5x10^-6/K的热膨胀系数，例如小于约 4x10^-6/K或小于约3.5x10^-6/K的热膨胀系数。例如，透明工件可具有约 3.2x10^-6/K的热膨胀系数。透明工件可具有约50微米至约10mm的厚度(例如约100微米至约5mm，或约0.5mm至约3mm)。

透明工件可以包括由玻璃组合物形成的玻璃工件，例如硼硅酸盐玻璃，钠钙玻璃，铝硅酸盐玻璃，碱金属铝硅酸盐，碱土金属铝硅酸盐玻璃，碱土金属硼铝硅酸盐玻璃，熔凝二氧化硅，或者晶体材料，例如蓝宝石、硅、砷化镓，或者它们的组合。在一些实施方式中，玻璃可以是离子可交换的，使得玻璃组合物可以在激光加工透明工件之前或之后进行离子交换以进行机械强化。例如，透明工件可以包括经离子交换和可离子交换玻璃，例如可从纽约州康宁市康宁股份有限公司获得的康宁

玻璃(例如，代码 2318，代码2319和代码2320)。此外，这些可离子交换玻璃可具有约6ppm /℃至约10ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。在一些实施方式中，透明工件的玻璃组合物可包含大于约1.0摩尔％的硼和/或含硼的化合物，包括但不限于B₂O₃。在另一个实施方式中，形成透明工件的玻璃组合物包含小于或等于约1.0摩尔％的硼的氧化物和/或含硼的化合物。此外，透明工件可以包括对激光的波长透明的其他组分，例如，诸如蓝宝石或硒化锌这样的晶体。

一些透明工件可以用作显示和/或TFT(薄膜晶体管)基板。适于显示器或TFT应用的这种玻璃或玻璃组合物的一些实例是可从纽约州康宁市康宁股份有限公司获得的EAGLE

CONTEGO和康宁LOTUS^TM。碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物可以配制成适合用作基底以用于电子应用，包括但不限于TFT基底。与TFT结合使用的玻璃组合物通常具有与硅相似的 CTE(例如小于5x 10^-6/K，或者甚至小于4x 10^-6/K，例如，约3x 10^-6/K，或约2.5×10^-6/K至约3.5×10^-6/K)，并且玻璃内的碱金属含量低。在TFT应用中可以使用少量的碱金属(例如，约0重量％至2重量％的痕量，例如小于1重量％，例如小于0.5重量％)，因为碱金属掺杂剂在某些情况下会从玻璃中浸出并污染TFT或使其中毒，可能使TFT无法工作。根据一些实施方式，本文所述的激光切割工艺可以用于以受控的方式分离透明工件，其产生的碎屑可忽略不计，缺陷最小，对边缘的次表面损伤小，从保留了工件的完整性和强度。

如本文中所使用，短语“轮廓线”表示在透明工件表面上想要分离的线 (例如，直线、曲线等)，在暴露于合适的加工条件时，透明工件将沿该分离线分成多个部分。轮廓线通常由使用多种技术引入透明工件的一个或多个缺陷组成。如本文所用，“缺陷”可包括透明工件中的改性材料(相对于本体材料)、空隙空间、划痕、瑕疵、孔或其他变形的区域，其可通过用脉冲激光束照射透明工件而形成。轮廓线的缺陷使得能够通过附加热处理，例如通过红外激光加工(如本文所述)、机械应力或在不进行进一步加热或机械分离步骤的情况下的自发破裂，沿着轮廓线分离透明工件，其原因在于透明工件160中存在应力，取决于透明工件160的类型、厚度和结构(例如，具有高CTE的透明工件160在轮廓线形成之后可能会自发破裂)。此外，同样如本文所用，透明工件的“成像表面”是透明工件的表面，脉冲激光束最初在此接触透明工件。

通过在透明工件的表面上形成轮廓线，然后沿轮廓线加热透明工件的表面以在透明工件中形成热应力，可以将诸如玻璃基板等的透明工件分成多个部分。应力最终导致透明工件沿着轮廓线分离(例如，自发分离)。可以例如使用红外激光来加热透明工件的表面。而且，形成包含缺陷的轮廓线并沿着轮廓线加热透明工件的表面可以通过透明工件与脉冲激光束和红外激光束两者之间的同步相对运动来进行。通过使轮廓线的形成与随后的轮廓线的加热同步，用于分离透明工件的激光加工时间(例如，单件产品生产时间)可以减少，例如减少一半。

现在参考图1A和1B，作为示例，示意性地示出了透明工件160，例如玻璃工件或玻璃陶瓷工件，其根据本文所述的方法经历了同步的缺陷形成和分离。如图所示，轮廓线170沿着分离路径165形成在透明工件160 中，该分离路径是预定分离的线，透明工件160将围绕该分离线被分离成两个或更多个部分。轮廓线170包括在透明工件160中的一系列缺陷172，并且可以通过将脉冲激光束焦线113(图2A、图2B和3)引导到透明工件160中来形成每个缺陷172。脉冲激光束焦线113包括一部分脉冲激光束112(图2A、图2B 和图3)，该部分激光束在透明工件160的成像表面162上形成脉冲激光光斑114。2015年12月17日公开的美国专利申请公开第2015/0360991号公开了用于形成“穿孔的”轮廓线(例如，在透明工件160中形成轮廓线170)的一些示例方法和设备，该专利申请通过引用完整地并入本文。虽然图1A和图 1B中将轮廓线170描绘为基本线性的，但是应当理解，其他构型也是可以预期的并且是可能的，包括但不限于曲线、图案、规则的几何形状、不规则的形状等。如本文所述，轮廓线170的缺陷172可以被红外激光束212 (图2A、2B和3)加热，以引起透明工件160沿着轮廓线170分离。如图 1A和图1B所示，红外激光束212在透明工件160的成像表面162上形成红外束斑214。

轮廓线170可以包括线状缺陷(例如，缺陷172)，其在透明工件160 内延伸，例如，从成像表面162延伸到透明工件160中，描绘出分离的工件的所需形状并建立裂纹扩展路径，从而使透明工件160沿着轮廓线170 分离为单独的部分。为了形成轮廓线170，可以用脉冲激光束112(图2A、 2B和3)照射透明工件160，该脉冲激光束112可以包括在等于或小于1064 nm波长下的超短脉冲(即脉冲宽度小于100皮秒)激光束，该激光束会聚成高长宽比线焦点(即，图2A、2B和3中的脉冲激光束焦线113)，并穿过透明工件160的厚度的至少一部分。在该高能量密度的体积内，透明工件160的沿着轮廓线170的材料通过非线性效应(例如，通过两个光子吸收)被改性，具体是在透明工件160的材料中产生缺陷172。通过在期望的线或路径(即分离路径165)上扫描脉冲激光束112，可以形成限定轮廓线170的窄线缺陷(例如，几微米宽)。该轮廓线170可以限定在随后的加热步骤中从透明工件160分离的周边或形状。

现在参考图1A-图3，与透明工件160中轮廓线170的形成同步，可以利用诸如红外激光束212之类的热源沿轮廓线170分离透明工件160。根据一些实施方式，热源可用于产生热应力，从而在轮廓线170处分离透明工件 160。如下面更详细描述的，红外激光束212沿着轮廓线170的相对运动可以与脉冲激光束112沿着分离路径165的相对运动同步，使得轮廓线170 的形成和分离可以在单程中进行(即脉冲激光束112和红外激光束212单次同步遍历分离路径165)。

红外激光束212包括由红外激光束源210产生的激光束，例如二氧化碳激光器(“CO₂激光”)、一氧化碳激光器(“CO激光器”)、固态激光器、激光器二极管或其组合，它是受控的热源，其在轮廓线170处或附近迅速增加透明工件160的温度。这种快速加热可以在透明工件160中的轮廓线 170上或附近产生压缩应力。因为与透明工件160的整个表面积相比，受热玻璃表面的面积相对较小，所以受热面积相对快速地冷却。所得的温度梯度在透明工件160中引起拉伸应力，该拉伸应力足以使裂纹沿着轮廓线170 并穿过透明工件160的厚度传播，从而导致透明工件160沿着轮廓线170 完全分离。不受理论束缚，据信拉伸应力可能是由于在具有较高局部温度的透明工件160的一些部分中玻璃膨胀(即密度改变)引起的。

仍然参考图1A-图3，在本文描述的实施方式中，红外激光束212可以被引导到透明工件160上(从而将红外束斑214投射到透明工件160上)，并且在加工方向10上沿着轮廓线170相对于透明工件160平移。在操作中，轮廓线170的分离部分164通过用红外激光束212加热轮廓线170(例如，通过移动红外束斑214)而形成，从而引起裂纹沿着轮廓线170传播并且通过其厚度，导致分离发生。轮廓线170的分离部分164随着红外束斑214 在加工方向10上移动而尾随红外束斑214。根据一个或多个实施方式，可以通过透明工件160的运动、红外激光束212的运动(即红外束斑214的运动)或者透明工件160和红外激光束212二者的运动来使红外激光束212 在透明工件160上平移。通过相对于透明工件160平移红外束斑214，可以沿着轮廓线170分离透明工件160。

无意受限于受理论，在轮廓线170的两侧加热透明工件160产生热应力，以促进透明工件160沿轮廓线170分离。然而，尽管为促进沿着轮廓线170的分离而赋予透明工件160的总能量可以与将红外激光束212以最大强度直接聚焦在轮廓线170上(例如高斯束分布)相同，但在轮廓线170 两侧加热透明工件而不是直接在轮廓线170上以最大强度加热透明工件，将总热能量散布在了更大的区域上，从而缓解了由于过热而在轮廓线170 侧面形成裂纹，并且还减少甚至缓解了轮廓线170处或附近的透明工件160 材料的熔化。事实上，在轮廓线170两侧以最大强度而不是直接在轮廓线 170上以最大强度来加热透明工件160实际可以允许将更大量的总热能引入透明工件160中，而不会形成不希望的横向裂纹和/或熔化，从而能够激光分离由具有相对较低CTE的材料形成的透明工件160。

在一些实施方式中，用于促进分离的红外激光束212的红外束斑214 可以包括环形束轮廓(例如，环形红外束斑)，例如图1A和图1B中描绘的圆形对称束轮廓，目的是将更多的能量转移到与轮廓线170相邻的区域，而不是直接转移到轮廓线170上，并且还允许红外束斑214在透明工件160 的成像表面162上包围脉冲激光束112(即在图1A所示的实施方式中包围脉冲激光束斑114)。因此，红外束斑214有利于透明工件160沿着轮廓线 170的同步形成和分离。如图1A和1B所示，在红外束斑214包含环形红外束斑的实施方式中，红外束斑214包含内径216和外径218。此外，如本文中所使用，环形束轮廓(例如，环形红外束斑的环形束轮廓)是指具有以下两个特征的任何激光束轮廓：通常在离开光束中心的地方具有最大强度，并且在其中心具有相对于最大强度而言的强度凹槽(intensity trough)。该凹槽可包括在光束中心完全没有能量(即其中心处的光束强度为0)。此外，虽然在图1A和图1B中将红外束斑214描绘成包括圆形环(例如，相对于轮廓线170圆形对称)，但是应当理解，还可以考虑其他环形光束轮廓，例如卵圆形、椭圆形、李沙育(Lissajous)图案、多个离散的斑点、多个环等。此外，应当理解，在一些实施方式中，红外束斑214可以包括非环形形状，例如高斯束斑，其不包括内径216，并且在外径218内的基本上所有位置投射激光能量。

再次参照图1A和1B，轮廓线170的缺陷172的同步形成可以包括透明工件160与脉冲激光束斑114和红外束斑214两者之间的同步相对运动，它们配置成脉冲激光束斑114和红外束斑214沿着分离路径165彼此靠近布置。为了促进同步相对运动，可以等于红外束斑214和透明工件160之间的相对运动速度的速度平移脉冲激光束斑114(从而平移脉冲激光束焦线 113)。例如，透明工件160与红外束斑214和脉冲激光束斑114中每一个之间的相对平移可以是从约1mm/s至约10m/s，例如约2mm/s，5mm/s， 10mm/s，25mm/s，50mm/s，75mm/s，100mm/s，250mm/s，500mm/s， 750mm/s，1m/s，2.5m/s，5m/s，7.5m/s等。

如图1A所示，在一些实施方式中，红外束斑214可包括环形红外束斑，并且可在透明工件160的成像表面162上包围脉冲激光束斑114，如图1A 所示。当红外束斑214包围脉冲激光束斑114时，透明工件160沿着轮廓线170的同步形成和分离包括使透明工件160和红外束斑214沿着分离路径165相对于彼此平移(例如，在加工方向10上)，该平移与透明工件160和脉冲激光束斑114(以及由此和脉冲激光束焦线113)相对于彼此的平移同步，使得红外束斑214在透明工件160和脉冲激光束斑114(以及由此和脉冲激光束焦线113)的相对运动期间包围脉冲激光束斑114。在图1A所示的实施方式中，脉冲激光束斑114和红外束斑214是同轴的(即各自共享一个共同的中心点)。但是，应当理解，脉冲激光束斑114可以位于红外束斑214的内径216内的任何位置，同时红外束斑214仍然包围脉冲激光束斑114。此外，在一些实施方式中，脉冲激光束斑114可以定位在红外束斑214的内径126内，使得脉冲激光束斑114和红外束斑214的最接近部分距脉冲激光束斑114约3mm或更大，例如4mm或更大，5mm或更大， 6mm或更大，等等。

现在参考图1B，在一些实施方式中，红外束斑214可以与脉冲激光束斑114间隔开间距15，以使得红外束斑214沿着加工方向10尾随脉冲激光束斑114。脉冲激光束斑114和红外束斑214之间的间距15可以为约1μm至约100mm，例如，约2μm，5μm，10μm，25μm，50μm，100μm，250μm，500μm， 1mm，2mm，5mm，10mm，25mm，50mm，75mm等。当红外束斑214与脉冲激光束斑114间隔开间距15时，透明工件160沿着轮廓线170的同步形成和分离包括使透明工件160和红外束斑214沿着分离路径165相对于彼此平移 (例如，在加工方向10上)，该平移与透明工件160和脉冲激光束斑114(以及由此和脉冲激光束焦线113)相对于彼此的平移同步，使得红外束斑214在透明工件160和脉冲激光束斑114(以及由此和脉冲激光束焦线113)的相对运动期间保持与脉冲激光束斑114间隔开间距15，并沿着轮廓线170或其附近照射透明工件160，以沿着轮廓线170分离透明工件160。此外，尽管在图1B 中将红外束斑214描绘为环形红外束斑，但在红外束斑214与脉冲激光束斑114 间隔开间距15的实施方式中，红外束斑214可包括非环形形状，例如，高斯束斑。

虽然图1A和1B描绘了脉冲激光束斑114和红外束斑214在透明工件 160的成像表面162上不交叠的实施方式，但在其他实施方式中，脉冲激光束斑114和红外束斑214可以交叠。例如，在透明工件160包括低CTE的实施方式中，脉冲激光束斑114和红外束斑214可以交叠，并且透明工件 160沿着轮廓线170的同步形成和分离可以包括透明工件160和红外束斑214沿着分离路径165相对于彼此平移(例如，在加工方向10上)，该平移与透明工件160和脉冲激光束斑114(以及由此和脉冲激光束焦线113) 相对于彼此的平移同步，同时红外束斑214与脉冲激光束斑114保持交叠。无意受限于理论，当透明工件160具有低CTE时，在透明工件160处，脉冲激光束112与红外激光束212之间的干涉被最小化，从而使被红外激光束212和脉冲激光束112照射的透明工件160局部的折射率的不希望的改变最小化。

再次参照图1A和1B，内径216被定义为相对于束中心的下述距离(即半径)的两倍：86％的束能量在该距离之外。类似地，内径218被定义为相对于束中心的下述距离(即半径)的两倍：86％的束能量在该距离之内。根据一些实施方式，外径218可以是从约0.5mm至约30mm，例如从约1mm 至约10mm，从约2mm至约8mm，或者从约3mm至约6mm。内径216可为约0.01mm至约15mm，约0.1mm至约10mm，或约0.7mm至约3mm。例如，内径216可为外径218的约5％至约95％，例如为外径218的约10％至约50％，约20％至约45％，或约30％至约40％。根据一些实施方式，来自红外激光束212的最大功率(以及透明工件160中的最高温度)可以与轮廓线170相距约等于内径216的约一半的距离。

现在参考图2A和2B，示意性地示出了用于轮廓线170的同步形成和分离的光学***100。光学***100包括脉冲束光学组件101和红外束光学组件201(图2A)或201'(图2B)。脉冲束光学组件101包含脉冲激光束源110和一个或多个光学组件，用于将脉冲激光束112形成为脉冲激光束焦线113，使得脉冲激光束焦线113可以在透明工件160内形成轮廓线170的缺陷172。红外束光学组件201、201'包含用于生成红外激光束212的红外激光束源210(图2B中未示出)，并且包含一个或多个光学部件，用于将红外激光束212引导到透明工件160的成像表面162上。如图2A和2B 所示，脉冲束光学组件101可以包括用于容纳并物理耦合脉冲束光学组件 101的部件的壳体102，红外束光学组件201、201'可以包括用于容纳并物理耦合红外束光学组件201、201'的部件的壳体202、202'。

光学***100可以进一步包含安装单元182，并且脉冲束光学组件101 的壳体102和红外束光学组件201的壳体202、202'都可以联接到安装单元 182，例如可移动地联接到安装单元182，以促进由脉冲束光学组件101的脉冲激光束源110产生的脉冲激光束112的平移运动，以及由红外激光束源210产生的红外激光束212的平移运动。此外，光学***100包含可平移台180。如图2A和图2B所示，透明工件160可以安装在可平移台180 上，这有助于透明工件160的平移运动。因此，透明工件160与脉冲激光束112和红外激光束212中的每一个之间的相对运动(例如，同步相对运动)可以通过以下运动来产生：可平移台180的运动，脉冲束光学组件101 的壳体102和红外束光学组件201、201'的壳体202、202'沿着安装单元182 的运动，安装单元182自身的运动，或者它们的组合。

现在参照图2A，红外束光学组件201包含红外激光束源210、非球面光学元件220、第一平凸透镜222、第二平凸透镜224、光束调节元件226 和光束引导元件230。无意受限于理论，红外激光束212可以包括直径为约 8mm至约10mm(根据其1/e²直径)的高斯束，并且非球面光学元件220 可以包括轴锥透镜，该轴锥透镜可包含具有约1.2°的角度的圆锥形表面，例如具有约0.5°至约5°，或约1°至约1.5°，或者甚至约0.5°至约5°的角度 (相对于平坦表面所测得的角度，红外激光束212在该平坦表面上进入非球面光学元件220)。非球面光学元件220(例如，轴锥透镜)将入射的红外激光束212(包括高斯光束)整形为贝塞尔(Bessel)光束。在一些实施方式中，非球面光学元件220可以包括折射轴锥透镜，反射轴锥透镜，W 形锥镜(waxicon)，负轴锥透镜，空间光调制器，衍射光学器件，立方体形光学元件，或用于将高斯光束整形为贝塞尔光束的任何光学元件。

仍然参考图2A，第一平凸透镜222和第二平凸透镜224位于非球面光学元件220的下游，使得由红外激光束源210输出的红外激光束212被引导通过非球面光学元件220，然后，通过第一平凸透镜222和第二平凸透镜224。如本文所用，“上游”和“下游”是指以光束源(例如，脉冲激光束源110或红外激光束源210)为基准，光学组件(例如，脉冲束光学组件101或红外束光学组件201)的两个位点或部件的相对位置。例如，如果光束源输出的光束在穿过第二组件之前穿过第一组件，则第一组件位于第二组件的上游。进一步，如果光束源输出的光束在穿过第一组件之前穿过第二组件，则第一组件位于第二组件的下游。

在操作中，第一平凸透镜222和第二平凸透镜224使贝塞尔光束(例如，在红外激光束穿过非球面光学元件220之后的红外激光束212)准直，并调节红外激光束212的直径(例如，调节形成在透明工件160的成像表面162上的红外束斑214的内径216和外径218)。在一些实施方式中，第一平凸透镜222可具有约50mm至约200mm(例如约50mm至约150mm，或约75mm至约100mm)的焦距，并且第二平凸透镜224可具有小于第一平凸透镜222的焦距，例如从约25mm至约50mm的焦距。

光束引导元件230可包括镜子或其他反射部件，可旋转的扫描仪(例如检流计扫描镜)，2D扫描仪等，或任何其他已知的或尚待开发的用于重定向激光束的光学部件。在图2A所示的红外束光学组件201的实施方式中，光束引导元件230位于非球面光学元件220、第一平凸透镜222和第二平凸透镜224的下游，使得红外激光束212在从第二平凸透镜224会聚时被光束引导元件230重定向。然而，在其他实施方式中，光束引导元件230可以位于非球面光学元件220、第一平凸透镜222和第二平凸透镜224中的一个或多个的上游。

如图2A所示，光束引导元件230光学耦合至红外激光束源210，使得光束引导元件230重定向(例如反射)入射的红外激光束212。因此，红外激光束212在光束引导元件230下游的部分在方向14上从光束引导元件 230传播到透明工件160，使得红外激光束212以接近角θ照射透明工件，所述接近角是脉冲激光束112的束传播方向(即方向12)与光束引导元件230下游的红外激光束212的束传播方向(即方向14)之间的角度差。在一些实施方式中，接近角θ可以是从约30°至约75°，从约40°至约65°等，诸如约30°，35°，40°，45°，50°，55°，60°，65°，70°，75°等。此外，接近角θ不平行于脉冲激光束112的束传播方向(即方向12)。因此，红外束光学组件201和脉冲束光学组件101的各个部件可以彼此分开放置，并且对于在透明工件160的成像表面162上形成的红外束斑214包围在透明工件160的成像表面162上形成的脉冲激光束斑114而言(图1A)，红外激光束212和脉冲激光束112不需要同轴。

此外，在脉冲激光束斑114在透明工件160的成像表面162处偏离红外束斑214的实施方式中(图1B)，重定向红外激光束212可能仍然是有利的，以使得红外激光束212在光束引导元件230下游的部分从光束引导元件230沿方向14以接近角θ传播到透明工件160，因为间距15(图1B) 可能太小而无法使红外束光学组件201和脉冲束光学组件101形成两条偏离间距15的平行光束。在其他实施方式中，红外束光学组件201可以进一步包括位于光束引导元件230下游的另一个光束引导元件，以重新定向红外激光束212，使其与脉冲激光束112平行(例如，将脉冲激光束引导到方向12上)，从而使红外激光束212在平行于脉冲激光束斑114并与脉冲激光束斑114偏离间距15的情况下照射透明工件160的成像表面162。

此外，光束调节元件226被配置为改变红外激光束212的横截面光束轮廓，例如，以解决由于以接近角θ照射透明工件160的成像表面162而引起的红外束斑214形状的变化问题。特别地，光束调节元件226被配置为改变脉冲激光束112的横截面光束轮廓，使得投射到透明工件160的成像表面162上的红外束斑214包括期望的形状(例如，圆形、椭圆形等)。例如，如果红外激光束212的一部分在通过光束引导元件230重定向后包括圆形截面的光束轮廓，然后以接近角θ照射透明工件160的成像表面162 (不通过光束调节元件226)，红外束斑214的最终形状将不是圆形。然而，光束调节元件226可以改变红外激光束212的横截面光束轮廓，使得红外束斑214的最终形状为圆形。光束调节元件226可以包括柱面透镜、棱镜、衍射光学元件、望远镜透镜等。如图2A所示，光束调节元件226位于光束引导元件230的下游，使得光束调节元件226在光束引导元件230将红外激光束212重定向到方向14之后改变红外激光束212的横截面光束轮廓。在其他实施方式中，光束调节元件226可位于光束引导元件230的上游，使得光束调节元件226在光束引导元件230将红外激光束212重定向到方向14之前改变红外激光束212的横截面光束轮廓。

现在参考图2B，红外束光学组件201'具有包括2D扫描***的光束引导元件230'。在一些实施方式中，2D扫描***230'可以容纳红外束光学组件201'的光学部件，使得2D扫描***230'的壳体是红外束光学组件201'的壳体202'。在操作中，红外激光束212可以由2D扫描***230'输出，从而被引导到透明工件160上。在一些实施方式中，2D扫描***230'联接到安装单元182。例如，2D扫描***230'可以可旋转地联接到安装单元182，使得2D扫描***230'可以绕旋转轴线205旋转。在一些实施方式中，2D 扫描***230'还可以相对于透明工件160沿Z方向平移。因此，当改变红外激光束212的方向14的方向(从而改变接近角θ)时，沿着Z方向的2D 扫描***230'的位置也可以改变，使得红外激光束212可以将透明工件160照射在期望的位置。此外，尽管未示出，但是红外束光学组件201'还包括红外激光束源(其可以是2D扫描***230'的部件并且因此被装在壳体202' 内)。此外，2D扫描***230'可以被配置为输出高斯红外光束或贝塞尔红外光束。在2D扫描***230'输出高斯光束的实施方式中，红外束光学组件 201'可以进一步包括容纳在2D扫描***230'内或定位在2D扫描***230' 下游的非球面光学元件，将高斯光束成形为贝塞尔光束。此外，在一些实施方式中，红外束光学组件201'可以进一步包括一个或多个透镜(如第一和第二平凸透镜)和光束调节元件，如上面就图2A所述。

再次参照图2A和2B，用于产生脉冲激光束112并将脉冲激光束112 形成为脉冲激光束焦线113的脉冲束光学组件101包括脉冲激光束源110 和非球面光学元件120。非球面光学元件120可以包括轴锥棱镜，例如折射轴锥透镜，反射轴锥透镜，或负轴锥透镜，W形锥镜，空间光调制器，衍射光学器件，或立方体形光学元件。由脉冲激光束源110输出的脉冲激光束112可以包括高斯光束，该高斯光束被非球面光学元件120转换成高斯- 贝塞尔光束。无意受限于理论，高斯-贝塞尔光束的衍射要比高斯光束慢得多(例如，高斯-贝塞尔光束可以在数百微米或毫米而不是几十微米或更小的范围内保持单个微米直径的光斑尺寸)。换句话说，非球面光学元件120 将脉冲激光束112会聚为圆柱形状和高长宽比(长的长度和小的直径)的高强度区域。由于会聚激光束产生的高强度，当脉冲激光束112被引导到透明工件160中时(例如，当脉冲激光束焦线113被引导到透明工件160 中时)，可能会产生激光电磁场与工件材料的非线性相互作用，并且激光能量可能会转移到透明工件上，从而形成缺陷，这些缺陷会成为轮廓线的组成部分。但是，重要的是要认识到，在激光能量强度不高的材料区域(例如，围绕中心会聚线的工件玻璃体积部分)，透明工件的材料在很大程度上不受激光的影响，没有将能量从激光转移到该材料的机制。结果，当激光强度低于非线性阈值时，工件不会直接在焦点区域发生任何变化。

虽然非球面光学元件120可以将脉冲激光束转换成高斯-贝塞尔光束并且将脉冲激光束112聚焦成脉冲激光束焦线113，但是在一些实施方式中，脉冲束光学组件101可以进一步包括附加光学组件，以帮助将脉冲激光束 112形成为脉冲激光束焦线113。例如，图2A和图2B所示的脉冲束光学组件101包括：第一透镜130和第二透镜132，每个都位于非球面光学元件 120的下游，使脉冲激光束112准直并且随后聚焦成脉冲激光束焦线113。在图4和5A所示的脉冲束光学组件101的实施方式中描述其他光学组件，将在下文描述。

此外，透明工件160被定位成使得由脉冲激光束源110输出的脉冲激光束112照射透明工件160。在操作中，脉冲束光学组件101可以将脉冲激光束112形成为脉冲激光束焦线113，该脉冲激光束焦线113可以被引导到透明工件160中，以例如沿着分离路径165在透明工件160内引起吸收，以形成单个缺陷172。此外，使脉冲激光束焦线113和透明工件160彼此相对平移可以形成包括多个缺陷172的轮廓线170。

在操作中，脉冲激光束112(例如，脉冲激光束焦线113)可以在基本上透明的材料(例如透明工件160)中产生多光子吸收(MPA)，以形成轮廓线170的缺陷172。MPA是同时吸收两个或多个相同或不同频率的光子，它将分子从一种状态(通常是基态)激发到更高能量的电子状态(即电离)。分子所涉及的低态和高态之间的能量差等于所涉及的光子的能量之和。MPA，也称为感应吸收，可以是二级或三级过程(或更高级)，例如，比线性吸收弱几个数量级。它与线性吸收的不同之处在于，例如，二级感应吸收的强度可能与光强度的平方成正比，因此它是非线性光学过程。

现在参考图3，更详细地示出了透明工件160，该透明工件160受到脉冲激光束112和红外激光束212的激光加工，以同步地形成轮廓线170并沿着轮廓线170分离透明工件160。无意受限于理论，据信由超短脉冲激光 (例如，脉冲激光束112的脉冲激光束焦线113)产生的缺陷172的高长宽比有利于缺陷172从透明工件160的顶表面延伸到底表面(即从成像表面 162到第二表面163)。原则上，该缺陷可以由单个脉冲产生，并且如果需要，可以使用附加脉冲来增加受影响区域的扩展(深度和宽度)。在一些实施方式中，脉冲激光束焦线113的长度可以在约0.1mm至约10mm，或约0.5mm至约5mm的范围内，例如，约1mm，约2mm，约3mm，约4mm，约5mm，约6mm，约7mm，约8mm，或约9mm，或长度范围从约0.1mm 至约2mm，或从0.1mm至约1mm。在一些实施方式中，脉冲激光束焦线可具有在约0.1微米至约5微米范围内的平均光斑直径。缺陷172各自可以具有约0.1微米至30微米的直径，例如，约0.25微米至约5微米(例如，约0.25微米至约0.75微米)的直径。

尽管轮廓线可以是直线，但是像图1A、1B和3中所示的轮廓线170一样，轮廓线也可以是非直线(即具有曲率)。弯曲的轮廓线例如可以通过使透明工件160或脉冲激光束112相对于另一个在两个维度而不是一个维度上平移而产生。此外，在轮廓线170包括曲率并且红外激光束212形成包括椭圆形或卵圆形形状的红外束斑214的实施方式中，可能有利的是光束引导元件230、230'(图2A和图2B)包括可旋转扫描仪，该可旋转扫描仪被配置为旋转红外激光束212，从而旋转红外束斑214。特别地，当红外束斑214包括椭圆形或卵圆形时，红外束斑214可以定向成使得长轴(例如，红外束斑214的最长直径)沿着轮廓线170延伸。因此，当轮廓线170 具有曲率时，可旋转扫描仪可以旋转红外激光束212，使得红外束斑214 在沿着透明工件160的成像表面162平移时旋转，并且在一些实施方式中，当红外激光束212沿着弯曲轮廓线170相对于透明工件160平移时，红外束斑214的长轴保持沿轮廓线170定向。

此外，在一些实施方式中，沿着轮廓线170的方向，相邻缺陷172之间的距离或周期可以是至少约0.1微米或1微米并且小于或等于约20微米或者甚至30微米。例如，在一些透明工件中，相邻缺陷172之间的周期可以是从约0.5微米至约15微米，或者从约3微米至约10微米，或者从约 0.5微米至约3.0微米。例如，在一些透明工件中，相邻缺陷172之间的周期可以为约0.5微米至约1.0微米。然而，对于碱土金属硼铝硅酸盐玻璃组合物，尤其是那些厚度为0.5mm或更大厚度的玻璃，相邻缺陷172之间的周期可以为至少约1微米，例如至少约5微米，或约1微米至约15微米。

现在参考图4，使用脉冲束光学组件101形成轮廓线170可以包括将脉冲激光束112聚焦到具有长度L的脉冲激光束焦线113中。透明工件160 被定位成与脉冲激光束112的脉冲激光束焦线113至少部分交叠。因此，脉冲激光束焦线113被引导到具有深度d的透明工件160中。此外，如图4 所示，透明工件160的光入射位置115与脉冲激光束焦线113正交。透明工件160可以相对于脉冲激光束焦线113定位，使得脉冲激光束焦线113 在透明工件160的成像表面162处或之前开始，并且在透明工件160的第二表面163之前停止(即，脉冲激光束焦线113在透明工件160内终止并且不延伸超过第二表面163)。

此外，希望相对于透明工件160定位脉冲激光束焦线113，使得脉冲激光束焦线113在透明工件160的光入射位置处沿着正交于透明工件160的成像表面162的方向延伸进入透明工件160。如果脉冲激光束焦线113不与透明工件160正交，则脉冲激光束焦线113沿着透明工件160的深度偏移并扩展，造成脉冲激光束焦线113将能量分配到透明工件160的更大的体积中，降低脉冲激光束焦线113的锐度和聚焦度，并在透明工件160内产生质量较低、均匀性较低的缺陷172。

仍然参考图4，在脉冲激光束焦线113与透明工件160的交叠区域中(即，在被脉冲激光束焦线113覆盖的透明工件材料中)，脉冲激光束焦线113 产生[假设沿着脉冲激光束焦线113具有合适的激光强度，该强度通过将脉冲激光束112聚焦在长度为L的区段(即长度为L的线焦点)上而得到确保]区段113a(沿纵向光束方向对齐)，沿着该区段在透明工件160的材料中产生感应吸收。感应吸收沿着区段113a在透明工件160中产生缺陷172。缺陷172的形成不仅是局部的，而且在感应吸收的区段113a的整个长度上。区段113a的长度(对应于脉冲激光束焦线113与透明工件160的交叠部分的长度)用附图标记A标识。感应吸收区段113a处的缺陷区域(即缺陷172) 的内径为用附图标记D标识。该内径D对应于脉冲激光束焦线113的平均直径，即，在约0.1μm至约5μm的范围内的平均光斑直径。

现在参考图5A，脉冲束光学组件101的示例包括非球面光学元件(未示出)、透镜133和孔134(例如，圆孔)。如图5A所示，由脉冲激光束源110发射的脉冲激光束112被引导到孔134上，该孔对脉冲激光束112 的激光辐射的波长是不透明的。孔134被定向为垂直于纵向光束轴线，并且其中心定位在脉冲激光束112的中心部分上。以这样的方式选择孔134 的直径，使得脉冲激光束112的中心附近的激光辐射(即，在这里用112Z 标识的中心光束部分)撞击孔134并且被孔134完全吸收。由于与光束直径相比减小的孔尺寸，只有脉冲激光束112的外周范围内的光束(即，此处用112R标识的边缘光线)未被圆孔134吸收，并且横向通过孔134并撞击透镜133的边缘区域，在该实施方式中，透镜133被设计为球形切割双凸透镜。

如图5A所示，脉冲激光束焦线113不仅可以是脉冲激光束112的单个焦点，而且可以是脉冲激光束112中不同光线的一系列焦点。一系列焦点形成具有限定长度的细长脉冲激光束焦线113，该限定长度在图5A中显示为脉冲激光束焦线113的长度L。透镜133的中心可以在中心光束上，并且可以被设计为普通球形切割透镜形式的未校正的双凸聚焦透镜。作为替代，也可以使用偏离理想校正***的非球面或多透镜***，其不形成理想焦点，而是具有限定长度的独特细长脉冲激光束焦线113(即，没有单一焦点的多个透镜或多个***)。因此，随着与透镜中心的距离，透镜133的各个区域沿着脉冲激光束焦线113聚焦。横穿光束方向的孔径134可以约为脉冲激光束112的直径(由光束强度降低到峰值强度的1/e²所需的距离来定义)的90％，并且约是透镜133的直径的75％。因此，采用了通过遮挡中心的光束而产生的未像差校正的球面透镜133的脉冲激光束焦线113。图5A示出了在一个平面中穿过中心光束的截面，并且当所描绘的光束围绕脉冲激光束焦线113旋转时，可以看到完整的三维束。

图5B-1至图5B-4示出了可以通过相对于透明工件160适当地定位和/ 或对准脉冲束光学组件101的部件以及通过适当地选择脉冲束光学组件 101的参数来控制脉冲激光束焦线113的位置。此外，出于说明目的，在图 5B-1至图5B-4中示意性地示出了脉冲激光束焦线113的长度L。在操作中，脉冲激光束焦线113的长度L取决于脉冲激光束焦线113在透明工件160 内的位置以及透明工件160的折射率。如图5B-1所示，可以调节脉冲激光束焦线113的长度L，使得其超过透明工件160的深度d(此处为2倍)。如果将透明工件160放置(沿纵向光束方向观察)到脉冲激光束焦线113 的中心，则可能会在整个工件深度d上生成感应吸收的延伸区段(例如，长度为A的区段113a)。脉冲激光束焦线113的长度L可以在约0.01mm 至约100mm的范围内，或在约0.1mm至约10mm的范围内。各种实施方式可以被配置为具有脉冲激光束焦线113，其在空气中的长度L为约0.1mm，约0.2mm，约0.3mm，约0.4mm，约0.5mm，约0.7mm，约1mm，约2mm，约3mm，约4mm，或约5mm，例如约0.5mm至约5mm。在一些实施方式中，可以使用脉冲束光学组件101来调整脉冲激光束焦线113的长度L，以对应于透明工件160的深度d，例如，脉冲激光束焦线113可以使用脉冲束光学组件101来调节，使得脉冲激光束焦线113的长度L是透明工件160 的深度d的约1.1倍至约1.8倍，例如1.25倍，1.5倍等。作为一个示例，在透明工件160具有约0.7mm的深度的实施方式中，脉冲激光束焦线113 可以具有约0.9mm的长度。此外，在其他实施方式中，可以使用脉冲束光学组件101来调节脉冲激光束焦线113，使得脉冲激光束焦线113的长度L 基本上等于透明工件160的深度d。

在图5B-2所示的情况中，产生了长度为L的脉冲激光束焦线113，其通常对应于工件深度d。由于透明工件160相对于脉冲激光束焦线113的定位使得脉冲激光束焦线113从透明工件160的外部某点开始，所以感应吸收的延伸区段113a的长度A(从成像表面162延伸到限定的工件深度，但不延伸到第二表面163)小于脉冲激光束焦线113的长度L。图5B-3示出了透明工件160(沿垂直于光束方向的方向观察)位于脉冲激光束焦线 113的起点上方的情况，从而如图5B-2所示，脉冲激光束焦线113的长度 L大于透明工件160中感应吸收区段113a的长度A。因此，脉冲激光束焦线113在透明工件160内开始并延伸超过第二表面163。图5B-4示出了焦线长度L小于工件深度d的情况，使得在透明工件160相对于脉冲激光束焦线113在入射方向上居中定位的情况下，脉冲激光束焦线113在透明工件160内的成像表面162附近开始，并且在透明工件160内的第二表面163 附近终止(例如，L＝0.75d)。

再次参照图2A-5A，脉冲激光束源110可以包括配置成输出脉冲激光束112的任何已知的或尚未开发的脉冲激光束源110。如上所述，轮廓线 170的缺陷172是通过透明工件160与脉冲激光束源110输出的脉冲激光束 112的相互作用而产生的。在一些实施方式中，脉冲激光束源110可以输出脉冲激光束112，其具有例如1064nm，1030nm，532nm，530nm，355nm， 343nm或266nm或215nm的波长。此外，用于在透明工件160中形成缺陷172的脉冲激光束112可能非常适合对所选脉冲激光波长透明的材料。

用于形成缺陷172的合适的激光波长是透明工件160的吸收和散射的组合损失足够低的波长。在一些实施方式中，由于透明工件160在所述波长处的吸收和散射而引起的组合损失小于20％/mm，或小于15％/mm，或小于10％/mm，或小于5％/mm，或小于1％/mm，其中尺寸“/mm”是指透明工件160内沿脉冲激光束112的传播方向(例如，Z方向)的每毫米距离。许多玻璃工件的代表性波长包括Nd³⁺的基波和谐波波长(例如， Nd³⁺:YAG或Nd³⁺:YVO₄的基波波长在1064nm附近，高次谐波波长在532 nm、355nm和266nm附近。也可以使用光谱的紫外、可见和红外部分中满足给定基板材料的总吸收和散射损耗要求的其他波长。

此外，脉冲激光束源110可输出脉冲能量为约25μJ至约1500μJ的脉冲激光束112，例如脉冲能量为100μJ、200μJ、250μJ、300μJ、400μJ、500μJ、 600μJ、700μμJ、750μJ、800μJ、900μJ、1000μJ、1100μJ、1200μJ、1250μJ、 1300μJ、1400μJ等。脉冲激光束源110也可以是可调节的，使得脉冲激光束源110可以输出包括各种脉冲能量的脉冲激光束112。在操作中，当脉冲激光束112聚焦到脉冲激光束焦线113中时，脉冲激光束焦线113还可以包括约25μJ至约1500μJ的脉冲能量。在一些实施方式中，脉冲激光束112 的单个脉冲的脉冲持续时间在从约1皮秒至约100皮秒的范围内，例如从约5皮秒到约20皮秒的范围内，并且各个脉冲的重复率可以在约1kHz至 4MHz的范围内，例如在约10kHz至约3MHz的范围内，或者从约10kHz至约650kHz的范围内。

现在参考图6A和6B，应当理解，本文所述的这种脉冲激光束112(例如，皮秒激光)的典型操作产生子脉冲500A的脉冲串500。每个脉冲串500 包含多个持续时间非常短的单独子脉冲500A(例如，至少两个子脉冲，至少5个子脉冲，至少7个子脉冲，至少8个子脉冲，至少9个子脉冲，至少10个子脉冲，至少15个子脉冲，至少20个子脉冲，或者甚至更多个子脉冲)。也就是说，脉冲串是一群子脉冲，并且与每个脉冲串内单个相邻子脉冲的间隔相比，脉冲串彼此之间的间隔更长。根据一个或多个实施方式，为了对显示器玻璃/TFT玻璃组合物进行切割或打孔，每个脉冲串的子脉冲数量可以为约2至30个(例如5至20个)。子脉冲500A的脉冲持续时间T_d最高为100皮秒(例如0.1皮秒，5皮秒，10皮秒，15皮秒，18皮秒，20皮秒，22皮秒，25皮秒，30皮秒，50皮秒，75皮秒，或两者之间的任何范围)。脉冲串中每个子脉冲500A的能量或强度可能不等于该脉冲串中其他脉冲的能量或强度，并且脉冲串500中多个子脉冲的强度分布通常遵循随时间指数衰减，这由激光器的设计决定。使用能够产生这样的脉冲串的脉冲激光束112对于切割或改性透明材料(例如玻璃)是有利的。与使用借助于单脉冲激光器的重复率在时间上间隔开的单个脉冲相比，使用脉冲串序列将激光能量分布在脉冲串内子脉冲的快速序列上，能够实现与单脉冲激光器相比在更大时间尺度上的与材料的高强度相互作用。

在一些实施方式中，本文描述的示例性实施方式的脉冲串500内的每个子脉冲500A与脉冲串中的后续子脉冲在时间上相隔约1纳秒至约50纳秒的持续时间T_p(例如，从约10纳秒至约50纳秒，或约10纳秒至约30 纳秒，时间通常由激光腔的设计决定)。对于给定的激光器，脉冲串500 内相邻子脉冲之间的时间间隔T_p可以是相对均匀的(例如，彼此相差约10 ％以内)。例如，在一些实施方式中，脉冲串内的每个子脉冲在时间上与随后的子脉冲相隔约20纳秒(50MHz)。例如，对于产生约20纳秒的脉冲间隔T_p的脉冲激光束源110，在脉冲串内的脉冲与脉冲间隔T_p保持在约±10％或约±2纳秒之内。每个子脉冲脉冲串之间的时间(即脉冲串之间的时间间隔T_b)将更长。例如，每个子脉冲脉冲串之间的时间可以是约0.25微秒至约1000微秒，例如约1微秒至约10微秒，或约3微秒至约8微秒。

在本文所述的脉冲激光束源110的一些示例性实施方式中，对于具有约200kHz的脉冲串重复率的激光器，时间间隔T_b为约5微秒。激光脉冲重复率与一个脉冲串中的第一子脉冲到后一脉冲串中的第一子脉冲之间的时间T_b相关(激光脉冲串重复率＝1/T_b)。在一些实施方式中，激光脉冲串重复率可以在约1kHz到约4MHz的范围内。在一些实施方式中，激光脉冲串重复率可以例如在约10kHz至650kHz的范围内。每个脉冲串中的第一子脉冲到后一脉冲串中的第一子脉冲之间的时间T_b可以是约0.25微秒(4 MHz脉冲串重复率)至约1000微秒(1kHz脉冲串重复率)，例如约0.5 微秒(2MHz脉冲串重复率)至约40微秒(25kHz脉冲串重复率)，或约 2微秒(500kHz脉冲串重复率)至约20微秒(50k Hz脉冲串重复率)。确切的时间安排、脉冲持续时间和脉冲串重复率可能会因激光器设计而异，但是高强度的短子脉冲(T_d<20皮秒，优选T_d≤15皮秒)显示出特别好的效果。

可以用脉冲串能量(即脉冲串中包含的能量，其中每个脉冲串500包含一系列子脉冲500A)或者单个激光脉冲内包含的能量(其中许多脉冲可构成一个脉冲串)来描述对透明工件材料进行改性所需的能量。每个脉冲串的能量可以为约25μJ至约750μJ，例如约50μJ至约500μJ，或约50μJ 至约250μJ。对于某些玻璃组合物，每个脉冲串的能量可以为约100μJ至约250μJ。但是，对于显示器或TFT玻璃组合物，每个脉冲串的能量可能更高(例如，从约300μJ至约500μJ，或从约400μJ至约600μJ，具体取决于工件的显示器/TFT玻璃组成)。脉冲串内的单个子脉冲的能量将更少，并且确切的单个激光脉冲能量将取决于脉冲串500内的子脉冲500A的数量以及激光子脉冲随时间的衰减率(例如，指数衰减率)，如图6A和6B所示。例如，对于恒定的能量/脉冲串，如果脉冲串包含10个单独的激光子脉冲500A，则与相同的脉冲串500仅具有2个单独的激光子脉冲的情况相比，每个单独的激光子脉冲500A将包含更少的能量。

无意受限于理论，使用能够产生这种脉冲串的脉冲激光束源(例如脉冲激光束源110)对于切割或改性透明材料(例如玻璃)是有利的。与使用通过单脉冲激光器的重复频率在时间上间隔开的单个脉冲相比，使用将激光能量分布在脉冲串500内的快速子脉冲序列上的脉冲串序列能够实现与单脉冲激光器相比在更大时间尺度上的与材料的高强度相互作用。尽管单个脉冲可以在时间上扩展，但是脉冲内的强度也大致在整个脉冲宽度上减小。因此，如果将10皮秒的单个脉冲扩展为10纳秒的脉冲，则强度将减小约三个数量级。

这样的减小可以将光强度减小到非线性吸收不再重要的程度，并且光- 材料相互作用不再足以用于切割。相比之下，对于脉冲串激光器，在脉冲串500内的每个子脉冲500A持续期间的强度可以保持相对较高(例如，时间间隔约10纳秒的三个10皮秒子脉冲500A仍然允许每个脉冲串内的能量约为单个10皮秒脉冲的三倍)，并且激光在大三个数量级的时间尺度上与材料相互作用。例如，通常在时间上间隔约10纳秒的10皮秒子脉冲500A 导致每个脉冲串内的能量是单个10皮秒脉冲的能量的约十倍，并且激光与材料相互作用的时间尺度现在增加几个数量级。在一个方式中，用以改性材料所需的脉冲串能量大小将取决于工件材料的组成和用于与工件相互作用的线焦点的长度。

无意受限于理论，相互作用区域越长，能量散布得越多，并且将需要更高的脉冲串能量。确切的时间安排、脉冲持续时间和脉冲串重复率可以根据激光器设计而变化，但是高强度子脉冲的短脉冲时间(例如，小于约 15皮秒，或者甚至小于或等于约10皮秒)可以是一些实施方式中的示例。在操作中，当子脉冲的单个脉冲串撞击透明工件160上基本相同的位置时，在透明工件160的材料中形成缺陷172。也就是说，单个脉冲串中的多个激光子脉冲对应于透明工件160中的单个缺陷172。由于透明工件160是平移的(例如，借助于可平移台180或相对于透明工件160移动的光束)，所以脉冲串内的各个子脉冲不可能在玻璃上完全相同的空间位置。然而，各个子脉冲可以彼此相距1μm之内(即，它们实际上在基本相同的位置撞击玻璃)。例如，子脉冲可以彼此之间的间隔sp撞击玻璃，其中0＜sp≤500nm。例如，当用包含20个子脉冲的脉冲串撞击玻璃位置时，脉冲串内各个子脉冲会在彼此相距250nm之内的范围撞击玻璃。因此，在一些实施方式中， 1nm＜sp＜250nm。在一些实施方式中，1nm＜sp＜100nm。

在一个或多个实施方式中，出于切割或分离工件的目的，脉冲串能量可以是每个脉冲串约100μJ至约600μJ，例如每个脉冲串约300μJ至约600μJ。对于某些显示器玻璃类型，脉冲串能量可以为约300μJ至约500μJ，或者对于其他显示器类型玻璃，为约400μJ至约600μJ。400μJ至500μJ的脉冲串能量可能对许多显示器类型的玻璃组合物都适用。可以针对特定的显示器或TFT玻璃优化线焦距内的能量密度。例如，对于EAGLE XG和CONTEGO 玻璃，脉冲串能量的合适范围可以是约300μJ至约500μJ，线焦距可以是约 1.0mm至约1.4mm(其中线焦距通过光学配置确定)。

在一个或多个实施方式中，相对较低的脉冲激光能量密度(例如，低于300μJ)可能形成未按要求形成的穿孔，从而导致缺陷之间的破裂在红外激光加工过程中不易形成，从而导致显示器玻璃中抗断裂性提高(在本文中也称为断裂强度)。如果脉冲激光束的能量密度过高(例如，大于或等于600μJ，或者甚至大于500μJ)，则热损伤可能会更大，从而导致连接穿孔的裂纹走偏而不会沿着期望的路径形成，并导致显示器(或TFT)玻璃的抗断裂性(断裂强度)急剧增大。

鉴于前面的描述，应当理解，通过在透明工件与红外激光束和脉冲激光束二者之间的相对运动的单个同步步骤中，使用脉冲激光束在透明工件中借助于激光形成多个缺陷并使用红外激光束加热这些缺陷，可以减少通过红外激光束对透明工件进行激光分离的加工时间。红外激光束可以在透明工件上形成红外束斑，并且脉冲激光束可以被引导到透明工件中，使得红外束斑围绕(例如包围)由脉冲激光束在透明工件的成像表面上形成的脉冲激光束斑。替代地，可以将脉冲激光束引导到透明工件中，使得由脉冲激光束形成的脉冲激光束斑与红外束斑间隔开一间距。在这些实施方式的每一个实施方式中，缺陷线由脉冲激光束形成并由红外激光束分离，并且透明工件通过透明工件与脉冲激光束和红外激光束二者之间的同步相对运动沿缺陷线分离。

本文中，范围可以表示为自“约”一个具体值始和/或至“约”另一个具体值止。当表述这种范围时，另一个实施方式包括自该一个具体值始和/或至该另一具体值止。类似地，当使用先行词“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值构成另一个实施方式。还应理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是有意义的。

本文所用的方向术语——例如，上、下、右、左、前、后、顶、底——仅仅是就所画的图而言的，没有暗示绝对取向的意图。

除非另有明确表述，否则，绝无意图将本文所述的任何方法解读为需要使其步骤以具体顺序进行，或者需要装置采取任何具体取向。因此，在方法权利要求没有实际叙述其步骤遵循的顺序时，或者在任何装置权利要求没有实际叙述各个部件的顺序或取向时，或者在权利要求或说明书中没有另行具体声明步骤限于具体顺序，或者装置中各部件的具体顺序或取向没有被叙述时，绝无意图在任何方面推定顺序或取向。对用于解释的任何可能的非明确陈述的基础，这同样成立，包括：涉及步骤安排、操作流程、部件顺序或部件取向的逻辑事项；由语法组织或标点符号衍生的直白语意；说明书中所述实施方式的编号或类型。

除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。因此，例如，对“一种”组分的指称包括具有两种或更多种此类组分的方面，除非上下文有明确相反的指示。

对本领域技术人员显而易见的是，在不背离请求保护的主题的精神或范围的情况下，可以对本文所描述的实施方式做出各种改进和变化。因此，说明书意在涵盖对本文所描述的各种实施方式的改进和变化，只要这种改进和变化落在所附权利要求及其等同要求的范围之内。

Claims

1.一种对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：

将脉冲激光束源输出的脉冲激光束聚焦成脉冲激光束焦线，该脉冲激光束焦线沿着光束传播方向定向，并被引导到透明工件中，从而在透明工件的成像表面上形成脉冲激光束斑，其中：

所述脉冲激光束焦线在透明工件内产生感应吸收；并且

所述感应吸收在透明工件内沿着脉冲激光束焦线产生缺陷；

将由红外束源输出的红外激光束引导到透明工件上，使得红外激光束在成像表面上形成环形红外束斑，其中：

所述环形红外束斑在成像表面处包围脉冲激光束斑；以及

所述红外激光束加热透明工件；

沿着分离路径使透明工件和脉冲激光束焦线相对于彼此平移，从而通过激光形成多个缺陷，所述多个缺陷沿着所述分离路径在透明工件内限定轮廓线；以及

与透明工件和脉冲激光束焦线相对于彼此的平移同步地使透明工件和环形红外束斑沿着所述分离路径相对于彼此平移，使得环形红外束斑在透明工件和脉冲激光束焦线相对运动期间包围脉冲激光束斑，并沿着所述轮廓线或靠近所述轮廓线照射透明工件，从而沿着轮廓线分离透明工件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

引导所述脉冲激光束通过一个或多个透镜，以形成脉冲激光束焦线；

所述一个或多个透镜中的至少一个透镜包含非球面光学元件；以及

所述非球面光学元件包括折射轴锥透镜、反射轴锥透镜、负轴锥透镜、空间光调制器、衍射光学器件或立方体形光学元件。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

引导所述红外激光束通过位于红外束源与透明工件之间的一个或多个透镜；

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述红外激光束被光束引导元件以接近角重定向到透明工件上，所述接近角不平行于脉冲激光束的光束传播方向。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述光束引导元件包含镜子、2D扫描***或可旋转扫描仪。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述光束引导元件包含可旋转扫描仪，并且该方法还包括用所述可旋转扫描仪旋转红外激光束，使得环形红外束斑在沿着透明工件的成像表面平移的时候旋转。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述红外激光束被引导通过光束调节元件，从而改变红外激光束的横截面光束轮廓。

8.根据权利要求1所述的方法，其中相邻缺陷之间的隔距是1微米至30微米。

9.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述环形红外束斑的外径是0.5mm至20mm；

所述环形红外束斑的内径是所述外径的5％至95％。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述环形红外束斑和脉冲激光束斑在透明工件的成像表面上是同轴的。

11.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述环形红外束斑和透明工件以1mm/s至10m/s的速度相对于彼此平移；

所述脉冲激光束焦线和透明工件相对于彼此平移的速度等于环形红外束斑和透明工件之间相对运动的速度。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述红外激光束具有20W至1000W的功率。

13.根据权利要求1所述的方法，其中：

轮廓线的相邻缺陷之间的隔距是7微米至12微米；以及

脉冲激光束产生脉冲串，所述脉冲串具有5个子脉冲/脉冲串至15个子脉冲/脉冲串，并且脉冲串能量是400μJ/脉冲串至600μJ/脉冲串。

14.根据权利要求1所述的方法，其中脉冲激光束产生脉冲串，所述脉冲串的子脉冲具有1皮秒至100皮秒的持续时间和10kHz至3MHz范围内的重复率。

15.根据权利要求1所述的方法，其中脉冲激光束焦线具有在0.1微米至10微米范围内的平均光斑直径。

16.一种对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：

所述脉冲激光束焦线在透明工件内产生感应吸收；并且

所述感应吸收在透明工件内沿着脉冲激光束焦线产生缺陷；

将由红外束源输出的红外激光束引导到透明工件上，使得红外激光束在成像表面上形成红外束斑，其中：

所述红外束斑在成像表面处与脉冲激光束斑间隔开一间距；以及

所述红外激光束加热透明工件；

与透明工件相对于脉冲激光束焦线的平移同步地使透明工件和红外束斑沿着所述分离路径相对于彼此平移，使得在透明工件和脉冲激光束焦线相对运动期间，脉冲激光束斑与红外束斑保持间隔开所述间距，并沿着所述轮廓线或靠近所述轮廓线照射透明工件，从而沿着所述轮廓线分离透明工件，

其中所述红外激光束在轮廓线两侧加热透明工件而不是直接在轮廓线上以最大强度加热透明工件。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述间距包括1μm至100mm。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述红外激光束被光束引导元件以接近角重定向到透明工件上，所述接近角不平行于脉冲激光束的光束传播方向。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述红外激光束被引导通过光束调节元件，从而改变红外激光束的横截面光束轮廓。

20.根据权利要求16所述的方法，其中：

红外束斑和透明工件以1mm/s至10m/s的速度相对于彼此平移；

脉冲激光束焦线和透明工件相对于彼此平移的速度等于红外束斑和透明工件之间相对运动的速度。