RU2806353C1 - Method and device for processing brittle transparent and semi-transparent materials - Google Patents

Abstract

FIELD: cutting devices.

SUBSTANCE: present invention is related to a method and device for controlled separation (cutting) of solid transparent and semi-transparent brittle materials, including hardened and super-hard ones, using the laser filamentation separation (LFS) process, and can be used in production of smartphones, tablets, wearable electronics, as well as in the automotive industry, construction and instrument making. The method includes the quantitative determination of radiation parameters that completely determine the LFS process. A laser device is also proposed in which the irradiation parameters for cutting are set according to their values found in accordance with the mentioned method, taking into account the properties of the material selected for LFS.

EFFECT: improved smoothness of the resulting side walls of separation is achieved, increasing the energy efficiency of LFS, obtaining a high speed of LFS or the ability to perform LFS with a laser beam of very low average laser power (from tenths of a W) obtaining a considerable separation speed acceptable for applications.

21 cl, 13 dwg, 4 tbl, 2 ex

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD

Предлагаемое изобретение относится к способу и устройству для управляемого разделения (резки) твердых прозрачных и полупрозрачных хрупких материалов, в том числе - закаленных и сверхтвердых, при помощи процесса лазерного филаментационного разделения (ЛФР), и может быть использовано в производстве смартфонов, планшетов, носимой электроники, а также в автомобилестроении, строительстве и приборостроении.The present invention relates to a method and device for controlled separation (cutting) of solid transparent and translucent brittle materials, including hardened and superhard materials, using the laser filamentation separation (LFR) process, and can be used in the production of smartphones, tablets, wearable electronics , as well as in the automotive industry, construction and instrument making.

Задача данного изобретения ставится как усовершенствование указанного процесса ЛФР в виде достижения для широкого разнообразия материалов таких технических результатов, как улучшенная гладкость образующихся боковых стенок разделения, повышенная энергоэффективность ЛФР, высокая (рекордно высокая) скорость ЛФР, или возможность выполнения ЛФР лазерным пучком очень малой средней лазерной мощности (от долей Вт) с получением, тем не менее, приемлемой для применений немалой скорости разделения. Получение для прозрачных и полупрозрачных материалов боковых стенок реза с улучшенной гладкостью позволило бы в целом значительно упростить и удешевить процесс резки, повысить его производительность, т.е. тратить меньшее время для получения конечного продукта приемлемого качества, поскольку в этом случае не требуется выполнение трудоемкой дополнительной после-лазерной обработки в виде шлифовки, полировки или химического травления стенок разделения для удаления на них шероховатости, которая является источником нежелательных зародышей трещинообразования и потому снижает ударопрочность изделия при его дальнейшей эксплуатации.The objective of this invention is posed as an improvement of the specified LPR process in the form of achieving for a wide variety of materials such technical results as improved smoothness of the resulting side walls of separation, increased energy efficiency of LPR, high (record high) LPR speed, or the ability to perform LPR with a laser beam at a very low average laser power (from fractions of W) while obtaining, nevertheless, a considerable separation rate acceptable for applications. Obtaining cut side walls with improved smoothness for transparent and translucent materials would generally make it possible to significantly simplify and reduce the cost of the cutting process and increase its productivity, i.e. spend less time to obtain a final product of acceptable quality, since in this case there is no need to perform labor-intensive additional post-laser processing in the form of grinding, polishing or chemical etching of the separation walls to remove roughness on them, which is a source of unwanted crack nuclei and therefore reduces the impact resistance of the product during its further use.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙLIST OF ABBREVIATIONS

ЛФР - лазерное филаментационное разделение,LFR - laser filamentation separation,

ОПЭ - объемная плотность энергии, измеряемая в Дж/см³,OPE - volumetric energy density, measured in J/cm ³ ,

СФОИ - создание филамента одним импульсом,SFOI - creation of filament in one impulse,

СФЦИ - создание филамента цугом импульсов,SFCI - creation of a filament by a train of pulses,

DOL (сокращение от «depth of layer») - глубина приповерхностного закаленного слоя с передней и тыльной стороны пластины из химически закаленного стекла.DOL (short for “depth of layer”) - the depth of the near-surface tempered layer on the front and back sides of a chemically tempered glass plate.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВLIST OF PARAMETER DESIGNATIONS

1. A_L-P - нелинейная поглощательная способность филамента, берется из имеющихся экспериментальных данных, для рассматриваемого здесь случая филаментов без перекрытия по радиусу ее величина берется близкой к максимальной около 0.8±0.05,1. A _LP is the nonlinear absorption capacity of the filament, taken from the available experimental data; for the case of filaments considered here without radial overlap, its value is taken close to the maximum, about 0.8±0.05,

2. A_P-H - коэффициент конверсии, описывающий долю тепловой энергии от плазмы филамента E_TW, реально перешедшую в тепло Q. В условиях оптимального выбора w A_P-H≈0.9 или более, что соответствует потере доли энергии (около 1-A_P-H≈0.1) на излучение плазмы в области прозрачности окружающего филамент материала, покидающей зону модификации на дальние расстояния и не принимающей таким образом участия в формировании и расширении этой зоны,2. A _PH - conversion coefficient describing the fraction of thermal energy from the filament plasma E _TW actually converted into heat Q. Under the conditions of optimal choice w A _PH ≈0.9 or more, which corresponds to the loss of a fraction of energy (about 1-A _PH ≈0.1) to plasma radiation in the region of transparency of the material surrounding the filament, leaving the modification zone over long distances and thus not taking part in the formation and expansion of this zone,

3. С₂ - некоторое среднее значение удельной теплоемкости в диапазоне температур от T_i=20°С до T_mod,3. C ₂ - some average value of specific heat capacity in the temperature range from T _i = 20 ° C to T _mod ,

4. C_HT - удельная теплоемкость материала при высоких температурах (>2500-3000 К),4. C _HT - specific heat capacity of the material at high temperatures (>2500-3000 K),

5. c_s- скорость звука в материале,5. c _s - speed of sound in the material,

6. d - расстояние по глубине между расположенными в толще материала на различной глубине наборами филаментов,6. d - distance in depth between sets of filaments located in the thickness of the material at different depths,

7. Е₀ - энергия отдельного импульса цуга в материале для случая, когда энергии отдельных импульсов цуга одинаковы,7. E ₀ - the energy of an individual train pulse in the material for the case when the energies of the individual train pulses are the same,

8. E_0i - энергии отдельных импульсов цуга в материале, i=1,2,… N_p,8. E _0i - energies of individual train pulses in the material, i=1,2,… N _p ,

9. Е₁ - энергия лазерного импульса в материале для режима СФОИ,9. E ₁ - laser pulse energy in the material for the SFOI mode,

10. E_burst - энергия цуга импульсов в материале,10. E _burst - energy of a pulse train in the material,

11. E_dis - энергия, затраченная на диссоциацию,11. E _dis - energy spent on dissociation,

12. Е_р - энергия накачки плазмы филамента,12. E _p - filament plasma pumping energy,

13. - энергия плазмы филамента за вычетом потерь энергии E_dis на диссоциацию,13. - filament plasma energy minus energy losses E _dis due to dissociation,

14. E_S+T - энергия потерь на рассеяние и прохождение пучка сквозь материал,14. E _S+T - energy of losses due to scattering and passage of the beam through the material,

15. E_sw - компонента энергии, уносимая из филамента ударной волной,15. E _sw is the energy component carried away from the filament by the shock wave,

16. E_trad - потеря энергии филамента из-за его теплового излучения в спектральной полосе прозрачности холодного прозрачного материала вокруг него,16. E _trad - loss of filament energy due to its thermal radiation in the spectral transparency band of the cold transparent material around it,

17. E_tw - энергия, уносимая из филамента тепловой волной,17. E _tw - energy carried away from the filament by a thermal wave,

18. f₁ и f₂ - пределы для частоты повторения цугов импульсов,18. f ₁ and f ₂ - limits for the repetition rate of pulse trains,

19. f_burst- частота повторения цугов импульсов,19. f _burst - repetition rate of pulse trains,

20. f_burst≥f₁ - высокочастотный диапазон частот повторения цугов,20. f _burst ≥f ₁ - high-frequency range of train repetition frequencies,

21. f_burst≤f₂ - низкочастотный диапазон частот повторения цугов,21. f _burst ≤f ₂ - low-frequency range of train repetition frequencies,

22. Н - длина филамента,22. H - filament length,

23. K_tw - коэффициент преобразования энергии филамента Е_р' в энергию тепловой волны E_tw,23. K _tw - coefficient of conversion of filament energy E _p' into thermal wave energy E _tw ,

24. K_sw - коэффициент преобразования энергии филамента в ударную волну. Полагают K_sw<<1 и K_tw≈1, если энерговыделение происходит медленно, то есть t_E>t_P1, t_P2. Или же полагают K_sw≈0.5 при «быстром» энерговыделении, то есть t_E<t_P1, t_P2,24. K _sw - coefficient of conversion of filament energy into a shock wave. It is assumed that K _sw <<1 and K _tw ≈1, if the energy release occurs slowly, that is, t _E >t _P1 , t _P2 . Or they assume K _sw ≈0.5 for “fast” energy release, that is, t _E <t _P1 , t _P2 ,

25. L - толщина материала,25. L - material thickness,

26. М² - параметр качества пучка,26. M ² - beam quality parameter,

27. NA - числовая апертура фокусировки,27. NA - focusing numerical aperture,

28. N_at - число атомов в одной молекуле материала,28. N _at - number of atoms in one molecule of material,

29. N_p - число импульсов в цуге,29. N _p - number of pulses in a train,

30. N_p0 - нижний предел для N_p для уменьшения радиуса ударно-волнового воздействия в материале вокруг филамента до уровня, приемлемого для получения гладкого разделения,30. N _p0 is the lower limit for N _p to reduce the radius of shock wave action in the material around the filament to a level acceptable to obtain a smooth separation,

31. N_p1 - нижний предел для числа импульсов в цуге N_p с целью уменьшения ОПЭ отдельного импульса цуга до уровня, приемлемого для получения филамента с однородным по длине диаметром,31. N _p1 - lower limit for the number of pulses in a train N _p in order to reduce the OPE of an individual train pulse to a level acceptable for obtaining a filament with a uniform diameter along the length,

32. Р - средняя мощность импульсно-периодического лазерного излучения в материале,32. P is the average power of pulse-periodic laser radiation in the material,

33. P₁ - мощность единичного лазерного импульса в материале,33. P ₁ - power of a single laser pulse in the material,

34. Р_с (λ) - критическая для самофокусировки мощность в отдельном импульсе, зависящая от λ,34. Р _с (λ) - power critical for self-focusing in an individual pulse, depending on λ,

35. Q - выделяемое в материале тепло в результате релаксации плазмы филамента, созданной одним импульсом,35. Q - heat released in the material as a result of relaxation of the filament plasma created by one pulse,

36. q - безразмерный коэффициент в соотношении r_f=qr₀, который может зависеть от w и τ, т.е. q=q(w,τ). В пределах интересующего нас диапазона w полагаем, что q≈1,36. q is a dimensionless coefficient in the relation r _f =qr ₀ , which can depend on w and τ, i.e. q=q(w,τ). Within the range w we are interested in, we assume that q≈1,

37. R=8.31 Дж/(моль⋅К) - универсальная газовая постоянная,37. R=8.31 J/(mol⋅K) - universal gas constant,

38. R₁, R₂ - локальные радиусы кривизны криволинейной траектории резки в плоскости поперечного сечения филаментов,38. R ₁ , R ₂ - local radii of curvature of the curvilinear cutting path in the cross-sectional plane of the filaments,

39. R_c - радиус кривизны криволинейной траектории резки,39. R _c - radius of curvature of the curvilinear cutting path,

40. r_f - радиус филамента,40. r _f - filament radius,

41. R_sw - радиус зоны ударно-волнового воздействия вокруг филамента,41. R _sw - radius of the shock wave impact zone around the filament,

42. R_T - радиус цилиндрической зоны воздействия вокруг оси филамента за счет теплопроводностного механизма,42. R _T - radius of the cylindrical impact zone around the filament axis due to the thermal conductivity mechanism,

43. R_TD - радиус цилиндрической зоны воздействия вокруг оси филамента за счет термодеформационного механизма,43. R _TD - radius of the cylindrical impact zone around the filament axis due to the thermal deformation mechanism,

44. s₁ - шаг следования филаментов в материале,44. s ₁ - step of following filaments in the material,

45. s_1max - максимально допустимый шаг следования филаментов для получения гладкого разделения,45. s _1max - the maximum permissible step of filaments to obtain a smooth separation,

46. T₀ - максимальная во времени температура нагрева филамента на его оси,46. T ₀ - the maximum time heating temperature of the filament on its axis,

47. Т₁ и Т₂ - температурные пределы для температуры филамента, соответствующие пределам по ОПЭ w₁ и w₂ и определяющие «окно» неблагоприятных температур Т₁<Т<Т₂, в котором доля потерь энергии филамента на тепловое излучение существенна. Однако, вне этого окна, т.е. при Т≤Т₁ и T≥T₂ считаем потери на тепловое излучение несущественными,47. T ₁ and T ₂ - temperature limits for the filament temperature, corresponding to the OPE limits w ₁ and w ₂ and defining the “window” of unfavorable temperatures T ₁ < T < T ₂ , in which the share of filament energy losses due to thermal radiation is significant. However, outside this window, i.e. at T≤T ₁ and T≥T ₂ we consider losses due to thermal radiation to be insignificant,

48. Т_с - критическая для растрескивания материала температура для термодеформационного механизма модификации,48. _Тс - temperature critical for cracking of the material for the thermal deformation modification mechanism,

49. T_i(=20°С) - начальная (комнатная) температура,49. T _i (=20°С) - initial (room) temperature,

50. T_melt - точка плавления (для кристаллического материала),50. T _melt - melting point (for crystalline material),

51. T_mod - минимальная пороговая температура в зоне вокруг филамента критической для разделения при тепловом механизме модификации,51. T _mod - minimum threshold temperature in the zone around the filament critical for separation during the thermal modification mechanism,

52. T_strain - точка стеклования (для аморфного материала),52. T _strain - glass transition point (for an amorphous material),

53. t_E - эффективное время выделения в материале поглощенной энергии излучения от одного филамента, при релаксации возбуждения материала к температуре равновесного состояния. В зависимости от лазерной накачки по порядку величины оценивается как максимальное t_E из двух параметров: t_e-h и t_e-i,53. t _E is the effective time of release of absorbed radiation energy from one filament in the material, during relaxation of the excitation of the material to the temperature of the equilibrium state. Depending on the laser pumping, the order of magnitude is estimated as the maximum t _E of two parameters: t _eh and t _ei ,

54. t_P1 - время инерциального удержания давления в пределах радиуса филамента,54. t _P1 - time of inertial pressure retention within the radius of the filament,

55. t_P2 - время инерциального удержания давления в пространстве между соседними филаментами,55. t _P2 - time of inertial pressure retention in the space between adjacent filaments,

56. t_T1 - время удержания тепла в пределах радиуса филамента,56. t _T1 - heat retention time within the radius of the filament,

57. t_T2 - время удержания тепла в пределах радиуса R_T зоны теплового воздействия,57. t _T2 - heat retention time within the radius R _T of the thermal impact zone,

58. t_r - время удержания положения пучка,58. t _r - beam position holding time,

59. t_rep- время повторения цугов импульсов,59. t _rep - repetition time of pulse trains,

60. u - скорость относительного перемещения материала и лазерного пучка,60. u is the speed of relative movement of the material and the laser beam,

61. V_f - объем филамента,61. V _f - filament volume,

62. w_dis - объемная плотность энергии диссоциации материала,62. w _dis - volumetric dissociation energy density of the material,

63. w - объемная плотность энергии (ОПЭ) плазмы филамента,63. w is the volumetric energy density (VED) of the filament plasma,

64. w₁ и w₂ - пределы, определяющие «окно» неблагоприятных ОПЭ, w₁<w<w₂, в котором доля потерь энергии филамента на тепловое излучение существенна. Однако, вне этого окна, т.е. при w≤w₁ и w≥w₂ считаем потери на тепловое излучение несущественными,64. w ₁ and w ₂ are the limits that define the “window” of unfavorable OPE, w ₁ <w<w ₂ , in which the share of filament energy losses due to thermal radiation is significant. However, outside this window, i.e. for w≤w ₁ and w≥w ₂ we consider losses due to thermal radiation to be insignificant,

65. w_mod - порог модификации для теплового механизма формирования зоны воздействия вокруг филамента,65. w _mod - modification threshold for the thermal mechanism of formation of the impact zone around the filament,

66. xyz - система координат, выбирается так, что относительное перемещение пучка и материала происходит в плоскости ху, а ось z направлена вглубь материала,66. xyz - coordinate system, selected so that the relative movement of the beam and material occurs in the xy plane, and the z axis is directed deep into the material,

67. Y [ГПа] - модуль Юнга материала,67. Y [GPa] - Young's modulus of the material,

68. α[см^-1] - коэффициент поглощения материала,68. α[cm ^-1 ] - absorption coefficient of the material,

69. α_T [град^-1] коэффициент теплового расширения материала,69. α _T [deg ^-1 ] coefficient of thermal expansion of the material,

70. β - отношение потока энергии из филамента за счет теплового излучения к потоку энергии из филамента за счет теплопроводности,70. β is the ratio of the energy flow from the filament due to thermal radiation to the energy flow from the filament due to thermal conductivity,

71. β_max - предельно допустимая величина B,71. β _max - maximum permissible value B,

72. Г=1÷1,25 - безразмерный параметр, подбираемый эмпирически,72. Г=1÷1.25 - dimensionless parameter, selected empirically,

73. δ - выделяемая в пределах радиуса r_f филамента часть (<1) тепловой энергии E_tw в условиях, когда за время t_E при выполнении условия t_E>t_T1>>t_P1 имеет место значительный перенос тепловой энергии за пределы r_f, 73. δ - part (<1) of thermal energy E _tw released within the radius r _f of the filament in conditions when, during time t _E , if the condition t _E >t _T1 >>t _P1 is met, there is a significant transfer of thermal energy beyond r _{f ,}

74. Δt - временной интервал между импульсами в цуге,74. Δt - time interval between pulses in a train,

75. η - коэффициент теплопроводностного остывания материала в пространстве между соседними филаментами от какого-либо цуга импульсов к моменту достижения максимума нагрева этого промежутка следующим по времени и соседним по пространству цугом импульсов,75. η is the coefficient of thermal conductivity cooling of the material in the space between adjacent filaments from any pulse train to the moment the maximum heating of this gap is reached by the next in time and spatially adjacent pulse train,

76. Λ - теплопроводность материала,76. Λ - thermal conductivity of the material,

77. λ - длина волны излучения лазера,77. λ - wavelength of laser radiation,

78. μ [г/моль] - молярная масса материала,78. μ [g/mol] - molar mass of the material,

79. ρ - плотность материала,79. ρ - density of the material,

80. ρ₂ - среднее значение плотности материала в диапазоне температур от T_i=20°С до T_mod,80. ρ ₂ - average value of the density of the material in the temperature range from T _i = 20°C to T _mod ,

81. - постоянная Стефана,81. - Stefan's constant,

82. σ_с - предел прочности материала на сжатие при ударно-волновом воздействии,82. σ _с - the compressive strength of the material under shock wave action,

83. τ - длительность отдельного импульса, полагаемая одинаковой для всех импульсов цуга,83. τ - duration of an individual pulse, assumed to be the same for all pulses of the train,

84. τ_burst - длительность цуга в целом,84. τ _burst - duration of the train as a whole,

85. ϕ=R_T/R_sw - коэффициент, показывающий, во сколько раз желательно уменьшить по отношению к R_T за счет использования в цуге числа импульсов N_p0,85. ϕ=R _T /R _sw - coefficient showing how many times it is desirable to reduce relative to R _T by using the number of pulses N _p0 in the train,

86. Ф₁ - поток энергии от нагретого филамента за счет теплопроводности,86. Ф ₁ - energy flow from the heated filament due to thermal conductivity,

87. Ф₂ - поток энергии от нагретого филамента за счет его излучения как черного тела,87. Ф ₂ - energy flow from a heated filament due to its radiation as a black body,

88. χ - температуропроводность материала,88. χ - thermal diffusivity of the material,

89. Ω - энергоэффективность процесса ЛФР.89. Ω - energy efficiency of the LPR process.

Обозначения параметров, используемые в п. 1 «Формулы изобретения»:Parameter designations used in clause 1 of the “Formula of the invention”:

r_f - эффективный радиус филамента, который, например, для гауссова распределения w(r) соответствует радиусу на уровне 1/e спадания зависимости w(r) от оси пучка, для негауссова распределения, в частности бесселева пучка, при наличии эффективной концентрации интенсивности вокруг оси филамента с доминирующим явно выраженным максимумом распределения, для него также может быть введен аналогичный эффективный радиус,r _f is the effective radius of the filament, which, for example, for a Gaussian distribution w(r) corresponds to the radius at the 1/e level of the decay of the dependence of w(r) on the beam axis, for a non-Gaussian distribution, in particular a Bessel beam, in the presence of an effective intensity concentration around filament axis with a dominant, clearly expressed distribution maximum, a similar effective radius can also be introduced for it,

χ - усредненное значение температуропроводности материала в диапазоне температур от начальной T_i до порядка T_mod,χ - averaged value of the thermal diffusivity of the material in the temperature range from the initial T _i to the order of T _mod ,

- соответствующий пределу w₁ предел температуры плазмы филамента (при Т₁>>T_i, где T_i=20°С - начальная температура), который вычисляют из условия, что отношение β потока энергии из филамента за счет теплового излучения (рассматриваемого как «бесполезные» потери) к потоку энергии за счет теплопроводности (рассматриваемого как полезные потери энергии филамента, поскольку он обеспечивает формирование и распространение критической для разделения зоны модификации во время остывания плазмы филамента) не превосходит предельно допустимую величину - corresponding to the limit w _1, the limit of the filament plasma temperature (at T ₁ >>T _i , where T _i = 20°C is the initial temperature), which is calculated from the condition that the ratio β of the energy flow from the filament due to thermal radiation (considered as “ useless" losses) to the energy flow due to thermal conductivity (considered as useful energy losses of the filament, since it ensures the formation and propagation of a modification critical for zone separation during cooling of the filament plasma) does not exceed the maximum permissible value

β_max, _βmax ,

T_i=20°С, T_i (=20°С) - начальная (комнатная) температура,T _i =20°С, T _i (=20°С) - initial (room) temperature,

T_mod - минимальная (пороговая) для получения гладкого разделения температура, которую для аморфных материалов полагают T_mod≈T_strain, а для кристаллических материалов - T_mod =T_mel,T _mod is the minimum (threshold) temperature to obtain a smooth separation, which for amorphous materials is assumed to be T _mod ≈T _strain , and for crystalline materials - T _mod =T _mel ,

T_strain - точка стеклования аморфного материала,T _strain is the glass transition point of an amorphous material,

T_melt- точка плавления кристаллического материала, _Tmelt is the melting point of the crystalline material,

С=C_HT - удельная теплоемкость материала при температурах выше температуры диссоциации материала (например, для стекол >2500-3000 К), оцениваемая, как ≈3RN_at/μ, R=8.31 Дж/(моль⋅К) универсальная газовая постоянная,С=C _HT - specific heat capacity of the material at temperatures above the dissociation temperature of the material (for example, for glasses >2500-3000 K), estimated as ≈3RN _at /μ, R=8.31 J/(mol⋅K) universal gas constant,

N_at - число атомов в 1 молекуле материала,N _at - number of atoms in 1 molecule of material,

μ [г/моль] - молярная масса материала,μ [g/mol] - molar mass of the material,

ρ - плотность материала,ρ is the density of the material,

- постоянная Стефана, - Stefan's constant,

w_dis - удельные необратимые потери энергии (в Дж/см³) на диссоциацию материала, которые не восстанавливаются на дальнейшей стадии охлаждения филамента во время выделения энергии из него в окружающий материал,w _dis - specific irreversible energy losses (in J/cm ³ ) for the dissociation of the material, which are not restored at the further stage of cooling the filament during the release of energy from it into the surrounding material,

- так называемое «время инерциального удержания давления» в филаменте, - the so-called “inertial pressure retention time” in the filament,

c_s - скорость звука в материале,c _s - speed of sound in the material,

t_E - эффективное время выделения в материале поглощенной энергии излучения от одного филамента при релаксации к температуре равновесного состояния неравновесного энергетического возбуждения электронных уровней материала, возбужденных как многофотонным поглощением лазерного излучения, так и высокоэнергетичными фотонами спектра теплового излучения плазмы филамента.t _E is the effective time of release in the material of the absorbed radiation energy from one filament during relaxation to the temperature of the equilibrium state of nonequilibrium energy excitation of the electronic levels of the material, excited both by multiphoton absorption of laser radiation and by high-energy photons of the thermal radiation spectrum of the filament plasma.

Обозначения параметров, используемые в п. 2 «Формулы изобретения»:Parameter designations used in clause 2 of the “Formula of the invention”:

Рс (λ) - критическая для самофокусировки мощность в единичном импульсе, зависящая от длины волны лазерного излучения,Рс (λ) is the power critical for self-focusing in a single pulse, depending on the wavelength of laser radiation,

λ - длина волны лазерного излучения,λ is the wavelength of laser radiation,

ρ₂ - среднее значение плотности материала в диапазоне температур от T_i=20°С до T_mod,ρ ₂ - average value of the material density in the temperature range from T _i = 20°C to T _mod ,

С₂ - среднее значение удельной теплоемкости в диапазоне температур от T_i=20°С до T_mod,C ₂ - average value of specific heat capacity in the temperature range from T _i = 20°C to T _mod ,

σ_c - предел прочности материала на сжатие при воздействии ударной волны,σ _c is the compressive strength of the material when exposed to a shock wave,

Г - безразмерный параметр, подбираемый эмпирически в диапазоне 1÷1.25,Г - dimensionless parameter, selected empirically in the range 1÷1.25,

A_L-P - нелинейная поглощательная способность филамента, ее значение для рассматриваемых здесь условий ЛФР с неперекрывающимися по радиусу филаментами в режиме СФЦИ берется из имеющихся в литературе экспериментальных данных как A_L-P=0.8±0.05,A _LP is the nonlinear absorption capacity of the filament, its value for the LPR conditions considered here with non-overlapping radially filaments in the SFCI mode is taken from the experimental data available in the literature as A _LP = 0.8 ± 0.05,

A_P-H - коэффициент конверсии, описывающий долю тепловой энергии от плазмы филамента E_tw, реально перешедшую в тепло Q. В условиях оптимального выбора w, т.е. при w≤w₁, для выполнения оценок используют A_P-H≈0.9 или более,A _PH is the conversion coefficient describing the fraction of thermal energy from the filament plasma E _tw that is actually converted into heat Q. Under the conditions of the optimal choice of w, i.e. when w≤w ₁ , A _PH ≈0.9 or more is used to perform estimates,

t_P2 - время инерциального удержания давления в пространстве между соседними филаментами, оцениваемое как t_P2≈s₁/c_s,t _P2 is the time of inertial pressure retention in the space between adjacent filaments, estimated as t _P2 ≈s ₁ /c _s ,

η - коэффициент теплопроводностного остывания материала в пространстве между соседними филаментами от какого-либо цуга импульсов к моменту достижения максимума нагрева этого промежутка следующим по времени и соседним по пространству цугом импульсов, лежит в диапазоне η=0.76÷1 для высокочастотного диапазона f_burst≥1, и в диапазоне η≤0.1 для низкочастотного диапазона частот повторения цугов, когда f_burst≤f₂,η is the coefficient of thermal conductive cooling of the material in the space between adjacent filaments from any pulse train to the moment the maximum heating of this interval is reached by the next in time and spatially adjacent pulse train, lies in the range η=0.76÷1 for the high-frequency range f _burst ≥1, and in the range η≤0.1 for the low-frequency range of train repetition frequencies, when f _burst ≤f ₂ ,

f₁ и f₂ - пределы частоты повторения f_burst цугов импульсов, при этом f₁/f₂, и f_burst≥f₁ - высокочастотный диапазон частот повторения цугов, a f_burst≤f₂ - низкочастотный диапазон,f ₁ and f ₂ - limits of repetition frequency f _burst of pulse trains, while f ₁ / f ₂ , and f _burst ≥f ₁ - high-frequency range of train repetition frequencies, af _burst ≤f ₂ - low-frequency range,

w_mod - порог модификации материала по объемной плотности энергии для теплового механизма,w _mod is the threshold for modification of the material by volumetric energy density for the thermal mechanism,

ϕ=R_T/R_sw - коэффициент, показывающий, во сколько раз желательно уменьшить R_sw по отношению R_T за счет использования в цуге числа импульсов N_p0,ϕ=R _T /R _sw - coefficient showing how many times it is desirable to reduce R _sw in relation to R _T by using the number of pulses N _p0 in the train,

R_sw - радиус цилиндрической зоны ударно-волнового воздействия вокруг филамента,R _sw is the radius of the cylindrical zone of shock wave action around the filament,

R_T - радиус цилиндрической зоны воздействия вокруг оси филамента за счет теплопроводностного механизма.R _T is the radius of the cylindrical impact zone around the filament axis due to the thermal conductivity mechanism.

ГЛОССАРИЙGLOSSARY

Филамент Филаментом в тексте ниже называется нагретый до высокой температуры протяженный нитеподобный объект длиной от нескольких десятков микрон до нескольких тысяч микрон, создаваемый внутри объема изначально прозрачного материала за счет нелинейного поглощения высокоинтенсивного пучка фемтосекундного либо пикосекундного лазера - см. Фиг. 2, 5 и 7.Filament In the text below, a filament is an extended thread-like object heated to a high temperature with a length from several tens of microns to several thousand microns, created inside the volume of an initially transparent material due to nonlinear absorption of a high-intensity beam of a femtosecond or picosecond laser - see Fig. 2, 5 and 7.

Филамент может быть создан одним импульсом (режим облучения, сокращенно именуемый далее, как СФОИ создание филамента одним импульсом), либо цугом (группой) импульсов, близко расположенных во времени (что далее сокращенно именуется как СФЦИ - создание филамента цугом импульсов) - см. Фиг. 4а, б.The filament can be created by one pulse (irradiation mode, abbreviated hereinafter as SFCI filament creation by one pulse), or by a train (group) of pulses closely spaced in time (hereinafter abbreviated as SFCI - filament creation by a train of pulses) - see Fig. . 4a, b.

Для создания в объеме материала области фокусировки протяженной длины, т.е. филамента, используют нелинейно-оптическое явление самофокусировки, либо гаусс-бесселев пучок, формируемый коническими линзами, либо какие-либо иные методы, при этом используют пучок фемтосекундного, либо пикосекундного лазера, излучающего на длине волны излучения, на которой данный материал прозрачен при низкой лазерной интенсивности в несфокусированном пучке. Для выполнения процесса лазерной филаментационной резки (ЛФР) создают в толще материала один или несколько наборов филаментов, где указанные наборы отличаются друг от друга их различным положением по глубине в материале см. Фиг. 2.To create a focusing area of extended length in the volume of the material, i.e. filament, use the nonlinear optical phenomenon of self-focusing, or a Gaussian-Bessel beam formed by conical lenses, or some other methods, using a femtosecond or picosecond laser beam emitting at a radiation wavelength at which the material is transparent at low laser intensity in an unfocused beam. To perform the laser filament cutting (LFR) process, one or more sets of filaments are created in the thickness of the material, where these sets differ from each other by their different positions in depth in the material, see Fig. 2.

Эффективный радиус r_f и длина филамента НEffective radius r _f and filament length H

Упрощающим приближением используемой здесь модели является рассмотрение отдельного филамента как цилиндра длиной Н (см. Фиг. 2, 5 и 7). При этом объемная плотность энергии (ОПЭ) w филамента рассматривается однородной вдоль длины филамента H, но с первоначально гауссовым распределением по радиусу.A simplifying approximation of the model used here is to consider an individual filament as a cylinder of length H (see Figs. 2, 5 and 7). In this case, the volumetric energy density (VED) w of the filament is considered to be uniform along the length of the filament H, but with an initially Gaussian distribution along the radius.

Используемый в тексте ниже параметр r_f обозначает радиус филамента на уровне 1/е спадания ОПЭ от оси пучка. При этом полагаем, что r_f<<Н, поскольку r_f в рассматриваемых ниже случаях составляет порядка 1 мкм или менее, в то время как Н составляет гораздо большую величину - от десятков мкм до нескольких тысяч мкм.The parameter r _f used in the text below denotes the radius of the filament at the level of 1/e decline of the OPE from the beam axis. In this case, we assume that r _f <<H, since r _f in the cases considered below is of the order of 1 μm or less, while H is a much larger value - from tens of μm to several thousand μm.

Аналогичным образом может быть определен и другой радиус, также упоминаемый в тексте ниже, r_1/2, обозначающий радиус филамента на уровне спадания ОПЭ наполовину от максимальной на оси филамента. В предлагаемом здесь способе рассматривается ниже схема с созданием неперекрывающихся по радиусам филаментов, когда шаг следования филаментов в объеме материала s₁ многократно превышает т.е. s₁>>- см. Фиг. 2.Another radius, also mentioned in the text below, r _1/2 , can be determined in a similar way, denoting the radius of the filament at the level of the OPE falling halfway from the maximum on the filament axis. In the method proposed here, we consider below a scheme with the creation of filaments that do not overlap in radii, when the pitch of the filaments in the volume of the material s ₁ is many times greater those. s ₁ >> - see Fig. 2.

Отметим, что радиус филамента r_f следует отличать от других характерных радиусов: R_sw - радиуса зоны ударно-волнового (shock wave, sw) воздействия вокруг филамента, R_T - радиуса цилиндрической зоны воздействия вокруг оси филамента путем механизма теплопроводностного (thermal conduction, Т) переноса и R_TD - радиуса цилиндрической зоны воздействия вокруг оси филамента за счет термодеформационного (thermally-induced deformation, TD) механизма. Эти характерные радиусы обычно превышают r_f и возникают на стадии релаксации электронного возбуждения и охлаждения нагретого филамента, когда происходит преимущественно радиальный перенос энергии от него в окружающий объем материала.Note that the filament radius r _f should be distinguished from other characteristic radii: R _sw - the radius of the shock wave (sw) impact zone around the filament, R _T - the radius of the cylindrical impact zone around the filament axis by the thermal conduction mechanism (T ) transfer and R _TD - the radius of the cylindrical impact zone around the filament axis due to the thermally-induced deformation (TD) mechanism. These characteristic radii usually exceed r _f and arise at the stage of relaxation of electronic excitation and cooling of the heated filament, when predominantly radial energy transfer occurs from it to the surrounding volume of the material.

Энергия плазмы филаментаFilament plasma energy

Введенные таким образом параметры r_f и Н позволяют выразить энергию Е_р плазмы филамента в простом видеThe parameters r _f and H introduced in this way make it possible to express the energy E _{p of} the filament plasma in a simple form

Параметр здесь имеет очевидный смысл эффективного объема упомянутого цилиндрического филамента, a w - максимальная величина ОПЭ на оси филамента.Parameter here there is an obvious meaning of the effective volume of the mentioned cylindrical filament, aw is the maximum value of the OPE on the axis of the filament.

Объемная плотность энергии филаментаVolumetric filament energy density

Для надлежащего описания лазерного нагрева филамента и сопутствующих эффектов используется такой параметр, как ОПЭ w филамента, измеряемая в Дж/см³, вместо обычной плотности энергии, измеряемой в Дж/см², или интенсивности лазерного импульса, измеряемой в Вт/см². Такой выбор параметра w объясняется тем, что он непосредственно связан с температурой филамента. Поскольку многие процессы, связанные с ЛФР, такие как размягчение стекла, его растрескивание, диссоциация, ионизация, имеют температурно-активируемый характер, такой подход позволяет наиболее просто оценить температуру филамента через ОПЭ и тем самым по величине ОПЭ получить указание на механизмы и природу тех или иных явлений, обусловливающих лазерно-индуцированное разделение материала.To properly describe laser filament heating and associated effects, a parameter such as filament OPE w measured in J/cm ³ is used instead of the usual energy density measured in J/cm ² or laser pulse intensity measured in W/cm ² . This choice of parameter w is explained by the fact that it is directly related to the filament temperature. Since many processes associated with LPR, such as softening of glass, its cracking, dissociation, ionization, are temperature-activated in nature, this approach makes it possible to most easily estimate the temperature of the filament through the OPE and thereby, from the value of the OPE, obtain an indication of the mechanisms and nature of those or other phenomena causing laser-induced separation of the material.

Согласно соотношению (1*) количественно ОПЭ филамента w определяется как According to relation (1*), the quantitative OPE of the filament w is determined as

т.е., как отношение энергии плазмы филамента Е_р к его эффективному объему ().i.e., as the ratio of the filament plasma energy E _p to its effective volume ( ).

Для негауссова распределения w(r) при наличии в нем доминирующего выраженного максимума распределения интенсивности с эффективной концентрацией вокруг оси филамента, в частности, для центрального максимума пространственного распределения рассматриваемого ниже гаусс-бесселева пучка, также может быть введен аналогичный эффективный радиус r_eff. Для выполнения оценок он может быть определен из выражения аналогичного(1*)For a non-Gaussian distribution w(r) in the presence of a dominant pronounced maximum of the intensity distribution with an effective concentration around the filament axis, in particular, for the central maximum of the spatial distribution of the Gaussian-Bessel beam considered below, a similar effective radius r _eff can also be introduced. To perform estimates, it can be determined from an expression similar to (1*)

В этом соотношении w_max - максимальная величина ОПЭ в этом негауссовом распределении, a r_eff - эффективный радиус упомянутого центрального максимума негауссова распределения. Параметр r_eff не столь очевиден как упомянутый выше (1/е)-радиус r_f гауссова распределения. Как следует из (3*), r_eff можно оценить какIn this relation, w _max is the maximum value of the OPE in this non-Gaussian distribution, ar _eff is the effective radius of the said central maximum of the non-Gaussian distribution. The parameter r _eff is not as obvious as the above-mentioned (1/e)-radius r _f of the Gaussian distribution. As follows from (3*), r _eff can be estimated as

Однако такое вычисление требует информации о зависимости w(r), которая в общем случае не всегда известна.However, such a calculation requires information about the dependence w(r), which in the general case is not always known.

Цуги импульсовPulse trains

На Фиг. 4б показана схема временной структуры облучения, при которой каждый из филаментов для выполнения ЛФР создается цугом (или группой, пакетом) из нескольких (N_p) близко расположенных во времени импульсов. При этом τ обозначает длительность отдельного импульса, Δt - время повторения импульсов в цуге, τ_burst - длительность цуга импульсов и t_rep - время повторения цугов импульсов. Облучение цугами импульсов сокращенно обозначается как СФЦИ (создание филамента цугом импульсов) и рассматривается в предлагаемом способе, в отличие от иного, ранее рассмотренного и описанного в «Уровне техники» и показанного на Фиг. 4а режима СФОИ (создания филамента одним импульсом). Обычно на практике τ_burst составляет около 10-150 нс, в то время как t_rep много раз больше - порядка 500-5000 нс.In FIG. Figure 4b shows a diagram of the temporal structure of irradiation, in which each of the filaments for performing LPR is created by a train (or group, package) of several (N _p ) pulses closely spaced in time. In this case, τ denotes the duration of an individual pulse, Δt is the repetition time of pulses in a train, τ _burst is the duration of a pulse train, and t _rep is the repetition time of pulse trains. Irradiation by pulse trains is abbreviated as SFCI (creation of filament by a train of pulses) and is considered in the proposed method, in contrast to another previously discussed and described in the “State of the Art” and shown in Fig. 4a SFOI mode (filament creation with one pulse). Typically in practice, τ _burst is about 10-150 ns, while t _{rep is} many times larger - about 500-5000 ns.

Для выполнения ЛФР используется движущийся лазерный пучок, создающий при своем движении не один филамент, а набор филаментов в толще материала. При этом для локализации вложения энергии импульсов каждого цуга в примерно одну и ту же область пространства в виде цилиндра с радиусом филамента r_f (и тем самым - создания филамента цугом импульсов) важно выбрать длительность цуга τ_burst меньше или даже много меньше времени прохождения пучком по материалу расстояния порядка радиуса филамента т.е.To perform LPR, a moving laser beam is used, which during its movement creates not one filament, but a set of filaments in the thickness of the material. In this case, in order to localize the investment of the pulse energy of each train into approximately the same region of space in the form of a cylinder with a filament radius r _f (and thereby create a filament by a pulse train), it is important to choose the duration of the train τ _burst less or even much less than the time the beam travels along distance to the material is on the order of the filament radius those.

где скорость относительного движения лазерного пучка и поверхности материала.Where the speed of relative movement of the laser beam and the surface of the material.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE ART

Уровень техники поясняется на Фиг. 1-6, где:The prior art is explained in FIG. 1-6, where:

Фиг. 1 схематично показывает в обобщенном виде основные известные из уровня техники элементы устройства для разделения прозрачных материалов с помощью ЛФР при относительном перемещения импульсно-периодического лазерного пучка и материала (см., например, [Vanagas et al Patent WO 2016/193786 A1]). 1 - лазерный источник, 2 - канал подвода, жесткий или гибкий (например, с помощью оптического волокна), для выходящего из лазера 1 пучка к системе фокусировки 3. 3 - система формирования пучка и его фокусировки, которая может включать в себя формирующие пучок диафрагмы, коллимирующие линзы, спектральные фильтры, расширители пучка, поляризаторы, 1/4-волновые пластины, устройства изменения частоты лазерного излучения, регулируемый ослабитель энергии пучка, поворотные зеркала, дифракционно-оптические элементы, фазовые пластинки, фокусирующую линзу. Система 3 может быть неподвижной, либо подвижной (с помощью системы xyz-перемещения) относительно обрабатываемого материала 5. 4 - лазерный пучок, сформированный и сфокусированный системой 3 и направляемый на обрабатываемый материал 5. 5 - обрабатываемый прозрачный материал, в толще которого сфокусированным пучком 4 создаются филаменты или наборы филаментов на той или иной глубине в толще материала. 6 система крепления материала 5 под пучком 4, позволяющая регулировать наклон образца 5 и поворачивать его вокруг вертикальной оси z. 7 - трехкоординатный xyz-столик для настройки положения фокуса по координате z в материале 5, а также для управляемого компьютером или иным способом перемещения образца 5 в плоскости ху с требуемой скоростью и по требуемой траектории. Система координат xyz выбирается здесь и на последующих рисунках так, что относительное перемещение пучка и материала происходит в плоскости ху, а ось z направлена вглубь материала.Fig. 1 schematically shows in a generalized form the main elements of a device known from the prior art for separating transparent materials using LPR with the relative movement of a repetitively pulsed laser beam and the material (see, for example, [Vanagas et al Patent WO 2016/193786 A1]). 1 - laser source, 2 - supply channel, rigid or flexible (for example, using an optical fiber), for the beam emerging from laser 1 to focusing system 3. 3 - beam formation and focusing system, which may include beam-forming diaphragms , collimating lenses, spectral filters, beam expanders, polarizers, 1/4-wave plates, devices for changing the frequency of laser radiation, adjustable beam energy attenuator, rotating mirrors, diffraction optical elements, phase plates, focusing lens. System 3 can be stationary or movable (using an xyz-movement system) relative to the material being processed 5. 4 - laser beam formed and focused by system 3 and directed to the material being processed 5. 5 - transparent material being processed, in the thickness of which the focused beam 4 filaments or sets of filaments are created at one or another depth in the thickness of the material. 6 a system for fastening the material 5 under the beam 4, allowing you to adjust the tilt of the sample 5 and rotate it around the vertical axis z. 7 - three-coordinate xyz stage for adjusting the focus position along the z coordinate in the material 5, as well as for computer-controlled or otherwise moving the sample 5 in the xy plane at the required speed and along the required trajectory. The xyz coordinate system is chosen here and in subsequent figures so that the relative movement of the beam and material occurs in the xy plane, and the z axis is directed deep into the material.

Фиг. 2 показывает используемую для ЛФР схему создания внутри материала одного или нескольких наборов 11 филаментов 10. Эти наборы располагают в плоскости 12. 8 - направление относительного перемещения сфокусированного лазерного пучка 4 и материала 5. 9 - след движения лазерного пучка 4 на поверхности материала 5. L -толщина материала, Н - длина филаментов 10 и одновременно ширина одного набора 11 филаментов, s₁ - шаг следования филаментов в материале при относительном перемещении лазерного пучка 4 и материала 5 со скоростью u, d - расстояние между наборами 11 филаментов 10 по глубине их расположения в материале, если этих наборов несколько. Возможны различные схемы относительного перемещения лазерного пучка и материала: (а) когда при помощи управляемого компьютером или иным способом трехкоординатного xyz-столика в плоскости ху с требуемой скоростью и по требуемой траектории перемещается сам материал, а пучок 4 неподвижен, и/или (б) когда также при помощи трехкоординатного xyz-столика происходит перемещение пучка 4, при этом система 3 при гибком подводе 2 излучения может быть подвижной относительно обрабатываемого материала 5.Fig. 2 shows the scheme used for LPR for creating one or several sets 11 of filaments 10 inside the material. These sets are located in the plane 12. 8 - direction of relative movement of the focused laser beam 4 and material 5. 9 - trace of the movement of the laser beam 4 on the surface of the material 5. L - thickness of the material, H - length of the filaments 10 and at the same time the width of one set 11 of filaments, s ₁ - pitch of the filaments in the material with relative movement of the laser beam 4 and material 5 at speed u, d - distance between sets 11 of filaments 10 along the depth of their location in the material if there are several of these sets. Various schemes for the relative movement of the laser beam and the material are possible: (a) when, using a computer-controlled or otherwise controlled three-coordinate xyz-table in the xy plane, the material itself moves with the required speed and along the required trajectory, and the beam 4 is stationary, and/or (b) when, also with the help of a three-coordinate xyz stage, the beam 4 moves, while the system 3, with a flexible radiation supply 2, can be movable relative to the material being processed 5.

Фиг. 3 показывает (а) 2 фото, показывающие получение при ЛФР как негладкой, так и достаточно гладкой боковой поверхности разделения 13 для химически закаленного стекла Corning Gorilla® толщиной 0.7 мм при создании филаментов единичными импульсами длительностью 6 пс и энергией каждого 220 мкДж [М. Kumkar, L. Bauer, S. Russ, M. Wendel, J. Kleiner, D. Grossmann, K. Bergner, S. Nolte. Proc. SPIE, Vol.8972, p. 897214-1 (2014)]; (б) Фото, демонстрирующее возможность получения гладкой боковой поверхности разделения 13 с шероховатостью R_a<0.1 мкм без после-лазерной обработки при резке химически закаленного стекла Corning Gorilla® толщиной 0.55 мм и глубиной закаленного слоя 20 мкм с помощью процесса «ClearShape™», анонсированного компанией "Spectra-Physics®" [V.Matylitsky, F. Hendrics, R.Patel. "Process can machine glasses and sapphire with high quality", http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-30/issue-3/features/femtosecond-laser-processing-of-brittle-materials.html1. [F. Hendricks, V.V. Matylitsky. "Femtosecond Lasers for Machining of Transparent, Brittle Materials: Ablative vs. Non-Ablative Femtosecond Laser Processing". Proc. SPIE, Vol.9740, 97400Z-1 (2016)]. Детали и физические основы указанного процесса компанией не раскрываются.Fig. 3 shows (a) 2 photos showing the LPR production of both a non-smooth and a fairly smooth lateral surface of separation 13 for chemically tempered Corning Gorilla® glass with a thickness of 0.7 mm when creating filaments with single pulses of 6 ps duration and an energy of each 220 μJ [M. Kumkar, L. Bauer, S. Russ, M. Wendel, J. Kleiner, D. Grossmann, K. Bergner, S. Nolte. Proc. SPIE, Vol.8972, p. 897214-1 (2014)]; (b) Photo demonstrating the ability to obtain a smooth side separation surface 13 with a roughness R _a <0.1 µm without post-laser processing when cutting chemically tempered Corning Gorilla® glass with a thickness of 0.55 mm and a hardened layer depth of 20 µm using the ClearShape™ process, announced by Spectra-Physics® [V.Matylitsky, F. Hendricks, R.Patel. "Process can machine glasses and sapphire with high quality", http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-30/issue-3/features/femtosecond-laser-processing-of-brittle-materials. html1. [F. Hendricks, V.V. Matylitsky. "Femtosecond Lasers for Machining of Transparent, Brittle Materials: Ablative vs. Non-Ablative Femtosecond Laser Processing." Proc. SPIE, Vol.9740, 97400Z-1 (2016)]. The details and physical basis of this process are not disclosed by the company.

Фиг. 4 также относится к уровню техники, (а) Показана использованная при моделировании ЛФР временная структура мощности облучения, при которой каждый из филаментов создается одним импульсом [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]. τ - длительность одного импульса, t_rep - время повторения импульсов; (б) Временная структура облучения, при которой каждый из филаментов для выполнения ЛФР создается цугом из нескольких (N_p) близко расположенных во времени импульсов, г обозначает длительность отдельного импульса, Δt - время повторения импульсов в цуге, τ_burst - длительность цуга импульсов и t_rep - время повторения цугов импульсов. Такая структура облучения в виде цугов рассматривается в описываемом ниже способе.Fig. 4 also relates to the prior art, (a) The time structure of the irradiation power used in the LPR modeling is shown, in which each of the filaments is created by one pulse [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]. τ - duration of one pulse, t _rep - pulse repetition time; (b) Temporal structure of irradiation, in which each of the filaments for performing LPR is created by a train of several (N _p ) pulses closely spaced in time, r denotes the duration of an individual pulse, Δt is the repetition time of pulses in the train, τ _burst is the duration of the pulse train, and t _rep is the repetition time of pulse trains. This irradiation structure in the form of trains is considered in the method described below.

Фиг. 5 демонстрирует схему создания протяженной области фокусировки 10 внутри прозрачного материала при использовании конических линз (аксиконов) 15 и гаусс-бесселева пучка [Chebbi В, Minko S, Al-Akwaa N and Golub I 2010 Opt. Comm. 283, 1678]. 1 - лазерный источник излучения, 2 - лазерный пучок и канал его подвода, жесткий или гибкий (например, с помощью оптического волокна), от лазера 1 к системе фокусировки 3. 3 - система формирования пучка и его фокусировки из расширителя пучка 14 и конических линз 15, 5 - облучаемый материал, 10 - филамент.Fig. 5 shows a scheme for creating an extended focusing area 10 inside a transparent material using conical lenses (axics) 15 and a Gaussian-Bessel beam [Chebbi B, Minko S, Al-Akwaa N and Golub I 2010 Opt. Comm. 283, 1678]. 1 - laser radiation source, 2 - laser beam and its supply channel, rigid or flexible (for example, using optical fiber), from laser 1 to focusing system 3. 3 - system for beam formation and focusing from beam expander 14 and conical lenses 15, 5 - irradiated material, 10 - filament.

Фиг. 6 также относится к уровню техники. Поясняется одно из необходимых условий для получения гладкого разделения и объясняется, почему оно возможно для одних материалов и невозможно для других [V. N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]. а) Показана виртуальная плоскость π 16 поперечного сечения набора 11 филаментов, расположенных в толще материала 5 в плоскости 12. 8 - направление перемещения лазерного пучка относительно материала. Из нескольких конкурирующих механизмов формирования зоны воздействия (см. подробнее в тексте) доминирующим считаем в данном случае тепловой механизм, то есть R_T>R_TD, где R_T - радиус цилиндрической зоны воздействия 17 вокруг оси филамента за счет теплового механизма, a R_TD - аналогичный радиус зоны воздействия 18 за счет термодеформационного механизма. 10 - местоположения осей филаментов, считаем, что их радиус r_f<<R_T, R_TD - Величины R_T и R_TD определяются для указанных механизмов, как показано на рисунке, положением в материале изотерм соответственно и Т=Т_с, где - точка стеклования материала, выше которой, как известно, увеличение объема с температурой резко возрастает (для кристаллического материала T_strain совпадает с точкой плавления T_m), а Т_с - критическая для растрескивания и повреждения материала температура для термодеформационного механизма, при нагреве до которой деформация достигает порога разрушения. Хотя термодеформационный механизм и приводит при облучении к растрескиванию материала непосредственно внутри зоны r≤R_TD, граница которой условно обозначена зигзагообразным контуром, однако эта зона целиком, как видно из рисунка, находится внутри зоны воздействия теплового механизма r≤R_TD. Поэтому растрескавшийся материал в зоне радиуса r≤R_TD претерпевает отжиг, и это растрескивание не проявляется по завершении разделения. 19 - возможная прямая и гладкая линия разделения при последующем механическом раскалывании в этом случае, б) Показано поперечное сечение 16 зон воздействия последовательных филаментов в виде указанной выше плоскости π в противоположном случае, когда доминирует термодеформационный механизм, то есть R_TD>R_T. В этом случае на промежуточных радиусах r, таких, что R_T<r≤R_TD, имеется, как видно из рисунка, характерная для термодеформационного механизма область повреждения и растрескивания материала непосредственно при облучении. Поэтому после выполнения облучения на последующей стадии механического раскалывания ослабленного облучением материала линия (поверхность) разделения 19 может быть зигзагообразной, случайно меняющей направление, поскольку она проходит по случайным микротрещинам и границам между кусочками материала, образовавшимися в результате растрескивания в указанной области повреждения материала, что соответствует шероховатому негладкому разделению материала. Более того, на обеих половинах последующего после облучения разделения будет присутствовать нарушенный потрескавшийся приповерхностный слой, соответствующий на данном рисунке области повреждения материала по обе стороны от этой шероховатой поверхности разделения 20, что неблагоприятно сказывается на прочности материала при его дальнейшей после выполнения разделения эксплуатации. Сравнение случаев (а) и (б) демонстрирует, что условием гладкого разделения, соответствующего рисунку (а), является доминирование теплового механизма в формировании зоны воздействия над альтернативным термодеформационным механизмом, чему соответствует выполнение неравенства T_strain<Т_с, что, в свою очередь, определяется параметрами материала. Более подробное описание в тексте [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] показывает, что в режиме СФОИ существует определенный класс материалов, для которых это неравенство выполнено, а именно химически закаленные стекла. Для ситуации, когда выполняют сравнение теплового и ударно-волнового механизмов модификации, аналогично было показано, что необходимым условием для получения гладкого разделения также является доминирование теплового механизма, и это условие также выполнено для закаленных стекол.Fig. 6 also relates to the prior art. One of the necessary conditions for obtaining a smooth separation is explained and why it is possible for some materials and impossible for others [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]. a) Shown is the virtual plane π 16 of the cross section of a set of 11 filaments located in the thickness of the material 5 in the plane 12. 8 - direction of movement of the laser beam relative to the material. Of several competing mechanisms for the formation of the impact zone (see the text for more details), we consider the thermal mechanism to be dominant in this case, that is, R _T >R _TD , where R _T is the radius of the cylindrical impact zone 17 around the filament axis due to the thermal mechanism, and R _TD - similar radius of the impact zone 18 due to the thermal deformation mechanism. 10 - locations of the filament axes, we assume that their radius r _f <<R _T , R _TD - The values of R _T and R _TD are determined for the indicated mechanisms, as shown in the figure, by the position of the isotherms in the material, respectively and T=T _s , where - the glass transition point of the material, above which, as is known, the increase in volume with temperature increases sharply (for a crystalline material T _strain coincides with the melting point T _m ), and T _c is the temperature critical for cracking and damage to the material for the thermal deformation mechanism, when heated to which deformation reaches the fracture threshold. Although the thermal deformation mechanism, when irradiated, leads to cracking of the material directly inside the zone r≤R _TD , the boundary of which is conventionally indicated by a zigzag contour, this entire zone, as can be seen from the figure, is located inside the zone of influence of the thermal mechanism r≤R _TD . Therefore, the cracked material in the zone of radius r≤R _TD undergoes annealing, and this cracking does not appear after separation is completed. 19 - possible straight and smooth line of separation during subsequent mechanical splitting in this case, b) Shows the cross section of 16 zones of influence of successive filaments in the form of the above-mentioned π plane in the opposite case, when the thermal deformation mechanism dominates, that is, R _TD >R _T . In this case, at intermediate radii r, such that R _T <r≤R _TD , there is, as can be seen from the figure, a region of damage and cracking of the material directly during irradiation, characteristic of the thermal deformation mechanism. Therefore, after irradiation is performed at the subsequent stage of mechanical splitting of the material weakened by irradiation, the line (surface) of separation 19 can be zigzag, randomly changing direction, since it passes along random microcracks and boundaries between pieces of material formed as a result of cracking in the specified area of damage to the material, which corresponds rough, non-smooth separation of material. Moreover, on both halves of the subsequent separation after irradiation there will be a damaged cracked near-surface layer, corresponding in this figure to the area of damage to the material on both sides of this rough separation surface 20, which adversely affects the strength of the material during its further operation after the separation. A comparison of cases (a) and (b) demonstrates that the condition for a smooth separation corresponding to figure (a) is the dominance of the thermal mechanism in the formation of the impact zone over the alternative thermal deformation mechanism, which corresponds to the fulfillment of the inequality T _strain < T _c , which, in turn, , is determined by the material parameters. More detailed description in the text [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] shows that in the SFOI mode there is a certain class of materials for which this inequality is satisfied, namely chemically tempered glasses. For the situation where thermal and shock wave modification mechanisms are compared, it was similarly shown that a prerequisite for obtaining a smooth separation is also the dominance of the thermal mechanism, and this condition is also satisfied for tempered glasses.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМАTECHNICAL PROBLEM

В современном мире технологий стекло и другие оптически прозрачные материалы являются одними из важнейших они применяются при создании самых различных конструкций в строительстве, архитектуре, медицине, автомобилестроении, производстве дисплеев мобильных телефонов и планшетов, электронике, электроэнергетике и во многих других отраслях. Мировой рынок таких изделий насчитывает миллиарды штук в год. Важно отметить, что для изготовления практически любого изделия из стекла или другого прозрачного материала с нужной формой и размером необходима точная резка. Поэтому для производства таких изделий в крупных промышленных масштабах крайне важно развитие новых высокопроизводительных, энергетически эффективных и экологически безопасных технологий резки. В этой связи развитие лазерных технологий резки является многообещающим благодаря перспективам получения более высокого качества финишного состояния поверхности, в десятки и сотни раз более высокой скорости разделения, а также более высокой экологичности процесса по сравнению с традиционными процессами резки.In the modern world of technology, glass and other optically transparent materials are among the most important; they are used to create a wide variety of structures in construction, architecture, medicine, automotive industry, the production of mobile phone and tablet displays, electronics, electric power and many other industries. The global market for such products amounts to billions of units per year. It is important to note that precision cutting is required to produce virtually any glass or other transparent material into the desired shape and size. Therefore, for the production of such products on a large industrial scale, the development of new high-performance, energy-efficient and environmentally friendly cutting technologies is extremely important. In this regard, the development of laser cutting technologies is promising due to the prospects for obtaining a higher quality surface finish, tens and hundreds of times higher separation speeds, as well as a higher environmental friendliness of the process compared to traditional cutting processes.

Для сравнения с предыдущими результатами укажем, что известен способ лазерной резки за счет контролируемого распространения трещины [R.M. Lumley, American Ceramic Society Bulletin, 48(4), 850 854 (1969)], также [S. Nisar, L. Li and M.A. Sheikh, J. Las. Appl. 25, 042010-1 - 042010-11 (2013)]. Он основан на возможности создания профиля механического напряжения в материале при поглощении на его поверхности или в объеме лазерного излучения. Используются инфракрасные непрерывные излучатели - СО₂-лазеры, ND:YAG-лазеры, или СО-лазер. При определенных условиях температурные напряжения вызывают инициирование распространяющейся в глубину сверху вниз трещины, которая распространяется также и вдоль траектории движения лазерного луча по поверхности обрабатываемого материала. Вырезание деталей происходит без какого-либо вспомогательного механического воздействия, при этом стенки реза являются гладкими и не содержат каких-либо дефектов и сколов. Однако эти достоинства обеспечиваются непрерывными СО₂ лазерами для прямолинейных резов. К недостаткам указанных непрерывных лазеров следует отнести то, что они не работают для криволинейных резов, необходимых для получения у изделия (например, стекла смартфона) закругленных углов, прорезей и внутренних отверстий (в том числе, с малым диаметром в несколько миллиметров и менее). При большой скорости обработки распространение трещины в стекле для таких лазеров оказывается трудно контролируемым - она может начать распространяться в произвольном направлении, что приводит к слишком большому количеству брака в виде негодных деталей. К недостаткам следует также отнести необходимость применения значительной лазерной мощности непрерывных источников в сотни и тысячи Ватт [A. A. Abramov, M.W. Kemmerer, Y. Sun, N. Zhou, «Laser separation of glass sheets». Patent US 20100078417 A1 (2010)], что при типичной невысокой скорости перемещения пучка относительно детали (менее 0.1 м/с) приводит к высокому энерговыделению на единицу длины реза, тем самым создает слишком протяженную зону теплового воздействия от боковых поверхностей разделения, с соответственно высокими остаточными термонапряжениями и деформациями. Такие эффекты неприемлемы для ряда применений, когда на разрезаемом материале уже находятся какие-либо чувствительные к нагреву или механическим напряжениям функциональные рабочие слои - например, слой светоизлучающей органики в случае резки дисплейного стекла.For comparison with previous results, we point out that a method of laser cutting due to controlled crack propagation is known [RM Lumley, American Ceramic Society Bulletin, 48(4), 850 854 (1969)], also [S. Nisar, L. Li and M. A. Sheikh, J. Las. Appl. 25, 042010-1 - 042010-11 (2013)]. It is based on the possibility of creating a mechanical stress profile in a material when laser radiation is absorbed on its surface or in the volume. Continuous infrared emitters are used - CO ₂ lasers, ND:YAG lasers, or CO laser. Under certain conditions, temperature stresses cause the initiation of a crack propagating in depth from top to bottom, which also propagates along the trajectory of the laser beam along the surface of the material being processed. Parts are cut out without any auxiliary mechanical action, while the cut walls are smooth and do not contain any defects or chips. However, these advantages are provided by continuous CO ₂ lasers for straight cuts. The disadvantages of these continuous lasers include the fact that they do not work for curved cuts necessary to obtain rounded corners, slots and internal holes in a product (for example, smartphone glass) (including those with a small diameter of several millimeters or less). At high processing speeds, the propagation of a crack in glass for such lasers turns out to be difficult to control - it can begin to propagate in an arbitrary direction, which leads to too many defects in the form of unusable parts. Disadvantages also include the need to use significant laser power from continuous sources of hundreds and thousands of watts [AA Abramov, MW Kemmerer, Y. Sun, N. Zhou, “Laser separation of glass sheets.” Patent US 20100078417 A1 (2010)], which, with a typical low speed of movement of the beam relative to the part (less than 0.1 m/s), leads to a high energy release per unit length of the cut, thereby creating an overly extended zone of thermal influence from the side separation surfaces, with correspondingly high residual thermal stresses and deformations. Such effects are unacceptable for a number of applications when the material being cut already contains some functional working layers that are sensitive to heat or mechanical stress - for example, a layer of light-emitting organics in the case of cutting display glass.

Известны также другие методы, в которых были предприняты значительные усилия по улучшению точности и качества реза - например, путем облучения двумя лазерными источниками [С.-Н. Tsai and H.-W. Chen, J. Mater. Proces. Techn. 136, 166 173 (2003)], путем поглощения одного лазера в объеме стекла [L.J. Yang, Y. Wang, Z.G. Tian, and N. Cai, Int. J. Mach. Tool. Manu. 50, 849 (2010)], путем прописывания траектории другим лазером [С.-Н. Tsai and J.-S. Shiu. J. Laser Applications, 21, 57 (2013)]. Также предпринимались усилия по повышению скорости резки - за счет применения дополнительного действия ультразвуковой волны [D.J. Garibotti, "Dicing of micro-semiconductors", US Patent 3,112,850 (1963)], или струи холодной воды или воздуха в дополнение к лазерному воздействию [V. Kondratenko. "Method of splitting nonmetallic materials". US Patent 5,609,284 (1997)]. Недостатки в этих случаях состоят в том, что указанные усовершенствования приводят к удорожанию и усложнению процесса, но остается нерешенным вопрос, как в одно и то же время сделать технологию резки с одной стороны - быстрой, точной, хорошо управляемой, простой и универсальной для различных материалов, а с другой стороны - еще и с гладкими боковыми поверхностями реза, не требующими дальнейшей длительной и трудоемкой после-лазерной шлифовки и полировки, механической или химической, и, следовательно, обладающей более высокой производительностью.Other methods are also known in which significant efforts have been made to improve the accuracy and quality of the cut - for example, by irradiation with two laser sources [S.-N. Tsai and H.-W. Chen, J. Mater. Proces. Techn. 136, 166 173 (2003)], by absorbing one laser in a glass volume [L.J. Yang, Y. Wang, Z. G. Tian, and N. Cai, Int. J. Mach. Tool. Manu. 50, 849 (2010)], by registering a trajectory with another laser [S.-N. Tsai and J.-S. Shiu. J. Laser Applications, 21, 57 (2013)]. Efforts have also been made to increase cutting speed through the use of additional ultrasonic wave action [D.J. Garibotti, "Dicing of micro-semiconductors", US Patent 3,112,850 (1963)], or jets of cold water or air in addition to laser exposure [V. Kondratenko. "Method of splitting nonmetallic materials". US Patent 5,609,284 (1997)]. The disadvantages in these cases are that these improvements lead to increased cost and complexity of the process, but the question remains unresolved of how to make the cutting technology on the one hand fast, accurate, well-controlled, simple and universal for various materials at the same time. , and on the other hand, also with smooth side cutting surfaces that do not require further lengthy and labor-intensive post-laser grinding and polishing, mechanical or chemical, and, therefore, have higher productivity.

Другим известным подходом является использование импульсно-периодических лазеров вместо непрерывных. В этом случае рассматривалось лазерное филаментационное разделение (ЛФР) материала, включающее в себя два этапа, гдеAnother well-known approach is the use of repetitively pulsed lasers instead of continuous wave lasers. In this case, laser filamentation separation (LFS) of the material was considered, which included two stages, where

(а) на первом, подготовительном этапе производят облучение пластины материала пучком импульсно-периодического излучения фемтосекундного (либо пикосекундного) лазера при движении пучка и материала друг относительно друга и создают один или несколько нагретых до высокой температуры протяженных нитеподобных объектов (так называемых филаментов) длиной от нескольких десятков микрон до нескольких тысяч микрон, неперекрывающихся друг с другом по их радиусам, используют создание филамента одним импульсом (сокращенно именуемое далее как СФОИ), либо создание филамента цугом (группой) импульсов, близко расположенных во времени (что далее сокращенно именуется как СФЦИ), для создания в объеме материала области фокусировки протяженной длины используют при этом нелинейно-оптическое явление самофокусировки, либо гаусс-бесселев пучок, формируемый коническими линзами, либо какие-либо иные методы для пучка фемтосекундного, либо пикосекундного лазера, излучающего на длине волны излучения, на которой данный материал прозрачен при низкой лазерной интенсивности в несфокусированном пучке, создают в толще материала один или несколько наборов филаментов, где указанные наборы отличаются друг от друга их различным положением по глубине в материале;(a) at the first, preparatory stage, a plate of material is irradiated with a beam of pulse-periodic radiation from a femtosecond (or picosecond) laser when the beam and material move relative to each other and create one or more extended thread-like objects heated to a high temperature (the so-called filaments) with a length of several tens of microns to several thousand microns, non-overlapping with each other in their radii, use the creation of a filament with one pulse (hereinafter abbreviated as SFPI), or the creation of a filament by a train (group) of pulses closely spaced in time (hereinafter abbreviated as SFCI) , to create a focusing region of extended length in the volume of the material, the nonlinear optical phenomenon of self-focusing is used, or a Gaussian-Bessel beam formed by conical lenses, or any other methods for a femtosecond or picosecond laser beam emitting at a radiation wavelength of in which a given material is transparent at low laser intensity in an unfocused beam, one or more sets of filaments are created in the thickness of the material, where these sets differ from each other by their different positions in depth in the material;

(б) после проведения указанного выше облучения на следующем этапе выполняют механическое раскалывание пластины, т.е. ее разделение вдоль поверхности расположения созданных лазерным пучком набора (или наборов) филаментов. Такое разделение может происходить самопроизвольным образом или же путем применения дополнительного механического воздействия на упомянутую обрабатываемую пластину в виде растягивающего механического напряжения в зоне расположения в материале указанных наборов филаментов.(b) after the above irradiation, the next stage involves mechanical splitting of the plate, i.e. its division along the surface of the arrangement of the set (or sets) of filaments created by the laser beam. Such separation can occur spontaneously or by applying additional mechanical action on said plate being processed in the form of tensile mechanical stress in the area where said sets of filaments are located in the material.

Известные из уровня техники обобщенные основные элементы устройства для разделения прозрачных материалов с помощью относительного перемещения сфокусированного импульсно-периодического лазерного пучка и материала, а также детали создания филаментов внутри материала показаны Фиг. 1 и Фиг. 2 (см. например, [Е. Vanagas, D. Kimbaras, L. Veselis, "Method of laser scribing of semiconductor workpiece using divide laser beams", International application WO 2016/193786 A1]) и поясняются в подписях к указанным чертежам.The generalized basic elements of a device known in the art for separating transparent materials using the relative movement of a focused pulsed laser beam and a material, as well as details of creating filaments within the material, are shown in FIG. 1 and Fig. 2 (see, for example, [E. Vanagas, D. Kimbaras, L. Veselis, "Method of laser scribing of semiconductor workpiece using divide laser beams", International application WO 2016/193786 A1]) and are explained in the captions to the indicated drawings.

Известна работа [М. Kumkar, L. Bauer, S. Russ, M. Wendel, J. Kleiner, D. Grossmann, K. Bergner, S. Nolte. Proc. SPIE 8972, 897214-1 (2014)], в которой для создания нескольких наборов филаментов в толще материала использовалась так называемая «мультифокусировка», когда исходный лазерный пучок с помощью специальной оптической схемы разбивают на несколько пучков (два или более), при этом каждый из них фокусируется на определенной глубине в материале, и положения фокусов различны для различных пучков. Вблизи каждой из точек фокусировки обеспечивают создание филамента и соосность филаментов от каждой фокальной области друг с другом. Таким способом при перемещении исходного лазерного пучка по материалу за один проход создают сразу несколько наборов филаментов, при этом каждый набор отличается от остальных по глубине его расположения в толще пластины см. Фиг. 2 и Фиг. 3б, где продемонстрирована возможность получения как негладкого, так и высокогладкого разделения для химически закаленного стекла Corning Gorilla® толщиной 0.7 мм при создании филаментов единичными импульсами длительностью 6 пс и энергией каждого 220 мкДж. Остальные параметры облучения: на первом фото Фиг 3а - частота повторения 50 кГц, скорость перемещения 0.2 м/с; на втором фото Фиг. 3а - частота повторения 25 кГц, скорость перемещения 0.1 м/с. Как видно на втором фото, возможно достижение высокой гладкости боковой поверхности разделения. Однако недостатком в данном случае является крайне невысокая скорость перемещения (0.1 м/с) материала относительно лазерного пучка, физический механизм и управляющие факторы получения гладкого разделения не были выяснены.The famous work [M. Kumkar, L. Bauer, S. Russ, M. Wendel, J. Kleiner, D. Grossmann, K. Bergner, S. Nolte. Proc. SPIE 8972, 897214-1 (2014)], in which the so-called “multifocusing” was used to create several sets of filaments in the thickness of the material, when the original laser beam is divided into several beams (two or more) using a special optical circuit, each of these is focused at a certain depth in the material, and the positions of the foci are different for different beams. The vicinity of each of the focal points ensures that the filament is created and the filaments from each focal area are aligned with each other. In this way, when the initial laser beam moves across the material in one pass, several sets of filaments are created at once, with each set differing from the others in the depth of its location in the thickness of the plate, see Fig. 2 and Fig. 3b, which demonstrates the possibility of obtaining both non-smooth and highly smooth separations for chemically tempered Corning Gorilla® glass with a thickness of 0.7 mm when creating filaments with single pulses of 6 ps duration and an energy of each 220 μJ. Other irradiation parameters: in the first photo Fig. 3a - repetition frequency 50 kHz, movement speed 0.2 m/s; in the second photo Fig. 3a - repetition frequency 25 kHz, moving speed 0.1 m/s. As can be seen in the second photo, it is possible to achieve high smoothness of the lateral surface of the separation. However, the disadvantage in this case is the extremely low speed of movement (0.1 m/s) of the material relative to the laser beam; the physical mechanism and control factors for obtaining smooth separation have not been clarified.

Известен патент US 20130126573 A1 [S.A. Hosseini, P.R. Herman, "Method of material processing by laser filamentation", где каждый из филаментов создавался не единичным импульсом, а цугом близко расположенных во времени импульсов (см. Фиг. 4), что, по словам авторов, дает возможность создания более длинных филаментов. Недостатком в данном случае является то, что в пределах набора филаментов гладкое разделение не было получено.Known patent US 20130126573 A1 [S.A. Hosseini, P.R. Herman, “Method of material processing by laser filamentation”, where each of the filaments was created not by a single pulse, but by a train of pulses closely spaced in time (see Fig. 4), which, according to the authors, makes it possible to create longer filaments. The disadvantage in this case is that a smooth separation was not obtained within the set of filaments.

Близким к предлагаемому нами техническому решению по таким техническим результатам, как скорость и улучшенная гладкость (что в эксперименте выражается в существенном уменьшении амплитуд гармоник шероховатости как в пределах каждого из наборов филаментов в пространстве между ближайшими соседними филаментами, так и по остальной боковой поверхности реза 13, включающей не подвергшиеся облучению области между указанными наборами филаментов), по-видимому, является получение гладкой поверхности без по еле-лазерной обработки с шероховатостью R_a<0.1 мкм на боковой стенке 13 разделения при резке химически закаленного стекла Corning Gorilla® толщиной 0.55 мм и глубиной закаленного слоя 20 мкм (Фиг. 3б) при помощи процесса «ClearShape™», анонсированного компанией "Spectra-Physics®" (подразделение «Newport Company») [V. Matylitsky, F. Hendrics, R. Patel. "Process can machine glasses and sapphire with high quality". http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-30/issue-3/features/femtosecond-laser-processing-of-brittle-materials.html]. [F. Hendricks, V.V. Matylitsky. Proc. SPIE 9740, 97400Z-1 (2016)]. Физические основы указанного процесса в этих публикациях компания не указывает, сообщает лишь, что с его помощью возможна быстрая резка химически закаленных и незакаленных стекол, а также сапфира со скоростями около 1 м/с с многократным улучшением качества реза по сравнению с другими лазерными процессами - без отслоения чешуек, с шероховатостью краев реза R_a<0.1 мкм и пределом прочности на изгиб >650 МПа для химически закаленного стекла.Close to the technical solution we propose in terms of such technical results as speed and improved smoothness (which in the experiment is expressed in a significant reduction in the amplitudes of roughness harmonics both within each set of filaments in the space between the nearest adjacent filaments, and along the rest of the lateral surface of the cut 13, including the unirradiated areas between the specified sets of filaments), apparently is to obtain a smooth surface without laser processing with a roughness R _a <0.1 μm on the side wall 13 of the separation when cutting chemically tempered Corning Gorilla® glass 0.55 mm thick and deep 20 µm hardened layer (Fig. 3b) using the ClearShape™ process announced by Spectra-Physics® (a division of Newport Company) [V. Matylitsky, F. Hendricks, R. Patel. "Process can machine glasses and sapphire with high quality." http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-30/issue-3/features/femtosecond-laser-processing-of-brittle-materials.html]. [F. Hendricks, V.V. Matylitsky. Proc. SPIE 9740, 97400Z-1 (2016)]. The company does not indicate the physical basis of this process in these publications; it only reports that with its help it is possible to quickly cut chemically tempered and non-tempered glass, as well as sapphire at speeds of about 1 m/s with a manifold improvement in cut quality compared to other laser processes - without peeling of flakes, with cut edge roughness R _a <0.1 µm and bending strength >650 MPa for chemically tempered glass.

Известен патент тех же авторов [F. Hendrics and V.V. Matylitsky. Processing of material using non-circular laser beams. Patent WO 2016/005455 A1], который близок к предлагаемому нами техническому решению. В этом патенте при создании филаментов, используемых при ЛФР прозрачного или полупрозрачного материала импульсным лазером, применяют облучение не круглым лазерным пучком, а овальным (в сечении перпендикулярном оси филамента в точке фокуса), с ориентацией длинной оси этого пятна вдоль касательной к траектории движения лазерного пучка относительно материала, либо под небольшим заданным углом к ней (не более 20°). По мнению указанных авторов это позволяет в окрестности каждого филамента получать микротрещины не во многих различных направлениях, а лишь некоторую основную микротрещину в направлении указанной длинной оси пятна и, тем самым, улучшить качество разделения. Указанный способ предлагается использовать как в режиме СФОИ, так и в режиме СФЦИ. Для реализации указанного способа разделения в указанном патенте предлагается лазерная система с использованием в ней фемто- и пикосекундных импульсов, отличительной особенностью которой является возможность формирования в ней овального лазерного пятна фокусировки и получение при этом микротрещины от филамента в материале с ориентацией в направлении длинной оси этого пятна.There is a known patent by the same authors [F. Hendricks and V.V. Matylitsky. Processing of material using non-circular laser beams. Patent WO 2016/005455 A1], which is close to the technical solution we propose. In this patent, when creating filaments used in LPR of a transparent or translucent material with a pulsed laser, irradiation is used not with a round laser beam, but with an oval one (in a section perpendicular to the axis of the filament at the focal point), with the long axis of this spot oriented along the tangent to the trajectory of the laser beam relative to the material, or at a small specified angle to it (no more than 20°). According to these authors, this makes it possible to obtain microcracks in the vicinity of each filament not in many different directions, but only a certain main microcrack in the direction of the specified long axis of the spot and, thereby, improve the quality of separation. The specified method is proposed to be used both in the SFDI mode and in the SFCI mode. To implement this separation method, the patent proposes a laser system using femto- and picosecond pulses, the distinctive feature of which is the possibility of forming an oval laser focusing spot in it and thereby obtaining a microcrack from the filament in the material with an orientation in the direction of the long axis of this spot .

К недостаткам указанного патента можно отнести:The disadvantages of this patent include:

Поставленная и решаемая в предлагаемом здесь в нашем способе задача получения более гладкого разделения, а также выяснения условий для получения максимальной энергоэффективности и высокой скорости относительного перемещения пучка и материала в указанном патенте не ставилась и не рассматривалась, хотя предлагаемый в указанном патенте режим более направленного раскалывания имеет некоторые общие черты с получением улучшенного разделения в предлагаемом здесь нашем способе.The problem of obtaining a smoother separation, as well as determining the conditions for obtaining maximum energy efficiency and high speed of relative movement of the beam and material, posed and solved in the method proposed here in our method, was not posed or considered in the specified patent, although the mode of more directional splitting proposed in the specified patent has some similarities with obtaining improved separation in our method proposed here.

Сама возможность режима раскалывания, направленного вдоль длинной оси овального пятна фокусировки, в тексте патента не обосновывается ни путем описания каких-либо экспериментов из «Уровня техники», ни собственной экспериментальной апробацией наличия такого режима. Также в указанном патенте не указываются количественно параметры облучения, при которых работает предлагаемый в нем режим, а лишь предлагается найти эти параметры «слепым» подбором. Однако такой подбор, без теоретической модели явления, используемой в качестве «путеводной нити» поиска, является крайне сложной задачей при большом числе подбираемых параметров облучения, которых, как мы увидим ниже, для режима СФЦИ насчитывается 14 штук. Это крайне затрудняет практическое использование указанного лазерного устройства для разделения. Кроме того, при таком слепом подборе нет уверенности, что тот или иной найденный набор параметров действительно является наиболее оптимальным.The very possibility of a splitting mode directed along the long axis of the oval focusing spot is not substantiated in the text of the patent either by describing any experiments from the “State of the Art” or by our own experimental testing of the presence of such a mode. Also, the said patent does not quantitatively indicate the irradiation parameters at which the mode proposed in it operates, but only proposes to find these parameters by “blind” selection. However, such a selection, without a theoretical model of the phenomenon used as a “guiding thread” for the search, is an extremely difficult task with a large number of selected irradiation parameters, of which, as we will see below, there are 14 for the SFCI mode. This makes the practical use of the said laser separation device extremely difficult. In addition, with such a blind selection, there is no certainty that one or another set of parameters found is actually the most optimal.

Также авторы не указывают, каким образом при их способе резки реализуется оперативное управление ориентацией вытянутого пятна, когда при выполнении криволинейных резов требуется постоянное изменение ориентации длинной оси этого пятна от филамента к филаменту в соответствии с переменным направлением упомянутой выше касательной к траектории движения. Без раскрытия информации об управлении в предлагаемом авторами устройстве ориентацией вытянутого пятна указанный способ не работает.Also, the authors do not indicate how their cutting method implements operational control of the orientation of the elongated spot, when when performing curved cuts, a constant change in the orientation of the long axis of this spot is required from filament to filament in accordance with the variable direction of the above-mentioned tangent to the trajectory of movement. Without disclosing information about the control of the orientation of the elongated spot in the device proposed by the authors, the specified method does not work.

В предлагаемом нами техническом решении используется не вытянутое, а круглое лазерное пятно. При этом также достигается направленное раскалывание, но иным способом - не за счет вытянутого лазерного пятна, ориентацией которого неясно как оперативно управлять, а за счет иных факторов, когда при высокой частоте создания филаментов вытянутая область нагрева до температур не ниже некоторой критической обеспечивается в материале не одним филаментом, а совместным действием нескольких филаментов. Кроме того, в нашем изобретении решается задача строгого обоснованного количественного нахождения параметров облучения, при которых достигаются сформулированные в нашем способе желаемые технические результаты - более высокая гладкость разделения, высокая скорость и высокая энергоэффективность процесса.The technical solution we propose uses not an elongated, but a round laser spot. In this case, directional cleavage is also achieved, but in a different way - not due to an elongated laser spot, the orientation of which is unclear how to operationally control, but due to other factors, when at a high frequency of filament creation, an elongated heating region to temperatures not lower than a certain critical one is not ensured in the material by one filament, but by the combined action of several filaments. In addition, our invention solves the problem of strictly grounded quantitative determination of irradiation parameters at which the desired technical results formulated in our method are achieved - higher smoothness of separation, high speed and high energy efficiency of the process.

Помимо стекол исследовались и другие материалы. Так, например, компания "Evana Technologies" [http://www.evanatech.com/technologies/sapphire-wafer-scribing-dicing] продемонстрировала негладкую филаментационную лазерную резку сапфира при помощи запатентованной этой компанией (или заявленной к патентованию) лазерной технологии резки сапфира ICICLE. Эта технология по сообщениям компании использует внутренние повреждения в сапфире ультракороткими лазерными импульсами для легкого и точного раскалывания материала и пригодна для сапфировых пластин с толщиной до 330 мкм. Недостатки в данном случае - скорость разделения относительно невелика, не более 0.3 м/с, при этом гладкое разделение данного материала не было получено.In addition to glass, other materials were also studied. For example, the company "Evana Technologies" [http://www.evanatech.com/technologies/sapphire-wafer-scribing-dicing] demonstrated non-smooth filamentation laser cutting of sapphire using the company's patented (or pending) laser cutting technology ICICLE sapphire. This technology, according to the company, uses internal damage in sapphire with ultrashort laser pulses to easily and accurately cleave the material and is suitable for sapphire wafers up to 330 microns thick. The disadvantages in this case are that the separation speed is relatively low, no more than 0.3 m/s, and a smooth separation of this material was not obtained.

Известны также работы, в которых показано, что филаменты (или аналогичные им протяженные плазменные объекты) в объеме материала могут быть в более общем случае созданы не только за счет использования известного явления самофокусировки, при котором высокоинтенсивный лазерный пучок за счет нелинейно-оптических эффектов самопроизвольно сжимается в материале в протяженную тонкую нить микронного или субмикронного диаметра, но и за счет применения каких-либо иных методов, удлиняющих область фокуса пучка вдоль оптической оси и применяемых как наряду с самофокусировкой, так и помимо ее. Такой эффект достигался за счет использования специальных оптических элементов - аксиконов (конических линз) для создания в обрабатываемой пластине так называемого гаусс-бесселева пучка - см., например, [Chebbi В, Minko S, Al-Akwaa N and Golub I 2010 Opt. Comm. 283 1678]. Схема создания гаусс-бесселева пучка в материале показана на Фиг. 5. Недостатком указанной работы является то, что в ней ЛФР вообще не исследовалась.There are also works that show that filaments (or similar extended plasma objects) in the volume of a material can, in a more general case, be created not only through the use of the well-known phenomenon of self-focusing, in which a high-intensity laser beam is spontaneously compressed due to nonlinear optical effects in the material into an extended thin thread of micron or submicron diameter, but also through the use of any other methods that lengthen the beam focus area along the optical axis and are used both along with self-focusing and in addition to it. This effect was achieved through the use of special optical elements - axicons (conical lenses) to create a so-called Gaussian-Bessel beam in the processed plate - see, for example, [Chebbi B, Minko S, Al-Akwaa N and Golub I 2010 Opt. Comm. 283 1678]. The scheme for creating a Gaussian-Bessel beam in the material is shown in Fig. 5. The disadvantage of this work is that it did not study LPR at all.

Аналогичный подход к созданию филаментов использовался в работе [К. Mishchik, В. Chassagne, , et al. Proc. of SPIE Vol.9740, 97400W1-16 (2016)]. Известно также создание филаментов путем использования дифракционно-оптических элементов см., например, [Е. Vanagas, D. Kimbaras, L. Veselis, "Method of laser processing for substrate cleaving or dicing through forming "spike-like" shaped damage structures", International patent application WO 2016/059449 А1]. Гладкое разделение не было получено.A similar approach to the creation of filaments was used in the work of [K. Mishchik, V. Chassagne, , et al. Proc. of SPIE Vol.9740, 97400W1-16 (2016)]. It is also known to create filaments by using diffraction-optical elements, see, for example, [E. Vanagas, D. Kimbaras, L. Veselis, "Method of laser processing for substrate cleaving or dicing through forming "spike-like" shaped damage structures", International patent application WO 2016/059449 A1]. A smooth separation was not obtained.

Также из патента РФ 2551043 С1 С.К, Вартапетов, А.Ф. Обидин, Д.В. Ганина, «Способ и устройство формирования прецизионных отверстий в оптически прозрачной пленке сверхкоротким импульсом лазерного излучения» известно применение намеренно астигматичной фокусирующей оптики или размещения подлежащей резке пластины под слоем жидкости, либо твердого прозрачного материала Недостатком данного изобретения является то, что в ней гладкое разделение для ЛФР не исследовалось.Also from RF patent 2551043 C1 S.K., Vartapetov, A.F. Obidin, D.V. Ganina, “Method and device for forming precision holes in an optically transparent film using an ultrashort pulse of laser radiation,” the use of intentionally astigmatic focusing optics or placing the plate to be cut under a layer of liquid or solid transparent material is known. The disadvantage of this invention is that it has a smooth separation for LPR has not been studied.

Известно также создание филаментов при помощи дифракционно-оптических элементов для создания полей из множества отверстий в прозрачном материале [S.A. Hosseini. US2015246415 Method and apparatus for material processing using multiple flamentation of burst ultrafast laser pulses]. Каждый филамент при этом создавался не одним импульсом, а цугом (пакетом) из нескольких импульсов, лазерный источник имел длину волны менее 5 мкм, частоту повторения импульсов лазерного пучка от 1 Гц до 2 МГц, количество импульсов в цуге от 1 до 50 и энергию импульсов от 5 до 500 мкДж. Недостатком данной работы является то, что в ней внимание было уделено лишь получению отверстий в материале, но ни ЛФР, ни, тем более, гладкая ЛФР вообще не исследовались.It is also known to create filaments using diffractive optical elements to create fields from many holes in a transparent material [S.A. Hosseini. US2015246415 Method and apparatus for material processing using multiple flamementation of burst ultrafast laser pulses]. Each filament was created not by one pulse, but by a train (packet) of several pulses, the laser source had a wavelength of less than 5 μm, a pulse repetition rate of the laser beam from 1 Hz to 2 MHz, a number of pulses in the train from 1 to 50, and pulse energy from 5 to 500 µJ. The disadvantage of this work is that it focused only on obtaining holes in the material, but neither LPR, nor, especially, smooth LPR were studied at all.

Известен эксперимент [К. Bergner, М. Muller, R. Klas, J. Limpert, S. Nolte and A. Ttinnerman, Appl. Opt. 57, 5941 (2018)], в котором толстая, толщиной около 8 мм, пластина из кварцевого стекла была разрезана гаусс-бесселевым пучком, при этом каждый филамент создавался цугом из N_p=4 либо 8 импульсов. Использовался широкий диапазон энергий цуга импульсов Eburst, при этом было обнаружено, что наилучшую гладкость (хотя и не высокую) боковых стенок реза обеспечивает величина Eburst=0.9-1.0 мДж, она соответствует получению филамента с длиной Н около 7.4 мм. Недостатком работы является то, что гладкое разделение не было получено.There is a well-known experiment [K. Bergner, M. Muller, R. Klas, J. Limpert, S. Nolte and A. Ttinnerman, Appl. Opt. 57, 5941 (2018)], in which a thick, about 8 mm thick, quartz glass plate was cut by a Gaussian-Bessel beam, with each filament created by a train of N _p = 4 or 8 pulses. A wide range of energies of the Eburst pulse train was used, and it was found that the best smoothness (although not high) of the side walls of the cut is provided by the value Eburst = 0.9-1.0 mJ, which corresponds to obtaining a filament with a length H of about 7.4 mm. The disadvantage of the work is that a smooth separation was not obtained.

Преимуществом подхода к созданию филаментов за счет гаусс-бесселева пучка в указанных работах является в ряде случаев возможность получения филаментов существенно большей длины (до 10-20 мм и более), что представляет практический интерес для ЛФР очень толстых материалов толщиной не в доли миллиметра, а в один или даже несколько сантиметров.The advantage of the approach to creating filaments using a Gaussian-Bessel beam in these works is, in some cases, the possibility of obtaining filaments of significantly greater length (up to 10-20 mm or more), which is of practical interest for LPR of very thick materials with a thickness of not a fraction of a millimeter, but one or even several centimeters.

БЛИЖАЙШИЕ АНАЛОГИCLOSEST ANALOGUES

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению относительно полученной скорости и гладкости ЛФР является работа [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)], которая принята в качестве ближайшего аналога. В ней описаны возможности получения гладкого разделения (по крайней мере, с улучшенной гладкостью) при ЛФР на основе модели, позволяющей понять механизм и управляющие факторы процесса, рассмотрены самые различные материалы и широкий диапазон изменения параметров излучения. В указанной работе рассматривался режим облучения, когда филаменты не перекрываются друг с другом и используется режим СФОИ, показанный на Фиг. 4а. В данной работе было показано, что в зависимости от выбора параметров облучения (их согласования друг с другом определенным образом) достигаются один или несколько из следующих технических результатов ЛФР:The closest in technical essence to the proposed invention regarding the obtained speed and smoothness of the LPR is the work of [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)], which is accepted as the closest analogue. It describes the possibilities of obtaining smooth separation (at least with improved smoothness) during LPR based on a model that allows us to understand the mechanism and controlling factors of the process; a wide variety of materials and a wide range of changes in radiation parameters are considered. In this work, the irradiation mode was considered when the filaments do not overlap each other and the SFOI mode is used, shown in Fig. 4a. In this work, it was shown that, depending on the choice of irradiation parameters (their coordination with each other in a certain way), one or more of the following technical results of LPR are achieved:

(1) Получение гладких боковых стенок разделения, или, по крайней мере, с улучшенной гладкостью, что выражается в существенном уменьшении амплитуд гармоник шероховатости как в пределах каждого из наборов филаментов в пространстве между ближайшими соседними филаментами, так и по остальной боковой поверхности реза, включающей не подвергшиеся облучению области между указанными наборами филаментов;(1) Obtaining smooth side walls of the separation, or at least with improved smoothness, which is expressed in a significant reduction in the amplitudes of the roughness harmonics both within each of the sets of filaments in the space between the nearest adjacent filaments, and along the remaining side surface of the cut, including non-irradiated areas between the specified sets of filaments;

(2) Высокоэффективное преобразование энергии лазерного импульса в высоколокальное тепловыделение в пространстве между соседними филаментами;(2) Highly efficient conversion of laser pulse energy into highly localized heat release in the space between adjacent filaments;

(3) Достижение высоких (и рекордно высоких) скоростей резки, например, порядка 1-4 м/с и более для стекол и порядка 0.3-11 м/с и более для сапфира, что в десятки и сотни раз превосходит скорости других известных методов;(3) Achieving high (and record high) cutting speeds, for example, about 1-4 m/s or more for glass and about 0.3-11 m/s or more for sapphire, which is tens and hundreds of times higher than the speeds of other known methods ;

(4) Возможность разделения в определенных условиях при весьма малой средней мощности импульсно-периодического лазерного излучения, начиная от всего лишь порядка сотни милливатт, с достижением при этом хоть и не рекордно высокой, но, тем не менее, приемлемой для практических применений скорости разделения материала.(4) The possibility of separation under certain conditions at a very low average power of pulse-periodic laser radiation, starting from only about a hundred milliwatts, while achieving, although not a record high, but nevertheless acceptable for practical applications, material separation rate .

Перечисленные технические результаты достигали за счет использования определенных параметров излучения и параметров материала, для нахождения которых использовали целенаправленную стратегию их поиска, состоящую из следующих 6 частей:The listed technical results were achieved through the use of certain radiation parameters and material parameters, to find which a targeted search strategy was used, consisting of the following 6 parts:

1. Был сформулирован комплекс из нескольких необходимых физических условий для получения резки с улучшенной гладкостью:1. A complex of several necessary physical conditions was formulated to obtain cutting with improved smoothness:

- Получение высокой энергоэффективности процесса разделения путем устранения потерь энергии филамента на тепловое излучение. Для этого энергию импульса Е₁ в материале выбирают таким образом, что плазма филамента накачивается до объемной плотности энергии (ОПЭ) w, удовлетворяющей условию w≤w₁, или w≥w₂. Пределы w₁ и W₂, для которых обычно w₁<w₂, определяются в модели теплофизическими и оптическими свойствами материала и численно составляют порядка одной или нескольких сотен кДж/см³;- Obtaining high energy efficiency of the separation process by eliminating filament energy losses due to thermal radiation. To do this, the pulse energy E ₁ in the material is selected in such a way that the filament plasma is pumped to a volumetric energy density (VED) w that satisfies the condition w≤w ₁ or w≥w ₂ . The limits w ₁ and W ₂ , for which usually w ₁ <w ₂ , are determined in the model by the thermophysical and optical properties of the material and are numerically of the order of one or several hundred kJ/cm ³ ;

- Обеспечение повышенной однородности диаметра каждого возникающего филамента по его длине. Для этого длительность импульса г согласуют с энергией импульса Е1 таким образом, чтобы мощность единичного лазерного импульса P₁≈Е₁/τ была примерно равна критической для создания самофокусировки мощности Р_с, т.е. P₁=ГР_c, где Г=1÷2;- Ensuring increased uniformity of the diameter of each emerging filament along its length. To do this, the pulse duration r is coordinated with the pulse energy E1 in such a way that the power of a single laser pulse P ₁ ≈ E ₁ /τ is approximately equal to the critical power P _c for creating self-focusing power, i.e. P ₁ =GR _c , where Г=1÷2;

- Создание в объеме материала непрерывного модифицированного слоя от филамента к филаменту с величиной выделившейся в нем объемной плотности энергии (в [Дж/см³]) не ниже минимально необходимой (пороговой) для получения гладкого разделения w_mod. Для этого шаг следования s₁ филаментов в материале согласуют с радиусом R цилиндрической зоны критической для разделения модификации как s₁≤2R, что обеспечивает смыкание, либо даже перекрытие друг с другом в материале указанных зон от соседних филаментов, и тем самым формируется вышеуказанный непрерывный модифицированный слой от филамента к филаменту - см. Рис. 4с и Рис. 4d в сравнении с Рис. 4b в указанной работе. При этом радиус R указанной зоны модификации рассчитывается в модели в зависимости от механизма модификации и параметров облучения: - Creation in the volume of the material of a continuous modified layer from filament to filament with the value of the volumetric energy density released in it (in [J/cm ³ ]) not lower than the minimum required (threshold) to obtain a smooth separation w _mod . To do this, the step of following s ₁ filaments in the material is coordinated with the radius R of the cylindrical zone critical for separating the modification as s ₁ ≤2R, which ensures closure, or even overlap with each other in the material of the indicated zones from neighboring filaments, and thereby the above-mentioned continuous modified layer from filament to filament - see Fig. 4c and Fig. 4d compared to Fig. 4b in the cited work. In this case, the radius R of the specified modification zone is calculated in the model depending on the modification mechanism and irradiation parameters:

- Образование прямолинейных филаментов регулярной формы в каждом из их наборов путем минимизации их влияния друг на друга, т.е. минимизации нагрева и температурного градиента от предыдущего филамента в месте положения и в момент возникновения следующего, нового филамента. Для этого частоту повторения f лазерных импульсов выбирают в одном из двух обнаруженных в модели диапазонов, условно называемых как высокочастотный, f≥f₁, и низкочастотный, f≤f₂, где пределы f₁ и f₂ отличаются в несколько десятков раз и f₁>f₂,- Formation of straight filaments of regular shape in each of their sets by minimizing their influence on each other, i.e. minimizing heating and temperature gradient from the previous filament at the location and at the moment of emergence of the next, new filament. To do this, the repetition frequency f of laser pulses is selected in one of two ranges found in the model, conventionally called high-frequency, f≥f ₁ , and low-frequency, f≤f ₂ , where the limits f ₁ and f ₂ differ by several tens of times and f ₁ >f ₂ ,

- Формирование зоны воздействия от филамента без разрушения в виде рассеянного трещинообразования в твердом материале непосредственно в ходе облучения. Для этого, как упрощенно рассматривается в модели, требуется доминирование в формировании зоны воздействия теплового механизма, а не альтернативных ему ударно-волнового, либо термодеформационного механизмов, как раз приводящих к рассеянному трещинообразованию в твердом материале, исключающему получение гладкого разделения после облучения. При этом доминирование того или иного механизма (теплового, термодеформационного, либо ударно-волнового) определяется как доминирование определяемого им радиуса критической для разделения модификации над аналогичными радиусами модификации, соответствующими двум другим альтернативным механизмам - см. Фиг. 6. Как показывает анализ, доминирование теплового механизма над указанными выше двумя альтернативными ему механизмами происходит при одновременном выполнении соответственно двух безразмерных критериев на параметры материала и излучения, что требует использования конкретного класса материалов - закаленных стекол. Такой теоретический вывод подтверждается получением в экспериментах гладкой резки для этих материалов. С другой стороны, для сапфира и незакаленных стекол эти критерии не выполнены, и в экспериментах гладкого разделения для таких материалов действительно не наблюдается.- Formation of an impact zone from the filament without destruction in the form of scattered cracking in the solid material directly during irradiation. For this, as is simplified in the model, the dominance of the thermal mechanism in the formation of the zone of influence is required, and not the alternative shock wave or thermal deformation mechanisms, which lead to scattered cracking in the solid material, which precludes smooth separation after irradiation. In this case, the dominance of one or another mechanism (thermal, thermal deformation, or shock wave) is defined as the dominance of the radius of the modification critical for separation determined by it over similar modification radii corresponding to two other alternative mechanisms - see Fig. 6. As the analysis shows, the dominance of the thermal mechanism over the above two alternative mechanisms occurs with the simultaneous fulfillment of two dimensionless criteria for the parameters of the material and radiation, which requires the use of a specific class of materials - tempered glasses. This theoretical conclusion is confirmed by obtaining smooth cutting for these materials in experiments. On the other hand, for sapphire and non-tempered glasses these criteria are not met, and in experiments smooth separation is indeed not observed for such materials.

2. Описание указанных выше необходимых условий в виде математических соотношений между параметрами излучения и параметрами материала позволило получить систему уравнений и неравенств.2. The description of the above necessary conditions in the form of mathematical relationships between radiation parameters and material parameters made it possible to obtain a system of equations and inequalities.

3. Было найдено решение этой системы соотношений, представляющее собой, по сути, алгоритм последовательного пошагового конкретного количественного вычисления с помощью простых аналитических формул всех необходимых параметров для задания ЛФР с улучшенной гладкостью, как функцию в общей сложности около 40 входных параметров.3. A solution to this system of relationships was found, which is, in fact, an algorithm for a sequential step-by-step specific quantitative calculation using simple analytical formulas of all the necessary parameters for specifying the LDF with improved smoothness, as a function of a total of about 40 input parameters.

Для возможности описания сложного нелинейного физического процесса ЛФР модель использовала ряд упрощающих приближений, основанных на экспериментальных наблюдениях (например, приближение о цилиндрической форме филамента). Также был использован так называемый «полуэмпирический подход», при котором для ряда параметров используются их экспериментальные величины вместо трудоемкого, громоздкого и ненадежного по точности расчета этих параметров (к ним относятся длина филамента, его поглощательная способность и коэффициенты трансформации энергии. Кроме того, использовалась идея о возможности создания условий (при определенном выборе параметров облучения) для высокоэффективного преобразования энергии лазерного импульса в тепловыделение, локализованное в пределах пространства между соседними филаментами, что в свою очередь важно для указанного выше доминирования теплового механизма над альтернативными ему двумя другими.To be able to describe the complex nonlinear physical process of LPR, the model used a number of simplifying approximations based on experimental observations (for example, the approximation of the cylindrical shape of the filament). The so-called “semi-empirical approach” was also used, in which for a number of parameters their experimental values are used instead of the labor-intensive, cumbersome and unreliable calculation of these parameters (these include the length of the filament, its absorption capacity and energy transformation coefficients. In addition, the idea was used about the possibility of creating conditions (with a certain choice of irradiation parameters) for highly efficient conversion of laser pulse energy into heat release, localized within the space between adjacent filaments, which in turn is important for the above-mentioned dominance of the thermal mechanism over the other two alternatives.

4. Количественно найденный из указанной системы уравнений набор из 4 параметров излучения длительность τ лазерного импульса и его энергия Е₁ в материале, частота повторения импульсов f и шаг следования филаментов в материале s₁, а также выбор материала с подходящими параметрами полностью задают режим лазерной обработки, предпочтительный для получения резки с улучшенной гладкостью. Еще три практически важных параметра облучения - скорость относительного перемещения пучка и материала и, средняя мощность пучка в материале Р и производительность процесса ЛФР Ω определяются через указанные параметры s₁, f и Е₁ известными выражениями u=s₁f, Р=E₁f и Q=2s₁H/E₁. Управляющими параметрами, от которых зависят полученные решения в виде наборов (E₁, τ, f, s₁), являются, как показывает модель, объемная плотность энергии w накачки филамента, его радиус r_f и длина Н, которые, в свою очередь, могут варьироваться в зависимости от условий фокусировки, энергии импульса, длины волны излучения, толщины материала и его физико-химических свойств.4. A quantitatively found set of 4 radiation parameters from the indicated system of equations: the duration τ of the laser pulse and its energy E ₁ in the material, the pulse repetition rate f and the filament pitch in the material s ₁ , as well as the choice of material with suitable parameters completely determine the laser processing mode , preferred for obtaining a cut with improved smoothness. Three more practically important irradiation parameters - the speed of relative movement of the beam and the material and, the average power of the beam in the material P and the productivity of the LPR process Ω are determined through the indicated parameters s ₁ , f and E ₁ by the well-known expressions u=s ₁ f, P=E ₁ f and Q=2s ₁ H/E ₁ . The control parameters on which the resulting solutions depend in the form of sets (E ₁ , τ, f, s ₁ ) are, as the model shows, the volumetric energy density w of pumping the filament, its radius r _f and length H, which, in turn, may vary depending on focusing conditions, pulse energy, radiation wavelength, material thickness and its physicochemical properties.

5. Сравнение предлагаемых стратегии и модели количественного нахождения режима разделения с улучшенной гладкостью с известными экспериментами для сапфира, закаленного и незакаленного стекол для всех указанных параметров Е₁, τ, f, s₁ одновременно, выполненное как для тонких, так и толстых пластин - от очень малых толщин, примерно в 50 мкм, до больших, около 10 мм, показало хорошее количественное согласие.5. Comparison of the proposed strategy and model for quantitatively finding the separation mode with improved smoothness with known experiments for sapphire, tempered and non-tempered glass for all specified parameters E ₁ , τ, f, s ₁ simultaneously, performed for both thin and thick plates - from very small thicknesses, approximately 50 μm, to large thicknesses, approximately 10 mm, showed good quantitative agreement.

6. После такой успешной апробации найденные в виде простых аналитических выражений решения (Е₁, τ, f, s₁) были далее оптимизированы путем варьирования влияющих на них указанных управляющих параметров w, r_f и Н. В результате был найден ряд новых режимов ЛФР, обеспечивающих в дополнение к улучшенной гладкости другие перечисленные выше положительные результаты - высокую энергоэффективность и производительность процесса ЛФР Ω, и/или высокую (в том числе - рекордно высокую) скорость ЛФР u, и/или возможность ЛФР лазерным пучком очень малой средней мощности Р (от одной до нескольких сотен милливатт) с получением, тем не менее, приемлемой для практических применений немалой скорости разделения.6. After such successful testing, the solutions (E ₁ , τ, f, s ₁ ) found in the form of simple analytical expressions were further optimized by varying the specified control parameters w, r _f and H influencing them. As a result, a number of new LPR modes were found , providing in addition to improved smoothness the other positive results listed above - high energy efficiency and productivity of the LPR process Ω, and/or high (including record high) LPR speed u, and/or the possibility of LPR with a laser beam of very low average power P ( from one to several hundred milliwatts) obtaining, however, a considerable separation rate acceptable for practical applications.

Недостатком указанной работы является то, что анализ условий получения гладкого разделения был выполнен детально для режима СФОИ. Однако на практике более широко распространен другой режим, когда используется создание филамента цугом импульсов (СФЦИ), и нет перекрытия филаментов по радиусам. Такой режим облучения имеет то преимущество, что за счет большого числа импульсов в цуге позволяет обеспечить значительно большую энергию для создания филамента, что в сочетании с указанными выше методами создания длинных филаментов дает возможность оптической накачки гораздо более длинного (по сравнению с упомянутым режимом СФОИ) филамента, прерывистого или непрерывного, до достаточной для разделения объемной плотности энергии. Такое отличие СФЦИ от СФОИ важно для резки толстых материалов, например, толщиной, 7-10 мм и более. При этом режим СФЦИ характеризуется не четырьмя (как в случае СФОИ), а, как указывалось выше, гораздо большим числом параметров излучения, к которым относятся, например, такие новые параметры, как энергия E_burst цуга импульсов в материале, энергии E_0i отдельных импульсов цуга (i=1,2,… N_p, где N_p - число импульсов в цуге), частота повторения f_burst цугов, шаг следования s₁ филаментов в материале, длительность τ_burst цуга в целом, временной интервал Δt между импульсами в цуге и их количество N_p в цуге. Одна из идей предлагаемого здесь способа состоит в том, что большее число параметров излучения при использовании режима СФЦИ позволяет получить большее число степеней свободы в управлении процессом ЛФР и за счет этого, возможно, позволит также улучшить гладкость разделения. Забегая вперед отметим, что, как будет показано ниже, режим СФЦИ расширяет класс материалов, для которых возможно получение разделения с улучшенной гладкостью - ими оказываются не только закаленные стекла, как в случае СФОИ, но и незакаленные стекла, а также и другие материалы.The disadvantage of this work is that the analysis of the conditions for obtaining smooth separation was performed in detail for the SFOI mode. However, in practice, another mode is more widely used, when filament creation by a pulse train (PFTI) is used, and there is no overlap of filaments along the radii. This irradiation mode has the advantage that, due to the large number of pulses in the train, it makes it possible to provide significantly greater energy for creating a filament, which, in combination with the above methods for creating long filaments, makes it possible to optically pump a much longer (compared to the mentioned SFOI mode) filament , intermittent or continuous, until sufficient to separate the volumetric energy density. This difference between SFTSI and SFOI is important for cutting thick materials, for example, 7-10 mm thick or more. In this case, the SFCI mode is characterized not by four (as in the case of SFOI), but, as mentioned above, by a much larger number of radiation parameters, which include, for example, such new parameters as the energy E _burst of a pulse train in the material, the energy E _0i of individual pulses train (i=1,2,… N _p , where N _p is the number of pulses in the train), repetition rate f _burst of trains, repetition pitch s ₁ of filaments in the material, duration τ _burst of the train as a whole, time interval Δt between pulses in the train and their number N _p in the train. One of the ideas of the method proposed here is that a larger number of radiation parameters when using the SFCI mode allows one to obtain a greater number of degrees of freedom in controlling the LPR process and, due to this, may also improve the smoothness of the separation. Looking ahead, we note that, as will be shown below, the SFOI mode expands the class of materials for which it is possible to obtain separation with improved smoothness - these include not only tempered glass, as in the case of SFOI, but also non-tempered glass, as well as other materials.

Известны также несколько лазерных устройств с варьируемыми параметрами облучения с целью их подбора для улучшения тех или иных результатов обработки. При этом наиболее близким к предлагаемому в данном патенте устройству является предлагаемый фирмой Coherent лазерный источник "Monaco SmartCleave 1035-80-60" (www.coherent,com), который имеет энергию импульса 80 мкДж, частоту повторения более 188 кГц и длительность импульсов от менее 350 фс до 10 пс. Как можно судить из очень краткого описания [Industrial Laser Solutions, March-April 2018, www.industrial- lasers.com. а также G. Oulundsen, J. van Nunen, and M. Laha. Industrial Laser Solutions, pp. 21-23, July/August 2019] указанный лазер при длительности импульса 350 фс и средней мощности 40 Вт с помощью создания филаментов позволяет получить разделение слоистой системы из пленки полиимида толщиной 20 мкм на стекле толщиной 500 мкм с шероховатостью боковых стенок разделения<0.35 мкм. Тип стекла, величина скорости перемещения пучка, частота повторения цугов и шаг следования филаментов, а также физические основы процесса и другие его подробности в указанном сообщении компании не указываются. Недостатками описанного результата, судя по указанным в приведенном примере параметрам шероховатости и микрофотографиям боковых стенок реза, является их сравнительно невысокая гладкость (>0.1 мкм). Также остается неизвестным, каким образом подбираются параметры облучения для улучшения тех или иных технических результатов обработки. Кроме того, с точки зрения предлагаемого нами здесь способа к другим недостаткам можно отнести то, что данный лазер работает лишь на одной длине волны излучения (1.035 мкм), число импульсов в цуге (4 имп/цуг) недостаточно для получения резки с улучшенной гладкостью дисплейного стекла и сапфира, средняя мощность лазера (60 Вт) недостаточна для резки сапфира с высокой частотой повторения, а также стекол с толщиной более 1 мм.There are also several known laser devices with variable irradiation parameters in order to select them to improve certain processing results. In this case, the closest device to the device proposed in this patent is the laser source "Monaco SmartCleave 1035-80-60" (www.coherent,com) offered by Coherent, which has a pulse energy of 80 μJ, a repetition rate of more than 188 kHz and a pulse duration of less than 350 fs to 10 ps. As can be judged from a very brief description [Industrial Laser Solutions, March-April 2018, www.industrial-lasers.com. and G. Oulundsen, J. van Nunen, and M. Laha. Industrial Laser Solutions, pp. 21-23, July/August 2019] the specified laser with a pulse duration of 350 fs and an average power of 40 W by creating filaments makes it possible to obtain separation of a layered system from a polyimide film with a thickness of 20 μm on glass with a thickness of 500 μm with a roughness of the side walls of the separation <0.35 μm. The type of glass, the speed of beam movement, the repetition rate of the trains and the pitch of the filaments, as well as the physical basis of the process and its other details are not indicated in the company’s message. The disadvantages of the described result, judging by the roughness parameters indicated in the example given and micrographs of the side walls of the cut, are their relatively low smoothness (>0.1 µm). It also remains unknown how irradiation parameters are selected to improve certain technical processing results. In addition, from the point of view of the method we propose here, other disadvantages include the fact that this laser operates only at one radiation wavelength (1.035 μm), the number of pulses in a train (4 pulses/train) is not enough to obtain cutting with improved smoothness of the display glass and sapphire, the average laser power (60 W) is insufficient to cut sapphire with a high repetition rate, as well as glasses with a thickness of more than 1 mm.

Известен также волоконный лазерный источник "Antaus (Avesta) 10W-2μ/5M" от ООО «Авеста-Проект», г. Троицк, РФ, www.avesta.ru. также имеющий варьируемые параметры облучения. Здесь к недостаткам можно отнести то, что способ подбора параметров облучения для улучшения тех или иных результатов обработки (в обсуждаемом нами случае - ЛФР) неизвестен, а данные о гладкости получаемых стенок разделения не сообщаются. Кроме того, с точки зрения предлагаемого способа данный лазер имеет крайне ограниченную перестройку длины волны (1.03-1.05 мкм). Также средняя мощность лазера (около 10 Вт), энергия цуга импульсов (до 12 мкДж) и энергия отдельного импульса цуга (до 2 мкДж) малы и недостаточны для резки с высокой скоростью сапфира, а также стекол с толщиной более 1 мм.The fiber laser source "Antaus (Avesta) 10W-2μ/5M" from Avesta-Project LLC, Troitsk, Russian Federation, www.avesta.ru is also known. also having variable irradiation parameters. Here, the disadvantages include the fact that the method for selecting irradiation parameters to improve certain processing results (in the case we are discussing - LFR) is unknown, and data on the smoothness of the resulting separation walls is not reported. In addition, from the point of view of the proposed method, this laser has an extremely limited wavelength tuning (1.03-1.05 μm). Also, the average laser power (about 10 W), the energy of a pulse train (up to 12 μJ) and the energy of an individual train pulse (up to 2 μJ) are small and insufficient for high-speed cutting of sapphire, as well as glasses with a thickness of more than 1 mm.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Техническими результатами заявленного изобретения являются:The technical results of the claimed invention are:

1) Улучшенная гладкость образующихся боковых стенок разделения, повышенная энергоэффективность ЛФР для широкого разнообразия материалов;1) Improved smoothness of the resulting side walls of separation, increased energy efficiency of LPR for a wide variety of materials;

2) Высокая скорость ЛФР, или возможность выполнения ЛФР лазерным пучком очень малой средней лазерной мощности (от долей Вт) с получением приемлемой для применений немалой скорости разделения при использовании режима создания каждого филамента цугом импульсов (режима СФЦИ);2) High speed of LPR, or the possibility of performing LPR with a laser beam of very low average laser power (from fractions of a W) with obtaining a considerable separation speed acceptable for applications when using the mode of creating each filament in a pulse train (SFCI mode);

3) Устройства, реализующие указанное усовершенствование процесса, для материалов с соответственно малыми (50-750 мкм) и большими (около 7-10 мм) толщинами, а также для материалов с кривизной поверхности.3) Devices that implement the specified process improvement, for materials with respectively small (50-750 microns) and large (about 7-10 mm) thicknesses, as well as for materials with surface curvature.

Эти технические результаты достигаются тем, что предлагаемый здесь способ раскрывает последовательность действий для количественного нахождения 14 параметров облучения, обеспечивающих указанные технические результаты для ЛФР в режиме СФЦИ. При этом принцип действия упомянутых устройств основан на настройке в них параметров облучения согласно предлагаемому способу. Количественное нахождение параметров построено на основе решения системы из 30 уравнений и неравенств, связывающей искомые параметры облучения при математическом описании совокупности многочисленных физических условий необходимых для получения разделения с улучшенной гладкостью. Эти условия подробно описываются ниже в разделе «Обоснование условий достижения технических результатов».These technical results are achieved by the fact that the method proposed here discloses a sequence of actions for quantitatively finding 14 irradiation parameters that provide the specified technical results for LFR in the SFC mode. In this case, the principle of operation of the mentioned devices is based on adjusting the irradiation parameters in them according to the proposed method. The quantitative determination of the parameters is based on solving a system of 30 equations and inequalities that connects the desired irradiation parameters with a mathematical description of the set of numerous physical conditions necessary to obtain separation with improved smoothness. These conditions are described in detail below in the section “Justification of the conditions for achieving technical results.”

Отличие данного способа от упомянутого выше прототипа [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] состоит в том, что в данном способе с целью большей гибкости процесса ЛФР используется широко распространенный на практике режим СФЦИ, но не режим СФОИ, как это было в указанном прототипе. Этот режим (СФЦИ) характеризуется гораздо большим числом параметров излучения (см. Фиг. 7), что требует использовать для него иные методы усовершенствования процесса ЛФР. Кроме того, данный режим создает возможности расширения класса материалов, для которых возможно получение разделения с улучшенной гладкостью - это не только закаленные стекла, как в случае СФОИ, но и незакаленные стекла, а также и другие материалы. Также режим СФЦИ создает возможности резки гораздо более толстых материалов, чем в режиме СФОИ (например, толщиной 7-10 мм и более вместо толщин менее 1 мм для СФОИ).The difference between this method and the above-mentioned prototype [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] is that in this method, for the purpose of greater flexibility of the LPR process, the SFCI mode, which is widely used in practice, is used, but not the SFOI mode, as was the case in the specified prototype. This mode (SFCI) is characterized by a much larger number of radiation parameters (see Fig. 7), which requires the use of other methods for improving the LPR process. In addition, this mode creates the possibility of expanding the class of materials for which it is possible to obtain separation with improved smoothness - these are not only tempered glasses, as in the case of SFOI, but also non-tempered glasses, as well as other materials. Also, the SFOI mode creates the possibility of cutting much thicker materials than in the SFOI mode (for example, a thickness of 7-10 mm or more instead of thicknesses less than 1 mm for SFOI).

Для достижения указанных технических результатов в качестве материалов, подвергаемых разделению данным способом, могут быть использованы разнообразные аморфные или кристаллические оптически прозрачные материалы (в том числе твердые или сверхтвердые, резка которых традиционными механическими методами крайне медленна и трудоемка) – химически закаленные стекла, дисплейные стекла, сапфир, автомобильное стекло, окна исследовательских камер высокого или низкого давления, планарные световоды, прозрачные стаканы и полые цилиндры, художественные изделия, а также такие материалы, как алмаз, ситалл, керамики, карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), селенид цинка (ZnSe), сульфид цинка (ZnS), хлорид натрия (KCl), бромид калия (KBr), фторид кальция (CaF₂), фторид бария (BaF₂), фторид магния (MgF₂), фторид лития (LiF).To achieve the specified technical results, a variety of amorphous or crystalline optically transparent materials (including hard or superhard materials, the cutting of which by traditional mechanical methods is extremely slow and labor-intensive) can be used as materials subjected to separation by this method - chemically tempered glass, display glass, sapphire, automotive glass, high and low pressure research chamber windows, planar light guides, transparent beakers and hollow cylinders, art objects, and materials such as diamond, glass-ceramics, ceramics, silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), selenide zinc (ZnSe), zinc sulfide (ZnS), sodium chloride (KCl), potassium bromide (KBr), calcium fluoride (CaF ₂ ), barium fluoride (BaF ₂ ), magnesium fluoride (MgF ₂ ), lithium fluoride (LiF).

При этом для достижения указанных технических результатов могут быть использованы импульсно-периодические лазерные устройства, способные генерировать цуги близко расположенных во времени фемтосекундных либо пикосекундных импульсов, с длиной волны излучения в пределах области прозрачности материала, например, для кварцевого стекла в диапазоне 0.2-2.3 мкм, предпочтительно - в диапазоне 0.5-1.1 мкм, для получения тех или иных указанных технических результатов имеющие техническую возможность независимой настройки следующих характерных для режима облучения цугами импульсов параметров: энергии E_burst цуга импульсов, энергии Е₀ отдельных импульсов цуга, частоты повторения цугов f_burst, шага следования s₁ филаментов в материале, длительности τ_burst цуга в целом, временного интервала следования импульсов в цуге Δt, длительности τ отдельного импульса цуга, числа импульсов N_p в цуге, скорости и относительного перемещения лазерного пучка и материала, средней мощности лазерного излучения в материале Р, а также длины волны лазерного излучения λ, радиуса r_f и длины Н филамента, с тем чтобы реализовать те или иные их согласования друг с другом в зависимости от того или иного конкретного материала той или иной толщины согласно предлагаемому способу. Конкретные примеры применения способа для настройки параметров облучения описаны ниже в разделе «Примеры осуществления изобретения» для ЛФР химически закаленного стекла Corning Gorilla Glass малой (50-750 мкм) и большой (7-10 мм) толщины (см. Табл. 3), а также для тонких пластин дисплейного стекла Eagle XG@Display Glass и сапфира (Табл. 4), при воздействии лазерным излучением с длиной волны 0.52 мкм, либо 1.04 мкм. При этом указаны конкретные величины всех необходимых для задания ЛФР параметров облучения.In this case, to achieve the specified technical results, pulse-periodic laser devices can be used, capable of generating trains of femtosecond or picosecond pulses closely spaced in time, with a radiation wavelength within the transparency region of the material, for example, for quartz glass in the range of 0.2-2.3 μm, preferably in the range of 0.5-1.1 microns, in order to obtain certain specified technical results, having the technical ability to independently adjust the following parameters characteristic of the pulse train irradiation mode: energy E _burst of a pulse train, energy E ₀ of individual pulses of a train, repetition rate of trains f _burst , step of repetition s ₁ of filaments in the material, duration τ _burst of the train as a whole, time interval of repetition of pulses in the train Δt, duration τ of an individual pulse of the train, number of pulses N _p in the train, speed and relative movement of the laser beam and material, average power of laser radiation in material P, as well as the wavelength of laser radiation λ, radius r _f and length H of the filament, in order to realize one or another of their coordination with each other depending on a particular material of one thickness or another according to the proposed method. Specific examples of using the method for adjusting irradiation parameters are described below in the section “Examples of the invention” for LPR of chemically tempered Corning Gorilla Glass of small (50-750 μm) and large (7-10 mm) thickness (see Table 3), and also for thin plates of display glass Eagle XG@Display Glass and sapphire (Table 4), when exposed to laser radiation with a wavelength of 0.52 µm or 1.04 µm. At the same time, specific values of all irradiation parameters necessary to set the LPR are indicated.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF DRAWINGS

Фиг. 1-6 - чертежи, иллюстрирующие известный уровень техники (см. раздел «УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ»).Fig. 1-6 are drawings illustrating the prior art (see section “BACKGROUND OF THE ART”).

Фиг. 7 разъясняет обозначения параметров, используемых при описании способа и относящихся к отдельному филаменту 10, создаваемому цугом импульсов. Филамент упрощенно представляется в модели как цилиндр радиуса r_f на уровне 1/е в приближении гауссова распределения ОПЭ w филамента по радиусу, но с равномерным распределением w по длине Н этого цилиндра. E_burst - энергия цуга импульсов в материале, Е₀ - средняя энергия одного импульса из цуга в материале, Е_р - энергия плазмы филамента, λ - длина волны лазерного излучения, временные параметры цуга импульсов τ, Δt, τ_burst, N_p, f_burst объяснены на Фиг. 4б. Возможны схемы облучения, когда материал 5 перемещается под лазерным пучком 4 при помощи трехкоординатного xyz-столика, и/или когда при помощи аналогичного трехкоординатного xyz-столика перемещается система фокусировки 3 лазерного пучка.Fig. 7 explains the designations of the parameters used in the description of the method and related to the individual filament 10 created by the pulse train. The filament is simplified in the model as a cylinder of radius r _f at the level 1/e in the approximation of a Gaussian distribution of the OPE w of the filament along the radius, but with a uniform distribution of w along the length H of this cylinder. E _burst - energy of a pulse train in the material, E ₀ - average energy of one pulse from a train in the material, E _p - filament plasma energy, λ - wavelength of laser radiation, time parameters of the pulse train τ, Δt, τ _burst , N _p , f _burst are explained in Fig. 4b. Irradiation schemes are possible when the material 5 is moved under the laser beam 4 using a three-coordinate xyz stage, and/or when the laser beam focusing system 3 is moved using a similar three-coordinate xyz stage.

Фиг. 8 показывает для режима СФОИ последовательность распада во времени энергии лазерного импульса в материале Е₁ на 8 компонент при ЛФР прозрачного материала: Е_р - энергия накачки плазмы филамента, E_S+T - энергия потерь на рассеяние и прохождение луча сквозь материал, E'_p - энергия плазмы филамента за вычетом потерь энергии E_dis на диссоциацию, E_tw - энергия, уносимая из филамента тепловой волной, E_sw - энергия, уносимая ударной волной, Q - тепло, выделяемое в материале, E_trad - потеря энергии филамента из-за его теплового излучения в полосе прозрачности холодного материала вокруг него. Характерные временные масштабы t_E, t_P1, t_P2 и t_T1 определяются в «Списке обозначений». Показан случай t_E<t_P1, t_P2 и t_T1. Аналогичная схема распада применяется и для режима СФЦИ.Fig. 8 shows for the SFOI mode the sequence of decay in time of the laser pulse energy in the material E ₁ into 8 components with LPR of a transparent material: E _p - pumping energy of the filament plasma, E _{S + T} - energy of losses due to scattering and passage of the beam through the material, E' _p - filament plasma energy minus energy loss E _dis due to dissociation, E _tw - energy carried away from the filament by a thermal wave, E _sw - energy carried away by a shock wave, Q - heat released in the material, E _trad - filament energy loss due to its thermal radiation in the band of transparency of the cold material around it. The characteristic time scales t _E , t _P1 , t _P2 and t _T1 are defined in the “Notation List”. The case shown is t _E <t _P1 , t _P2 and t _T1 . A similar decay scheme is used for the SFCI mode.

Фиг. 9 показывает два энергетических потока, обусловленных теплопроводностью (Ф₂) и тепловым излучением (Ф₂), которые вызывают показанный на Фиг. 8 распад энергии E_tw на компоненты Q (за счет Ф₁) и E_trad (за счет Ф₂). За показательный радиус, на котором выполняется сравнение Ф₁ и Ф₂, выбирается r=r_1/2 от оси филамента, т.е. сравнение Ф₁(r=r_1/2) и Ф₂(r=r_1/2). На этом радиусе нагрев уменьшается вдвое по сравнению с нагревом на оси ΔТ₀=(Т₀-T_i) и составляет 0.5ΔT₀.Fig. 9 shows two energy flows due to thermal conductivity (Φ ₂ ) and thermal radiation (Φ ₂ ) that cause the flow shown in FIG. 8 decay of energy E _tw into components Q (due to Ф ₁ ) and E _trad (due to Ф ₂ ). For the exponential radius at which the comparison of Ф ₁ and Ф ₂ is performed, r=r _1/2 from the filament axis is selected, i.e. comparison of Ф ₁ (r=r _1/2 ) and Ф ₂ (r=r _1/2 ). At this radius, heating is halved compared to heating on the axis ΔT ₀ = (T ₀ -T _i ) and amounts to 0.5ΔT ₀ .

Фиг. 10 показывает эффект возникновения в плоскости 16 (π) поперечного сечения набора филаментов вытянутой непрерывной овальной области 21 внутри изотермы 22 Т=T_strain (T_strain - точка стеклования материала, выше которой, т.е. в области 21, увеличение объема материала с температурой, как известно, резко возрастает). Показано также влияние частоты повторения цугов импульсов f_burst на форму и размеры этого теплового клина. В области 21 материал нагрет до температур не менее T_strain. Эта область подобно клину, распирающему материал, следует за движением пучка относительно материала в направлении 8 с отставанием в один или несколько шагов следования филаментов s₁. 10 указывает местоположения филаментов с шагом следования s₁, созданных движущимся вдоль оси х пучком. L_hot обозначает длину непрерывной области 21 в направлении движения пучка относительно материала в пределах изотермы 22 Т= T_strain. Стрелка 20 показывает приход очередного цуга импульсов и создание им последнего по времени филамента. 23 - след из материала с модификацией не ниже критической для получения разделения, остающийся после прохождения области 21 по материалу. 24 - замороженные в материале растягивающие напряжения, остающиеся при охлаждении дорожки 23 модифицированного материала и вызывающие механическое ослабление материала вдоль нее, а также способствующие применяемому после выполнения облучения механическому раскалыванию материала вдоль этой дорожки. Фиг. 10а и Фиг. 10б соответствуют применению различных частот повторения цугов - соответственно (здесь f₁ - нижний предел высокочастотного диапазона частот повторения цугов f_burst>/f₁). Как видно, с ростом f_burst указанная овальная область 21 приобретает более вытянутую форму. Для сравнения, в низкочастотном диапазоне, f_burst≤f₂, указанная овальная область 21 не возникает (зависимость частотных пределов f₁ и f₂ от шага следования филаментов см. ниже в тексте). Сильно вытянутая форма такой сингулярной области воздействия в материале может, как известно из литературы, являться существенным концентратором и усилителем растягивающих напряжений на переднем и заднем сужающихся кончиках этой области. Поэтому в данном случае такой тепловой клин может вызывать, как показано на Фиг. 10б, микротрещины 25 в твердом материале вблизи ее переднего кончика преимущественно в направлении движения пучка, либо вблизи этого направления. При возрастании частоты повторения цугов от f_burst≈f₁ (Фиг. 10а) до f_burst≈3f₁ (Фиг. 10б) и более высоких f_burst такое явление может стать опасным вследствие риска распространения от микротрещин на переднем кончике более многочисленных и более протяженных вперед трещин 26, которые могут существенно отклоняться от направления 8 движения пучка и приводить тем самым к потере управляемости направлением раскалывания. Во избежание этого явления предпочтительно ограничение частот f_burst вблизи f₁, т.е. например, как f_burst≈(1-3)f₁, когда аспектное отношение данной овальной области 21, а вместе с ним и усиление растягивающих напряжений впереди ее переднего кончика, не чрезмерно велики.Fig. 10 shows the effect of the appearance in the plane 16 (π) of the cross section of a set of filaments of an elongated continuous oval region 21 inside the isotherm 22 T=T _strain (T _strain is the glass transition point of the material, above which, i.e. in region 21, the volume of the material increases with temperature , as is known, increases sharply). The influence of the pulse train repetition frequency f _burst on the shape and dimensions of this thermal wedge is also shown. In region 21, the material is heated to temperatures not less than T _strain . This region, like a wedge pushing the material apart, follows the movement of the beam relative to the material in direction 8 with a lag of one or several filament steps s ₁ . 10 indicates the locations of filaments with a following step s ₁ created by a beam moving along the x axis. L _hot denotes the length of the continuous region 21 in the direction of movement of the beam relative to the material within the isotherm 22 T= T _strain . Arrow 20 shows the arrival of the next pulse train and the creation of the last filament in time. 23 - a trace of material with a modification not lower than critical for obtaining separation, remaining after passing area 21 through the material. 24 - tensile stresses frozen in the material, remaining when the track 23 of the modified material is cooled and causing mechanical weakening of the material along it, as well as contributing to the mechanical splitting of the material along this track used after irradiation. Fig. 10a and Fig. 10b correspond to the use of different train repetition frequencies - accordingly (here f ₁ is the lower limit of the high-frequency range of train repetition frequencies f _burst >/f ₁ ). As can be seen, with increasing f _burst, the specified oval region 21 acquires a more elongated shape. For comparison, in the low-frequency range, f _burst ≤f ₂ , the specified oval region 21 does not appear (the dependence of the frequency limits f ₁ and f ₂ on the filament pitch, see below in the text). The highly elongated shape of such a singular area of influence in the material can, as is known from the literature, be a significant concentrator and amplifier of tensile stresses at the front and rear tapering tips of this area. Therefore, in this case, such a thermal wedge can cause, as shown in FIG. 10b, microcracks 25 in solid material near its front tip, predominantly in the direction of beam movement, or near this direction. As the repetition rate of trains increases from f _burst ≈f ₁ (Fig. 10a) to f _burst ≈3f ₁ (Fig. 10b) and higher f _bursts , this phenomenon can become dangerous due to the risk of microcracks at the front tip spreading to more numerous and more extended forward cracks 26, which can significantly deviate from the direction 8 of the beam movement and thereby lead to loss of controllability of the splitting direction. To avoid this phenomenon, it is preferable to limit the frequencies f _burst near f ₁ , i.e. for example, as f _burst ≈(1-3)f ₁ , when the aspect ratio of a given oval region 21, and with it the increase in tensile stresses in front of its anterior tip, are not excessively large.

Фиг. 11 поясняет ограничение на величину локальных радиусов кривизны R₁ и R₂ криволинейной траектории 27 резки в плоскости 16 (π) поперечного сечения филаментов. Показаны несколько положений на траектории 27 упомянутой на Фиг. 10 овальной области 21 критического для разделения нагрева на этой траектории. L_hot - длина этой области. Как следует из рисунка, при выполнении ограничения R₁, R₂>>L_hot овальная область 21 при каждом ее положении на криволинейной траектории 27, автоматически, без каких-либо дополнительных ухищрений, в отличие от описанного в «Уровне техники» патента [F. Hendrics and V.V. Matylitsky. Processing of material using non-circular laser beams. Patent WO 2016/005455 A1], т.е. без формирования вытянутого каждого отдельного лазерного пятна, следует за направлением касательной к указанной криволинейной траектории 27, обеспечивая тем самым и направленное вдоль касательной растрескивание. Механизм происхождения овальной области нагрева 21 поясняется на Фиг. 10.Fig. 11 explains the limitation on the value of the local radii of curvature R ₁ and R ₂ of the curvilinear cutting path 27 in the plane 16 (π) of the cross section of the filaments. Several positions are shown along the path 27 mentioned in FIG. 10 oval area 21 critical for heat separation along this trajectory. L _hot is the length of this area. As follows from the figure, when the constraint R ₁ , R ₂ >>L _hot is met, the oval area 21 at each of its positions on the curved path 27, automatically, without any additional tricks, in contrast to the patent described in the “State of the Art” [F . Hendriks and VV Matylitsky. Processing of material using non-circular laser beams. Patent WO 2016/005455 A1], i.e. without forming an elongated each individual laser spot, follows the direction of the tangent to the specified curvilinear trajectory 27, thereby ensuring cracking directed along the tangent. The mechanism of origin of the oval heating region 21 is explained in FIG. 10.

Фиг. 12 показывает последовательность количественного нахождения параметров облучения, предпочтительных для получения ЛФР с улучшенной гладкостью разделения при использовании режима СФЦИ. Указаны 5 последовательных стадий (1-5) выполнения этого алгоритма для нахождения 12 неизвестных параметров режима СФЦИ энергии цуга в целом E_burst, шага следования филаментов s₁, числа импульсов в цуге N_p, средней энергии единичного импульса в цуге Е₀, частоты повторения цугов импульсов f_burst, длительности отдельного импульса в цуге τ, длительности цугов импульсов в целом Tburst, временного интервала между импульсами в цуге Δt, средней лазерной мощности Р в материале, скорости u относительного перемещения лазерного пучка и материала, энергоэффективности Ω процесса ЛФР и объемной плотности энергии филамента w. Вместе с 2 входными параметрами, радиусом r_f и длиной филамента Н, указанные в общей сложности 14 параметров полностью задают процесс ЛФР в режиме СФЦИ. Значения остальных параметров на данной схеме указаны в «Списке обозначений» в тексте. Количество указанных стадий и границы между ними в данной схеме достаточно условны и приводятся лишь для придания обширному массиву вводных, свободно выбираемых и рассчитываемых параметров удобной для анализа структуры.Fig. 12 shows the sequence of quantitative determination of irradiation parameters preferable for obtaining LPR with improved smoothness of separation when using the SFCI mode. 5 consecutive stages (1-5) of executing this algorithm are indicated to find 12 unknown parameters of the FCI mode, the energy of the train as a whole E _burst , the filament repetition step s ₁ , the number of pulses in the train N _p , the average energy of a single pulse in the train E ₀ , the repetition frequency pulse trains f _burst , duration of an individual pulse in a train τ, duration of pulse trains as a whole Tburst, time interval between pulses in a train Δt, average laser power P in the material, speed u of the relative movement of the laser beam and material, energy efficiency Ω of the LPR process and volume density filament energy w. Together with 2 input parameters, radius r _f and filament length H, the indicated total of 14 parameters completely define the LPR process in the SFCI mode. The values of the remaining parameters in this diagram are indicated in the “List of Designations” in the text. The number of indicated stages and the boundaries between them in this scheme are quite arbitrary and are given only to give the vast array of input, freely selectable and calculated parameters a structure convenient for analysis.

Фиг. 13 показывает схему устройства разделения с помощью предлагаемого способа для неплоских прозрачных и полупрозрачных материалов в виде фигур вращения - цилиндрической трубки, волокна, сфероида, эллипсоида, гиперболоида и других рельефов. В отличие от элементов и модулей, упоминавшихся выше для уровня техники на Фиг. 1, 2 и 5, данное устройство имеет техническую возможность вращения 31 указанной неплоской детали 5 относительно лазерного пучка 4 вокруг ее оси симметрии 30 за счет применения модуля 29 для крепления и вращения указанной детали с регулируемыми скоростью u, длиной Н и радиусом r_f филамента, энергией цуга в материале E_burst, шагом следования филаментов s₁, числом импульсов в цуге N_p, средней энергией единичного импульса в цуге Е₀, частотой повторения цугов импульсов τ_burst, длительностью отдельного импульса в цуге τ, длительностью цугов импульсов в целом Uurst и временного интервала между импульсами в цуге Δt, которые настраиваются под параметры материала и согласуются друг с другом в соответствии с предлагаемым здесь способом. Указанные параметры рассчитываются и устанавливаются в устройстве «вручную» и/или при помощи блока 28 числового программного управления различными модулями устройства, к которым относятся упомянутые на Фиг. 1 и Фиг. 2 лазерный источник 1, система 3 формирования пучка и его фокусировки, система крепления 6 материала 5 под пучком 4, позволяющая регулировать наклон образца 5 и поворачивать его вокруг вертикальной оси z, трехкоординатный xyz-столик 7 для настройки положения фокуса по координате z в материале 5, а также модуль 29 для крепления и вращения с задаваемой скоростью подвергаемой лазерной обработке детали.Fig. 13 shows a diagram of a separation device using the proposed method for non-planar transparent and translucent materials in the form of rotation figures - a cylindrical tube, fiber, spheroid, ellipsoid, hyperboloid and other reliefs. Unlike the elements and modules mentioned above for the prior art in FIG. 1, 2 and 5, this device has the technical ability to rotate 31 of the specified non-flat part 5 relative to the laser beam 4 around its axis of symmetry 30 through the use of a module 29 for fastening and rotating the specified part with adjustable speed u, length H and radius r _f of the filament, the energy of the train in the material E _burst , the pitch of the filaments s ₁ , the number of pulses in the train N _p , the average energy of a single pulse in the train E ₀ , the repetition rate of the pulse trains τ _burst , the duration of an individual pulse in the train τ, the duration of the pulse trains as a whole Uurst and time interval between pulses in a train Δt, which are adjusted to the material parameters and are consistent with each other in accordance with the method proposed here. These parameters are calculated and set in the device “manually” and/or using a numerical program control unit 28 for various modules of the device, which include those mentioned in FIG. 1 and Fig. 2 laser source 1, system 3 for beam formation and focusing, mounting system 6 for material 5 under beam 4, which allows you to adjust the tilt of the sample 5 and rotate it around the vertical z-axis, three-coordinate xyz stage 7 for adjusting the focus position along the z coordinate in material 5 , as well as a module 29 for fastening and rotating the part subjected to laser processing at a specified speed.

При выборе параметров облучения согласно предлагаемому способу для широкого разнообразия материалов достигают такие технические результаты, как улучшенная гладкость образующихся боковых стенок разделения, повышенная энергоэффективность ЛФР, высокая скорость ЛФР, или возможность выполнения ЛФР лазерным пучком очень малой средней лазерной мощности (от долей Вт) с получением, тем не менее, приемлемой для применений немалой скорости разделения. Кроме того, способ предлагает принцип работы устройств для разделения прозрачных и полупрозрачных материалов с соответственно малыми (50-750 мкм) и большими (около 7-10 мм) толщинами, а также материалов с кривизной поверхности.When choosing irradiation parameters according to the proposed method for a wide variety of materials, technical results are achieved such as improved smoothness of the resulting side walls of separation, increased energy efficiency of LPR, high speed of LPR, or the ability to perform LPR with a laser beam of very low average laser power (from fractions of W) to obtain , however, the separation speed is acceptable for applications. In addition, the method proposes the principle of operation of devices for separating transparent and translucent materials with respectively small (50-750 μm) and large (about 7-10 mm) thicknesses, as well as materials with surface curvature.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Изобретение осуществляется следующим образом. Раскрывается описываемая ниже последовательность количественного определения параметров облучения при ЛФР, которые обеспечивают достижение для широкого разнообразия материалов таких технических результатов, как улучшенная гладкость образующихся боковых стенок разделения, повышенная энергоэффективность ЛФР, высокая скорость ЛФР, или возможность выполнения ЛФР лазерным пучком очень малой средней лазерной мощности (от долей Вт) с получением, тем не менее, приемлемой для применений немалой скорости разделения.The invention is carried out as follows. The sequence described below for the quantitative determination of irradiation parameters during LPR, which ensures the achievement of such technical results for a wide variety of materials as improved smoothness of the resulting side walls of separation, increased energy efficiency of LPR, high speed of LPR, or the ability to perform LPR with a laser beam of very low average laser power ( from fractions of W) obtaining, nevertheless, a considerable separation rate acceptable for applications.

Указанная последовательность количественного определения параметров облучения может быть осуществлена следующим образом. Входными (или вводными) параметрами для выполнения расчета являются радиус r_f и длина филамента Н, которые задаются исходя из экспериментальных потребностей выполнения ЛФР с улучшенной гладкостью для того или иного материала той или иной толщины. При этом для выполнения реального процесса ЛФР r_f и Н могут варьироваться оператором с помощью системы фокусировки и выбора той или иной длины волны лазерного излучения при помощи методов, хорошо известных специалистам в данной области. Параметрами, подлежащими количественному нахождению, являются при этом объемная плотность энергии w филамента, энергия цуга импульсов в материале E_burst, шаг следования филаментов в материале s₁, число импульсов в цуге N_p, средняя энергия отдельных импульсов в цуге Е₀, частота повторения цугов f_burst, энергоэффективность процесса ЛФР Ω, средняя мощность импульсно-периодического лазерного излучения в материале Р, скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала u, длительность цуга τ_burst, временной интервал между соседними импульсами в цуге Δt и длительность отдельного импульса в цуге τ. Указанные в общей сложности 14 параметров однозначно задают процесс ЛФР.The specified sequence of quantitative determination of irradiation parameters can be carried out as follows. The input (or input) parameters for performing the calculation are the radius r _f and the filament length H, which are set based on the experimental needs of performing LPR with improved smoothness for a particular material of a particular thickness. In this case, to carry out the actual process, the LPR r _f and H can be varied by the operator using a focusing system and selecting a particular wavelength of laser radiation using methods well known to specialists in this field. The parameters to be quantitatively determined are the volumetric energy density w of the filament, the energy of the pulse train in the material E _burst , the filament pitch in the material s ₁ , the number of pulses in the train N _p , the average energy of individual pulses in the train E ₀ , the repetition rate of the trains f _burst , energy efficiency of the LPR process Ω, average power of pulse-periodic laser radiation in the material P, speed of relative movement of the laser beam and material u, duration of the train τ _burst , time interval between adjacent pulses in the train Δt and duration of an individual pulse in the train τ. The indicated total of 14 parameters uniquely define the LPR process.

Из многообразия возможных решений предпочтительно используют такие, для которых величина шага следования филаментов s₁ имеет «малую» величину (т.е. в диапазоне s₁≈0.5-К3.5 мкм вместо известных в литературе s₁≈4÷7 мкм), поскольку при уменьшении s₁ шероховатость боковых стенок также имеет тенденцию к уменьшению. Для этого используют малые радиусы r_f филамента, что достигается применением большей числовой апертуры системы фокусировки, и/или более короткой длины волны лазерного излучения (например, λ в диапазоне 0.5-0.55 мкм вместо 1-1.1 мкм), и/или использованием ОПЭ в ограниченном диапазоне w≈(1.8÷2.5)w_dis.From the variety of possible solutions, it is preferable to use those for which the filament pitch s ₁ has a “small” value (i.e. in the range s ₁ ≈0.5-K3.5 μm instead of s ₁ ≈4÷7 μm known in the literature), since as s ₁ decreases, the roughness of the side walls also tends to decrease. For this, small radii r _f of the filament are used, which is achieved by using a larger numerical aperture of the focusing system, and/or a shorter wavelength of laser radiation (for example, λ in the range of 0.5-0.55 μm instead of 1-1.1 μm), and/or using OPE in limited range w≈(1.8÷2.5)w _dis .

Найденные таким образом параметры облучения применяют для практического выполнения процесса ЛФР того или иного прозрачного материала. Наиболее подходят для этого предлагаемые в данном способе 2 устройства для разделения различных материалов с соответственно малыми (50-750 мкм) и большими (около 7-10 мм) толщинами. Отличительной особенностью этих устройств является наличие у них технической возможности независимой настройки указанных выше 14 параметров характерных для режима СФЦИ. В каждом устройстве настройку осуществляют таким образом, что она обеспечивает реализацию количественно найденных данным способом оптимальных параметров процесса и их согласований друг с другом для получения указанных выше усовершенствований процесса ЛФР для того или иного материала той или иной толщины. Более подробно все параметры облучения и их конкретные согласования друг с другом для различных материалов указаны для обоих устройств ниже в Табл. 3 и Табл. 4 в разделе «Примеры осуществления изобретения».The irradiation parameters found in this way are used for the practical implementation of the LPR process of a particular transparent material. The 2 devices proposed in this method for separating different materials with respectively small (50-750 microns) and large (about 7-10 mm) thicknesses are most suitable for this. A distinctive feature of these devices is that they have the technical ability to independently configure the above 14 parameters characteristic of the SFCI mode. In each device, the adjustment is carried out in such a way that it ensures the implementation of the optimal process parameters quantitatively found by this method and their coordination with each other to obtain the above-mentioned improvements in the LPR process for a particular material of a particular thickness. In more detail, all irradiation parameters and their specific coordination with each other for various materials are indicated for both devices below in Table. 3 and Table. 4 in the section “Examples of the invention”.

Практически ЛФР с предлагаемой данным способом настройкой параметров облучения выполняют с использованием двух известных из уровня техники этапов (см. Фиг. 1 и 2): - На первом, подготовительном этапе производят облучение пластины материала пучком импульсно-периодического излучения фемтосекундного (либо пикосекундного) лазера при движении пучка и материала друг относительно друга и создают один или несколько нагретых до высокой температуры протяженных нитеподобных объектов (так называемых филаментов) длиной от нескольких десятков до нескольких тысяч микрон, неперекрывающихся друг с другом по их радиусам, используют создание каждого филамента цугом (группой) импульсов, близко расположенных во времени, путем использования нелинейно-оптического явления самофокусировки, либо за счет использования формируемого коническими линзами бесселева пучка, либо за счет каких-либо иных методов создания в объеме материала области фокусировки протяженной длины (от нескольких десятков мкм до нескольких тысяч мкм) для пучка фемтосекундного, либо пикосекундного лазера, излучающего на длине волны излучения, на которой данный материал прозрачен при низкой лазерной интенсивности в несфокусированном пучке, создают в толще материала один или несколько наборов филаментов, где указанные наборы отличаются друг от друга их различным положением по глубине в материале. Важным и новым здесь является то, что для создания филаментов используют указанные предлагаемым здесь способом 14 параметров облучения: r_f, Н, w, E_burst, Е₀, N_p,f_burst, s₁, T_burst, Δt, τ, u, P и Ω;In practice, LPR with the adjustment of irradiation parameters proposed by this method is performed using two stages known from the prior art (see Figs. 1 and 2): - At the first, preparatory stage, the material plate is irradiated with a beam of pulse-periodic radiation from a femtosecond (or picosecond) laser at movement of the beam and material relative to each other and create one or several extended thread-like objects heated to a high temperature (so-called filaments) with a length from several tens to several thousand microns, non-overlapping with each other along their radii, using the creation of each filament by a train (group) of pulses , closely located in time, by using the nonlinear optical phenomenon of self-focusing, or through the use of a Bessel beam formed by conical lenses, or through any other methods of creating a focusing region of extended length (from several tens of microns to several thousand microns) in the volume of the material for a femtosecond or picosecond laser beam emitting at a radiation wavelength at which a given material is transparent at low laser intensity in an unfocused beam, one or more sets of filaments are created in the thickness of the material, where these sets differ from each other by their different positions in depth in material. What is important and new here is that to create filaments, the 14 irradiation parameters specified by the method proposed here are used: r _f , H, w, E _burst , E ₀ , N _p , f _burst , s ₁ , T _burst , Δt, τ, u , P and Ω;

- На втором, окончательном этапе после проведения указанного выше облучения выполняют механическое раскалывание пластины (т.е. ее разделение) вдоль поверхности расположения созданных лазерным пучком наборов протяженных плазменных нитей, которое может происходить самопроизвольным образом, или же путем применения дополнительного механического воздействия на упомянутую обрабатываемую пластину в виде растягивающего механического напряжения в зоне материала, в которой расположены указанные выше наборы филаментов.- At the second, final stage, after the above-mentioned irradiation, mechanical splitting of the plate is performed (i.e., its division) along the surface of the arrangement of sets of extended plasma filaments created by the laser beam, which can occur spontaneously, or by applying additional mechanical impact on the said processed plate in the form of tensile mechanical stress in the zone of the material in which the above sets of filaments are located.

Настройку суммарной ширины Н наборов филаментов в устройстве для разделения пластин с малыми (50-750 мкм) толщинами осуществляют путем использования известного нелинейного процесса самопроизвольной самофокусировки в материале высокоинтенсивного лазерного пучка, или же применением фокусировки лазерного пучка за счет использования специальных оптических элементов, таких, как намеренно астигматичная фокусирующая оптика, аксиконы и др. При необходимости увеличения Н примерно до 700-750 мкм используют известные описанные выше в «Уровне техники» методы - мультифокусировку или несколько повторных проходов лазерного пучка по тому же треку, или какие-либо иные методы. В то же время в устройстве для разделения пластин с большими толщинами (около 7-10 мм), где соответственно требуется создание филаментов значительно большей длины (в несколько миллиметров), для этого применяют фокусировку лазерного пучка с помощью конических линз (аксиконов) 16 и гаусс-бесселевых пучков.Adjustment of the total width H of sets of filaments in a device for separating plates with small (50-750 μm) thicknesses is carried out by using the known nonlinear process of spontaneous self-focusing in the material of a high-intensity laser beam, or by using laser beam focusing through the use of special optical elements, such as intentionally astigmatic focusing optics, axicons, etc. If it is necessary to increase H to approximately 700-750 μm, the well-known methods described above in the “State of the Art” are used - multifocusing or several repeated passes of the laser beam along the same track, or some other methods. At the same time, in a device for separating plates with large thicknesses (about 7-10 mm), which accordingly requires the creation of filaments of much greater length (several millimeters), for this purpose, laser beam focusing is used using conical lenses (axics) 16 and Gauss -Bessel beams.

Оба указанных устройства при использовании в них указанного способа количественного нахождения параметров облучения могут включать получение как прямолинейных, так и криволинейных резов, либо замкнутых резов в зависимости от задаваемой траектории движения лазерного пучка относительно материала, при условии, что минимальный радиус кривизны R_c не менее, чем на порядок величины превосходит длину L_hot овальной области 21 критического для разделения материала нагрева, возникающей при высоких частотах повторения цугов, т.е. R_c>>L_hot - см. подробнее ниже в разделе «Обоснование условий достижения технических результатов», а также Фиг. 11.Both of these devices, when using the specified method of quantitative determination of irradiation parameters, can include obtaining both rectilinear and curved cuts, or closed cuts, depending on the specified trajectory of the laser beam relative to the material, provided that the minimum radius of curvature R _c is not less than which is an order of magnitude greater than the length L _hot of the oval region 21, critical for the separation of the heating material, which occurs at high frequencies of repetition of the trains, i.e. R _c >>L _hot - see more details below in the section “Justification of the conditions for achieving technical results”, as well as Fig. eleven.

Указанные устройства при использовании в них предлагаемого способа количественного нахождения параметров облучения могут также включать техническую возможность резки детали, имеющей неплоскую поверхность в виде фигуры вращения, путем вращения этой детали относительно лазерного пучка вокруг ее оси симметрии (см. Фиг. 13). При этом скорость вращения выбирают так, чтобы скорость относительного перемещения и лазерного пучка и материала совпадала с ее величиной согласно предлагаемому в данном патенте алгоритму вычисления параметров для того или иного материала той или иной толщины.These devices, when using the proposed method for quantitatively determining irradiation parameters, may also include the technical ability to cut a part having a non-flat surface in the form of a figure of revolution by rotating this part relative to the laser beam around its axis of symmetry (see Fig. 13). In this case, the rotation speed is chosen so that the speed of relative movement of both the laser beam and the material coincides with its value according to the algorithm proposed in this patent for calculating parameters for a particular material of a particular thickness.

Кроме того, устройство для тонких материалов при использовании в нем указанного способа количественного нахождения параметров облучения может также включать техническую возможность разделения протяженных гибких прозрачных материалов при их перемещении под лазерным пучком «с катушки на катушку» ("roll-to-roll manufacturing").In addition, a device for thin materials, when using the specified method for quantitative determination of irradiation parameters, may also include the technical ability to separate extended flexible transparent materials when they move under a laser beam “from reel to reel” (“roll-to-roll manufacturing”).

ЛФР с применением предлагаемого способа количественного выбора параметров может быть выполнена с использованием многослойной композиции, которая состоит из расположенных друг на друге слоев из одного и того же прозрачного материала, или же включает слои различных прозрачных материалов, твердых и/или жидких, эти слои могут иметь различную толщину, при этом подлежащий разделению слой материала может быть первым в указанной композиции, т.е. обращенным к лазерному пучку, либо последним слоем, т.е. на тыльной стороне указанной многослойной композиции, или же заключен между других слоев.LPR using the proposed method for quantitative selection of parameters can be performed using a multilayer composition, which consists of layers of the same transparent material located on top of each other, or includes layers of various transparent materials, solid and/or liquid, these layers can have different thicknesses, while the layer of material to be separated may be the first in the specified composition, i.e. facing the laser beam, or the last layer, i.e. on the back side of the specified multilayer composition, or enclosed between other layers.

Положение создаваемых в толще материала филаментов для ЛФР с применением предлагаемого способа выбора параметров может быть настроено целиком внутри объема материала, т.е. без выхода филаментов ни на переднюю, ни на заднюю поверхности обрабатываемого образца. За счет этого выброс материала в окружающее пространство в виде паров, капель или твердых осколков отсутствует, тем самым реализуют экологически чистое безабляционное разделение материала с нулевой шириной реза.The position of the filaments created in the thickness of the material for LPR using the proposed method for selecting parameters can be adjusted entirely within the volume of the material, i.e. without filaments coming out either on the front or back surfaces of the processed sample. Due to this, there is no release of material into the surrounding space in the form of vapors, drops or solid fragments, thereby realizing environmentally friendly non-ablative separation of material with zero cutting width.

Если применение параметров, предлагаемых данным способом, а также указанных выше практических мер оказывается все же недостаточным для получения желаемого уровня гладкости боковых стенок разделения, то для повышения предела механической прочности материала на растяжение на передней (обращенной к падающему лазерному пучку) и/или тыльной поверхности материала, и, тем самым, как следует из модели, для искусственного уменьшения на них радиуса зоны нежелательного хаотичного или разнонаправленного растрескивания вокруг каждого филамента вследствие действия термодеформационного механизма формирования зоны воздействия вокруг каждого филамента, используют нанесение на указанные поверхности дополнительного вспомогательного слоя прозрачного материала с высокой жесткостью (модулем Юнга) и высоким пределом прочности на растяжение. В качестве такого материала используют, например, прозрачную графеновую пленку, либо пленку из высокопрочного прозрачного полимера. Положение филамента в толще пластины материала настраивают при этом так, что он не выходит за пределы обрабатываемого образца в область расположения указанного наружного вспомогательного слоя.If the use of the parameters proposed by this method, as well as the above practical measures, is still insufficient to obtain the desired level of smoothness of the side walls of the separation, then to increase the mechanical tensile strength of the material on the front (facing the incident laser beam) and/or rear surface material, and thus, as follows from the model, to artificially reduce the radius of the zone of unwanted chaotic or multidirectional cracking around each filament due to the action of the thermal deformation mechanism of forming an impact zone around each filament, they use the application of an additional auxiliary layer of transparent material with high rigidity (Young's modulus) and high tensile strength. For example, a transparent graphene film or a film made of a high-strength transparent polymer is used as such a material. The position of the filament in the thickness of the material plate is adjusted so that it does not extend beyond the processed sample into the area where the specified outer auxiliary layer is located.

Ниже приводится физическое обоснование условий, обеспечивающих достижение указанных технических результатов.Below is a physical justification of the conditions that ensure the achievement of the specified technical results.

1. ЛФР сложный процесс, зависящий от множества параметров, особенно в режиме СФЦИ, когда для описания процесса ЛФР используется согласно приводимому в тексте «Списку обозначений» более 80 параметров, а для задания режима облучения, в котором каждый филамент создается цугом импульсов, необходимо указать не менее 12 выше упомянутых параметров - w, E_burst, Е₀, N_p, f_burst, s₁, τ_burst, Δt, τ, u, P, Ω, а также и еще 2 управляющих входных параметра - r_f и Н. Поиск методом проб и ошибок в многомерном пространстве параметров области, обеспечивающей тот или иной желаемый положительный результат (улучшенную гладкость, высокую производительность или возможность использования для ЛФР крайне малой средней мощности), является поэтому крайне сложным и трудоемким, не гарантирует нахождения всех возможных, в том числе - наилучших, решений проблемы и не позволяет широко взглянуть на нее за пределы области параметров конкретного имеющегося в распоряжении лазера, не всегда пригодных и достаточных для решения задачи. В этой связи, для такого поиска важно создать и использовать модель процесса ЛФР, которая явится своего рода путеводной нитью в сложном многомерном пространстве параметров для нахождения в нем области параметров оптимальных для получения того иного результата. Такая оригинальная модель для рассматриваемого здесь режима СФЦИ предлагается и используется в данном способе.1. LPR is a complex process that depends on many parameters, especially in the SFCI mode, when more than 80 parameters are used to describe the LPR process according to the “List of Designations” given in the text, and to set the irradiation mode, in which each filament is created by a pulse train, it is necessary to specify at least 12 of the above mentioned parameters - w, E _burst , E ₀ , N _p , f _burst , s ₁ , τ _burst , Δt, τ, u, P, Ω, as well as 2 more control input parameters - r _f and N Searching by trial and error in a multidimensional parameter space for a region that provides one or another desired positive result (improved smoothness, high performance, or the ability to use extremely low average power for LPR) is therefore extremely complex and time-consuming, and does not guarantee finding all possible, in including the best solutions to the problem and does not allow us to take a broad look at it beyond the parameters of the specific laser at our disposal, which are not always suitable and sufficient for solving the problem. In this regard, for such a search, it is important to create and use a model of the LPR process, which will be a kind of guiding thread in the complex multidimensional space of parameters for finding in it the area of parameters that are optimal for obtaining a particular result. Such an original model for the SFCI mode considered here is proposed and used in this method.

Для возможности описания сложного нелинейного физического процесса ЛФР в этой модели используют ряд упрощающих приближений, основанных на экспериментальных наблюдениях - например, приближение о цилиндрической форме филамента, а также так называемый «полуэмпирический подход», при котором для ряда параметров используют их экспериментальные величины вместо расчета этих параметров, который, если вообще возможен, является трудоемким, громоздким и ненадежным по точности. К таким параметрам относятся длина филамента, его поглощательная способность и коэффициенты трансформации лазерной энергии в энергию плазмы филамента, в тепловую волну, в ударную волну и тепловыделение.To be able to describe the complex nonlinear physical process of LPR, this model uses a number of simplifying approximations based on experimental observations - for example, the approximation of the cylindrical shape of the filament, as well as the so-called “semi-empirical approach”, in which for a number of parameters their experimental values are used instead of calculating these parameters, which, if possible at all, is time-consuming, cumbersome and unreliable in accuracy. These parameters include the length of the filament, its absorption capacity and the coefficients of transformation of laser energy into filament plasma energy, into a thermal wave, into a shock wave and heat release.

Для понимания механизма гладкого разделения в модели реализуют сформулированную ранее в ближайшем аналоге [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] концепцию о различных конкурирующих механизмах лазерно-индуцированной модификации и ослабления материала вокруг каждого образующегося филамента - тепловом, термодеформационном и ударно-волновом. При таком подходе получение разделения с улучшенной гладкостью рассматривают как результат доминирования (при определенных условиях) теплового механизма модификации над конкурирующими с ним остальными двумя - термодеформационным и ударно-волновым.To understand the mechanism of smooth separation, the model is implemented previously formulated in the closest analogue [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] concept of various competing mechanisms of laser-induced modification and weakening of the material around each formed filament - thermal, thermal deformation and shock wave. With this approach, obtaining a separation with improved smoothness is considered as a result of the dominance (under certain conditions) of the thermal modification mechanism over the other two competing with it - thermal deformation and shock wave.

Кроме того, используют идею о возможности создания условий (при определенном выборе параметров облучения) для высокоэффективного преобразования энергии лазерного импульса в тепловыделение, локализованное в пределах пространства между соседними филаментами, что, в свою очередь, важно для указанного выше доминирования теплового механизма, а также для получения высокой энергоэффективности ЛФР.In addition, they use the idea of the possibility of creating conditions (with a certain choice of irradiation parameters) for highly efficient conversion of laser pulse energy into heat release localized within the space between adjacent filaments, which, in turn, is important for the above-mentioned dominance of the thermal mechanism, as well as for obtaining high energy efficiency of LFR.

Ключевое значение для понимания механизмов процессов, составляющих ЛФР, имеет раскрываемая в модели последовательность распада во времени энергии лазерного импульса в материале на 8 компонент (см. Фиг. 8 для режима СФОИ). «Включение» или «выключение» во времени тех или иных энергетических компонент и их воздействий на материал определяется упомянутыми выше характерными временными масштабами этого распада t_E, t_P1, t_P2, t_T1, t_T2, t_r и др. (расшифровку начений этих параметров см. ниже при обсуждении формул (1-30)). Такой систематизированный подход в данном случае филамента цилиндрической формы и радиального переноса энергии позволил на основе энергобаланса и схемы распада на Фиг. 8 найти следующие соотношения для используемых в данном способе компонент энергетического распада энергии, уносимой ударной волной E_sw, энергии, уносимой тепловой волной E_tw, и выделяемого в материале тепла Q:Of key importance for understanding the mechanisms of the processes that make up the LPR is the sequence revealed in the model of the time decay of the laser pulse energy in the material into 8 components (see Fig. 8 for the SFOI mode). “Switching on” or “switching off” in time certain energy components and their effects on the material is determined by the above-mentioned characteristic time scales of this decay t _E , t _P1 , t _P2 , t _T1 , t _T2 , _tr , etc. (decoding of values For these parameters, see below when discussing formulas (1-30)). This systematic approach in this case of a cylindrical filament and radial energy transfer allowed, based on the energy balance and decay pattern in Fig. 8 find the following relationships for the components of the energy decay used in this method, the energy carried away by the shock wave E _sw , the energy carried away by the thermal wave E _tw , and the heat released in the material Q:

Здесь обозначает эффективный объем филамента, A_P-H - коэффициент конверсии тепловой энергии от плазмы филамента E_tw в тепло Q. В условиях оптимального выбора w, т.е. при выполнении указанного ниже условия (11) w≤w₁, используют для расчетов по указанным формулам величину A_P-H≈0.9 или более.Here denotes the effective volume of the filament, A _PH is the coefficient of conversion of thermal energy from the filament plasma E _tw into heat Q. Under the conditions of the optimal choice of w, i.e. when the following condition (11) w≤w ₁ is met, the value A _PH ≈0.9 or more is used for calculations using the specified formulas.

2. Для выяснения физических условий достижения лучшей гладкости разделения твердых прозрачных материалов предлагается использовать ранее сформулированную в прототипе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] идею о создании условий для доминирования теплового механизма модификации материала над альтернативными ему ударно-волновым и термодеформационным механизмами. Однако для реализации такого доминирования для рассматриваемого режима СФЦИ предлагается использовать новые способы и иные параметры, чем для рассмотренного в указанном прототипе режима СФОИ.2. To clarify the physical conditions for achieving better smoothness of separation of solid transparent materials, it is proposed to use the previously formulated in the prototype [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] the idea of creating conditions for the dominance of the thermal mechanism of material modification over the alternative shock wave and thermal deformation mechanisms. However, to implement such dominance for the considered SFOI mode, it is proposed to use new methods and other parameters than for the SFOI mode considered in the specified prototype.

2.1 Условие уменьшения влияния ударно-волнового механизма по сравнению с тепловым механизмом для рассматриваемого здесь режима СФЦИ предлагается выполнить путем надлежащего выбора таких новых, не рассмотренных ранее в прототипе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] параметров излучения, присущих режиму СФЦИ, как длительность цуга в целом τ_burst, временной интервал Δt между импульсами в цуге, их количество N_P, в цуге, а также частота повторения цугов f_burst. С этой целью для длительности цуга в целом τ_burst выбирают надлежащий характерный временной масштаб - менее так называемого «времени удержания тепла» в филаменте t_T1, оцениваемого как2.1 The condition for reducing the influence of the shock wave mechanism in comparison with the thermal mechanism for the SFCI mode considered here is proposed to be fulfilled by appropriate selection of such new ones, not previously considered in the prototype [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] radiation parameters inherent in the SFCI mode, such as the duration of the train as a whole τ _burst , the time interval Δt between pulses in the train, their number N _P in the train, as well as the repetition rate of the trains f _burst . For this purpose, for the duration of the train as a whole τ _burst , an appropriate characteristic time scale is chosen - less than the so-called “heat retention time” in the filament t _T1 , estimated as

т.е. Выполнение такого неравенства физически означает, что теплопроводностные потери из филамента за время воздействия цуга τ_burst практически отсутствуют. Это приводит к эффективному суммированию его разогревов последовательными импульсами цуга, тем самым обеспечивается эффективный (без потерь тепла за пределы радиуса филамента) разогрев филамента цугом в целом. Благодаря этому при той же ОПЭ w для режима СФЦИ, что и в режиме СФОИ, радиус R_T зоны модификации за счет теплового механизма остается тем же.those. The fulfillment of this inequality physically means that there are practically no thermal conductivity losses from the filament during the action of the train τ _burst . This leads to the effective summation of its heating by successive pulses of the train, thereby ensuring effective (without heat loss beyond the radius of the filament) heating of the filament by the train as a whole. Due to this, with the same OPE w for the SFCI mode as in the SFOI mode, the radius R _T of the modification zone due to the thermal mechanism remains the same.

Кроме того, для движущегося лазерного пучка также важно выбрать длительность цуга τ_burst много меньше времени прохождения пучком по материалу расстояния порядка радиуса филамента, которое можно поэтому назвать также временем удержания положения пучка:In addition, for a moving laser beam it is also important to choose the train duration τ _burst much less than the time it takes the beam to travel through the material at a distance on the order of the filament radius, which can therefore also be called the beam position holding time:

гдеWhere

- скорость относительного движения лазерного пучка и поверхности материала, т.е. τ_burst<t_r. Выполнение этого условия обеспечивает локализацию вложения энергии импульсов каждого цуга в примерно одну и ту же область пространства в виде цилиндра с радиусом филамента r_f, поскольку при движении пучка со скоростью и относительно обрабатываемого материала ее смещение за время длительности цуга τ_burst мало по сравнению с r_f. Таким образом, τ_burst выбирают на основании итогового условия, получаемого при объединении указанных неравенств:- speed of relative movement of the laser beam and the surface of the material, i.e. τ _burst <t _r . The fulfillment of this condition ensures the localization of the investment of the pulse energy of each train into approximately the same region of space in the form of a cylinder with a filament radius r _f , since when the beam moves at a speed relative to the material being processed, its displacement during the duration of the train τ _burst is small compared to r _f . Thus, τ _burst is chosen based on the final condition obtained by combining the indicated inequalities:

Одновременно с ограничением (4) интервал Δt между импульсами в цуге выбирают больше, чем время инерциального удержания давления в филаменте t_P1 и время инерциального удержания давления в пространстве между соседними филаментами t_P2, которые оцениваются какSimultaneously with constraint (4), the interval Δt between pulses in the train is chosen to be greater than the time of inertial pressure retention in the filament t _P1 and the time of inertial pressure retention in the space between adjacent filaments t _P2 , which are estimated as

т.е.those.

Также при указанном выборе τ_burst и Δt согласно (4) и (6) соблюдают очевидное из Фиг. 4б соотношениеAlso, with the specified choice of τ _burst and Δt according to (4) and (6), the obvious from Fig. 4b ratio

где N_p - число импульсов в цуге.where N _p is the number of pulses in the train.

Для характерной величины скорости звука в материале c_s=6⋅10⁵ см/с [С.Mauclair, А. Mermillod-Blondin, K. Mishchik, J. Bonse, A. Rosenfeld, J. Colombier and R. Stoian, High Power Las. Sci. Eng. 4, E46 (2016)], используемого в данном способе субмикронного радиуса филаментов порядка r_f=0.25÷0.5 мкм и, например, шага следования филаментов s₁≈2÷6 мкм оценки указанных времен удержания составляют t_P1=0.1÷0.2 нс и t_P2=0.3÷1 нс.For a characteristic value of the speed of sound in a material c _s =6⋅10 ⁵ cm/s [S. Mauclair, A. Mermillod-Blondin, K. Mishchik, J. Bonse, A. Rosenfeld, J. Colombier and R. Stoian, High Power Las. Sci. Eng. 4, E46 (2016)], used in this method of submicron filament radius of the order r _f =0.25÷0.5 µm and, for example, filament step s ₁ ≈2÷6 µm, estimates of the indicated retention times are t _P1 =0.1÷0.2 ns and t _P2 =0.3÷1 ns.

С физической точки зрения ограничение (6) означает, что в отличие от сложения амплитуд нагрева от отдельных импульсов цуга, происходящего при выполнении условия (4), для ударных волн сложения и накопления их амплитуд, индуцированных отдельными импульсами цуга, не происходит (по крайней мере, их переходных, быстро исчезающих компонент), как в пределах радиуса r_f филамента, так и в пределах промежутка s₁ между соседними филаментами, где формируется зона воздействия филамента на окружающий материал. Поэтому радиус R_sw модификации материала вокруг филамента за счет ударно-волнового механизма от цуга в целом в таких условиях становится примерно равным соответствующему радиусу модификации от всего лишь одного из импульсов цуга: R_sw≈R_sw1. Но энергия одного импульса многократно, примерно в раз меньше энергии цуга в целом. Соответственно, создаваемая одним импульсом ОПЭ филамента в N_p раз меньше создаваемой цугом ОПЭ филамента w, т.е. составляет примерно w/N_p). Поэтому для режима СФЦИ при той же ОПЭ филамента, что и для режима СФОИ, энергия ударной волны с учетом указанного выше выражения для E_sw для одного импульса цуга принимает вид: при этом соответствующий ей радиус модификации при радиальном переносе энергии в материал от филамента уменьшается со (1/N_p)^1/2 и имеет вид: R_sw1∞ (здесь σ_с - предел механической прочности материала для ударно-волнового воздействия). В то же время радиус модификации R_T за счет теплового механизма от цуга в целом при выполнении ограничения (4) не зависит от N_p и, как и в режиме СФОИ, согласно полученным ранее в прототипе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] оценкам с учетом указанного выше выражения для Q и также при радиальном переносе энергии от филамента в окружающий материал составляет: From a physical point of view, limitation (6) means that, in contrast to the addition of heating amplitudes from individual train pulses, which occurs when condition (4) is met, for shock waves the addition and accumulation of their amplitudes induced by individual train pulses does not occur (at least , their transitional, quickly disappearing components), both within the radius r _f of the filament, and within the gap s ₁ between neighboring filaments, where the zone of influence of the filament on the surrounding material is formed. Therefore, the radius R _sw of modification of the material around the filament due to the shock wave mechanism from the train as a whole under such conditions becomes approximately equal to the corresponding modification radius from just one of the pulses of the train: R _sw ≈R _sw1 . But the energy of one pulse is many times, approximately one times less than the energy of the train as a whole. Accordingly, the OPE of a filament created by one pulse is N _p times less than the OPE of a filament w created by a train, i.e. is approximately w/N _p ). Therefore, for the SFCI mode with the same filament OPE as for the SFPI mode, the energy of the shock wave, taking into account the above expression for E _sw for one train pulse, takes the form: in this case, the corresponding modification radius during radial energy transfer into the material from the filament decreases from (1/N _p ) ^1/2 and has the form: R _sw1 ∞ (here σс _is the limit of mechanical strength of the material for shock wave exposure). At the same time, the modification radius R _T due to the thermal mechanism from the train as a whole, when constraint (4) is satisfied, does not depend on N _p and, as in the SFOI mode, according to those obtained earlier in the prototype [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] estimates taking into account the above expression for Q and also with radial energy transfer from the filament to the surrounding material is:

Сравнение полученных оценок для R_sw≈R_sw1 и R_T для режима СФЦИ показывает, что использование достаточно большого числа импульсов в цуге N_p делает возможным уменьшение R_sw до такого уровня, что отношение R_sw/R_T становится <1 (либо даже <<1), что соответствует доминированию теплового механизма над ударно-волновым и, тем самым, благоприятно для получения гладкого разделения. При этом за счет выбора достаточно большого числа импульсов в цуге N_p такое доминирование (и, соответственно, разделение с улучшенной гладкостью) становится возможным не только для закаленных стекол, как это было показано ранее для режима СФОИ в прототипе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)], но в рассматриваемом режиме СФЦИ также и для незакаленных материалов - например, дисплейных стекол, кварцевого стекла и сапфира.Comparison of the obtained estimates for R _sw ≈R _sw1 and R _T for the SFCI mode shows that the use of a sufficiently large number of pulses in the train N _p makes it possible to reduce R _sw to such a level that the ratio R _sw /R _T becomes <1 (or even <<1), which corresponds to the dominance of the thermal mechanism over the shock wave and, thus, is favorable for obtaining a smooth separation. Moreover, by choosing a sufficiently large number of pulses in the train N _p, such dominance (and, accordingly, separation with improved smoothness) becomes possible not only for tempered glasses, as was shown earlier for the SFOI mode in the prototype [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)], but in the considered SFCI mode also for non-tempered materials - for example, display glasses, quartz glass and sapphire.

Число импульсов в цуге N_p, которое обеспечивает выполнение соответствующего условия R_sw/R_T<1, как следует из указанных выше выражений для R_sw, и R_T, должно быть не ниже некоторой минимальной пороговой величины A_p0:The number of pulses in the train N _p , which ensures the fulfillment of the corresponding condition R _sw /R _T <1, as follows from the above expressions for R _sw , and R _T , must not be lower than a certain minimum threshold value A _p0 :

Квадратные скобки [] в (8) обозначают целую часть числа в скобках, коэффициент ϕ=R_T/R_sw показывает, во сколько раз желательно уменьшить R_sw по отношению R_T за счет использования числа импульсов N_p0 (для количественных оценок далее используется (ϕ=1.3-1.4), η - коэффициент теплопроводностного остывания материала в пространстве между соседними филаментами от какого-либо цуга импульсов к моменту достижения максимума нагрева этого промежутка следующим по времени и соседним по пространству цугом импульсов (объяснение физического смысла η см. на рис. 5 и в подписи к нему в прототипе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]).Square brackets [] in (8) denote the integer part of the number in brackets, the coefficient ϕ=R _T /R _sw shows how many times it is desirable to reduce R _sw in relation to R _T by using the number of pulses N _p0 (for quantitative estimates, ( is used below ϕ=1.3-1.4), η is the coefficient of thermal conductive cooling of the material in the space between adjacent filaments from any pulse train by the time the maximum heating of this interval is reached by the next in time and spatially adjacent pulse train (for an explanation of the physical meaning of η, see Fig. 5 and in the caption to it in the prototype [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]).

Как показывают приводимые ниже в Табл. 3 и 4 конкретные примеры расчета параметров излучения, оценки согласно полученным выражениям (8, 9) дают для дисплейного стекла Corning Eagle XG™ N_p0=5-7, а для сапфира, являющегося кристаллическим материалом, N_p0=4-12 в зависимости от используемой ОПЭ филамента. С другой стороны, для химически закаленного стекла (Corning Gorilla Glass 5) N_p0 имеет меньшую величину: N_p0≈2-3.As shown below in Table. 3 and 4 specific examples of calculation of radiation parameters, estimates according to the obtained expressions (8, 9) are given for Corning Eagle XG™ display glass N _p0 = 5-7, and for sapphire, which is a crystalline material, N _p0 = 4-12 depending on OPE filament used. On the other hand, for chemically tempered glass (Corning Gorilla Glass 5) N _p0 has a smaller value: N _p0 ≈2-3.

Формула (8) для N_p0 в прозрачной форме показывает, что в случае материалов с большой величиной N_p0 возможно уменьшение этого параметра (и тем самым -недопущение слишком большого N_p), для чего благоприятны следующие факторы:Formula (8) for N _p0 in a transparent form shows that in the case of materials with a large value of N _p0 , it is possible to reduce this parameter (and thereby prevent N _p from being too large), for which the following factors are favorable:

- Максимизация коэффициента A_P-H, что соответствует минимизации потерь энергии на тепловое излучение филамента, как черного тела, в области прозрачности окружающего филамент холодного материала (см. Фиг. 9). Меры по устранению потерь энергии филамента на тепловое излучение подробнее будут указаны ниже;- Maximization of the coefficient A _PH , which corresponds to minimizing energy losses due to thermal radiation of the filament, as a black body, in the region of transparency of the cold material surrounding the filament (see Fig. 9). Measures to eliminate filament energy losses due to thermal radiation will be indicated in more detail below;

- Максимизация параметра η, что имеет место в «высокочастотном» диапазоне частот повторения цугов f_burst≥f₁, где η достигает максимальных величин в диапазоне 0.76÷1 (что соответствует существенному накоплению тепла в промежутках между филаментами в этом частотном диапазоне). Для сравнения, в «низкочастотном» диапазоне f_burst≥≤f₂ параметр η мал - не более 0.1, и указанное накопление тепла в промежутках между филаментами несущественно. Величины частотных пределов f₁ и f₂ см. ниже;- Maximization of the parameter η, which occurs in the “high-frequency” frequency range of repetition of trains f _burst ≥f ₁ , where η reaches maximum values in the range of 0.76÷1 (which corresponds to a significant accumulation of heat in the spaces between the filaments in this frequency range). For comparison, in the “low-frequency” range f _burst ≥≤f ₂ the parameter η is small - no more than 0.1, and the indicated heat accumulation in the spaces between the filaments is insignificant. The values of frequency limits f ₁ and f ₂ see below;

- Малый коэффициент K_sw (т.е. K_sw<<1). Это приводит к соответствующему уменьшению уносимой из филамента ударной волной компоненты энергии E_sw, ответственной за формирование радиуса R_sw зоны ударно-волнового воздействия вокруг филамента (см. подробнее объяснение компоненты E_sw в подписи к Фиг. 8). Малые значения K_sw (<<1) соответствуют неравенству t_E>>t_P2, т.е. материалам с достаточно медленным временем t_E релаксации возбуждения плазмы филамента, в таких материалах возбуждение ударной волны неэффективно. Для сравнения, большие K_sw (порядка 0.5 и более) характерны для материалов с быстрым энерговыделением, т.е. достаточно малым t_E: t_E<t_P2. В этом случае возбуждение ударной волны и ее учет существенны. В соответствии с оценками времени инерциального удержания давления t_P2, приведенными выше для радиуса филаментов r_f=0.25÷0.5 мкм и шага следования филаментов s₁≈2÷6 мкм, приведенное выше условие t_E>>t_P2 численно соответствует материалам, для которых параметр t_E>>0.3-1 нс. Столь относительно долгое время релаксации t_E может быть присуще материалу изначально за счет наличия в структуре его электронных уровней состояний с долгоживущим возбуждением. Известно, что долгоживущие состояния возбуждения могут возникать за счет дефектов структуры материала и образования самоплененных экситонов [С. Mauclair, A. Mermillod-Blondin, K. Mishchik, J. Bonse, A. Rosenfeld, J. Colombier and R. Stoian, High Power Las. Sci. Eng. 4, E46 (2016); P. Martin, S. Guizard, Ph. Daguzan, G. Petite, P. D'Oliveira, P. Meynadier and M. Perdrix, Phys. Rev. В 55, 5799 (1997)]. Поэтому можно ожидать, что в зависимости от материала в режиме СФЦИ долгоживущие состояния, даже если их не было изначально до облучения, могут развиваться непосредственно в ходе облучения цугом, например, за счет формирования многочисленных дефектов структуры при нагреве материала в филаменте последовательными импульсами цуга до температур выше точки стеклования или точки диссоциации, при которых обычно происходит разупорядочение структуры материала, способствующее формированию дефектов. Кроме того, дефекты структуры и обусловленные ими долгоживущие состояния могут быть созданы и за счет какого-либо иного вспомогательного источника облучения или инструмента, воздействующего на материал в зоне движения по нему основного лазерного пучка перед прохождением этого пучка.- Small coefficient K _sw (i.e. K _sw <<1). This leads to a corresponding decrease in the energy component E _sw carried away from the filament by the shock wave, which is responsible for the formation of the radius R _sw of the shock wave impact zone around the filament (see a more detailed explanation of the E _sw component in the caption to Fig. 8). Small values of K _sw (<<1) correspond to the inequality t _E >>t _P2 , i.e. materials with a sufficiently slow relaxation time t _E of the excitation of the filament plasma, in such materials the excitation of a shock wave is ineffective. For comparison, large K _sw (of the order of 0.5 or more) are typical for materials with rapid energy release, i.e. sufficiently small t _E : t _E <t _P2 . In this case, the excitation of the shock wave and its consideration are essential. In accordance with estimates of the time of inertial pressure retention t _P2 given above for the filament radius r _f =0.25÷0.5 µm and the filament pitch s ₁ ≈2÷6 µm, the above condition t _E >>t _P2 numerically corresponds to materials for which parameter t _E >>0.3-1 ns. Such a relatively long relaxation time t _E may be inherent in the material initially due to the presence of states with long-lived excitation in the structure of its electronic levels. It is known that long-lived excitation states can arise due to defects in the structure of the material and the formation of self-trapped excitons [S. Mauclair, A. Mermillod-Blondin, K. Mishchik, J. Bonse, A. Rosenfeld, J. Colombier and R. Stoian, High Power Las. Sci. Eng. 4, E46 (2016); P. Martin, S. Guizard, Ph. Daguzan, G. Petite, P. D'Oliveira, P. Meynadier and M. Perdrix, Phys. Rev. B 55, 5799 (1997)]. Therefore, it can be expected that, depending on the material in the SFC mode, long-lived states, even if they did not exist initially before irradiation, can develop directly during train irradiation, for example, due to the formation of numerous structural defects when the material in the filament is heated by successive pulses of the train to temperatures above the glass transition point or dissociation point, at which the structure of the material usually becomes disordered, promoting the formation of defects. In addition, structural defects and the long-lived states caused by them can also be created due to some other auxiliary irradiation source or instrument acting on the material in the zone of movement of the main laser beam through it before the passage of this beam.

2.2 Для получения разделения с улучшенной гладкостью необходимо также уменьшить нежелательное влияние хаотично-, или разнонаправленного от филамента растрескивания за счет еще одного механизма, термодеформационного. В этой связи отметим следующее: Во-первых, как и в ранее рассмотренном в [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov. Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] режиме СФОИ для устранения нежелательного для гладкого разделения растрескивания от каждого филамента по многим направлениям за счет этого механизма, предлагается использовать материалы с малыми α_T, Y, T_strain (для аморфных материалов) или T_melt (для кристаллических материалов), но с большим пределом механической прочности σ_с, что соответствует выполнению условия на параметры материала Физический смысл этого условия состоит в том, что в таких материалах при локальном нагреве в зоне воздействия филамента до точки T_strain (или T_melt) термоиндуцированные деформации оказываются недостаточными для разрушения материала в виде растрескивания. Такими материалами являются, например, закаленные стекла. Однако для незакаленных стекол и сапфира указанное условие не выполнено, и для удаления вредного влияния этого механизма для таких материалов необходимо иное решение проблемы.2.2 To obtain a separation with improved smoothness, it is also necessary to reduce the undesirable effect of chaotic or multidirectional cracking from the filament due to another mechanism, thermal deformation. In this regard, we note the following: Firstly, as in previously discussed in [VN Tokarev and IV Melnikov. Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] in the SFOI mode, to eliminate cracking from each filament in many directions, which is undesirable for smooth separation due to this mechanism, it is proposed to use materials with small α _T , Y, T _strain (for amorphous materials) or T _melt (for crystalline materials) materials), but with a greater limit of mechanical strength σ _c , which corresponds to the fulfillment of the condition on the material parameters The physical meaning of this condition is that in such materials, when locally heated in the zone of influence of the filament to the point T _strain (or T _melt ), thermally induced deformations turn out to be insufficient to destroy the material in the form of cracking. Such materials are, for example, tempered glass. However, for non-tempered glass and sapphire, this condition is not met, and to remove the harmful influence of this mechanism for such materials, a different solution to the problem is necessary.

Во-вторых, для материалов иных, чем закаленные стекла, в которых эффект хаотичного, либо разнонаправленного растрескивания от филамента для данного механизма устранить не удается (что имеет место для материалов с малым пределом механической прочности ас характерным, например, для растягивающих напряжений в механически непрочных материалах типа указанных выше незакаленных стекол, а также и сапфира), для рассматриваемого режима СФЦИ предлагается заменить хаотичное, либо разнонаправленное растрескивание вокруг каждого филамента на высоконаправленное растрескивание вдоль движения пучка по материалу, что является благоприятным для получения разделения с улучшенной гладкостью. Для этой цели в предлагаемом здесь способе используем частоту повторения цугов в «высокочастотном» диапазоне: f_burst≥f₁ (нахождение величины границы f₁ этого диапазона и физический смысл величины f₁ см. ниже). При такой достаточно высокой частоте повторения (обычно от сотен кГц до нескольких МГц) временной интервал следования цугов t_rep=1/f_burst, с которым создаются филаменты, оказывается одного порядка или короче, чем время характерного остывания материала в пространстве между соседними филаментами до температуры T_mod. За счет этого, при выполнении также рассматриваемого ниже условия перекрытия друг с другом в материале зон теплового воздействия от соседних филаментов, s₁/(2R_T)<1, происходит слияние друг с другом нескольких таких соседних по времени создания зон нагрева от разных филаментов в ходе теплопроводностного расплывания этих зон в пространстве по времени. Тем самым, даже при круглом лазерном пятне облучения в таких условиях в объеме материала, сама собой, как результат нагрева сразу несколькими филаментами, создается область материала 21 (см. Фиг. 10), нагретого выше точки стеклования T_strain, с овальной формой, вытянутой вдоль направления скорости u, т.е. с размером этой области вдоль более длинного направления в несколько раз (3-5 и более) превышающим размер вдоль ее короткого направления. При дальнейшем уменьшении указанного отношения s₁/(2R_T), т.е. при увеличении степени перекрытия соседних по времени создания зон нагрева от разных филаментов, такой эффект усиливается. Эта вытянутая непрерывная овальная клинообразная область 21 возникает внутри изотермы 22 Т=T_strain в плоскости 16 (π) поперечного сечения набора филаментов, при этом внутри области 21 материал нагрет до температур не менее T_strain. Напомним, что точка T_strain характеризуется тем, что при нагреве материала до температур выше этой точки происходит значительное (на порядок величины) увеличение коэффициента объемного расширения материала. Поэтому в указанной области, в которой температура Т≥T_strain, материал вследствие его тенденции к резкому расширению при таких температурах испытывает значительное механическое сжимающее напряжение со стороны окружающего более холодного материала снаружи этой области. В то же время при вытянутой клинообразной форме такой области нагретого и стремящегося к резкому расширению материала происходит, как известно из литературы [A.R. Collins and G.M. O'Connor, Opt. Lett. 40 (20) (2015); C.E. biglis, SPIE Milestone Series, 137, 3-17 (1997)] концентрация и усиление растягивающих механических напряжений снаружи этой области непосредственно вблизи ее переднего и заднего кончиков. Это создает на них направленное растрескивание материала преимущественно вдоль движения пучка относительно материала. При этом одновременно происходит ослабление механических напряжений в иных направлениях, что, как следствие, приводит к отсутствию микротрещин и, соответственно, отсутствию их развития в этих иных направлениях снаружи от данной разогретой области. Таким образом, в указанных условиях, хотя растрескивание материала не избегается, но его высоконаправленный вдоль движения пучка характер (а не хаотично-, либо разнонаправленный от каждого филамента) благоприятен для уменьшения образования трещин в иных направлениях и получения желаемого эффекта уменьшения шероховатости боковых стенок разделения, т.е. улучшения их гладкости. Указанный тепловой клин и два его кончика, раскалывающих материал преимущественно впереди от клина в направлении его движения по всей длине филамента, перемещаются по материалу вслед за лазерным пучком, вдоль траектории движения пучка относительно обрабатываемой поверхности материала в направлении 8 с отставанием от положения пучка в один или несколько шагов следования филаментов s₁. 10 - местоположения филаментов с шагом следования s₁, созданных движущимся вдоль оси х пучком. Стрелка 20 показывает приход очередного импульса и создание им последнего по времени (самого «молодого») филамента. 23 - дорожка из модифицированного материала, остающаяся после прохождения области 21 по материалу. 24 - замороженные в материале растягивающие напряжения, остающиеся при ослабление материала вдоль нее, также способствующие применяемому после выполнения облучения механическому раскалыванию материала вдоль этой дорожки, L_hot обозначает длину непрерывной области 21 в направлении движения пучка относительно материала в пределах изотермы 22 Т=T_strain.Secondly, for materials other than tempered glass, in which the effect of chaotic or multidirectional cracking from the filament cannot be eliminated for this mechanism (which is the case for materials with a low limit of mechanical strength, which is characteristic, for example, for tensile stresses in mechanically fragile materials such as the above-mentioned non-tempered glasses, as well as sapphire), for the considered SFCI mode, it is proposed to replace chaotic or multidirectional cracking around each filament with highly directional cracking along the movement of the beam through the material, which is favorable for obtaining separation with improved smoothness. For this purpose, in the method proposed here, we use the frequency of repetition of bursts in the “high-frequency” range: f _burst ≥f ₁ (finding the value of the boundary f ₁ of this range and the physical meaning of the value f ₁ , see below). At such a sufficiently high repetition rate (usually from hundreds of kHz to several MHz), the time interval for the repetition of trains tr _rep =1/f _burst with which filaments are created turns out to be of the same order of magnitude or shorter than the time of characteristic cooling of the material in the space between adjacent filaments to temperature _Tmod . Due to this, when the condition also considered below is satisfied that the heat affected zones from neighboring filaments overlap with each other in the material, s ₁ /(2R _T )<1, several such heating zones adjacent in time to the creation of heating zones from different filaments merge with each other in the course of thermal conductivity spreading of these zones in space over time. Thus, even with a round laser spot of irradiation under such conditions in the volume of the material, by itself, as a result of heating by several filaments at once, a region of material 21 (see Fig. 10) is created, heated above the glass transition point T _strain , with an oval shape, elongated along the direction of velocity u, i.e. with the size of this area along the longer direction several times (3-5 or more) greater than the size along its short direction. With a further decrease in the specified ratio s ₁ /(2R _T ), i.e. With an increase in the degree of overlap of heating zones adjacent in time to creation from different filaments, this effect intensifies. This elongated continuous oval wedge-shaped region 21 occurs inside the T=T _strain isotherm 22 in the cross-sectional plane 16 (π) of the set of filaments, while inside the region 21 the material is heated to temperatures not less than T _strain . Let us recall that the T _strain point is characterized by the fact that when the material is heated to temperatures above this point, a significant (by an order of magnitude) increase in the coefficient of volumetric expansion of the material occurs. Therefore, in the specified region in which the temperature T≥T _strain , the material, due to its tendency to sharply expand at such temperatures, experiences significant mechanical compressive stress from the surrounding colder material outside this region. At the same time, with an elongated wedge-shaped shape, such a region of heated material tending to expand sharply occurs, as is known from the literature [AR Collins and GM O'Connor, Opt. Lett. 40 (20) (2015); CE biglis, SPIE Milestone Series, 137, 3-17 (1997)] concentration and amplification of tensile mechanical stresses outside this region immediately near its anterior and posterior tips. This creates directed cracking of the material on them, predominantly along the movement of the beam relative to the material. At the same time, mechanical stresses are weakened in other directions, which, as a consequence, leads to the absence of microcracks and, accordingly, the absence of their development in these other directions outside this heated area. Thus, under these conditions, although cracking of the material is not avoided, its highly directional nature along the beam movement (and not chaotic or multidirectional from each filament) is favorable for reducing the formation of cracks in other directions and obtaining the desired effect of reducing the roughness of the side walls of the separation, those. improving their smoothness. The specified thermal wedge and its two tips, splitting the material predominantly in front of the wedge in the direction of its movement along the entire length of the filament, move along the material following the laser beam, along the trajectory of the beam relative to the processed surface of the material in direction 8 with a lag from the beam position of one or several steps of following filaments s ₁ . 10 - locations of filaments with a following step s ₁ , created by a beam moving along the x axis. Arrow 20 shows the arrival of the next impulse and its creation of the latest (youngest) filament. 23 - a track of modified material remaining after passing through area 21 through the material. 24 - tensile stresses frozen in the material, remaining when the material is weakened along it, also contributing to the mechanical splitting of the material along this track used after irradiation, L _hot denotes the length of the continuous region 21 in the direction of movement of the beam relative to the material within the isotherm 22 T=T _strain .

Сравнение Фиг. 10а и Фиг. 10б, соответствующих применению различных частот повторения цугов, f_burst≈f₁ и f_burst≈3f₁ (определение параметра f₁ см. ниже в тексте), показывает, что с ростом f_burst указанная клинообразная область 21 приобретает более вытянутую форму, что приводит к соответствующему ростом усиления механических напряжений на кончике. Поэтому при в случае (б) и при еще более высоких частотах f_burst такое явление может стать опасным вследствие слишком высокого усиления напряжений на этом кончике и, как следствие, распространения от него слишком большого числа микротрещин 25, которые могут уже и заметно отличаться от направления движения пучка. От этих микротрещин могут развиваться более крупные трещины 26, которые могут заметно отклоняться от направления 8 движения пучка, из-за чего контроль над направлением растрескивания лишь в направлении движения пучка может быть утрачен. Во избежание такого нежелательного эффекта предпочтительно применение частот f_burst в ограниченном диапазоне около f₁, когда аспектное отношение данной клинообразной области 21, как и усиление растягивающих напряжений на ее переднем кончике не слишком велики, т.е.Comparison Fig. 10a and Fig. 10b, corresponding to the use of different train repetition frequencies, f _burst ≈f ₁ and f _burst ≈3f ₁ (for the definition of parameter f ₁ , see below in the text), shows that with increasing f _burst , the specified wedge-shaped region 21 acquires a more elongated shape, which leads to to a corresponding increase in mechanical stress at the tip. Therefore, when in case (b) and at even higher frequencies f _burst , such a phenomenon can become dangerous due to too high amplification of stresses at this tip and, as a consequence, the propagation of too many microcracks 25 from it, which can already differ noticeably from the direction of beam motion . From these microcracks, larger cracks 26 can develop, which can deviate noticeably from the direction 8 of beam movement, due to which control over the direction of cracking only in the direction of beam movement can be lost. To avoid such an undesirable effect, it is preferable to use f _burst frequencies in a limited range around f ₁ , when the aspect ratio of this wedge-shaped region 21, as well as the increase in tensile stresses at its front tip, are not too large, i.e.

В цитированном выше документе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] указанные ограничения (4,6,8,10) для параметров τ_burst, Δt, N_p и f_burst характерные для режима СФЦИ не изучались.In the document cited above [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] the specified restrictions (4,6,8,10) for the parameters τ _burst , Δt, N _p and f _burst characteristic of the SFCI mode have not been studied.

При указанном выборе (10) частоты повторения цугов могут быть получены не только прямолинейные, но и криволинейные, либо замкнутые на себя резы см. Фиг. 11. Характерные радиусы кривизны R₁ и R₂ траектории движения пучка относительно материала в плоскости 16 (см. Фиг. 11) составляют на практике, как правило, не менее примерно 500 мкм. С другой стороны, для длины L_hot упомянутой овальной области, составляющей в зависимости от величины частоты повторения цугов f_burst, как следует из Фиг. 10а и б, около (3-7)s₁, при использовании конкретных величин s₁=1-11 мкм, характерных для данного способа согласно вычислениям в ниже приводимых Таблицах 3 и 4, найдем L_hot=3-77 мкм. Поэтому при указанных R₁, R₂≥500 мкм очевидно выполнено соотношение:With the specified choice (10) of the train repetition frequency, not only rectilinear, but also curvilinear or self-closed cuts can be obtained, see Fig. 11. The characteristic radii of curvature R ₁ and R ₂ of the trajectory of the beam relative to the material in plane 16 (see Fig. 11) in practice are, as a rule, not less than about 500 μm. On the other hand, for the length L _hot of the mentioned oval region, which is f _burst depending on the magnitude of the repetition frequency of the trains, as follows from Fig. 10a and b, about (3-7)s ₁ , using specific values s ₁ = 1-11 µm, characteristic of this method according to calculations in Tables 3 and 4 below, we find L _hot = 3-77 µm. Therefore, with the indicated R ₁ , R ₂ ≥500 μm, the following relation is obviously satisfied:

R₁,R₂>>L_hot.R ₁ ,R ₂ >>L _hot .

При выполнении такого условия овальная область 21 критического для разделения нагрева при каждом ее положении на криволинейной траектории движения пучка относительно материала автоматически, без каких-либо дополнительных ухищрений, как это было в описанном в документе WO 2016/005455 А1, т.е. без формирования вытянутого каждого отдельного лазерного пятна, следует за направлением касательной к указанной криволинейной траектории 27, обеспечивая тем самым, как указывалось выше, и направленное каждый раз вдоль касательной растрескивание см. Фиг. 11. Указанное неравенство является, таким образом, ограничением на величину радиусов кривизны траектории. Видно, что для его лучшего выполнения предпочтительны режимы облучения с малыми размерами овальной области 21, т.е. с малой длиной L_hot, что достигается при малом шаге следования филаментов s₁ - например, порядка 1-2 мкм вместо 4-6 мкм и более.When this condition is met, the oval region 21 is critical for the division of heat at each of its positions on the curvilinear trajectory of the beam relative to the material automatically, without any additional tricks, as was described in the document WO 2016/005455 A1, i.e. without forming an elongated each individual laser spot, follows the direction of the tangent to the specified curved path 27, thereby ensuring, as mentioned above, cracking directed each time along the tangent, see FIG. 11. The indicated inequality is thus a limitation on the magnitude of the radii of curvature of the trajectory. It can be seen that for its best performance, irradiation modes with small sizes of the oval region 21 are preferred, i.e. with a small length L _hot , which is achieved with a small filament pitch s ₁ - for example, on the order of 1-2 µm instead of 4-6 µm or more.

3. Для получения разделения с улучшенной гладкостью для рассматриваемого режима СФЦИ применяют также еще ряд эффектов, которые, с одной стороны, аналогичны тем, что использовались ранее для получения улучшенной гладкости в режиме СФОИ в документе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)], но, с другой стороны, имеют значительные отличия специфичные именно для рассматриваемого здесь режима СФЦИ:3. To obtain a separation with improved smoothness for the considered SFOI mode, a number of other effects are also used, which, on the one hand, are similar to those previously used to obtain improved smoothness in the SFOI mode in the document [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)], but, on the other hand, they have significant differences specific to the SFCI regime considered here:

- При выполнении ограничения (4) на величину длительности цуга Xburst, что соответствует удержанию тепла в пределах радиуса филамента за это время, относительная часть потерь энергии плазмы филамента на тепловое излучение становится значительной и даже доминирующей в «неблагоприятном окне» ОПЭ w: w₁<w<w₂. Пределы w₁ и w₂ определяют границы этого «окна», они соответствуют достижению плазмой филамента некоторых температурных пределов Т₁ и Т₂, т.е. w₁=w(T₁), w₂=w(T₂) и определяются теплофизическими и оптическими свойствами материала. Для получения энергоэффективного процесса ЛФР и придания ему движущей силы и скорости важно устранить ненужные потери энергии филамента на тепловое излучение. Для этого энергию не отдельного импульса, как ранее в режиме СФОИ, а цуга импульсов E_burst в материале, выбирают такой, что плазма филамента накачивается до ОПЭ w вне указанного «неблагоприятного окна» ОПЭ, т.е. w≤w₁, либо w≥w₂ (при w₁<w₂). Однако на практике ЛФР, из этих двух условий целесообразно использовать лишь одно условие:- When constraint (4) is satisfied on the duration of the train Xburst, which corresponds to heat retention within the radius of the filament during this time, the relative part of the filament plasma energy loss to thermal radiation becomes significant and even dominant in the “unfavorable window” of the OPE w: w ₁ <w<w ₂ . The limits w ₁ and w ₂ determine the boundaries of this “window”; they correspond to the filament plasma reaching certain temperature limits T ₁ and T ₂ , i.e. w ₁ =w(T ₁ ), w ₂ =w(T ₂ ) and are determined by the thermophysical and optical properties of the material. To obtain an energy-efficient LPR process and impart driving force and speed to it, it is important to eliminate unnecessary filament energy losses due to thermal radiation. To do this, the energy of not a single pulse, as previously in the SFOI mode, but a train of pulses E _burst in the material, is chosen such that the filament plasma is pumped to OPE w outside the specified “unfavorable window” of OPE, i.e. w≤w ₁ , or w≥w ₂ (for w ₁ <w ₂ ). However, in practice of LPR, of these two conditions it is advisable to use only one condition:

Если же использовать и другое условие, w≥w₂, то на стадии остывания филамента и уменьшении при этом w во времени существует возможность попадания w в указанное «неблагоприятное окно» w₁<w<w₂, и, тем самым, возможность активирования значительных потерь энергии филамента на тепловое излучение в спектральной области прозрачности окружающего филамент материала, что нежелательно.If we use another condition, w≥w ₂ , then at the stage of filament cooling and w decreasing in time, there is a possibility of w falling into the specified “unfavorable window” w ₁ <w<w ₂ , and, thus, the possibility of activating significant loss of filament energy due to thermal radiation in the spectral region of transparency of the material surrounding the filament, which is undesirable.

Если же пределы w₁ и w₂ таковы, что w₁≥w₂, то это соответствует «закрытию» и исчезновению указанного «неблагоприятного окна» ОПЭ. Тогда указанное ограничение (11) для w теряет смысл, т.е. может использоваться как w≤w₁, так и w≥w₁.If the limits w ₁ and w ₂ are such that w ₁ ≥w ₂ , then this corresponds to the “closing” and disappearance of the specified “unfavorable window” of the OPE. Then the specified restriction (11) for w becomes meaningless, i.e. both w≤w ₁ and w≥w ₁ can be used.

Пределы w₁ и w₂ зависят, как показывает модель, от времени релаксации t_E энергии возбуждения филамента к состоянию с равновесной температурой. Величина t_E может принимать значения в очень широком диапазоне в зависимости от материала, метода его изготовления и предварительной обработки. Для нескольких ситуаций, условно обозначаемых ниже, как А, В и С в порядке возрастания t_E, пределы w₁ и w₂ имеют следующий вид:The limits w ₁ and w ₂ depend, as the model shows, on the relaxation time t _E of the excitation energy of the filament to a state with an equilibrium temperature. The value of t _E can take values in a very wide range depending on the material, the method of its manufacture and pre-treatment. For several situations, conventionally designated below as A, B and C in increasing order of t _E , the limits w ₁ and w ₂ have the following form:

Используемый в (14) параметр δ (который <1) означает, что в указанном в (14) случае t_E>t_T1>>t_P1, когда за время t_E имеет место значительный перенос тепловой энергии за пределы радиуса филамента r_f, только часть δ тепловой энергии, выделяемой в филаменте, обеспечивает нагрев самого филамента, а существенная, дополнительная до единицы часть (1-δ) энергии E_tw расходуется на нагрев материала за пределами радиуса филамента r_f. В (12-14) С - высокотемпературное значение удельной теплоемкости С_НТ, так как Т₁ и Т₂ составляют несколько десятков тысяч К. С_НТ оценивают по формуле:The parameter δ (which <1) used in (14) means that in the case indicated in (14) t _E >t _T1 >>t _P1 , when during the time t _E there is a significant transfer of thermal energy beyond the filament radius r _f , only part δ of the thermal energy released in the filament provides heating of the filament itself, and a significant, additional up to unity part (1-δ) of the energy E _tw is spent on heating the material outside the radius of the filament r _f . In (12-14) C is the high-temperature value of the specific heat capacity of C _NT , since T ₁ and T ₂ are several tens of thousands of K. C _NT is estimated using the formula:

где R=8.31 Дж/(моль×K) - универсальная газовая постоянная, N_at - число атомов в одной молекуле материала, μ [г/моль] - молярная масса материала. Поскольку (1/δ)>1, то сравнение соотношений (12-14) показывает, что в случае (13) пределы w₁ и w_2B являются наименьшими, т.е. w_1B<w_1A, w_1C и w_2B<w_2A, w_2C. T₁ - предел температуры плазмы филамента, соответствующий пределу ОПЭ w₁. При Т₁>>T_i, где T_i=20°С - начальная температура, Т₁ оценивается из условия, что отношение β=Ф₂/Ф₁ потока энергии Ф₂ из филамента за счет теплового излучения (рассматриваемого как «бесполезные» потери) к потоку энергии Ф₁ за счет теплопроводности (рассматриваемого как полезные потери энергии филамента, поскольку он обеспечивает формирование и распространение критической для разделения зоны модификации во время остывания плазмы филамента) (см. Фиг. 9) не превосходит предельно допустимую величину β_max много меньшую 1 (для конкретных расчетов далее полагаем β_max=0.12), что приводит к выражению [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]:where R=8.31 J/(mol×K) is the universal gas constant, N _at is the number of atoms in one molecule of the material, μ [g/mol] is the molar mass of the material. Since (1/δ)>1, a comparison of relations (12-14) shows that in the case of (13) the limits w ₁ and w _2B are the smallest, i.e. w _1B <w _1A , w _1C and w _2B <w _2A , w _2C . T ₁ is the filament plasma temperature limit corresponding to the OPE limit w ₁ . At T ₁ >>T _i , where T _i =20°C is the initial temperature, T ₁ is estimated from the condition that the ratio β = Ф ₂ /Ф ₁ of the energy flow Ф ₂ from the filament due to thermal radiation (considered as “useless” losses) to the energy flow F ₁ due to thermal conductivity (considered as useful energy losses of the filament, since it ensures the formation and propagation of a modification critical for zone separation during cooling of the filament plasma) (see Fig. 9) does not exceed the maximum permissible value β _max much less than 1 (for specific calculations we further assume β _max =0.12), which leads to the expression [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]:

Таблица 1. Вычисления пределов T₁ и w₁ согласно (12, 15, 16) для химически закаленного стекла Corning Gorilla Glass 5, дисплейного стекла Eagle XG@Display Glass, кварцевого стекла и сапфира, когда эффективный радиус филамента r_f составляет 0.25 мкм, 0.5 мкм или 1.5 мкм, при предельной доле потерь на тепловое излучение β_max=0.12 и доле потерь энергии плазмы филамента на возбуждение ударной волны K_sw≈0.5.Table 1. Calculation of the limits T ₁ and w ₁ according to (12, 15, 16) for chemically tempered Corning Gorilla Glass 5, Eagle XG@Display Glass, quartz glass and sapphire, when the effective filament radius r _f is 0.25 μm, 0.5 µm or 1.5 µm, with the limiting fraction of losses due to thermal radiation β _max = 0.12 and the fraction of filament plasma energy losses due to excitation of the shock wave K _sw ≈0.5.

В качестве примера в Таблице 1 приводятся вычисления пределов Т₁ и w₁ согласно (12, 15, 16) при доле потерь энергии плазмы филамента на возбуждение ударной волны, взятой, как K_sw≈0.5, для химически закаленного стекла Corning Gorilla Glass 5, дисплейного стекла Eagle XG@Display Glass, кварцевого стекла и сапфира, когда эффективный радиус филамента r_f составляет 0.25 мкм, 0.5 мкм или 1.5 мкм, и при выборе предельной доли потерь на тепловое излучение как β_max =0.12. Из Табл. 1 видно, что величины Т₁ для стекол при одинаковом r_f близки друг к другу, однако в зависимости от г/ изменяются в пределах от 29600 К до 55600 К. Предел w₁ изменяется для стекол примерно от 230 кДж/см³ до 400 кДж/см³. Для сапфира в зависимости от r_f Т₁ изменяется в пределах от 56700 К до 103000 К, a w₁ - от 620 кДж/см³ до 1070 кДж/см³, что примерно в 2-2.5 раза выше, чем для стекол при аналогичных r_f.As an example, Table 1 shows calculations of the limits T ₁ and w ₁ according to (12, 15, 16) with the fraction of filament plasma energy loss due to shock wave excitation, taken as K _sw ≈0.5, for chemically tempered glass Corning Gorilla Glass 5, display glass Eagle XG@Display Glass, quartz glass and sapphire, when the effective filament radius r _f is 0.25 µm, 0.5 µm or 1.5 µm, and when choosing the limiting fraction of thermal radiation losses as β _max = 0.12. From Table. 1 it can be seen that the values of T ₁ for glasses with the same r _f are close to each other, but depending on g/ they vary from 29600 K to 55600 K. The limit w ₁ changes for glasses from approximately 230 kJ/cm ³ to 400 kJ /cm ³ . For sapphire, depending on r _f, T ₁ varies from 56700 K to 103000 K, aw ₁ - from 620 kJ/cm ³ to 1070 kJ/cm ³ , which is approximately 2-2.5 times higher than for glasses at similar r _f .

- Обеспечивают также однородность диаметра каждого возникающего филамента по его длине. Для этого длительность г; /-го отдельного импульса цуга (i=1,2, … N_P) согласуют с энергией E_0i этого импульса таким образом, чтобы мощность единичного лазерного импульса цуга P_0i≈E_0i/τ_i; была примерно равна критической мощности для создания самофокусировки Р_с, т.е. P_0i=ГР_С, где параметр Г выбирается в диапазоне 1÷1.25. Из этих выражений следует соотношение для согласования длительности и энергии импульса E_0i=ГР_сτ_i аналогичное ранее использованному в [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] для режима СФОИ. Однако для рассматриваемого здесь режима СФЦИ отличие состоит в том, что поскольку технически все импульсы цуга имеют, как правило, одинаковую длительность, т.е. τ_i=const=τ (где i - номер импульса в цуге, i=1, 2, …N_p), то, как следует из последнего соотношения, предпочтительно использовать импульсы в цуге также и с одинаковой энергией:- They also ensure uniformity of the diameter of each emerging filament along its length. For this purpose the duration r; the i-th individual pulse of the train (i=1.2, ... N _P ) is matched with the energy E _0i of this pulse so that the power of a single laser pulse of the train P _0i ≈E _0i /τ _i ; was approximately equal to the critical power for creating self-focusing P _c , i.e. P _0i =GR _C , where the parameter Г is selected in the range 1÷1.25. From these expressions follows a relationship for matching the duration and energy of the pulse E _0i =GR _with τ _i similar to that previously used in [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] for the SFOI mode. However, for the SFCI mode considered here, the difference is that since technically all pulses of the train have, as a rule, the same duration, i.e. τ _i =const=τ (where i is the number of the pulse in the train, i=1, 2, …N _p ), then, as follows from the last relation, it is preferable to use pulses in the train also with the same energy:

Или же в соответствии с указанным диапазоном 1÷1.25 значений параметра Г энергии импульсов цуга, как следует из формулы могут отличаться друг от друга не более чем в 1.25 раза.Or, in accordance with the specified range of 1÷1.25 values of the parameter Г of the pulse energy of the train, as follows from the formula may differ from each other by no more than 1.25 times.

Кроме того, для исключения пульсаций диаметра филамента вдоль его длины применяют ОПЭ w_0i в импульсах цуга (i=1, 2,…NP) не более примерно 0.8 w_dis, т.е. w_0i<0.8 w_dis. Это неравенство при учете соотношения w_0i≈w/N_p дает в дополнение к условию (8) еще одно условие на величину N_p:In addition, to eliminate pulsations of the filament diameter along its length, OPE w _0i is used in train pulses (i = 1, 2,...NP) no more than approximately 0.8 w _dis , i.e. w _0i <0.8 w _dis . This inequality, taking into account the relation w _0i ≈w/N _p , gives, in addition to condition (8), another condition for the value of N _p :

Здесь, как и выше в (8), квадратные скобки [] обозначают целую часть числа в этих скобках. Объединение неравенств (19) и (8) дает итоговое условие для выбора N_p:Here, as in (8) above, square brackets [] denote the integer part of the number in these brackets. Combining inequalities (19) and (8) gives the final condition for choosing N _p :

где max (А, В) обозначает максимальное из двух величин,4 и В.where max (A, B) denotes the maximum of two values, 4 and B.

При выполнении указанных условий (4, 6, 7, 17-20) получения однородного диаметра для каждого возникающего филамента по его длине, энергия цуга импульсов в материале имеет простой вид:When the specified conditions (4, 6, 7, 17-20) are met to obtain a uniform diameter for each emerging filament along its length, the energy of the pulse train in the material has a simple form:

- В объеме материала, как и в указанном прототипе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)], создают непрерывный модифицированный слой от филамента к филаменту с величиной, выделившейся в этом слое ОПЭ w (в [Дж/см³]), не ниже минимально необходимой (пороговой) для получения разделения w_mod, т.е. w≥w_mod. Для этого шаг следования s¹ филаментов в материале согласуют с радиусом R_T цилиндрической зоны критической для разделения модификации за счет теплового механизма:- In the volume of material, as in the specified prototype [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)], create a continuous modified layer from filament to filament with a value released in this OPE layer w (in [J/cm ³ ]) not lower than the minimum required (threshold) to obtain separation w _mod , i.e. e. w≥w _mod . To do this, the pitch s ¹ of the filaments in the material is coordinated with the radius R _T of the cylindrical zone critical for separating the modification due to the thermal mechanism:

что обеспечивает примыкание друг к другу, либо даже перекрытие друг с другом в материале указанных зон от соседних филаментов и тем самым формирует вышеуказанный непрерывный модифицированный слой от филамента к филаменту благоприятный для получения разделения с улучшенной гладкостью. Применительно к параметрам изучаемого здесь режима СФЦИ при выполнении условия (4) удержания тепла радиус R_T рассчитывается в модели в зависимости от w, w_mod, f_burst и r_f следуя той же формуле, что была получена ранее в работе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]:which ensures that said zones from adjacent filaments are adjacent to each other, or even overlap each other in the material, and thereby forms the above continuous modified layer from filament to filament favorable for obtaining separation with improved smoothness. In relation to the parameters of the SFCI mode studied here, when condition (4) of heat retention is met, the radius R _T is calculated in the model depending on w, w _mod , f _burst and r _f following the same formula that was obtained earlier in [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]:

где W_mod дается выражением (9). Обозначения входящих в соотношения (22, 23) параметров уже объяснялись выше.where W _mod is given by expression (9). The designations of the parameters included in relations (22, 23) have already been explained above.

- Для образования прямолинейных филаментов регулярной формы в каждом из их наборов минимизируют их влияние друг на друга, т.е. минимизируют нагрев и температурный градиент от предыдущего филамента в месте положения и в момент возникновения следующего, нового филамента. Решение этой задачи для режима СФОИ было получено ранее в прототипе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]. Применительно к рассматриваемому здесь режиму СФЦИ решение задачи аналогично - необходимо выбирать частоту повторения f_burst цугов лазерных импульсов в одном из двух диапазонов, условно называемых как «высокочастотный»:- To form straight filaments of a regular shape in each of their sets, their influence on each other is minimized, i.e. minimize heating and temperature gradient from the previous filament at the location and at the moment of emergence of the next, new filament. The solution to this problem for the SFOI mode was obtained earlier in the prototype [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]. In relation to the SFCI mode considered here, the solution to the problem is similar - it is necessary to select the repetition frequency f _burst of laser pulse trains in one of two ranges, conventionally called “high-frequency”:

и «низкочастотный»,and "low frequency"

В зависимости от отношения характеризующего степень перекрытия друг с другом указанных выше критических зон воздействия от соседних филаментов, как показано ранее в [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov. Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] при анализе режима СФОИ, предел f₁ изменяется в диапазоне где коэффициент 12 соответствует максимальной величине шага следования (когда зоны воздействия лишь примыкают друг к другу без перекрытия см. рис. 4с в указанной работе [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov. Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]), а коэффициент 18 - величине s₁/s_1max=0.6 (когда зоны воздействия существенно перекрываются - см. рис. 4d в той же работе). Предел f₂ изменяется при этом в диапазоне f₁ превосходит f₂ примерно от 17 до 80 раз в зависимости от степени перекрытия соседних зон воздействия s₁/s_max от 1 до 0.6. Для конкретности оценок выбираем далее:Depending on the attitude characterizing the degree of overlap with each other of the above critical zones of influence from neighboring filaments, as shown earlier in [VN Tokarev and IV Melnikov. Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] when analyzing the SFOI mode, the limit f ₁ changes in the range where coefficient 12 corresponds to the maximum step size (when the impact zones are only adjacent to each other without overlap, see Fig. 4c in the indicated work [VN Tokarev and IV Melnikov. Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]), and coefficient 18 - to the value s ₁ / s _1max = 0.6 (when the impact zones overlap significantly - see Fig. 4d in the same work). The limit f ₂ changes in the range f ₁ exceeds f ₂ by approximately 17 to 80 times, depending on the degree of overlap of adjacent impact zones s ₁ /s _max from 1 to 0.6. To make the assessments more specific, we select the following:

что соответствует частичному перекрытию зон воздействия от соседних филаментов. Тогда численные оценки пределов f₁ и f₂ дают:which corresponds to partial overlap of zones of influence from neighboring filaments. Then numerical estimates of the limits f ₁ and f ₂ give:

Чтобы получить представление о порядке величин пределов f₁ и f₂, отметим, что, например, численно для шага следования филаментов s₁=6 мкм и температуропроводности стекла % при высоких температурах, оцениваемой согласно справочным данным, как (4÷5)10^-3 см²/с, эти выражения дают f₁=150÷190 кГц и f₂=6.1÷7.6 кГц. Если же s₁=2 мкм, то при тех же прочих параметрах найдем f₁=1350÷1700 кГц и f₂=55÷68 кГц. Для достижения указанного выше эффекта направленного раскалывания для термодеформационного механизма (что важно, главным образом, для незакаленных материалов) предпочтителен выбор f_burst не в двух диапазонах (24) и (25), а лишь в одном, высокочастотном диапазоне (24), и при этом с дополнительным ограничением f_burst в этом диапазоне, как указывалось выше в (10): f_burst=(l÷3)/f₁.To get an idea of the order of magnitude of the limits f ₁ and f ₂ , we note that, for example, numerically for the filament pitch s ₁ = 6 μm and the thermal diffusivity of glass % at high temperatures, estimated according to reference data as (4÷5)10 ^{- 3} cm ² /s, these expressions give f ₁ =150÷190 kHz and f ₂ =6.1÷7.6 kHz. If s ₁ =2 µm, then with the same other parameters we find f ₁ =1350÷1700 kHz and f ₂ =55÷68 kHz. To achieve the above-mentioned effect of directional splitting for the thermal deformation mechanism (which is important mainly for non-hardened materials), it is preferable to select f _burst not in two ranges (24) and (25), but only in one, high-frequency range (24), and at this with an additional limitation of f _burst in this range, as indicated above in (10): f _burst =(l÷3)/f ₁ .

Наконец, записывают также соотношения для еще двух характеризующих облучение параметров - средней мощности импульсно-периодического лазерного пучка в материале Р и энергоэффективности процесса ЛФР Ω:Finally, relationships are also written for two more parameters characterizing irradiation - the average power of the pulse-periodic laser beam in the material P and the energy efficiency of the LPR process Ω:

4. Полученные таким образом соотношения (1-30) образуют специфическую систему из 30 математических равенств и неравенств, решение этой системы количественно определяет искомые параметры облучения, предпочтительные для получения разделения с улучшенной гладкостью для режима СФЦИ. Предлагаемый способ представляет собой последовательность нахождения один за другим всех необходимых параметров с помощью простых аналитических формул - выбора (при некоторых ограничениях) одних параметров и вычисления ряда других параметров. При этом показанные на Фиг. 12 стадии вычислений, количество этих стадий и границы между ними достаточно условны и приводятся лишь для придания обширному массиву входных, свободно выбираемых и рассчитываемых параметров удобной для чтения и анализа структуры.4. The relations (1-30) obtained in this way form a specific system of 30 mathematical equalities and inequalities; the solution of this system quantitatively determines the desired irradiation parameters, preferable for obtaining a separation with improved smoothness for the SFC mode. The proposed method is a sequence of finding all the necessary parameters one by one using simple analytical formulas - selecting (with some restrictions) some parameters and calculating a number of other parameters. In this case, shown in Fig. The 12 stages of calculations, the number of these stages and the boundaries between them are quite arbitrary and are given only to give the vast array of input, freely selectable and calculated parameters a structure convenient for reading and analysis.

Опишем практическое применение указанного алгоритма количественного нахождения согласованных друг с другом параметров для выполнения облучения с улучшенной гладкостью при использовании соотношений (1-30) и схемы алгоритма расчета, представленной на Фиг. 12.Let us describe the practical application of the specified algorithm for quantitatively finding parameters consistent with each other to perform irradiation with improved smoothness using relations (1-30) and the calculation algorithm diagram presented in Fig. 12.

Как уже говорилось, каждый филамент создают цугом импульсов излучения. Задают длину волны излучения лазера λ, толщину материала L, требуемые для выполнения процесса радиус филаментов r_f и их длину Н. Используют литературные данные по параметрам рассматриваемого материала: для аморфного материала (либо T_mod=T_melt для кристаллического материала) -расшифровку значений параметров см. в тексте в «Списке обозначений параметров». Полагают начальную температуру T_i=20°С и параметр Г=1÷1.25. Полагают исходя из известных экспериментов, что для рассматриваемых здесь условий ЛФР с неперекрывающимися филаментами в режиме СФЦИ A_L-P≈0.8 и A_P-H≈0.9. Полагают K_tw≈K_sw≈0.5, что соответствует «быстрому» энерговыделению (t_E<t_P1, t_P2), при котором потери энергии плазмы филамента, связанные с возбуждением ударной волны, являются существенными. Или же полагают K_sw<<1 и K_tw≈1, если энерговыделение происходит медленно, т.е. t_E>t_P1, t_P2. Все эти данные согласно показанной на Фиг. 12 схеме используют как входные параметры.As already mentioned, each filament is created by a train of radiation pulses. The wavelength of the laser radiation λ, the thickness of the material L, the radius of the filaments r _f and their length H required to complete the process are set. Literary data on the parameters of the material in question are used: for an amorphous material (or T _mod =T _melt for a crystalline material) - for a description of the parameter values, see the text in the “List of parameter designations”. The initial temperature T _i =20°С and the parameter Г=1÷1.25 are assumed. It is believed, based on well-known experiments, that for the conditions considered here LPR with non-overlapping filaments in the SFC mode A _LP ≈0.8 and A _PH ≈0.9. It is assumed that K _tw ≈K _sw ≈0.5, which corresponds to a “fast” energy release (t _E <t _P1 , t _P2 ), at which the filament plasma energy losses associated with the excitation of the shock wave are significant. Or they assume K _sw <<1 and K _tw ≈1 if the energy release occurs slowly, i.e. t _E >t _P1 , t _P2 . All these data as shown in Fig. 12 circuit is used as input parameters.

На стадии 1 для указанного выше r_f вычисляют высокотемпературную теплоемкость температурный предел и предел ОПЭ w₁≈2C_HT ρ(Т₁-T_i)+w_dis, при w ниже которого доля потерь энергии филамента на тепловое излучение несущественна. Выбирают для облучения высокочастотный диапазон частот повторения цугов, т.е. f_burst≥f₁, для которого коэффициент остывания η лежит в диапазоне 0.76÷1. Или же выбирают низкочастотный диапазон частот повторения цугов, т.е. f_burst≤f₂, для которого η≤0.1. Соответственно, выбирают конкретную величину η из того или иного указанных диапазонов (при этом конкретные величины частотных пределов f₁ и f₂, а также сама величина f_burst количественно будут найдены ниже на стадии 4). Для ЛФР закаленных стекол может быть выбран и тот и другой диапазон частот, в то время как для других материалов предпочтительно выбирают лишь высокочастотный диапазон, при этом с указанным выше ограничением f_burst в этом диапазоне: f_burst =(1÷3)f₁.At stage 1, for the above _rf, the high-temperature heat capacity is calculated temperature limit and the OPE limit w ₁ ≈2C _HT ρ(T ₁ -T _i )+w _dis , at w below which the proportion of filament energy losses due to thermal radiation is insignificant. The high-frequency range of train repetition frequencies is selected for irradiation, i.e. f _burst ≥f ₁ , for which the cooling coefficient η lies in the range of 0.76÷1. Or they choose the low-frequency range of train repetition frequencies, i.e. f _burst ≤f ₂ , for which η≤0.1. Accordingly, a specific value of η is selected from one or another of the specified ranges (in this case, specific values of the frequency limits f ₁ and f ₂ , as well as the value of f _burst itself will be quantitatively found below at stage 4). For LPR of tempered glasses, both frequency ranges can be selected, while for other materials it is preferable to choose only the high-frequency range, with the above-mentioned limitation f _burst in this range: f _burst = (1÷3)f ₁ .

На стадии 2 выбирают ОПЭ плазмы филамента как w≤w₁, за счет чего доля потерь энергии филамента на тепловое излучение становится несущественной. Также из указанных входных данных С₂, ρ₂, T_mod, T_i и выбранной выше величины η вычисляют порог модификации для теплового механизма At stage 2, the OPE of the filament plasma is chosen as w≤w ₁ , due to which the share of filament energy losses due to thermal radiation becomes insignificant. Also, from the specified input data C ₂ , ρ ₂ , T _mod , T _i and the value η selected above, the modification threshold for the thermal mechanism is calculated

На стадии 3 согласно модели вычисляют из указанных выше параметров энергию цуга импульсов в материале и максимально допустимый для получения разделения с улучшенной гладкостью шаг следования филаментов в материалеAt stage 3, according to the model, the energy of the pulse train in the material is calculated from the above parameters and the maximum allowable pitch of filaments in the material to obtain separation with improved smoothness

(при указанном выше выборе величины η в том или ином, низко- или высокочастотном, диапазоне). Выбирают шаг следования филаментов s₁, например, для определенности выбирают что, как отмечалось выше, обеспечивает частичное перекрытие зон воздействия по их радиусам. Вычисляют согласно модели для определенных выше w, w_mod и предела прочности данного материала ас параметры N_p0 и N_p1:(with the above choice of the value of η in one or another, low- or high-frequency range). Select the filament pitch s ₁ , for example, for definiteness choose which, as noted above, ensures partial overlap of the impact zones along their radii. The parameters N _p0 and N _p1 are calculated according to the model for w, w _mod and the tensile strength of a given material defined above:

Квадратные скобки [] в данных выражениях обозначают целую часть числа в этих скобках. Выбирают число импульсов в цуге N_p согласно условию Np>N_p0, N_p1.Square brackets [] in these expressions indicate the integer part of the number in these brackets. The number of pulses in the train N _p is selected according to the condition Np>N _p0 , N _p1 .

На стадии 4 из указанных выше данных по s₁, Н и E_burst вычисляют энергоэффективность процесса ЛФР Ω=2s₁H/E_burst, а также частотный предел f₁ (либо f₂). При этом для указанного отношения (s₁/s_1max)=0.9 используют выражения: В соответствии с ранее выбранной величиной η вычисляют количественно частоту повторения цугов для получения разделения с улучшенной гладкостью, в высокочастотном диапазоне, f_burst≥f₁, или же в низкочастотном, f_burst≥f₂. Для указанных выше s₁ и c_s вычисляют время инерциального удержания давления в пространстве между соседними филаментами: t_P2≈s₁/c^s. Вычисляют энергию Е₀ отдельного импульса в материале, которую в соответствии с предлагаемым способом выбирают одинаковой для всех импульсов цуга, т.е. Е₀=E_burst/N_p. Для заданных выше входных параметров r_f и χ вычисляют время удержания тепла в пределах радиуса филамента At stage 4, from the above data on s ₁ , H and E _burst , the energy efficiency of the LPR process Ω=2s ₁ H/E _burst is calculated, as well as the frequency limit f ₁ (or f ₂ ). In this case, for the specified ratio (s ₁ /s _1max ) = 0.9, the following expressions are used: In accordance with the previously selected value of η, the frequency of repetition of the trains is calculated quantitatively to obtain a separation with improved smoothness, in the high-frequency range, f _burst ≥f ₁ , or in the low-frequency range, f _burst ≥f ₂ . For the above s ₁ and c _s, the time of inertial pressure retention in the space between adjacent filaments is calculated: t _P2 ≈s ₁ /c ^s . The energy E ₀ of an individual pulse in the material is calculated, which, in accordance with the proposed method, is chosen to be the same for all pulses of the train, i.e. E ₀ = E _burst / N _p . For the input parameters r _f and χ given above, the heat retention time within the radius of the filament is calculated

На стадии 5 вычисляют среднюю мощность импульсно-периодического лазерного излучения в материале и скорость относительного перемещения пучка и материала при подстановке указанных выше E_burst, fburst и s₁. Если для получения разделения с улучшенной гладкостью не только в пределах каждого набора филаментов, но и в пространстве между наборами филаментов требуется создание в материале не одного, а одновременно двух или более указанных наборов филаментов, каждый шириной Н, например, при помощи упомянутого выше в «Уровне техники» метода мультифокусировки, то потребуются суммарная энергия цуга импульсов и средняя мощность в материале соответственно вдвое или большее число раз выше найденных выше E_burst и Р. Далее для заданного r_f и определенного выше и вычисляют время удержания положения пучка t_r≈r_f/u. Выбирают длительность цуга в целом τ_burst согласно ограничению τ_burst<t_T1,t_r, а затем временной интервал между импульсами в цуге находят как Δt=τ_burst(N_p-1). Кроме того, при таком выборе Δt соблюдают выполнение условия Δt>t_P2. Длительность отдельного импульса полагают одинаковой для всех импульсов цуга и вычисляют как τ=Е₀/(ГР_с), что с учетом вышеприведенных соотношений для Е₀ и E_burst позволяет количественно рассчитать τ через введенные выше параметры также как At stage 5, the average power of pulsed-periodic laser radiation in the material is calculated and the speed of relative movement of the beam and material when substituting the above E _burst , fburst and s ₁ . If, in order to obtain separation with improved smoothness not only within each set of filaments, but also in the space between sets of filaments, it is necessary to create in the material not one, but simultaneously two or more specified sets of filaments, each of width H, for example, using the one mentioned above in “ Level of technology" of the multifocusing method, then the total energy of the pulse train and the average power in the material will be required, respectively, twice or more times higher than E _burst and P found above. Next, for a given r _f and defined above, the holding time of the beam position t _r ≈r _f is calculated /u. The duration of the train as a whole, τ _burst, is selected according to the constraint τ _burst <t _T1 ,t _r , and then the time interval between pulses in the train is found as Δt=τ _burst (N _p -1). In addition, with this choice of Δt, the condition Δt>t _P2 is met. The duration of an individual pulse is assumed to be the same for all pulses of the train and is calculated as τ = E ₀ /(GR _s ), which, taking into account the above relations for E ₀ and E _burst , makes it possible to quantitatively calculate τ through the parameters introduced above as well as

Таким образом количественно находят 12 параметров излучения которые при учете еще двух входных управляющих параметров, r_f и Н, составляют в общей сложности 14 параметров. Они полностью и однозначно количественно определяют процесс ЛФР в режиме СФЦИ с получением улучшенной гладкости разделения, и, тем самым, решают поставленную задачу количественного нахождения параметров облучения необходимых для получения разделения с улучшенной гладкостью.In this way, 12 radiation parameters are quantitatively found which, when taking into account two more input control parameters, r _f and H, amount to a total of 14 parameters. They completely and unambiguously quantify the LPR process in the SFC mode to obtain improved separation smoothness, and thus solve the problem of quantitatively finding the irradiation parameters necessary to obtain separation with improved smoothness.

5. Сравнение предлагаемого способа количественного нахождения параметров излучения для получения ЛФР с улучшенной гладкостью с известным в литературе экспериментом для закаленного стекла показывает хорошее количественное согласие. С другой стороны, для другого эксперимента, где изучалась ЛФР незакаленного кварцевого стекла и была получена сравнительно невысокая гладкость боковых стенок разделения, сопоставление с предлагаемым способом указывает те экспериментальные параметры, которые значительно отличаются от предлагаемых данным способом и поэтому обусловливают указанную наблюдаемую невысокую гладкость разделения. Подробное описание сравнений этих двух экспериментов с предлагаемым способом дается ниже в разделе «Примеры осуществления изобретения».5. Comparison of the proposed method for quantitatively finding the radiation parameters to obtain LPR with improved smoothness with the experiment known in the literature for tempered glass shows good quantitative agreement. On the other hand, for another experiment, where the LFR of untempered quartz glass was studied and a relatively low smoothness of the side walls of the separation was obtained, a comparison with the proposed method indicates those experimental parameters that differ significantly from those proposed by this method and therefore determine the indicated observed low smoothness of the separation. A detailed description of comparisons of these two experiments with the proposed method is given below in the section “Examples of the invention”.

6. После успешной апробации найденные параметры оптимизируют путем варьирования влияющих на них указанных выше свободно выбираемых управляющих параметров w, η, r_f и Н для нахождения ряда новых режимов ЛФР, обеспечивающих в дополнение к улучшенной гладкости также и другие технические результаты:6. After successful testing, the found parameters are optimized by varying the above freely selectable control parameters w, η, r _f and H that influence them to find a number of new LPR modes that provide, in addition to improved smoothness, other technical results:

- Высокую энергоэффективность процесса ЛФР Ω, определяемую согласно (30). Этот параметр важен для широкомасштабных промышленных применений. Подстановка в (30) выражения (21) для E_burst, а также выбор шага следования как s₁=Q.9s_max, где S_max дается выражениями (22,23), приводит к следующему выражению:- High energy efficiency of the LFR process Ω, determined according to (30). This parameter is important for large-scale industrial applications. Substituting expression (21) for E _burst into (30), as well as choosing the sequence step as s ₁ =Q.9s _max , where S _max is given by expressions (22,23), leads to the following expression:

Оно в прозрачной форме показывает, что Ω велико, если: (а) максимально отношение что, как нетрудно определить из положения широкого максимума этой зависимости, имеет место при (б) минимально r_f, что имеет место при использовании более короткой длины волны лазерного излучения λ и большей числовой апертуры фокусировки NA; (в) минимально w_mod, для чего при доминировании в формировании зоны воздействия теплопроводностного механизма переноса энергии необходимо использовать частоту повторения цугов в высокочастотном диапазоне, f_burst≥f₁, а не в низкочастотном диапазоне, f_burst≤f₂, поскольку возрастание фактора накопления тепла η в диапазоне f_burst≥f₁ приводит в соответствии с оценкой (9) к уменьшению порога модификации w_mod почти в два раза по сравнению с диапазоном f_burst≥f₂; (г) минимален коэффициент преобразования энергии плазмы филамента в энергию ударной волны, K_sw<<1, что, как указывалось выше, соответствует материалам с достаточно долгим временем энерговыделения t_E>t_P1, t_P2; (д) максимальны коэффициенты конверсии энергии A_L-P и A_P-H, что подчеркивает важность использования для ЛФР филаментов с ОПЭ w, удовлетворяющей условию (11) w≤w₁, при котором происходит устранение значительных потерь энергии филамента на тепловое излучение.It shows in transparent form that Ω is large if: (a) the ratio is maximum which, as can be easily determined from the position of the broad maximum of this dependence, occurs when (b) r _f is minimal, which occurs when using a shorter laser wavelength λ and a larger focusing numerical aperture NA; (c) minimum w _mod , for which, when the thermal conductivity mechanism of energy transfer dominates in the formation of the zone of influence, it is necessary to use the repetition frequency of trains in the high-frequency range, f _burst ≥f ₁ , and not in the low-frequency range, f _burst ≤f ₂ , since the accumulation factor increases heat η in the range f _burst ≥f ₁ leads, in accordance with estimate (9), to a decrease in the modification threshold w _mod by almost two times compared to the range f _burst ≥f ₂ ; (d) the coefficient of conversion of filament plasma energy into shock wave energy is minimal, K _sw <<1, which, as mentioned above, corresponds to materials with a sufficiently long energy release time t _E >t _P1 , t _P2 ; (e) the energy conversion coefficients A _LP and A _PH are maximum, which emphasizes the importance of using filaments for LPR with an OPE w that satisfies condition (11) w≤w ₁ , at which significant filament energy losses due to thermal radiation are eliminated.

Высокую скорость (3) относительного перемещения лазерного пучка и материала. Подстановка сюда выражений для f_burst в виде:High speed (3) relative movement of the laser beam and material. Substituting here expressions for f _burst in the form:

где, как следует из вышесказанного, а=13.3÷39.9 для высокочастотного диапазона частот (10,24,27), и а≤0.547 для низкочастотного диапазона (25,28), дает оценкуwhere, as follows from the above, a=13.3÷39.9 for the high-frequency frequency range (10,24,27), and a≤0.547 for the low-frequency range (25,28), gives an estimate

Отсюда становится очевидно, что и велико, когда (i) велико а, т.е. при использовании высокочастотного диапазона (10), (ii) при использовании материала с более высокой температуропроводностью χ, (iii) уменьшении шага следования филаментов s₁ (что достигается при уменьшении радиуса филамента r_f за счет уменьшения длины волны лазера λ и/или использования большей числовой апертуры фокусировки NA, и/или при ОПЭ в ограниченном диапазоне около w≈(1.8÷2.5)w_dis согласно (22, 23, 26)). Например, выбор частоты повторения цугов в высокочастотном диапазоне f_burst≥f₁ и, например, использование длины волны лазерного излучения λ=0.52 мкм вдвое более короткой, чем, λ=1.04 мкм, позволяют получить рекордно высокие скорости резки около 1÷50 м/с и более в зависимости от материала - см. например, ниже в Таблице 3 Пример 1.3 для закаленного стекла, где u=11.5 м/с, и в Таблице 4 Примеры 2.1 и 2.5 для дисплейного стекла, где u=6.2 и 8.8 м/с, а также Пример 3.1 для сапфира, где u=52 м/с. Эти скорости могут в десятки, сотни и даже тысячи раз превосходить характерные скорости резки стекол, сапфира и других прозрачных материалов известными механическими способами и в десятки раз - характерные скорости разделения известными способами лазерного управляемого термораскалывания при помощи облучения непрерывными лазерами. - Возможность выполнения ЛФР пучком импульсно-периодического лазерного излучения очень малой средней мощности Р (от долей Вт) с получением, тем не менее, приемлемой для практических применений немалой скорости разделения. Подстановка в выражение (29) для Р найденных выше Е₁ из (21) и f_burst из (31), а также s₁ согласно (22, 23, 26) дает выражение:From this it becomes obvious that u is large when (i) a is large, i.e. when using the high-frequency range (10), (ii) when using a material with a higher thermal diffusivity χ, (iii) reducing the filament pitch s ₁ (which is achieved by reducing the filament radius r _f by reducing the laser wavelength λ and/or using a larger focusing numerical aperture NA, and/or with OPE in a limited range around w≈(1.8÷2.5)w _dis according to (22, 23, 26)). For example, the choice of the repetition rate of trains in the high-frequency range f _burst ≥f ₁ and, for example, the use of a laser radiation wavelength λ=0.52 µm twice shorter than λ=1.04 µm, allows one to obtain record high cutting speeds of about 1÷50 m/ s or more depending on the material - see for example below in Table 3 Example 1.3 for tempered glass, where u=11.5 m/s, and in Table 4 Examples 2.1 and 2.5 for display glass, where u=6.2 and 8.8 m/s s, as well as Example 3.1 for sapphire, where u=52 m/s. These speeds can be tens, hundreds and even thousands of times higher than the characteristic speeds of cutting glass, sapphire and other transparent materials using known mechanical methods and tens of times higher than the characteristic speeds of separation using known methods of laser-controlled thermal splitting using irradiation with continuous lasers. - The possibility of performing LPR with a beam of pulse-periodic laser radiation of very low average power P (from fractions of W) while obtaining, nevertheless, a considerable separation rate acceptable for practical applications. Substituting E ₁ from (21) and f _burst from (31) found above into expression (29) for P, as well as s ₁ according to (22, 23, 26) gives the expression:

Из этой формулы видно, что основное влияние на уменьшение Р оказывает использование низкочастотного диапазона f_burst (28), которому соответствует небольшая величина параметра а (≤0.547), что многократно (в 24-72 раза или более) меньше, чем а=13.3÷39.9 в высокочастотном диапазоне (27). Важен также еще ряд факторов: использование более коротких филаментов, т.е. с Н порядка нескольких десятков мкм; большие (т.е. близкие к 1) коэффициенты конверсии энергии A_L-P и A_P-H, что подчеркивает важность использования для ЛФР филаментов с ОПЭ w, удовлетворяющей условию (11) w≤w₁ устранения значительных потерь энергии филамента на тепловое излучение; минимальный коэффициент преобразования энергии плазмы филамента в энергию ударной волны, K_sw<<1, что, как уже указывалось выше, имеет место для материалов с достаточно длинным временем энерговыделения: t_E>t_P1, t_P2. При этом скорость и в указанном низкочастотном диапазоне максимальна, как следует из (32), при максимальном а в этом диапазоне (т.е. а=0.547), при f≈f₂, а также, как уже отмечалось выше, при использовании материала с более высокой температуропроводностью χ, уменьшении шага следования филаментов s₁ (что достигается при уменьшении длины волны лазера X, и/или использовании большей числовой апертуры фокусировки NA, и/или согласно (22, 23, 26) при ОПЭ порядка Ниже в Таблице 3 приводится Пример 1.4, в котором конкретно рассчитываются параметры облучения по указанной схеме для тонкого закаленного стекла и при этом получены следующие величины: Р=197 мВт и u=0.18 м/с.From this formula it is clear that the main influence on the reduction of P is the use of the low-frequency range f _burst (28), which corresponds to a small value of the parameter a (≤0.547), which is many times (24-72 times or more) less than a = 13.3÷ 39.9 in the high frequency range (27). A number of other factors are also important: the use of shorter filaments, i.e. with H on the order of several tens of microns; large (i.e., close to 1) energy conversion coefficients A _LP and A _PH , which emphasizes the importance of using filaments with OPE w for LPR, satisfying condition (11) w≤w ₁ to eliminate significant filament energy losses due to thermal radiation; the minimum coefficient of conversion of filament plasma energy into shock wave energy, K _sw <<1, which, as mentioned above, occurs for materials with a sufficiently long energy release time: t _E >t _P1 , t _P2 . In this case, the speed in the indicated low-frequency range is maximum, as follows from (32), at maximum a in this range (i.e. a = 0.547), at f≈f ₂ , and also, as noted above, when using the material with a higher thermal diffusivity χ, a decrease in the filament pitch s ₁ (which is achieved by decreasing the laser wavelength X, and/or using a larger focusing numerical aperture NA, and/or according to (22, 23, 26) with an OPE of the order of Below in Table 3 is Example 1.4, in which the irradiation parameters are specifically calculated according to the specified scheme for thin tempered glass and the following values are obtained: P = 197 mW and u = 0.18 m/s.

7. Возможно экспериментальное уточнение параметров излучения, предлагаемых указанным алгоритмом при некотором специальном выборе параметров облучения, когда: ОПЭ w выбирают как w<w₁; параметр η выбирают соответствующим высокочастотному диапазону; с превышением как минимум в несколько раз над N_p0 выбирают число импульсов в цуге: N_P1; частоту повторения цугов f_burst выбирают с превышением в несколько раз над f₁: временной интервал Δt между импульсами выбирают с превышением в несколько раз над t_P2: Отметим, что такой выбор N_p, f_burst и Δt соответствует алгоритму, т.е. не противоречит получению разделения с улучшенной гладкостью. Затем в эксперименте для параметров используют их значения, найденные согласно предлагаемому алгоритму. В то же время величину шага следования филаментов s₁ уточняют путем ее экспериментального подбора, сравнивая результаты получаемой в экспериментах резки при различных s₁: находят при этом подходящую величину s\, для которой в экспериментах достигается результат с наилучшей гладкостью боковых стенок разделения. Нижнюю и верхнюю границы диапазона варьирования s₁ в этих экспериментах выбирают отличающимися от расчетного значения s₁ не более, чем в 1.4 раза соответственно в меньшую и большую сторону. Указанные выше значительные превышения N_p в несколько раз над N_p0, f_burst над f₁ и Δt над t_P2 необходимы для того, чтобы при указанном варьировании si вокруг расчетного значения не выйти за пределы применимости условия использования высокочастотного диапазона f_burst≥f₁, а также условий N_p≥N_p0, N_p1 и Δt≥t_P2, поскольку границы f₁, N_p0 и t_P2 меняются с варьрованием s₁ согласно состношениям (27), (8) и (5) соответственно. Такая процедура может быть выполнена и для иного выбора ОПЭ филамента w, расширяя тем самым количество экспериментов, из которых находят результат с наилучшей гладкостью разделения.7. It is possible to experimentally refine the radiation parameters proposed by the specified algorithm with some special choice of irradiation parameters, when: OPE w is chosen as w<w ₁ ; the parameter η is chosen corresponding to the high-frequency range; with an excess of at least several times over N _p0 , select the number of pulses in the train: N _P1 ; the frequency of repetition of the trains f _burst is chosen to be several times higher than f ₁ : the time interval Δt between pulses is chosen to be several times greater than t _P2 : Note that this choice of N _p , f _burst and Δt corresponds to the algorithm, i.e. does not conflict with obtaining a separation with improved smoothness. Then in the experiment for the parameters use their values found according to the proposed algorithm. At the same time, the value of the filament pitch _s1 is clarified by its experimental selection, comparing the results of cutting obtained in experiments at different _s1 : in this case, a suitable value of s\ is found, for which in the experiments a result with the best smoothness of the side walls of the separation is achieved. The lower and upper limits of the range of variation of s ₁ in these experiments are chosen to differ from the calculated value of s ₁ by no more than 1.4 times, respectively, downwards and upwards. The above significant excesses of N _p by several times over N _p0 , f _burst over f ₁ and Δt over t _P2 are necessary so that, with the indicated variation of si around the calculated value, not to go beyond the applicability of the conditions for using the high-frequency range f _burst ≥f ₁ , as well as the conditions N _p ≥N _p0 , N _p1 and Δt≥t _P2 , since the boundaries f ₁ , N _p0 and t _P2 change with varying s ₁ according to relations (27), (8) and (5), respectively. This procedure can also be performed for a different choice of OPE filament w, thereby expanding the number of experiments from which the result with the best separation smoothness is found.

8. Если применение указанных выше мер оказывается все же недостаточным для получения желаемого уровня гладкости боковых стенок разделения, то дополнительно используют нанесение вспомогательного слоя из прозрачного материала с высоким пределом прочности на растяжение и высокой жесткостью (модулем Юнга) на переднюю и/или тыльную наружную поверхность обрабатываемого образца для повышения механической прочности этих поверхностей по отношению к растягивающим термически-индуцированным напряжениям. Это приводит к искусственному уменьшению на этих поверхностях радиуса зоны нежелательного хаотичного или разнонаправленного растрескивания вокруг каждого филамента вследствие термодеформационного механизма формирования зоны воздействия. В качестве такого вспомогательного материала используют, например, прозрачную графеновую пленку, либо прозрачную пленку из высокопрочного полимера. При этом положение филаментов в толще материала настраивают так, что они не выходят из объема основного обрабатываемого материала в область расположения указанного дополнительного наружного вспомогательного слоя.8. If the application of the above measures is still insufficient to obtain the desired level of smoothness of the side walls of the separation, then an additional layer of transparent material with high tensile strength and high rigidity (Young’s modulus) is applied to the front and/or rear outer surface of the processed sample to increase the mechanical strength of these surfaces in relation to tensile thermally induced stresses. This leads to an artificial reduction on these surfaces of the radius of the zone of unwanted chaotic or multidirectional cracking around each filament due to the thermal deformation mechanism of the formation of the impact zone. As such an auxiliary material, for example, a transparent graphene film or a transparent film made of a high-strength polymer is used. In this case, the position of the filaments in the thickness of the material is adjusted so that they do not go out of the volume of the main processed material into the area where the specified additional outer auxiliary layer is located.

9. Как следует из фотографий боковых стенок разделения (см. Фиг. 3б), основной (или, по крайней мере, существенный) вклад в амплитуду их шероховатости вносит рельеф с периодом равным шагу следования филаментов s₁. Ввиду того, что аспектное отношение для такого рельефа AR=R_a/s₁ (где R_a - средняя по поверхности разделения амплитуда его шероховатости) остается ограниченным при варьировании s₁, то согласно соотношению R_a=s₁⋅AR для получения уменьшенной шероховатости (т.е. улучшенной гладкости) из многообразия решений, найденных согласно указанному выше алгоритму при варьировании указанных выше управляющих параметров w, r_f и Н, предпочтительно используют режимы облучения при уменьшенных величинах s₁, например, в диапазоне s₁≈1÷3.5 мкм по сравнению с s₁≈5÷7 мкм в известных в литературе экспериментах. Для получения таких уменьшенных s₁, как следует из алгоритма согласно выражениям (22, 23, 26), предпочтительно используют малые радиусы r_f филамента (что достигается применением большей числовой апертуры системы фокусировки, и/или более короткой длины волны лазерного излучения, например, из диапазона λ=0.5-0.55 мкм вместо 1-1.1 мкм) и/или используют ОПЭ в ограниченном диапазоне: w≈(1.8÷2.5)w_dis.9. As follows from photographs of the side walls of the separation (see Fig. 3b), the main (or at least significant) contribution to the amplitude of their roughness is made by the relief with a period equal to the filament pitch s ₁ . Due to the fact that the aspect ratio for such a relief AR=R _a /s ₁ (where R _a is the average amplitude of its roughness over the separation surface) remains limited when varying s ₁ , then according to the relation R _a =s ₁ ⋅AR to obtain a reduced roughness (i.e. improved smoothness) from the variety of solutions found according to the above algorithm when varying the above control parameters w, r _f and H, it is preferable to use irradiation modes with reduced values of s ₁ , for example, in the range s ₁ ≈1÷3.5 µm compared to s ₁ ≈5÷7 µm in experiments known in the literature. To obtain such reduced s ₁ , as follows from the algorithm according to expressions (22, 23, 26), it is preferable to use small radii r _f of the filament (which is achieved by using a larger numerical aperture of the focusing system, and/or a shorter wavelength of laser radiation, for example, from the range λ=0.5-0.55 µm instead of 1-1.1 µm) and/or use OPE in a limited range: w≈(1.8÷2.5)w _dis .

10. Для получения разделения с улучшенной гладкостью дополнительно к рассматриваемому режиму СФЦИ предпочтительно используют для облучения гаусс-бесселевы пучки, создаваемые коническими линзами (аксиконами) 15, в особенности для резки толстых материалов, с толщиной около 7-10 мм и более - см. Фиг. 5.10. To obtain separation with improved smoothness, in addition to the considered SFCI mode, it is preferable to use Gaussian-Bessel beams for irradiation, created by conical lenses (axics) 15, especially for cutting thick materials, with a thickness of about 7-10 mm or more - see Fig. . 5.

Действительно, наряду с перечисленными выше факторами получения улучшенной гладкости важны также следующие условия:Indeed, along with the above factors for obtaining improved smoothness, the following conditions are also important:

(i) Прямолинейность, детерминированнность и повторяемость направления оси каждого филамента и осей филаментов в наборе;(i) Straightness, determinism and repeatability of the direction of the axis of each filament and the axes of the filaments in the set;

(ii) Однородность ОПЭ филамента w вдоль его оси и от филамента к филаменту для исключения вариаций радиуса зоны воздействия в материале вокруг каждого филамента, как по длине каждого филамента, так и от филамента к филаменту в их наборе, а также однородность накачки филамента по его длине от импульса к импульсу в цуге;(ii) Uniformity of the filament's OPE w along its axis and from filament to filament to eliminate variations in the radius of the impact zone in the material around each filament, both along the length of each filament and from filament to filament in their set, as well as the uniformity of filament pumping along its length from pulse to pulse in a train;

(iii) Возможность за счет большого числа импульсов в цуге обеспечить значительно бОльшую энергию для создания филамента, что дает возможность оптической накачки до достаточной для разделения объемной плотности энергии гораздо более длинного филамента при использовании цугов импульсов по сравнению с упомянутым выше режимом СФОИ. Такое отличие и преимущество режима СФЦИ особенно важно для резки толстых материалов, например, с толщиной, 7-10 мм и более, когда для выполнения разделения необходимы очень длинные филаменты в несколько мм.(iii) The ability, due to the large number of pulses in a train, to provide significantly more energy to create a filament, which makes it possible to optically pump a much longer filament to a volumetric energy density sufficient to separate it when using pulse trains compared to the above-mentioned SFOI mode. This difference and advantage of the SFCI mode is especially important for cutting thick materials, for example, with a thickness of 7-10 mm or more, when very long filaments of several mm are required to perform separation.

Использование облучения гаусс-бесселевыми пучками обеспечивает выполнение этих условий. В таком случае под указанными в пунктах выше E_burst, Е₀ и Р имеются ввиду параметры, соответствующие центральному максимуму пространственного распределения интенсивности пучка в области фокусировки.The use of irradiation with Gaussian-Bessel beams ensures that these conditions are met. In this case, the E _burst , E ₀ and P indicated in the paragraphs above mean the parameters corresponding to the central maximum of the spatial distribution of the beam intensity in the focusing region.

Для сравнения, создание филаментов за счет спонтанной самофокусировки пучка в материале позволяет получить лишь короткие филаменты порядка нескольких десятков микрометров, но не миллиметров, и при этом более подвержено различным флуктуациям - как в положении филамента в толще материала и его направлении (в частности, его искривлении), так и в радиусе зоны модификации вдоль филамента, что может приводить к большей шероховатости получаемых после облучения стенок разделения.For comparison, the creation of filaments due to spontaneous self-focusing of a beam in a material allows one to obtain only short filaments of the order of several tens of micrometers, but not millimeters, and at the same time is more susceptible to various fluctuations - as in the position of the filament in the thickness of the material and its direction (in particular, its curvature ), and within the radius of the modification zone along the filament, which can lead to greater roughness of the separation walls obtained after irradiation.

11. Предлагаемый способ количественного выбора параметров для ЛФР может быть применен в сочетании с известным методом, использующим для выполнения ЛФР многослойную композицию, состоящую из расположенных друг на друге слоев из одного и того же прозрачного материала или же включающую слои различных прозрачных материалов, твердых и/или жидких, эти слои могут иметь различную толщину, а слой материала, собственно подлежащий ЛФР и в котором происходит фокусировка пучка, может быть первым в указанной композиции и обращенным к лазерному пучку, либо последним слоем, т.е. на тыльной стороне этой композиции, или же заключен между других слоев.11. The proposed method for quantitative selection of parameters for LPR can be used in combination with the known method, which uses a multilayer composition to perform LPR, consisting of layers of the same transparent material located on top of each other or including layers of various transparent materials, solid and/or or liquid, these layers can have different thicknesses, and the layer of material that is actually subject to LPR and in which the beam is focused can be the first in the specified composition and facing the laser beam, or the last layer, i.e. on the back side of this composition, or enclosed between other layers.

Отметим, что для альтернативной схемы эксперимента, когда материал облучается на воздухе, при необходимости создания филаментов непосредственно у передней, обращенной к падающему лазерному пучку поверхности материала сужающаяся часть пучка с высокой интенсивностью находится у этой поверхности. Поэтому высока вероятность оптического пробоя воздуха у этой поверхности, что для ЛФР является нежелательным явлением, поскольку вызывает дефокусировку и экранировку для падающего на обрабатываемый материал лазерного пучка, делая обработку невозможной. Использование указанной многослойной композиции позволяет избежать такое нежелательное явление.Note that for an alternative experimental design, when the material is irradiated in air, if it is necessary to create filaments directly at the front surface of the material facing the incident laser beam, the tapering part of the beam with high intensity is located at this surface. Therefore, there is a high probability of optical breakdown of air near this surface, which is an undesirable phenomenon for LPR, since it causes defocusing and screening for the laser beam incident on the material being processed, making processing impossible. The use of the specified multilayer composition allows one to avoid such an undesirable phenomenon.

12. Конкретные количественные примеры практического применения указанного способа разделения и разработанного алгоритма для химически закаленного стекла Corning Gorilla Glass 5, дисплейного стекла Eagle XG@Display Glass и сапфира приводятся ниже в Таблицах 3 и 4 в разделе «Примеры осуществления изобретения». При этом рассмотрены как тонкие пластины толщиной менее 0.75 мм, так и толстые, с толщиной около 7-10 мм или более. Количественно конкретно указаны все параметры облучения необходимые для задания режима СФЦИ с получением улучшенной гладкости стенок разделения - 12. Specific quantitative examples of the practical application of the specified separation method and the developed algorithm for chemically tempered Corning Gorilla Glass 5, Eagle XG@Display Glass and sapphire are given below in Tables 3 and 4 in the “Examples of the Invention” section. In this case, both thin plates with a thickness of less than 0.75 mm and thick ones, with a thickness of about 7-10 mm or more, are considered. All irradiation parameters necessary to set the SFCI mode to obtain improved smoothness of the separation walls are specifically indicated quantitatively -

Найдено при этом, что выбор частоты повторения в высокочастотном диапазоне, f≥f₁, и использование вдвое более короткой длины волны лазерного излучения, например, 0.52 мкм вместо 1.04 мкм, позволяют получить более высокие, в том числе рекордно высокие скорости резки - около 11÷52 м/с и более в зависимости от материала. Эти скорости могут в десятки и сотни раз превосходить характерные скорости резки стекол, сапфира и других прозрачных материалов известными механическими способами и в десятки раз - характерные скорости разделения известными способами лазерного управляемого термораскалывания при помощи облучения непрерывными лазерами.It was found that the choice of repetition frequency in the high-frequency range, f≥f ₁ , and the use of a twice shorter wavelength of laser radiation, for example, 0.52 μm instead of 1.04 μm, make it possible to obtain higher, including record high cutting speeds - about 11 ÷52 m/s or more depending on the material. These speeds can be tens and hundreds of times higher than the characteristic speeds of cutting glass, sapphire and other transparent materials using known mechanical methods, and tens of times higher than the characteristic speeds of separation using known methods of laser-controlled thermal splitting using irradiation with continuous lasers.

С другой стороны, найдено, что выбор частоты повторения в низкочастотном диапазоне, f≤f₂, и использование более короткой длины волны лазерного излучения (например, λ=0.52 мкм вместо 1.04 мкм) делают для закаленных стекол возможным ЛФР с получением улучшенной гладкости при крайне малой средней мощности лазера (от долей Вт), обеспечивающей, тем не менее, хоть и не рекордно высокую, но приемлемую для применений и немалую скорость резки около 0.2 м/с.On the other hand, it has been found that the choice of repetition frequency in the low frequency range, f≤f ₂ , and the use of a shorter wavelength of laser radiation (for example, λ = 0.52 μm instead of 1.04 μm) make LPR possible for tempered glasses, obtaining improved smoothness at extremely high temperatures. low average laser power (from fractions of W), which nevertheless provides, although not a record high, but acceptable for applications and considerable cutting speed of about 0.2 m/s.

Найдены также режимы ЛФР с улучшенной гладкостью, позволяющие при умеренной средней лазерной мощности получить резку закаленных и незакаленных стекол, а также сапфира со сравнительно умеренной и приемлемой для реализации в применениях скоростью перемещения и порядка 3-7 м/с.LPR modes with improved smoothness have also been found, which make it possible to cut tempered and non-tempered glass, as well as sapphire, at a moderate average laser power with a relatively moderate moving speed of the order of 3-7 m/s and acceptable for implementation in applications.

Устройство, действие которого основано на практической реализации предлагаемого выше способа, включает в себя такие известные компоненты, как:The device, the operation of which is based on the practical implementation of the method proposed above, includes such well-known components as:

- Импульсно-периодический лазер;- Pulse-periodic laser;

- Блок формирования и фокусировки пучка с возможностью изменения диаметра пучка, плавного регулирования энергии импульсов, а также фокусировки пучка в материале с помощью фокусирующей системы с возможностью поддержания расстояния между ней и деталью;- Beam formation and focusing unit with the ability to change the beam diameter, smoothly regulate the pulse energy, as well as focus the beam in the material using a focusing system with the ability to maintain the distance between it and the part;

- Блок прецизионного крепления и наклона облучаемой детали под лазерным пучком_с возможностью ее прецизионного 3В-перемещения относительно лазерного пучка:- Block for precision fastening and tilting of the irradiated part under the laser beam with the possibility of its precision 3B movement relative to the laser beam:

(а) вдоль оси пучка - для осуществления прецизионной настройки положения области фокусировки пучка в толще образца с целью создания одного или нескольких наборов филаментов на различных глубинах в толще материала;(a) along the beam axis - to precisely adjust the position of the beam focusing area in the thickness of the sample in order to create one or more sets of filaments at different depths in the thickness of the material;

(б) в плоскости фокусировки с использованием при необходимости полигональных сканеров для получения высокой скорости сканирования в несколько м/с, с выполнением резов обрабатываемого материала прямолинейно или же по криволинейной траектории, или по замкнутой траектории, и/или «с катушки на катушку» для ЛФР гибких прозрачных материалов при их перемещении под лазерным пучком, и/или в виде вращения детали относительно лазерного пучка вокруг ее оси симметрии, когда деталь имеет неплоскую поверхность в виде фигуры вращения;(b) in the focusing plane, using, if necessary, polygonal scanners to obtain a high scanning speed of several m/s, with cutting the processed material straight or along a curved path, or along a closed path, and/or “from reel to reel” for LPR of flexible transparent materials when they move under a laser beam, and/or in the form of rotation of the part relative to the laser beam around its axis of symmetry, when the part has a non-flat surface in the form of a figure of rotation;

- Возможности облучения, позволяющие создавать в толще материала один или нескольких наборов филаментов теми или иными методами, либо их комбинациями:- Irradiation capabilities that make it possible to create one or more sets of filaments in the thickness of the material using one or another method or their combinations:

(а) за счет повторных прохождений пучка по тому же треку в материале;(a) due to repeated passages of the beam along the same track in the material;

(б) за счет мультифокусировки - формирования из основного пучка двух или более пучков для их одновременной фокусировки в материале на различных глубинах;(b) due to multifocusing - the formation of two or more beams from the main beam for their simultaneous focusing in the material at different depths;

(в) за счет формирования филаментов в объеме материала при помощи нелинейного процесса спонтанной самофокусировки, и/или применения каких-либо иных методов, применяемых по отдельности, либо в тех или иных комбинациях и удлиняющих область фокусировки пучка вдоль оптической оси, например, за счет использования специальных оптических элементов, таких, как дифрационно-оптические элементы, либо намеренно астигматичная фокусирующая оптика, либо аксиконы, или за счет применения какого-либо иного метода фокусировки;(c) due to the formation of filaments in the bulk of the material using a nonlinear process of spontaneous self-focusing, and/or the use of any other methods, used individually or in certain combinations and extending the beam focusing area along the optical axis, for example, due to the use of special optical elements, such as diffractive optical elements, either intentionally astigmatic focusing optics, or axicons, or through the use of some other focusing method;

(г) путем создания каждого из филаментов цугом импульсов, т.е. группой близко расположенных по времени импульсов.(d) by creating each of the filaments with a train of pulses, i.e. a group of pulses closely spaced in time.

Данное устройство позволяет выполнить разделение таких сравнительно тонких прозрачных материалов, как дисплейное стекло толщиной 0.5÷0.75 мм, химически закаленное стекло толщиной 0.3÷0.7 мм и сапфир толщиной 0.05÷0.3 мм, практически интересных для изготовления мобильных устройств - смартфонов, планшетов, носимой электроники, а также для крупномасштабного производства стеклянных панелей большой площади для защиты светочувствительного слоя солнечных батарей от пыли и атмосферных осадков.This device allows you to separate such relatively thin transparent materials as display glass with a thickness of 0.5÷0.75 mm, chemically tempered glass with a thickness of 0.3÷0.7 mm and sapphire with a thickness of 0.05÷0.3 mm, which are practically interesting for the manufacture of mobile devices - smartphones, tablets, wearable electronics, as well as for large-scale production of large-area glass panels to protect the photosensitive layer of solar cells from dust and precipitation.

- В данном устройстве имеется техническая возможность независимого варьирования параметров облучения для режима СФЦИ в диапазонах, следующих из указанных ниже Табл. 3 и 4: длина волны излучения λ лазера - от 0.3 мкм до 1.1 мкм, или, по крайней мере, в какой-либо части или частях этого диапазона - например, от 0.5 до 1.1 мкм, или λ может принимать дискретные значения, например, 0.52 мкм и/или 1.04 мкм; r_f от 0.2 мкм до не более 1.7 мкм; Н от 30 мкм до не более 700-750 мкм; w от 115 кДж/см³ до не более 900 кДж/см³; E_burst от 1 мкДж до не более 250 мкДж; N_p от 2 до не более 30; Е₀ от 0.1 мкДж до не менее 25 мкДж; s₁ от 0.5 мкм до не более 12 мкм; Р от 0.4 Вт до не более 150 Вт; f_burst от 10 кГц до не более 5 МГц; u от 0.05 м/с до 12 м/с, либо, по-крайней мере, в какой-либо части или частях указанных диапазонов в зависимости от материала и выбора параметров облучения; в случае следующего ниже п. 15 ЛФР с вращением детали, имеющей неплоскую поверхность в виде фигуры вращения, относительно лазерного пучка вокруг ее оси симметрии, угловую скорость вращения выбирают так, чтобы обеспечить указанное варьирование u; τ_burst от 5 нс до не менее 110 нс; Δt от 1 нс до не более 30 нс; τ от 90 фс до не менее 8 пс, при этом в случае использования для фокусировки гаусс-бесселева пучка под указанными E_burst, Е₀ и Р имеются ввиду параметры, соответствующие центральному максимуму пространственного распределения интенсивности пучка.- This device has the technical ability to independently vary irradiation parameters for the SFCI mode in the ranges listed below Table. 3 and 4: laser wavelength λ - from 0.3 µm to 1.1 µm, or at least in some part or parts of this range - for example, from 0.5 to 1.1 µm, or λ can take discrete values, for example, 0.52 µm and/or 1.04 µm; r _f from 0.2 µm to no more than 1.7 µm; H from 30 microns to no more than 700-750 microns; w from 115 kJ/cm ³ to no more than 900 kJ/cm ³ ; E _burst from 1 µJ to no more than 250 µJ; N _p from 2 to no more than 30; E ₀ from 0.1 μJ to at least 25 μJ; s ₁ from 0.5 µm to no more than 12 µm; P from 0.4 W to no more than 150 W; f _burst from 10 kHz to no more than 5 MHz; u from 0.05 m/s to 12 m/s, or at least in some part or parts of the specified ranges, depending on the material and the choice of irradiation parameters; in the case of the following LPR below with the rotation of a part having a non-flat surface in the form of a figure of rotation, relative to the laser beam around its axis of symmetry, the angular velocity of rotation is chosen so as to ensure the specified variation of u; τ _burst from 5 ns to at least 110 ns; Δt from 1 ns to no more than 30 ns; τ from 90 fs to at least 8 ps, while in the case of using a Gaussian-Bessel beam for focusing, the indicated E _burst , E ₀ and P mean the parameters corresponding to the central maximum of the spatial distribution of the beam intensity.

- В устройстве за счет варьирования указанных параметров облучения устанавливают такие их величины, которые согласно предлагаемому способу обеспечивают те или иные упомянутые выше технические результаты ЛФР (улучшенную гладкость разделения, высокую скорость и относительного перемещения лазерного пучка и материала, высокую энергоэффективность Ω процесса ЛФР, либо осуществление ЛФР лазерным пучком очень малой средней мощности Р (от долей Вт) с получением, тем не менее, приемлемой для практических применений немалой скорости разделения), что достигают «ручной» установкой оптимальных параметров резки на основании вычислений согласно предлагаемому способу и/или с помощью блока числового программного управления данного устройства при наличии в нем предлагаемой в данном способе встроенной программы вычисления указанных параметров, а также при их последующей электронной установке в устройстве.- In the device, by varying the specified irradiation parameters, such values are set that, according to the proposed method, provide certain technical results of LPR mentioned above (improved smoothness of separation, high speed and relative movement of the laser beam and material, high energy efficiency Ω of the LPR process, or implementation LFR with a laser beam of very low average power P (from fractions of W) obtaining, however, a considerable separation speed acceptable for practical applications), which is achieved by “manually” setting the optimal cutting parameters based on calculations according to the proposed method and/or using a block numerical program control of this device if it has a built-in program for calculating the specified parameters proposed in this method, as well as with their subsequent electronic installation in the device.

14. Аналогичное устройство предлагается также для разделения толстых пластин прозрачных материалов (толщиной 7-10 мм и более), что представляет практический интерес в автомобильной промышленности, строительстве, дизайне, приборостроении, изготовлении декоративных художественных изделий и других областях.14. A similar device is also proposed for separating thick plates of transparent materials (7-10 mm thick or more), which is of practical interest in the automotive industry, construction, design, instrument making, manufacturing of decorative art products and other areas.

В данном устройстве для лазерного разделения толстых пластин, когда соответственно необходимо создание филаментов большей длины, например, около 7-10 мм, для химически закаленных стекол, незакаленных дисплейных стекол и других материалов в качестве системы фокусировки для создания столь длинных филаментов предпочтительно используют гаусс-бесселев пучок. Под E_burst и Р тогда имеют ввиду параметры, соответствующие центральному максимуму пространственного распределения интенсивности такого пучка.In this device for laser separation of thick plates, when it is necessary to create filaments of longer length, for example about 7-10 mm, for chemically tempered glasses, non-tempered display glasses and other materials, Gaussian-Bessel is preferably used as a focusing system for creating such long filaments bun. By E _burst and P then we mean the parameters corresponding to the central maximum of the spatial distribution of the intensity of such a beam.

Для практической реализации различных комбинаций согласованных параметров облучения устройство имеет техническую возможность варьирования указанных параметров в диапазонах, следующих из указанных ниже Табл. 3 и 4:For the practical implementation of various combinations of agreed irradiation parameters, the device has the technical ability to vary the specified parameters in the ranges following from those indicated below in Table. 3 and 4:

- Радиус филаментов r_f - от 0.2 мкм до не более 0.5 мкм;- Filament radius r _f - from 0.2 µm to no more than 0.5 µm;

- Длину филаментов Н - от 7 мм до 10 мм;- Length of filaments H - from 7 mm to 10 mm;

- Длину волны λ лазерного излучения - в диапазоне приблизительно λ=0.5-1.1 мкм, или λ может принимать дискретные значения, например, 0.52 мкм и/или 1.04 мкм;- Wavelength λ of laser radiation - in the range of approximately λ=0.5-1.1 μm, or λ can take discrete values, for example, 0.52 μm and/or 1.04 μm;

- ОПЭ филамента w - от 115 кДж/см³ до не более 200 кДж/см³;- OPE filament w - from 115 kJ/cm ³ to no more than 200 kJ/cm ³ ;

- Энергию цуга импульсов E_burst - от 230 мкДж до не более 2100 мкДж;- Energy of the pulse train E _burst - from 230 μJ to no more than 2100 μJ;

- Энергию отдельного импульса в цуге Е₀ - от 40 мкДж до не менее 380 мкДж и более;- The energy of an individual pulse in a train E ₀ - from 40 μJ to at least 380 μJ or more;

- Шаг следования филаментов в материале s₁ - от 1 мкм до не более 7 мкм;- The pitch of filaments in the material s ₁ is from 1 µm to no more than 7 µm;

- Среднюю лазерную мощность в материале Р - от 40 Вт до 1800 Вт и более;- Average laser power in material P - from 40 W to 1800 W or more;

- Частоту повторения f_burst - от 20 кГц до не более 3.6 МГц;- Repetition frequency f _burst - from 20 kHz to no more than 3.6 MHz;

- Скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала и - от 0.01 м/с до 9 м/с;- Speed of relative movement of the laser beam and material and - from 0.01 m/s to 9 m/s;

- Длительность цуга импульсов τ_burst - от 4 не до не менее 110 не;- Duration of the pulse train τ _burst - from 4 ns to at least 110 ns;

- Число импульсов в цуге N_p - от 3 до 6 или более;- Number of pulses in a train N _p - from 3 to 6 or more;

и, например, при N_p=6 используют временной интервал между импульсами в цуге Δt - от 1 нс до 24 нс и длительность отдельного импульса τ - от 17 пс до 75 пс.and, for example, when N _p =6, the time interval between pulses in a train Δt is used - from 1 ns to 24 ns and the duration of an individual pulse τ - from 17 ps to 75 ps.

Варьирование параметров в обоих указанных устройствах, соответственно для тонких и толстых материалов, достигают методами известными для специалистов в данной области, использующих для обработки материалов лазеры с варьируемыми параметрами излучения. Например, радиус филамента варьируется изменением угла при вершине используемых в системе фокусировки 3 конусных линз 15, показанных на Фиг. 5. Изменение длины филамента при использовании системы фокусировки 3 с формированием гаусс-бесселева пучка достигается изменением диаметра пучка 2 за счет применения расширителя пучка 14, а также изменением угла при вершине конусных линз 15, используемых в системе фокусировки 3.Variation of the parameters in both of these devices, respectively for thin and thick materials, is achieved by methods known to specialists in the field who use lasers with variable radiation parameters to process materials. For example, the radius of the filament is varied by changing the apex angle of the 3 cone lenses 15 used in the focusing system, shown in FIG. 5. Changing the length of the filament when using the focusing system 3 with the formation of a Gaussian-Bessel beam is achieved by changing the diameter of the beam 2 through the use of a beam expander 14, as well as changing the angle at the apex of the cone lenses 15 used in the focusing system 3.

15. Оба указанных устройства, соответственно для тонких и толстых материалов, могут иметь техническую возможность резки с помощью предлагаемого способа не только плоских, но и неплоских поверхностей, в частности - резки материалов в виде цилиндрических трубок, волокон и других осесимметричных деталей в виде фигур вращения - сфероидов, эллипсоидов, гиперболоидов и других рельефов с кривизной. Относительное перемещение лазерного пучка и материала обеспечивают в этом случае путем добавления степени свободы в относительном перемещении лазерного пучка и обрабатываемой детали в виде ее вращения под пучком вокруг ее оси симметрии. Фиг. 13 показывает блок-схему такого устройства разделения. В отличие от элементов и модулей, упоминавшихся выше для уровня техники на Фиг. 1 и 2, данное устройство имеет техническую возможность вращения 29 указанной неплоской детали 5 относительно лазерного пучка 4 вокруг ее оси симметрии 28 за счет применения модуля 27 для крепления и вращения указанной детали с регулируемыми скоростью и, длиной Н и радиусом r_f филамента, энергией цуга в материале E_burst, шагом следования филаментов s₁, числом импульсов в цуге N_p, средней энергией единичного импульса в цуге Е₀, частотой повторения цугов импульсов f_burst, длительностью отдельного импульса в цуге г, длительностью цугов импульсов в целом τ_burst и временного интервала между импульсами в цуге Δt, которые настраиваются под параметры материала и согласуются друг с другом в соответствии с предлагаемым здесь способом.15. Both of these devices, respectively for thin and thick materials, may have the technical ability to cut using the proposed method not only flat, but also non-flat surfaces, in particular, cutting materials in the form of cylindrical tubes, fibers and other axisymmetric parts in the form of figures of rotation - spheroids, ellipsoids, hyperboloids and other reliefs with curvature. The relative movement of the laser beam and the material is ensured in this case by adding a degree of freedom in the relative movement of the laser beam and the workpiece in the form of its rotation under the beam around its axis of symmetry. Fig. 13 shows a block diagram of such a separation device. Unlike the elements and modules mentioned above for the prior art in FIG. 1 and 2, this device has the technical ability to rotate 29 the specified non-flat part 5 relative to the laser beam 4 around its axis of symmetry 28 through the use of a module 27 for fastening and rotating the specified part with adjustable speed and, length H and radius r _f of the filament, train energy in the material E _burst , filament pitch s ₁ , number of pulses in a train N _p , average energy of a single pulse in a train E ₀ , repetition rate of pulse trains f _burst , duration of an individual pulse in a train r, duration of pulse trains as a whole τ _burst and temporary the interval between pulses in the train Δt, which are adjusted to the material parameters and are consistent with each other in accordance with the method proposed here.

Предлагаемый способ и основанное на его использовании устройство для разделения тонких пластин позволяют выполнить разделение таких сравнительно тонких прозрачных материалов, как дисплейное стекло толщиной 0.5÷0.75 мм, химически закаленное стекло толщиной 0.3÷0.7 мм и сапфир толщиной 0.05÷0.3 мм, практически интересных для изготовления дисплеев и защитных пластин в мобильных устройствах - смартфонах, планшетах, носимой электронике, мировой объем производства которых составляет около 1.5-2 млрд. изделий в год, а также во всевозможных датчиках, фиттинг-браслетах, наручных часах, научных и медицинских приборах, в изготовлении сапфировых теплоотводящих подложек для микропроцессоров и защитных стеклянных панелей для солнечных батарей.The proposed method and the device based on its use for separating thin plates make it possible to separate such relatively thin transparent materials as display glass with a thickness of 0.5÷0.75 mm, chemically tempered glass with a thickness of 0.3÷0.7 mm and sapphire with a thickness of 0.05÷0.3 mm, which are practically interesting for manufacturing displays and protective plates in mobile devices - smartphones, tablets, wearable electronics, the global production of which is about 1.5-2 billion products per year, as well as in all kinds of sensors, fitting bracelets, wristwatches, scientific and medical devices, in the manufacture sapphire heat-dissipating substrates for microprocessors and protective glass panels for solar batteries.

Устройство, предлагаемое для разделения толстых пластин толщиной в несколько миллиметров, может иметь обширные применения в таких отраслях, как автомобильная промышленность, строительство, архитектура и приборостроение. Рынок таких изделий также составляет миллиарды штук в год.The device proposed for separating thick plates of several millimeters in thickness could have extensive applications in industries such as automotive, construction, architecture and instrumentation. The market for such products also amounts to billions of units per year.

Преимущества использования изобретения описаны далее. К ним относятся:The advantages of using the invention are described below. These include:

- Получение для прозрачных и полупрозрачных материалов боковых стенок реза с улучшенной гладкостью при надлежащем выборе параметров излучения, благодаря чему процесс резки в целом значительно упрощается и удешевляется, а его производительность повышается, т.е. тратится меньшее время для получения конечного продукта приемлемого качества, поскольку в этом случае не требуется выполнение трудоемкой дополнительной после-лазерной обработки в виде шлифовки, полировки или химического травления стенок разделения для удаления на них шероховатости, являющейся, как отмечалось выше, источником нежелательных зародышей трещинообразования и потому снижающей ударопрочность изделия при его дальнейшей эксплуатации. При использовании данного способа происходит, таким образом, повышение ударопрочности вырезанных пластин и других изделий из прозрачных материалов в ходе их дальнейшей практической эксплуатации;- Obtaining cut side walls for transparent and translucent materials with improved smoothness with proper selection of radiation parameters, due to which the cutting process as a whole is significantly simplified and cheaper, and its productivity increases, i.e. less time is spent to obtain a final product of acceptable quality, since in this case there is no need to perform labor-intensive additional post-laser processing in the form of grinding, polishing or chemical etching of the separation walls to remove roughness on them, which, as noted above, is a source of unwanted crack nuclei and therefore reducing the impact resistance of the product during its further operation. When using this method, there is thus an increase in the impact resistance of cut plates and other products made of transparent materials during their further practical operation;

- Беспрецедентно высокая скорость резки в данном способе (например, от 0.05 м/с до 3÷52 м/с и более в зависимости от материала и выбора параметров облучения), которая в десятки, сотни и даже тысячи раз превосходит характерные скорости резки закаленных и незакаленных стекол, сапфира, а также многих других прозрачных и полупрозрачных материалов известными механическими способами, и в десятки и сотни раз - характерные скорости разделения известными способами лазерно-индуцированного управляемого термораскалывания при помощи облучения непрерывными и импульсно-периодическими лазерами;- Unprecedentedly high cutting speed in this method (for example, from 0.05 m/s to 3÷52 m/s or more depending on the material and the choice of irradiation parameters), which is tens, hundreds and even thousands of times higher than the characteristic cutting speeds of hardened and non-tempered glasses, sapphire, as well as many other transparent and translucent materials by known mechanical methods, and tens and hundreds of times the characteristic separation rates by known methods of laser-induced controlled thermal splitting using irradiation with continuous and pulse-periodic lasers;

- Весьма малая толщина (всего в несколько мкм) зоны лазерного воздействия в материале вдоль боковых стенок разделения и возможность избежать значительных остаточных термо напряжений и деформаций материала за счет малого энерговыделения на единицу площади боковых стенок реза по сравнению с использованием для разделения прозрачных материалов непрерывных лазеров, а также реализация достаточно высокой скорости перемещения лазерного пучка при весьма малом уровне применяемой средней лазерной мощности (в доли Вт). Такой эффект важен для применений, когда на разрезаемом материале уже находятся какие-либо термочувствительные функциональные рабочие слои например, слой светоизлучающей органики в случае резки дисплейного стекла;- Very small thickness (only a few microns) of the laser impact zone in the material along the side walls of the separation and the ability to avoid significant residual thermal stresses and deformations of the material due to the low energy release per unit area of the side walls of the cut compared to the use of continuous lasers to separate transparent materials, as well as the implementation of a sufficiently high speed of movement of the laser beam at a very low level of applied average laser power (in fractions of W). This effect is important for applications when the material being cut already contains some heat-sensitive functional working layers, for example, a layer of light-emitting organics in the case of cutting display glass;

- Применимость способа в зависимости от настройки параметров облучения и фокусировки для разделения как тонких (с толщиной 0.05-0.75 мм), так и толстых материалов (толщиной, например, 7-10 мм и более);- The applicability of the method, depending on the settings of irradiation and focusing parameters, for separating both thin (with a thickness of 0.05-0.75 mm) and thick materials (thickness, for example, 7-10 mm or more);

- Применимость предлагаемого устройства (устройств) для разделения не только какого-либо одного, а различных оптически прозрачных или полупрозрачных материалов, в том числе - твердых, сверхтвердых и сверхпрочных, резка которых традиционными механическими методами крайне медленна и трудоемка;- The applicability of the proposed device (devices) for separating not only any one, but various optically transparent or translucent materials, including hard, super-hard and super-strong, the cutting of which by traditional mechanical methods is extremely slow and labor-intensive;

- Длина волны излучения лазера может быть выбрана в пределах области прозрачности материала, например, для кварцевого стекла в диапазоне 0.2-2.3 мкм;- The wavelength of the laser radiation can be selected within the range of transparency of the material, for example, for quartz glass in the range of 0.2-2.3 microns;

- Предлагаемые устройства в зависимости от задаваемой траектории движения лазерного пучка относительно поверхности материала могут включать получение не только прямолинейных, но и криволинейных, либо замкнутых резов с достаточно малым радиусом кривизны - не менее порядка 80 мкм, а также резов для поверхностей с кривизной;- The proposed devices, depending on the specified trajectory of the laser beam relative to the surface of the material, can include obtaining not only straight, but also curved or closed cuts with a sufficiently small radius of curvature - at least about 80 microns, as well as cuts for surfaces with curvature;

- При компьютерном управлении процессом настройка резки происходит путем программируемого задания необходимых параметров излучения лазера, фокусировки пучка и скорости относительного перемещения лазерного пучка и обрабатываемого материала, легко задается траектория относительного движения пучка и материала, при этом сам процесс обладает высокой гибкостью, возможностью высокой автоматизации, высокой воспроизводимостью, точностью и качеством результатов резки, в том числе -при использовании в крупномасштабном производстве;- With computer control of the process, cutting adjustment occurs by programmably setting the necessary parameters of laser radiation, beam focusing and the speed of relative movement of the laser beam and the material being processed; the trajectory of the relative movement of the beam and material is easily set, while the process itself has high flexibility, the possibility of high automation, high reproducibility, accuracy and quality of cutting results, including when used in large-scale production;

- Пластина из прозрачного материала, подлежащая разрезанию данным способом, может являться частью многослойной композиции, в которой расположенные друг на друге слои состоят из одного и того же, либо из различных прозрачных материалов, твердых и/или жидких, и могут иметь различную толщину. При этом подлежащая резке твердая пластина может быть первым из слоев, т.е. обращенным к лазерному пучку, либо последним слоем, т.е. на тыльной стороне указанной многослойной композиции, или же заключена между других прозрачных слоев;- The plate of transparent material to be cut by this method may be part of a multilayer composition in which the superimposed layers consist of the same or different transparent materials, solid and/or liquid, and may have different thicknesses. In this case, the solid plate to be cut may be the first of the layers, i.e. facing the laser beam, or the last layer, i.e. on the back side of said multilayer composition, or enclosed between other transparent layers;

- Предлагаемое устройство для резки тонких материалов может также включать разделение гибких протяженных прозрачных материалов при их перемещении под лазерным пучком «с катушки на катушку»;- The proposed device for cutting thin materials may also include separation of flexible extended transparent materials when they move under a laser beam “from reel to reel”;

- Способ указывает возможные направления целенаправленного материаловедческого конструирования свойств прозрачных материалов для придания им таких параметров, для которых становится возможным наиболее гладкое разделение;- The method indicates possible directions for targeted materials science design of the properties of transparent materials to give them such parameters for which the smoothest separation becomes possible;

- Способ указывает также возможные направления целенаправленного конструирования и создания импульсно-периодических лазеров и лазерных систем с такими параметрами, которые являются наиболее подходящими для получения разделения с улучшенной гладкостью, высокой скоростью и высокой энергоэффективностью;- The method also indicates possible directions for the targeted design and creation of pulse-periodic lasers and laser systems with parameters that are most suitable for obtaining separation with improved smoothness, high speed and high energy efficiency;

- Предлагаемый способ резки является экологически чистым, поскольку достигается без применения масел или каких-либо технических жидкостей, абразивов, жидких или газообразных химических травителей. В случае, когда создаваемые в материале филаменты не выходят на переднюю и/или заднюю поверхности обрабатываемой пластины, в процессе резки не происходит выброса в окружающее пространство паров, капель или твердых осколков материала, а само разделение в виде раскалывания имеет нулевую ширину. Тем самым практически нет удаления материала, и не происходит загрязнения окружающей среды;- The proposed cutting method is environmentally friendly, since it is achieved without the use of oils or any technical liquids, abrasives, liquid or gaseous chemical etchants. In the case when the filaments created in the material do not reach the front and/or back surfaces of the processed plate, during the cutting process there is no release of vapors, drops or solid fragments of the material into the surrounding space, and the separation itself in the form of splitting has zero width. Thus, there is virtually no material removal and no environmental pollution occurs;

- В данном способе и устройствах отсутствуют какие-либо режущие механические инструменты (пилы, сверла, скрайберы) и их контакт с обрабатываемым материалом. В связи с этим отсутствует механический износ инструмента, минимальны стресс и искажения в обрабатываемом материале и уменьшена опасность его механического повреждения.- In this method and devices there are no cutting mechanical tools (saws, drills, scribers) and their contact with the material being processed. In this regard, there is no mechanical wear of the tool, minimal stress and distortion in the material being processed, and the risk of mechanical damage is reduced.

АПРОБАЦИЯ СПОСОБАAPPROBATION OF THE METHOD

Эксперимент 1. ЛФР тонкого закаленного стеклаExperiment 1. LPR of thin tempered glass

В документах [V. Matylitsky and F. Hendricks, 9th hit. Conf. on Photonic Technol. LANE 2016, Industrial Paper. Published by Bayerisches Laserzentrum GmbH, 2016] и [V. Matylitsky, F.Hendricks, and R. Patel, http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-30/issue-3/features/femtosecond-laser-processing-of-brittle-materials.html] описаны эксперименты упомянутые также выше в «Уровне техники», в которых наблюдалась лазерная резка химически закаленного стекла Corning® Gorilla® Glass 5 толщиной 550 мкм с высокой гладкостью боковых стенок разделения и с высокими скоростями до 4 м/с - см. Фиг. 3б. Глубина закаленного слоя DOL (depth of layer) с передней и тыльной стороны стеклянной пластины составляла 20 мкм. По сообщениям указанных авторов использовался лазерный источник Spirit® НЕ laser (от компании «Spectra Physics», Rankweil, Austria), который имел энергию импульса более 120 мкДж и среднюю выходную лазерную мощность >16 Вт. Лазер позволяет выполнить ЛФР на длинах волн 520 нм и 1040 нм с программируемыми энергией импульса, частотой повторения и длительностью импульса между 340 фс и 10 пс. Возможно также облучение в виде цугов фемтосекундных импульсов с контролируемым числом импульсов в цуге до 20 и с временным интервалом между импульсами в цуге около 13 не. При использовании процесса ClearShape™ от компании «Spectra-Physics» были получены стенки разделения без чешуек и с высоким качеством лазерного реза, соответствующим малой величине средней шероховатости<0.1 мкм. Механизм указанного процесса, а также все параметры излучения для его осуществления в указанных публикациях не раскрываются.In documents [V. Matylitsky and F. Hendricks, 9th hit. Conf. on Photonic Technol. LANE 2016, Industrial Paper. Published by Bayerisches Laserzentrum GmbH, 2016] and [V. Matylitsky, F. Hendricks, and R. Patel, http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-30/issue-3/features/femtosecond-laser-processing-of-brittle-materials.html ] describes the experiments also mentioned above in the "Prior Art", in which laser cutting of chemically tempered Corning® Gorilla® Glass 5 with a thickness of 550 μm was observed with high smoothness of the side walls of the separation and at high speeds of up to 4 m/s - see FIG. 3b. The depth of the tempered DOL layer on the front and back sides of the glass plate was 20 µm. According to these authors, the laser source used was Spirit® HE laser (from Spectra Physics, Rankweil, Austria), which had a pulse energy of more than 120 μJ and an average laser output power of >16 W. The laser allows LPR to be performed at wavelengths of 520 nm and 1040 nm with programmable pulse energy, repetition rate and pulse duration between 340 fs and 10 ps. It is also possible to irradiate in the form of trains of femtosecond pulses with a controlled number of pulses in the train up to 20 and with a time interval between pulses in the train of about 13 ns. Using the ClearShape™ process from Spectra-Physics, flake-free separation walls were obtained with high laser cut quality corresponding to a low average roughness value of <0.1 µm. The mechanism of this process, as well as all radiation parameters for its implementation, are not disclosed in these publications.

Предлагаемый здесь способ позволяет количественно объяснить параметры излучения, применяемые в указанных экспериментах с получением высокой гладкости и высокой скорости разделения. Ниже дается расчет необходимых для гладкого разделения параметров w, E_burst, f_burst, s₁, τ_burst, τ, Δt, N_p, P и u, следуя показанной на Фиг. 12 схеме их количественного нахождения:The method proposed here allows us to quantitatively explain the radiation parameters used in these experiments, obtaining high smoothness and high separation speed. Below is the calculation of the parameters w, E _burst , f _burst , s ₁ , τ _burst , τ, Δt, N _p , P and u necessary for a smooth separation, following those shown in Fig. 12 diagram of their quantitative location:

- Каждый филамент создаем цугом импульсов излучения. Согласно литературным данным используем для данного материала следующие справочные параметры: wdis=64 кДж/см³, Р_С(λ=1040 нм)=5 МВт, ρ2=2.43 г/см³, С₂≈1.0 Дж/(г⋅К), A_L-P=0.8, А_Р-Н=0.9, T_mod=T_strain=571°С, χ=(4÷5)×10^-3 см²/с, c_s=6×10⁵ см/с, μ=60 г/моль, N_at=3, σ_с=1.8-2.4 ГПа (кДж/см³). Также используем начальную температуру T_i=20°С и Г=1÷1.25. Полагаем согласно эксперименту, что лазер имеет длину волны излучения λ=1.04 мкм, фактор пучка М²=1.25 и числовую апертуру фокусировки NA=0.6. Используем для толщины стекла указанную в данном эксперименте величину L=550 мкм. Для расчетов полагаем, что радиус филаментов составляет r_f=0.5 мкм, что соответствует оценке r_f по формуле при использовании в ней указанных λ, М² и NA, а также q≈1. [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]. Выбираем для расчетов длину филаментов Н=45 мкм. Полагаем K_tw≈K_sw≈0.5, что соответствует «быстрому» энерговыделению (t_E<t_P1, t_P2), когда потери энергии, связанные с возбуждением ударной волны являются существенными. Все эти данные согласно схеме расчета, показанной на Фиг. 12, используем как входные параметры;- We create each filament with a train of radiation pulses. According to the literature data, we use the following reference parameters for this material: wdis=64 kJ/cm ³ , _RS (λ=1040 nm)=5 MW, ρ2=2.43 g/cm ³ , C ₂ ≈1.0 J/(g⋅K) , A _LP =0.8, A _Р-Н =0.9, T _mod =T _strain =571°С, χ=(4÷5)×10 ^-3 cm ² /s, c _s =6×10 ⁵ cm/s, μ=60 g/mol, N _at =3, σ _s =1.8-2.4 GPa (kJ/cm ³ ). We also use the initial temperature T _i =20°C and Г=1÷1.25. We assume, according to experiment, that the laser has a radiation wavelength λ = 1.04 μm, a beam factor M ² = 1.25 and a focusing numerical aperture NA = 0.6. For the glass thickness, we use the value L=550 µm indicated in this experiment. For calculations, we assume that the radius of the filaments is r _f =0.5 μm, which corresponds to the estimate of r _f using the formula when using the indicated λ, M ² and NA, as well as q≈1. [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)]. For calculations, we select the filament length H = 45 µm. We assume K _tw ≈K _sw ≈0.5, which corresponds to a “fast” energy release (t _E <t _P1 , t _P2 ), when the energy losses associated with the excitation of the shock wave are significant. All these data according to the calculation scheme shown in Fig. 12, we use as input parameters;

- На стадии 1 для указанного выше r_f согласно соотношению вычисляем температурный предел Т₁=44100 К, согласно выражению С_нт≈3RN_at/μ находим высокотемпературную теплоемкость С_нт≈1.25 Дж/(г⋅К) и из соотношения w₁≈2С_нт ρ(Т₁-T_i)+w_dis найдем предел ОПЭ w₁≈336 кДж/см³. Выбираем для облучения высокочастотный диапазон частот повторения цугов, т.е. f_burst≥f₁, а именно, f_burst≈f₁, что соответствует величине параметра остывания η=0.76;- At stage 1 for the above r _f according to the relation we calculate the temperature limit T ₁ =44100 K, according to the expression C _nt ≈3RN _at /μ we find the high-temperature heat capacity C _nt ≈1.25 J/(g⋅K) and from the relation w ₁ ≈2C _nt ρ(T ₁ -T _i )+w _dis let's find the OPE limit w ₁ ≈336 kJ/cm ³ . We select for irradiation the high-frequency range of train repetition frequencies, i.e. f _burst ≥f ₁ , namely, f _burst ≈f ₁ , which corresponds to the value of the cooling parameter η=0.76;

- На стадии 2 выбираем ОПЭ плазмы филамента согласно условию w≤w₁, а именно, как w=270 кДж/см³. Также вычисляем порог модификации для теплового механизма w_mod=0.76 кДж/см³ из соотношения для указанных входных данных С₂, ρ₂, T_mod, T_i и упомянутой величины η;- At stage 2, we select the OPE of the filament plasma according to the condition w≤w ₁ , namely, as w=270 kJ/cm ³ . We also calculate the modification threshold for the thermal mechanism w _mod =0.76 kJ/cm ³ from the relation for the specified input data C ₂ , ρ ₂ , T _mod , T _i and the mentioned value η;

- На стадии 3 из указанных r_f, Н, w, w_dis и w_mod и соотношения рассчитываем E_burst=11.5 мкДж, а также согласно соотношению- At stage 3 of the indicated r _f , H, w, w _dis and w _mod and ratios we calculate E _burst =11.5 μJ, and also according to the relation

максимально допустимый для получения гладкого разделения шаг следования филаментов в материале s_1max=6.6 мкм. Выбираем шаг следования филаментов как s₁=0.9s_1max<s_1max, т.е. s₁=5.9 мкм, что обеспечивает частичное перекрытие зон теплового воздействия. Рассчитываем параметры N_p0 и N_p1 согласно выражениямthe maximum allowable pitch for obtaining smooth separation of filaments in the material is s _1max = 6.6 µm. We choose the filament step as s ₁ =0.9s _1max <s _1max , i.e. s ₁ =5.9 µm, which ensures partial overlap of heat-affected zones. We calculate the parameters N _p0 and N _p1 according to the expressions

для приведенных выше w, w_mod и σ_с. Получаем N_p0=2 и N_p1=6. Квадратные скобки [] в приведенных выражениях обозначают целую часть числа в этих скобках. Выбираем число импульсов в цуге N_p согласно условию N_p≥max (N_p0, N_p1), в данном случае для указанных выше N_p0 и N_p1 выбираем N_p=6;for the above w, w _mod and σ _с . We get N _p0 =2 and N _p1 =6. Square brackets [] in the above expressions indicate the integer part of the number in these brackets. We select the number of pulses in the train N _p according to the condition N _p ≥max (N _p0 , N _p1 ), in this case, for the above N _p0 and N _p1 we select N _p =6;

- На стадии 4 из указанных выше s₁, Н и E_burst вычисляем энергоэффективность ЛФР и находим Ω≈46 мкм²/мкДж. Рассчитываем частотный предел f₁. Для указанного отношения (s₁/s_1max)=0.9 используем выражение что при использовании указанных выше χ при высоких температурах и s₁ дает f₁=153÷191 кГц. Выбираем частоту повторения цугов для получения разделения с улучшенной гладкостью, как f_burst≈f₁, т.е. f_burst=153÷191 кГц. Для указанных выше s₁ и c_s рассчитываем время удержания давления в пространстве между соседними филаментами t_p2≈s₁/c_s, что дает t_p2≈1 нс. Рассчитываем энергию отдельного импульса в цуге, которую выбираем одинаковой для всех импульсов цуга: Е₀=E_burst/N_p=1.92 мкДж. Для указанных выше r_f и χ рассчитываем время удержания тепла в пределах радиуса филамента что дает t_T1≈120÷150 нс;- At stage 4, from the above s ₁ , H and E _burst, we calculate the energy efficiency of the LPR and find Ω≈46 µm ² /µJ. We calculate the frequency limit f ₁ . For the specified ratio (s ₁ /s _1max )=0.9 we use the expression that when using the above χ at high temperatures and s ₁ gives f ₁ =153÷191 kHz. We choose the repetition frequency of the bursts to obtain a separation with improved smoothness, as f _burst ≈f ₁ , i.e. f _burst =153÷191 kHz. For the above s ₁ and c _s, we calculate the pressure retention time in the space between adjacent filaments t _p2 ≈s ₁ /c _s , which gives t _p2 ≈1 ns. We calculate the energy of an individual pulse in a train, which we choose to be the same for all pulses in the train: E ₀ =E _burst /N _p =1.92 μJ. For the above r _f and χ, we calculate the heat retention time within the radius of the filament which gives t _T1 ≈120÷150 ns;

- На стадии 5 рассчитываем среднюю мощность импульсно-периодического лазерного излучения в материале как Р=1.8-2.2 Вт согласно соотношению при подстановке указанных выше E_burst и f_burst. Также согласно соотношению для найденных выше s₁ и f_burst рассчитываем скорость относительного движения пучка и материала u=0.9-1.13 м/с. Соответственно, при выборе большей частоты, например, f_burst=3f₁=3×191 кГц=573 кГц, и тех же s₁=5.9 мкм E_burst=11.5 мкДж, средняя мощность и скорость перемещения возрастают: Р=6.6 Вт и u=3.4 м/с. Полученный диапазон u=0.90÷3.4 м/с согласуется с сообщаемыми авторами эксперимента скоростями: от 1 м/с до <4 м/с.- At stage 5, we calculate the average power of pulse-periodic laser radiation in the material as P = 1.8-2.2 W according to the relation when substituting the above E _burst and f _burst . Also according to the relation for the s ₁ and f _burst found above, we calculate the speed of the relative movement of the beam and material u=0.9-1.13 m/s. Accordingly, when choosing a higher frequency, for example, f _burst =3f ₁ =3×191 kHz=573 kHz, and the same s ₁ =5.9 μm E _burst =11.5 μJ, the average power and speed of movement increase: P = 6.6 W and u =3.4 m/s. The resulting range u=0.90÷3.4 m/s is consistent with the velocities reported by the authors of the experiment: from 1 m/s to <4 m/s.

Для реального разделения химически закаленного стекла требуется создание двух наборов филаментов - один обычно вблизи тыльной стороны пластины, и другой - ближе к ее передней стороне, обращенной к падающему лазерному пучку. Причем для получения гладкости разделения в целом, а не только между филаментами одного набора, важно, чтобы, по крайней мере, один из этих наборов филаментов покрывал как сам закаленный слой, так и заходил и в область незакаленного массива остального материала [Bhuyan МК, Jedrkiewicz О, Sabonis V, Mikutis М, Recchia S, Aprea A, et al. High-speed laser-assisted cutting of strong transparent materials using picosecond Bessel beams. Appl. Phys. A 120(2), 443-446 (2015). https://doi.org/10.1007/s00339-015-9289-7]. При рассматриваемой здесь длине филаментов (т.е. ширине набора филаментов) Н=45 мкм, превосходящей толщину закаленного приповерхностного слоя 20 мкм, это возможно. Поэтому при создании в материале не одного, а одновременно двух указанных наборов филаментов, например, за счет метода мультифокусировки, при указанном f_burst=153-191 кГц требуется соответственно суммарная энергия цуга импульсов и средняя мощность вдвое больше упомянутых выше, т.е. E_burst=23 мкДж и Р=3.6÷4.4 Вт. Эта оценка близко соответствует доложенной авторами данного эксперимента средней мощности для разделения данной пластины: Р<4 Вт. А для указанных выше f_burst=573 кГц, s₁=5.9 мкм и E_burst=11.5 мкДж для одновременного создания двух наборов филаментов средняя мощность также возрастет вдвое по сравнению с вышеуказанной 6.6 Вт и составит Р=13.2 Вт.To actually separate chemically tempered glass, two sets of filaments are required - one usually near the back of the wafer, and one closer to the front of the wafer, facing the incident laser beam. Moreover, to obtain smooth separation as a whole, and not just between filaments of one set, it is important that at least one of these sets of filaments covers both the hardened layer itself and also extends into the area of the unhardened mass of the rest of the material [Bhuyan MK, Jedrkiewicz O, Sabonis V, Mikutis M, Recchia S, Aprea A, et al. High-speed laser-assisted cutting of strong transparent materials using picosecond Bessel beams. Appl. Phys. A 120(2), 443-446 (2015). https://doi.org/10.1007/s00339-015-9289-7]. With the filament length considered here (i.e., the width of the filament set) H = 45 μm, which exceeds the thickness of the hardened surface layer of 20 μm, this is possible. Therefore, when creating not one, but simultaneously two specified sets of filaments in a material, for example, due to the multifocusing method, at the specified f _burst = 153-191 kHz, the total energy of the pulse train and the average power are required, respectively, twice as high as those mentioned above, i.e. E _burst =23 µJ and Р=3.6÷4.4 W. This estimate closely corresponds to the average power reported by the authors of this experiment for separating a given plate: P < 4 W. And for the above f _burst =573 kHz, s ₁ =5.9 µm and E _burst =11.5 µJ for the simultaneous creation of two sets of filaments, the average power will also double compared to the above 6.6 W and will be P = 13.2 W.

Далее для указанных r_f и u рассчитываем время удержания положения пучка t_r≈r_f/u, что для найденного выше u=0.90÷3.4 м/с дает t_r≈120-500 нс. Выбираем длительность цуга в целом τ_burst согласно условию τ_burst<min (t_T1, t_r), что для указанных выше величин t_T1 и t_r дает τ_burst<120÷150 нс. Учитывая, что для N_p импульсов в цуге расстояние между ними во времени оценивается, как следует из Фиг. 4б, очевидным соотношением Δt=τ_burst/(N_p-1), для указанного выше N_p=6 найдем тогда Δt<24÷30 нс. Если же выбираем N_p=10, то соответственно найдем Δt<13÷17 нс. Обе эти оценки Δt согласуются с интервалом Δt=13 нс между импульсами в цугах, который использовался в рассматриваемом эксперименте. Кроме того, указанная величина Δt=13 нс действительно удовлетворяет предпочтительному для получения лучшей гладкости боковых стенок реза условию Δt>t_P2, поскольку, как вычислено выше, t_P2≈1 нс. Исходя из указанных выше данных по Г, Р_с и Е₀ (для N_p=6), рассчитываем длительность отдельного импульса, которую полагаем одинаковой для всех импульсов цуга τ=Е₀/(ГР_с), что дает τ≈307÷384 фс. Эта оценка также согласуется с обсуждаемым экспериментом, где, как указывают авторы, использовались импульсы с τ<400 фс.Next, for the indicated r _f and u, we calculate the holding time of the beam position t _r ≈r _f /u, which for the u=0.90÷3.4 m/s found above gives t _r ≈120-500 ns. We choose the duration of the train as a whole τ _burst according to the condition τ _burst <min (t _T1 , t _r ), which for the above values t _T1 and t _r gives τ _burst <120÷150 ns. Considering that for N _p pulses in a train, the distance between them in time is estimated, as follows from Fig. 4b, by the obvious relation Δt=τ _burst /(N _p -1), for the above N _p =6 we will then find Δt<24÷30 ns. If we choose N _p =10, then we will accordingly find Δt<13÷17 ns. Both of these estimates of Δt are consistent with the interval Δt=13 ns between pulses in trains, which was used in the experiment under consideration. In addition, the indicated value Δt=13 ns actually satisfies the condition Δt>t _P2 , which is preferable for obtaining better smoothness of the side walls of the cut, since, as calculated above, t _P2 ≈1 ns. Based on the above data on Г, Р _с and Е ₀ (for N _p =6), we calculate the duration of an individual pulse, which we assume to be the same for all pulses of the train τ=Е ₀ /(ГР _с ), which gives τ≈307÷384 fs. This estimate is also consistent with the experiment discussed, where, as the authors point out, pulses with τ<400 fs were used.

Таблица 2 показывает, что предсказываемые на основе данного способа параметры облучения хорошо согласуются с величинами τ, Р, u и Δt, доложенными в обсуждаемом эксперименте.Table 2 shows that the irradiation parameters predicted on the basis of this method are in good agreement with the values of τ, P, u and Δt reported in the experiment under discussion.

Эксперимент 2. ЛФР толстого кварцевого стеклаExperiment 2. LPR of thick quartz glass

Интересно проверить, выполняется ли в эксперименте условие (11) на ОПЭ w≤w₁ для практического устранения потерь энергии плазмы филамента на тепловое излучение. Для этого в эксперименте должна быть найдена ОПЭ филамента w и сопоставлена с описанным выше расчетным пределом w₁. В качестве эксперимента рассматриваем данные [Bergner К, Mǘller М, Klas R, Limpert J, Nolte S and Tunnerman A, Appl. Opt. 57, 5941 (2018)], где пластина из кварцевого стекла толщиной около 8 мм была разрезана гаусс-бесселевым пучком. При этом каждый филамент создавался цугом из N_p=4 или 8 импульсов, использовались частота повторения цугов f_burst=10 кГц, шаг следования филаментов s₁=10 мкм и скорость относительного перемещения материала и лазерного пучка u=10 см/с. Полагаем, что оцененный и сообщаемый авторами радиус филамента 0.61 мкм близок к радиусу Тогда необходимый для дальнейшего анализа радиус филамента r_f(1/е) может быть найден как [V.N. Tokarev and I.V. Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] и, следовательно, составляет 0.43 мкм. Согласно экспериментальным данным указанной работы из широкого диапазона используемых для выполнения ЛФР энергий цуга берем E_burst=0.9-1.0 мДж, поскольку сообщается, что именно в таком диапазоне энергии E_burst достигается наилучшая гладкость боковых стенок реза. При этом согласно рисунку 3 из указанной работы такая энергия цуга соответствует длине филамента Н около 7.4 мм.It is interesting to check whether condition (11) on the OPE w≤w ₁ is fulfilled in the experiment to practically eliminate filament plasma energy losses due to thermal radiation. To do this, the OPE of the filament w must be found in the experiment and compared with the calculated limit w ₁ described above. As an experiment, we consider the data [Bergner K, Mǘller M, Klas R, Limpert J, Nolte S and Tunnerman A, Appl. Opt. 57, 5941 (2018)], where a quartz glass plate about 8 mm thick was cut by a Gaussian-Bessel beam. In this case, each filament was created in a train of N _p = 4 or 8 pulses, the train repetition frequency f _burst = 10 kHz, the filament step s ₁ = 10 μm, and the speed of relative movement of the material and the laser beam u = 10 cm/s were used. We believe that the filament radius of 0.61 µm, estimated and reported by the authors, is close to the radius Then the filament radius r _f (1/e) required for further analysis can be found as [VN Tokarev and IV Melnikov, Appl. Sci. 11, 1732 (2021)] and, therefore, is 0.43 µm. According to the experimental data of this work, from the wide range of train energies used to perform LPR, we take E _burst = 0.9-1.0 mJ, since it is reported that it is in this energy range of E _burst that the best smoothness of the side walls of the cut is achieved. Moreover, according to Figure 3 from the above work, such a train energy corresponds to a filament length H of about 7.4 mm.

Согласно (21) энергия цуга лазерных импульсов внутри материала определяется зависимостью от длины Н и радиуса r_f(1/е) филамента, как Однако, если энергия E_burst, как r_f и Н, уже известна из эксперимента или из каких-либо иных источников, то из этого соотношения можно оценить практически важную величину ОПЭ как Подстановка указанных величин E_burst, r_f и Н, как и упоминавшейся выше поглощательной способности филамента A_L-P≈0.8 для неперекрывающихся филаментов, позволяет тогда найти ОПЭ из последнего соотношения как w=167-186 кДж/см³. Данная величина оказывается меньше минимального из 3 порогов демонстрируемых формулами (12-14), т.е. w<min (w_1A, w_1B, w_1C)=w_1B. В данном случае w_1B=187 кДж/см³ для указанного r_f=0.43 мкм. Это означает, что w<w_1A, w_1B, w_1C. Поэтому в данном случае условие (11) w<w₁ выполнено независимо от величины времени t_E релаксации к равновесному состоянию, которая, как правило, заранее неизвестна. Тем самым можно сделать вывод, что потери энергии на тепловое излучение плазмы филамента действительно являются незначительными в рассматриваемом эксперименте, где лазерное излучение, параметры его фокусировки и ОПЭ w экспериментально подбирались авторами так, чтобы обеспечить наилучшие результаты по качеству поверхности боковых стенок разделения.According to (21), the energy of the train of laser pulses inside the material is determined by the dependence on the length H and radius r _f (1/e) of the filament, as However, if the energy E _burst , like r _f and H, is already known from experiment or from any other sources, then from this relationship one can estimate the practically important value of OPE as Substituting the indicated values of E _burst , r _f and H, as well as the above-mentioned filament absorption capacity A _LP ≈0.8 for non-overlapping filaments, then allows one to find the OPE from the last relation as w = 167-186 kJ/cm ³ . This value turns out to be less than the minimum of the 3 thresholds demonstrated by formulas (12-14), i.e. w<min (w _1A , w _1B , w _1C )=w _1B . In this case, w _1B =187 kJ/cm ³ for the indicated r _f =0.43 μm. This means that w<w _1A , w _1B , w _1C . Therefore, in this case, condition (11) w<w ₁ is satisfied regardless of the relaxation time t _E to the equilibrium state, which, as a rule, is unknown in advance. Thus, we can conclude that the energy losses due to thermal radiation of the filament plasma are indeed insignificant in the experiment under consideration, where the laser radiation, its focusing parameters and OPE w were experimentally selected by the authors so as to provide the best results in terms of the quality of the surface of the side walls of the separation.

Аналогично приведенному выше расчету для Эксперимента 1 количественно оценим и другие параметры, следуя той же, что и для обсуждения Эксперимента 1, схеме их выбора и расчета, показанной на Фиг. 12.Similar to the above calculation for Experiment 1, we will quantify other parameters, following the same scheme for their selection and calculation as for the discussion of Experiment 1, shown in Fig. 12.

Согласно литературным данным используем для данного материала w_dis=64 кДж/см³, Р_С(λ=1040 нм)=5 МВт, ρ₂=2.2 г/см³, С₂≈1.09 Дж/(г⋅К), С_нт≈1.25 Дж/(г⋅К), Р_с (λ=1040 нм)=5 МВт, A_L-P=0.8, A_P-H=0.9, T_mod=T_strain=775°С, χ=5×10^-3 см²/с, c_s=6×10⁵ см/с, μ=60 г/моль, N_at=3, λ_ha=140 нм и σ_с=0.59 ГПа (кДж/см³). Также используем начальную температуру T_i=20°С, Г=1÷1.25 и указанные выше величины r_f(l/e)≈0.43 мкм, w=0.9-1.0 мДж, Н=7.4 мм и λ=1.04 мкм. Полагаем K_tw≈K_sw≈0.5, что соответствует «быстрому» энерговыделению (t_E<t_P1, t_P2), когда потери энергии, связанные с возбуждением ударной волны, являются существенными. Все эти данные согласно схеме алгоритма расчета, показанной на Фиг. 12, используем как входные параметры.According to the literature data, for this material we use w _dis =64 kJ/cm ³ , R _C (λ=1040 nm)=5 MW, ρ ₂ =2.2 g/cm ³ , C ₂ ≈1.09 J/(g⋅K), C _nt ≈1.25 J/(g⋅K), P _s (λ=1040 nm)=5 MW, A _LP =0.8, A _PH =0.9, T _mod =T _strain =775°С, χ=5×10 ^-3 cm ² /s, c _s =6×10 ⁵ cm/s, μ=60 g/mol, N _at =3, λ _ha =140 nm and σ _s =0.59 GPa (kJ/cm ³ ). We also use the initial temperature T _i =20°C, Г=1÷1.25 and the above values r _f (l/e)≈0.43 μm, w=0.9-1.0 mJ, H=7.4 mm and λ=1.04 μm. We assume K _tw ≈K _sw ≈0.5, which corresponds to a “fast” energy release (t _E <t _P1 , t _P2 ), when the energy losses associated with the excitation of the shock wave are significant. All this data according to the calculation algorithm shown in Fig. 12, we use as input parameters.

Для удобства сравнения расчета с экспериментом принимаем в расчете те же, что и оцененные выше для данного эксперимента параметры r_f≈0.43 мкм и Н=7.4 мм, а также примерно то же значение w=170 кДж/см³. При этом остальные параметры рассчитываем согласно алгоритму аналогично приведенному выше примеру для Эксперимента 1. Найдем тогда следующие величины:For the convenience of comparing the calculation with the experiment, we assume in the calculation the same parameters as those estimated above for this experiment: r _f ≈0.43 μm and H = 7.4 mm, as well as approximately the same value w = 170 kJ/cm ³ . In this case, we calculate the remaining parameters according to the algorithm similar to the above example for Experiment 1. We will then find the following values:

Как наиболее благоприятный для данного незакаленного материала для получения разделения с улучшенной гладкостью выбираем высокочастотный диапазон частот повторения цугов и частоту повторения цугов f_burst≈3f₁, для которой фактор накопления Находим далее w_mod=0.90 кДж/см₃, E_burst=0.91 мДж, s_1max=3.80 мкм, s₁=0.9s_1max=3.4 мкм, N_p0=6 и N_p1=4. Выбираем N_p=8. Далее найдем Ω=55 мкм²/мкДж, f_burst=1-73 МГц, /N_p≈ 114 мкДж, t_T1=92 нс, Р=1574 Вт, u=5.9 м/с, t_r≈73 нс. Выбираем длительность цуга в целом согласно условию τ_burst<t_T1, t_r, что для указанных выше t_T1, t_r дает оценку: τ_burst<73 нс. Параметр Δt, рассчитываемый согласно Δt=τ_burst/(N_P-1), для указанного N_p=8 оценивается как Δt<10.4 нс. Выбираем согласно этому неравенству Δt=9 нс. Сравнение такого Δt с указанным выше t_p2=0.57 нс показывает, что условие Δt>t_P2 действительно выполняется. Длительность τ одиночного импульса в цуге найдем из соотношения (18)τ=Е₀ (ГР_с) как τ=18-23 пс для указанных Е₀≈114 мкДж и Г=1÷1.25. При этом величина τ=18 пс (для Г≈1.25) практически совпадает с сообщаемой в данном эксперименте длительностью τ=19 пс отдельного импульса.As the most favorable for this non-hardened material to obtain separation with improved smoothness, we select the high-frequency range of train repetition frequencies and the train repetition frequency f _burst ≈3f ₁ , for which the accumulation factor We further find w _mod = 0.90 kJ/cm ₃ , E _burst = 0.91 mJ, s _1max =3.80 µm, s ₁ =0.9s _1max =3.4 µm, N _p0 =6 and N _p1 =4. We choose N _p =8. Next we find Ω=55 µm ² /µJ, f _burst =1-73 MHz, /N _p ≈ 114 µJ, t _T1 =92 ns, P=1574 W, u=5.9 m/s, t _r ≈73 ns. We choose the duration of the train as a whole according to the condition τ _burst <t _T1 , _tr , which for the above t _T1 , t _r gives the estimate: τ _burst <73 ns. The parameter Δt, calculated according to Δt=τ _burst /(N _P -1), for the specified N _p =8 is estimated as Δt<10.4 ns. We choose according to this inequality Δt=9 ns. Comparison of this Δt with the above t _p2 =0.57 ns shows that the condition Δt>t _P2 is indeed satisfied. The duration τ of a single pulse in a train will be found from the relation (18)τ=E ₀ (GR _s ) as τ=18-23 ps for the indicated E ₀ ≈114 μJ and Г=1÷1.25. In this case, the value τ=18 ps (for Г≈1.25) practically coincides with the duration τ=19 ps of an individual pulse reported in this experiment.

Выполненные оценки показывают, что временные параметры цуга (продолжительность всего цуга в целом τ_burst, интервал времени Δt между импульсами в цуге и длительность τ отдельного импульса цуга) предсказываются в предлагаемом способе в хорошем согласии с рассматриваемым экспериментом. Совпадает с экспериментом и число импульсов в цуге N_p(=8).The estimates performed show that the time parameters of the train (the duration of the entire train as a whole τ _burst , the time interval Δt between pulses in the train and the duration τ of an individual pulse of the train) are predicted in the proposed method in good agreement with the experiment under consideration. The number of pulses in the train N _p (=8) also coincides with the experiment.

Однако указанный эксперимент демонстрирует ряд параметров, сильно отличающихся от рекомендуемых предлагаемым здесь способом.However, this experiment demonstrates a number of parameters that are very different from those recommended by the method proposed here.

Во-первых, на стадии 1 исходя из малой доложенной в эксперименте величины f_burst=10 кГц авторы указанной работы использовали f_burst в низкочастотном диапазоне частот повторения цугов, f_burst≤f₂, что согласно предлагаемому способу не является благоприятным для получения разделения с улучшенной гладкостью для данного материала. При этом в эксперименте скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала соответственно оказывается крайне малой, u=0.1 м/с, в то время как расчет предлагает u=5.9 м/с. Как мы отмечали, для данного незакаленного материала для получения улучшенной гладкости и высокой скорости требуется использование f_burst в ином, высокочастотном, диапазоне частот повторения. В данном случае f_burst оценивается как 1.73 МГц, что в 173 раза больше указанной в эксперименте величины 10 кГц.Firstly, at stage 1, based on the small value f _burst =10 kHz reported in the experiment, the authors of this work used f _burst in the low-frequency range of train repetition frequencies, f _burst ≤f ₂ , which, according to the proposed method, is not favorable for obtaining separation with improved smoothness for this material. In this case, in the experiment, the speed of the relative movement of the laser beam and the material, accordingly, turns out to be extremely small, u = 0.1 m/s, while the calculation suggests u = 5.9 m/s. As we noted, for this non-hardened material, obtaining improved smoothness and high speed requires the use of f _burst in a different, high-frequency range of repetition rates. In this case, f _burst is estimated to be 1.73 MHz, which is 173 times greater than the value of 10 kHz indicated in the experiment.

Во-вторых, используемый в эксперименте шаг следования филаментов s₁=10 мкм почти в 3 раза больше рассчитанного s1=3.4 мкм, что также не способствует получению улучшенной гладкости разделения.Secondly, the filament pitch used in the experiment, s ₁ =10 μm, is almost 3 times larger than the calculated s1 = 3.4 μm, which also does not contribute to obtaining improved smoothness of separation.

В-третьих, вместо рекомендуемых предлагаемым способом одинаковых энергий импульсов цуга первые два импульса цуга в данном эксперименте имеют примерно вдвое более высокие амплитуды по сравнению с остальными, что с точки зрения нашей модели является еще одним фактором, обусловливающим наблюдаемую в эксперименте неоднородность диаметра зон воздействия филаментов вдоль их длины.Thirdly, instead of the same energies of train pulses recommended by the proposed method, the first two pulses of the train in this experiment have approximately twice the amplitudes compared to the others, which, from the point of view of our model, is another factor responsible for the heterogeneity of the diameter of the filament impact zones observed in the experiment along their length.

Таким образом, весьма невысокую гладкость боковых стенок разделения, наблюдаемую в указанном эксперименте, можно объяснить значительными различиями между этим экспериментом и расчетами согласно предлагаемому способу для указанных трех параметров s₁, f_burst и E_0i, при этом особенно большим, на два порядка, является различие в величине f_burst, а также трехкратное различие в величине s₁.Thus, the very low smoothness of the side walls of the separation observed in the indicated experiment can be explained by significant differences between this experiment and calculations according to the proposed method for the indicated three parameters s ₁ , f _burst and E _0i , with the value being especially large, by two orders of magnitude, the difference in the value of f _burst , as well as a threefold difference in the value of s ₁ .

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯEXAMPLES OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

После успешной апробации способа, описанной выше, используем его для вычисления параметров ЛФР с улучшенной гладкостью для различных материалов различной толщины, для чего используем в расчете различные входные величины r_f, Н и выбор различных w.After successful testing of the method described above, we use it to calculate the parameters of the LPR with improved smoothness for various materials of different thicknesses, for which we use different input values _rf , N and the choice of different w in the calculation.

Пример 1. ЛФР химически закаленного стеклаExample 1. LPR of chemically tempered glass

Таблица 3 показывает результаты этих вычислений для химически закаленного стекла. Примеры 1.1-1.4 приводятся для тонких пластин (толщиной от 50 до 750 мкм), а Примеры 1.5-1.7 для толстых пластин с толщиной более 10 мм, для которых необходимую для разделения длину филамента полагаем Н=10000 мкм=10 мм. В качестве Примера 1.1 приводятся полученные выше данные расчета для объяснения Эксперимента 1, что и отмечено в этой таблице в Примечании к соответствующему столбцу 1.1.Table 3 shows the results of these calculations for chemically tempered glass. Examples 1.1-1.4 are given for thin plates (thickness from 50 to 750 µm), and Examples 1.5-1.7 for thick plates with a thickness of more than 10 mm, for which we assume the filament length required for separation H = 10000 µm = 10 mm. As Example 1.1, the calculation data obtained above is given to explain Experiment 1, which is noted in this table in the Note to the corresponding column 1.1.

Пример 2. ЛФР дисплейного стеклаExample 2. LPR of display glass

Таблица 4 показывает предпочтительные для получения улучшенной гладкости параметры облучения для тонких пластин дисплейного стекла для различных r_f и w (Примеры 2.1-2.5).Table 4 shows the preferred irradiation parameters for obtaining improved smoothness for thin slabs of display glass for various r _f and w (Examples 2.1-2.5).

В расчетах для этого материала согласно литературным источникам используем следующие входные данные: предел механической прочности принимаем равным σ_с=0.6 кДж/см³ (0.6 ГПа), что существенно уступает аналогичному параметру σ_с=2 кДж/см³ (2 ГПа) рассмотренного выше закаленного стекла Corning Gorilla Glass 5. w_dis=64 кДж/см³, как и прежде μ=60 г/моль, N_at=3, λ_ha≈220 нм. Также используем начальную температуру T_i=20°С и Г=1÷1.5. λ=1.04 мкм и r_f=0.5 мкм в Примерах 2.1-2.3 и λ=0.52 мкм, r_f=0.25 мкм в Примере 2.4. Рассматриваются тонкие пластины толщиной L=550 мкм, как и выше в Примерах 1.1-1.4. Для данного материала также выбираем для расчетов длину филаментов Н=45 мкм. Полагаем, как и ранее, K_tw≈K_sw≈0.5, что соответствует «быстрому» энерговыделению (t_E<t_P1, t_P2), когда потери энергии, связанные с возбуждением ударной волны, являются существенными. Поскольку данный материал имеет меньший предел прочности, чем закаленное стекло (при весьма сходных остальных параметрах материала), то для получения улучшенной гладкости для него, как указывалось выше, предпочтительным является использование эффекта направленного раскалывания, реализующегося в диапазоне высоких частот повторения цугов при f_burst=(1-3)f₁. Поэтому в Таблице 4 указаны данные расчетов лишь для f_burst=3f₁, а не являющийся предпочтительным для данного материала диапазон низких частот повторения цугов f_burst≤f₂ в отличие от закаленного стекла не рассматривается.In the calculations for this material, according to literature sources, we use the following input data: the mechanical strength limit is taken equal to σ _c = 0.6 kJ/cm ³ (0.6 GPa), which is significantly inferior to the similar parameter σ _c = 2 kJ/cm ³ (2 GPa) discussed above tempered glass Corning Gorilla Glass 5. w _dis =64 kJ/cm ³ , as before μ=60 g/mol, N _at =3, λ _ha ≈220 nm. We also use the initial temperature T _i =20°C and Г=1÷1.5. λ=1.04 µm and r _f =0.5 µm in Examples 2.1-2.3 and λ=0.52 µm, r _f =0.25 µm in Example 2.4. Thin plates with a thickness of L=550 microns are considered, as above in Examples 1.1-1.4. For this material, we also select the filament length H = 45 µm for calculations. We assume, as before, K _tw ≈K _sw ≈0.5, which corresponds to a “fast” energy release (t _E <t _P1 , t _P2 ), when the energy losses associated with the excitation of the shock wave are significant. Since this material has a lower tensile strength than tempered glass (with very similar other material parameters), to obtain improved smoothness for it, as mentioned above, it is preferable to use the effect of directional splitting, which is realized in the range of high repetition frequencies of trains at f _burst = (1-3)f ₁ . Therefore, Table 4 shows calculation data only for f _burst =3f ₁ , and the range of low frequencies of repetition of trains f _burst ≤f ₂ , which is not preferable for this material, unlike tempered glass, is not considered.

Примеры 2.1-2.3 в Таблице 4 для λ=1.04 мкм получены для w=2w_dis, 3w_dis и 4w_dis соответственно. При этом для разделения с улучшенной гладкостью получены скорости перемещения 6.20 м/с, 4.38 м/с и 3.57 м/с и средние мощности 11 Вт, 8.1 Вт и 7.2 Вт соответственно. С точки зрения получения не чрезмерно больших, но и не чрезмерно малых скоростей для данного материала предпочтительным представляется диапазон w=(3÷5)w_dis, но не более предела w₁.Examples 2.1-2.3 in Table 4 for λ=1.04 µm were obtained for w=2w _dis , 3w _dis and 4w _dis respectively. At the same time, for separation with improved smoothness, movement speeds of 6.20 m/s, 4.38 m/s and 3.57 m/s and average powers of 11 W, 8.1 W and 7.2 W were obtained, respectively. From the point of view of obtaining not excessively high, but not excessively low speeds for a given material, the range w=(3÷5)w _dis , but not more than the limit w ₁ , seems preferable.

При необходимости создания для разделения филамента большей длины, например, длиной 495 мкм, что в 11 раз больше использованной в указанных выше расчетах длины H=45 мкм и практически (на 90%) покрывает вышеупомянутую толщину пластины L=550 мкм, величины Р увеличатся также в 11 раз до 120 Вт, 89 Вт и 79 Вт, соответственно. В качестве конкретного расчета параметров в Таблице 4 дается Пример 2.4 для Н=495 мкм и w=4w_dis, когда Р составляет 79 Вт.If it is necessary to create a longer filament for separation, for example, a length of 495 μm, which is 11 times longer than the length H = 45 μm used in the above calculations and practically (90%) covers the above-mentioned plate thickness L = 550 μm, the P values will also increase 11 times to 120 W, 89 W and 79 W, respectively. As a specific calculation of the parameters, Table 4 gives Example 2.4 for H=495 μm and w=4w _dis when P is 79 W.

Для сравнения в столбце 2.5 (Пример 2.5) приводятся данные для облучения с вдвое меньшей длиной волны λ=0.52 мкм при ОПЭ w=3w_dis. В этом случае и возрастает в 2 раза до 8.76 м/с по сравнению с Примером 2.2, где использовалась та же ОПЭ. Средняя мощность при этом оказывается той же: Р=8.1 Вт.For comparison, column 2.5 (Example 2.5) provides data for irradiation with half the wavelength λ=0.52 μm at OPE w=3w _dis . In this case, it increases by 2 times to 8.76 m/s compared to Example 2.2, where the same OPE was used. The average power turns out to be the same: P = 8.1 W.

Примеры 2.1-2.3, 2.5 показывают, что для Н=45 мкм требуются импульсы с длительностью от примерно 90 фс до 380 фс. Однако для создания упомянутых в 11 раз более длинных филаментов в 495 мкм в Примере 2.4 длительность импульса возрастает до величин от 2.75 до 4.14 пс. Число импульсов N_p в цуге в указанных режимах выбирается не менее, чем 5-7.Examples 2.1-2.3, 2.5 show that for H=45 µm pulses with a duration of approximately 90 fs to 380 fs are required. However, to create the aforementioned 11 times longer filaments at 495 µm in Example 2.4, the pulse duration increases to values from 2.75 to 4.14 ps. The number of pulses N _p in a train in the indicated modes is selected to be no less than 5-7.

Пример 3. ЛФР сапфираExample 3. LPR of sapphire

В Таблице 4 в столбцах 3.1-3.3 рассмотрены также примеры расчета параметров для ЛФР тонких пластин сапфира, являющегося кристаллическим материалом. Применяем лазер с длиной волны излучения λ=1.04 мкм. Считаем, что филаменты имеют те же характерную длину Н=45 мкм и радиус около r_f=0.5 мкм, что и в эксперименте [Mikalauskas S, Raciukaitis G. md Las Sol 5, 22-27 (2016)] по разделению сапфира излучением с той же λ. Рассматриваем тонкие пластины с распространенной в приложениях для мобильных устройств толщиной L=150-550 мкм. Согласно литературным данным используем для данного материала Р_с (λ=1.04 мкм)=2.8 МВт, w_dis=78 кДж/см³, ρ₂=3.97 г/см³, С_нт≈1.22 Дж/(г⋅К), те же A_L-P=0.8 и А_Р-Н=0.9, T_mod=T_melt=2050°С, χ=2×10^-2 см²/с, c_s=6×10⁵ см/с, μ=102 г/моль, N_at=5, λ_ha=148 нм и σ_c=3.0 ГПа (кДж/см³). Полагаем, как и в Примерах выше, начальную температуру T_i=20°С, Г=1÷1.25 и K_tw≈K_sw≈0.5, что соответствует «быстрому» энерговыделению (t_E<t_P1, t_P2), когда потери энергии, связанные с возбуждением ударной волны являются существенными. Все эти данные согласно схеме алгоритма расчета, показанной на Фиг. 21, используем как входные параметры.Table 4 in columns 3.1-3.3 also discusses examples of calculating parameters for LPR of thin plates of sapphire, which is a crystalline material. We use a laser with a radiation wavelength of λ=1.04 microns. We believe that the filaments have the same characteristic length Н = 45 μm and radius about r _f = 0.5 μm as in the experiment [Mikalauskas S, Raciukaitis G. md Las Sol 5, 22-27 (2016)] on the separation of sapphire by radiation with the same λ. We are considering thin plates with a thickness L=150-550 microns, which is common in applications for mobile devices. According to the literature data, we use for this material P _s (λ = 1.04 μm) = 2.8 MW, w _dis = 78 kJ/cm ³ , ρ ₂ = 3.97 g/cm ³ , C _nt ≈1.22 J/(g⋅K), those same A _LP =0.8 and A _P-H =0.9, T _mod =T _melt =2050°C, χ=2×10 ^-2 cm ² /s, c _s =6×10 ⁵ cm/s, μ=102 g /mol, N _at =5, λ _ha =148 nm and σ _c =3.0 GPa (kJ/cm ³ ). We assume, as in the Examples above, the initial temperature T _i =20°С, Г=1÷1.25 and K _tw ≈K _sw ≈0.5, which corresponds to “fast” energy release (t _E <t _P1 , t _P2 ), when losses The energies associated with the excitation of the shock wave are significant. All this data according to the calculation algorithm shown in Fig. 21, we use as input parameters.

Для получения разделения с улучшенной гладкостью для данного материала предпочтительным является использование эффекта направленного раскалывания, реализующегося согласно (10) в диапазоне высоких частот повторения цугов f_burst=(1÷3)f₁ Поэтому указаны данные расчетов лишь для f_burst=3f₁, а диапазон низких частот повторения цугов f_burst<f₂ не рассматриваем.To obtain separation with improved smoothness for this material, it is preferable to use the effect of directional splitting, which is realized according to (10) in the range of high train repetition frequencies f _burst =(1÷3)f ₁ Therefore, calculation data are indicated only for f _burst =3f ₁ , and We do not consider the range of low repetition frequencies of trains f _burst <f ₂ .

В Примере 3.1 при выборе w как w=2w_dis=156 кДж/см³ требуемая скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала около 52 м/с слишком высока, поэтому вряд ли реализуема на нынешнем техническом уровне.In Example 3.1, when choosing w as w = 2w _dis = 156 kJ/cm ³ , the required speed of relative movement of the laser beam and material of about 52 m/s is too high, and therefore is hardly feasible at the current technical level.

Поэтому далее в Примере 3.2 выполняется расчет для иной величины ОПЭ филамента w=800 кДж/см³, что в 5 раз превосходит использованную выше в Примере 3.1 величину 156 кДж/см³. При этом выполнено условие (11), т.е. w≤w₁=860 кДж/см³, что согласно нашему способу обеспечивает существенное подавление потерь энергии филамента на излучение и тем самым обеспечивает движущую силу и эффективность процесса ЛФР. Скорость относительного перемещения пучка и материала уменьшается в этом случае в 3 раза до u=17.0 м/с. Тем не менее, и эта величина представляется слишком большой для практического применения.Therefore, further in Example 3.2, a calculation is performed for a different value of filament OPE w = 800 kJ/cm ³ , which is 5 times higher than the value used above in Example 3.1 of 156 kJ/cm ³ . In this case, condition (11) is satisfied, i.e. w≤w ₁ =860 kJ/cm ³ , which, according to our method, provides significant suppression of filament energy losses due to radiation and thereby provides the driving force and efficiency of the LPR process. The speed of relative movement of the beam and material decreases in this case by 3 times to u=17.0 m/s. However, this value also seems too large for practical use.

Для дальнейшего уменьшения и в Примере 3.3 при той же длине филамента H=45 мкм используем относительно толстые филаменты с радиусом r_f=1.5 мкм, что в 3 раза больше, чем радиус r_f=0.5 мкм, использованный выше в Примерах 3.1 и 3.2, и соответствует менее острой фокусировке, т.е. с меньшей числовой апертурой. Для такого r_f предел по ОПЭ составляет w₁=620 кДж/см³, поэтому для выполнения условия (11) w≤w₁ выбираем w=550 кДж/см³. Скорость относительного перемещения пучка и материала падает тогда до технически приемлемой величины около u=7.0 м/с. При этом требуются средняя мощность в материале Р=135 Вт, число импульсов в цуге N_p=10, длительность отдельных импульсов цуга τ=5.2÷7.8 пс и частота повторения цугов f_burst около 620 кГц (см. более подробно в столбце 3.3 в Таблице 4).To further reduce and in Example 3.3 with the same filament length H = 45 μm, we use relatively thick filaments with a radius r _f = 1.5 μm, which is 3 times larger than the radius r _f = 0.5 μm used above in Examples 3.1 and 3.2, and corresponds to less sharp focusing, i.e. with smaller numerical aperture. For such r _f, the limit on OPE is w ₁ = 620 kJ/cm ³ , therefore, to satisfy condition (11) w≤w ₁ , we select w = 550 kJ/cm ³ . The speed of relative movement of the beam and material then drops to a technically acceptable value of about u=7.0 m/s. In this case, the average power in the material is P = 135 W, the number of pulses in the train N _p = 10, the duration of individual train pulses τ = 5.2÷7.8 ps and the train repetition frequency f _burst of about 620 kHz (see more details in column 3.3 in the Table 4).

Полученные в Таблицах 3 и 4 конкретные примеры позволяют сделать следующие выводы.The specific examples obtained in Tables 3 and 4 allow us to draw the following conclusions.

Заявленный способ количественно находит параметры необходимые для задания режима СФЦИ с получением улучшенной гладкости стенок разделения - это энергия E_burst цуга импульсов в материале, количество N_p импульсов в цуге, средняя энергия отдельных импульсов цуга Е₀, частота повторения f_burst цугов, шаг следования s₁ филаментов в материале, длительность τ_burst цуга в целом, временной интервал Δt между импульсами в цуге и длительность г отдельного импульса в цуге, а также средняя мощность лазерного излучения Р, скорость u относительного перемещения лазерного пучка и материала и энергоэффективность Ω процесса ЛФР. Величины всех этих параметров оказываются согласованы друг с другом через их зависимость от управляющих параметров, каковыми являются ОПЭ w филамента, его радиус r_f и длина Н. Указанный комплекс из в общей сложности 14 параметров однозначно задает режим облучения, предпочтительный для получения резки цугами импульсов с улучшенной гладкостью.The claimed method quantitatively finds the parameters necessary to set the SFCI mode with obtaining improved smoothness of the separation walls - this is the energy E _burst of a pulse train in the material, the number N _p of pulses in the train, the average energy of individual pulses of the train E ₀ , the repetition rate f _burst of trains, the repetition step s ₁ filaments in the material, the duration τ _burst of the train as a whole, the time interval Δt between pulses in the train and the duration r of an individual pulse in the train, as well as the average power of laser radiation P, the speed u of the relative movement of the laser beam and the material and the energy efficiency Ω of the LPR process. The values of all these parameters are consistent with each other through their dependence on the control parameters, which are the OPE w of the filament, its radius r _f and length H. The specified complex of a total of 14 parameters uniquely sets the irradiation mode preferable for cutting pulse trains with improved smoothness.

Согласно Таблицам 3 и 4 для разделения тонких пластин требуется длительность отдельных импульсов τ от 90 фс до 8 пс, число импульсов в цуге от 3 до 15 или более и средняя мощность излучения в материале от 0.4 Вт до 135 Вт в зависимости от материала, выбранной ОПЭ w филамента и того или иного (высоко-, или низкочастотного) диапазона частоты повторения цугов.According to Tables 3 and 4, to separate thin plates, the duration of individual pulses τ is required from 90 fs to 8 ps, the number of pulses in a train from 3 to 15 or more and the average radiation power in the material from 0.4 W to 135 W depending on the material selected by the OPE w filament and one or another (high- or low-frequency) range of train repetition frequency.

Если же необходимо создать филамент большой длины, например, Н=10 мм (что соответствует разделению толстых стеклянных пластин толщиной более 10 мм в Примерах 1.5-1.7), то для стекол средняя мощность лазерного излучения в материале составляет 44-550 Вт и более в зависимости от материала и ОПЭ w, число импульсов в цуге N_p выбирается от 3 до 6 или более, и, например, при Np=6 длительность отдельных импульсов цуга т находится в диапазоне 24-63 пс.If it is necessary to create a filament of great length, for example, H = 10 mm (which corresponds to the separation of thick glass plates with a thickness of more than 10 mm in Examples 1.5-1.7), then for glass the average laser radiation power in the material is 44-550 W or more, depending depending on the material and OPE w, the number of pulses in the train N _p is selected from 3 to 6 or more, and, for example, with Np = 6, the duration of individual pulses in the train t is in the range of 24-63 ps.

Как уже отмечалось выше в разделе «Обоснование условий достижения технических результатов», в качестве дополнительного фактора для получения улучшенной шероховатости, из расчетов согласно данному способу и алгоритму предпочтительно используют также решения (и соответствующие им параметры облучения), которые обеспечивают уменьшенную величину шага следования филаментов s₁, например, в диапазоне s₁≈0.5÷3.5 мкм вместо известных в литературе s₁≈4÷7 мкм. Для этого используют: (а) фокусировку с малым радиусом r_f филамента за счет более острой фокусировки лазерного пучка, и/или за счет укорочения длины волны лазерного излучения λ, и/или (б) ограниченную величину ОПЭ As noted above in the section “Justification of the conditions for achieving technical results”, as an additional factor for obtaining improved roughness, from calculations according to this method and algorithm, it is preferable to also use solutions (and the corresponding irradiation parameters) that provide a reduced filament step size s ₁ , for example, in the range s ₁ ≈0.5÷3.5 µm instead of s ₁ ≈4÷7 µm known in the literature. To do this, use: (a) focusing with a small radius r _f of the filament due to sharper focusing of the laser beam, and/or due to shortening the wavelength of laser radiation λ, and/or (b) a limited value of the OPE

Приведенные примеры показывают, что в дополнение к улучшенной гладкости разделения возможно также достижение высокой энергоэффективности Ω процесса ЛФР, оцениваемой как и высокой скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала (около 0.15÷52 м/с и более, в зависимости от материала и параметров облучения) при использовании одного или нескольких из следующих факторов: предпочтительный выбор ОПЭ как (см. Примеры 1.2-1.4, 1.5-1.7, 2.1-2.4, 3.1), уменьшение радиуса филамента r_f за счет уменьшения длины волны лазера λ и/или использования большей числовой апертуры системы фокусировки (см. Примеры 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 2.4), использование материала с относительно невысокой (не более 600°С) температурой критической для разделения модификации - T_strain или T_melt, использование частоты повторения цугов в высокочастотном диапазоне, т.е. предпочтительно f_burst>>f₁ (см. Примеры 1.1.-1.3, 1.6, 1.7, 2.1-2.4, 3.1-3.3), и/или использование для разделения материала с достаточно длительным временем энерговыделения t_E>t_P2, что соответствует подавлению до незначительной величины доли Кш нежелательной потери энергии, уносимой ударной волной. Это позволяет получить рекордно высокие скорости резки - около 11÷52 м/с и более в зависимости от материала (Примеры 1.3, 3.1, 3.2), что в десятки и сотни раз превосходит характерные скорости резки стекол, сапфира и других прозрачных материалов известными механическими способами и в десятки раз - характерные скорости разделения известными способами лазерного управляемого термораскалывания при помощи облучения непрерывными лазерами. Однако такие высокоскоростные режимы имеют практический смысл до тех пор, пока получаемая высокая скорость и не превышает технические возможности варьирования скорости относительного перемещения в конкретной установке.These examples show that in addition to improved separation smoothness, it is also possible to achieve high energy efficiency Ω of the LPR process, estimated as and high speed relative movement of the laser beam and material (about 0.15÷52 m/s or more, depending on the material and irradiation parameters) when using one or more of the following factors: the preferred choice of OPE as (see Examples 1.2-1.4, 1.5-1.7, 2.1-2.4, 3.1), reducing the filament radius r _f by reducing the laser wavelength λ and/or using a larger numerical aperture of the focusing system (see Examples 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 2.4), the use of a material with a relatively low (no more than 600°C) temperature critical for the separation of the modification - T _strain or T _melt , the use of train repetition frequency in the high-frequency range, i.e. preferably f _burst >>f ₁ (see Examples 1.1.-1.3, 1.6, 1.7, 2.1-2.4, 3.1-3.3), and/or use for separation of material with a sufficiently long energy release time t _E >t _P2 , which corresponds to suppression to an insignificant fraction of Ksh of unwanted energy loss carried away by the shock wave. This makes it possible to obtain record high cutting speeds - about 11÷52 m/s or more depending on the material (Examples 1.3, 3.1, 3.2), which is tens and hundreds of times higher than the characteristic cutting speeds of glass, sapphire and other transparent materials using known mechanical methods and tens of times - the characteristic separation rates using known methods of laser-controlled thermal splitting using irradiation with continuous lasers. However, such high-speed modes have practical meaning as long as the resulting high speed does not exceed the technical capabilities of varying the speed of relative movement in a particular installation.

Кроме того, найдены режимы ЛФР, позволяющие при умеренной средней лазерной мощности получить резку закаленных, незакаленных стекол и сапфира со сравнительно умеренной и приемлемой для применений скоростью перемещения порядка 3-7 м/с (см. Примеры 1.2, 2.1-2.3, 3.3).In addition, LPR modes have been found that make it possible, at a moderate average laser power, to cut tempered, non-tempered glass and sapphire with a relatively moderate and acceptable for application moving speed of the order of 3-7 m/s (see Examples 1.2, 2.1-2.3, 3.3).

С другой стороны, найдено, что выбор частоты повторения в низкочастотном диапазоне, f≤f₂ и использование малой длины волны излучения (например, λ=0.52 мкм вместо 1.04 мкм) делают для закаленных стекол возможным ЛФР при крайне малой средней мощности лазера (от долей Вт), обеспечивающей, тем не менее, хоть и не рекордно высокую, но приемлемую для применений немалую скорость резки около 0.2 м/с (Примеры 1.4 и 1.5).On the other hand, it was found that the choice of repetition frequency in the low-frequency range, f≤f ₂ and the use of a short radiation wavelength (for example, λ = 0.52 μm instead of 1.04 μm) make LPR possible for tempered glasses at extremely low average laser power (from fractions W), providing, however, although not a record high, but a considerable cutting speed of about 0.2 m/s acceptable for applications (Examples 1.4 and 1.5).

Согласно приведенным данным для химически закаленного стекла Corning Gorilla Glass 5 (см. Примеры 1.1-1.7) предпочтителен выбор радиус филамента в диапазоне r_f=0.2-0.5 мкм, ОПЭ в диапазоне предпочтительно в диапазоне число импульсов в цуге According to the data given for chemically tempered glass Corning Gorilla Glass 5 (see Examples 1.1-1.7), it is preferable to choose a filament radius in the range r _f = 0.2-0.5 µm, OPE in the range preferably in the range number of pulses in a train

Для дисплейного стекла Corning Eagle XG™ (см. Примеры 2.1-2.5) или кварцевого стекла предпочтительно выбирают радиус филамента в диапазоне r_f=0.2÷0.5 мкм, w в диапазоне предпочтительно в диапазоне но при этом не более предела w₁, число импульсов Np в цуге - не менее некоторой величины, где а частоту повторения цугов импульсов - в высокочастотном диапазоне предпочтительно в диапазоне For Corning Eagle XG™ display glass (see Examples 2.1-2.5) or quartz glass, it is preferable to select the filament radius in the range r _f =0.2÷0.5 µm, w in the range preferably in the range but at the same time no more than the limit w ₁ , the number of pulses Np in the train is not less than a certain value, Where and the repetition rate of pulse trains is in the high-frequency range preferably in the range

В то же время для сапфира выбирают для расчетов радиус филамента предпочтительно в диапазоне r_f=1.3-1.7 мкм, w в диапазоне предпочтительно в диапазоне w=(7÷11)w_dis, но при этом не более предела w₁, и число импульсов в цуге - из условия Np≥ где (см. Пример 3.3).At the same time, for sapphire, the filament radius is chosen for calculations, preferably in the range r _f = 1.3-1.7 μm, w in the range preferably in the range w=(7÷11)w _dis , but not more than the limit w ₁ , and the number of pulses in the train - from the condition Np≥ Where (See Example 3.3).

Отметим, что приведенные конкретные расчеты являются лишь поясняющими примерами и отнюдь не исчерпывают все многообразие различных случаев применения данного способа, включающих как разнообразие прозрачных материалов, так и разнообразие используемых методов создания филаментов, а также воздействие излучением не только с рассмотренными длинами волн λ=1.04 и 0.52 мкм, но и с иными λ, и поэтому не ограничивают сферу применения способа. В качестве обрабатываемого материала могут быть использованы дисплейные стекла, используемые в жидкокристаллических дисплеях (LCD), плоскопанельных дисплеях (FPD) и органических с вето излучающих дисплеях (OLED), или автомобильное стекло, кварцевое стекло, окна, биочипы, оптические сенсоры, планарные световоды, прозрачные стаканы и полые цилиндры, художественные изделия, микроэлектронные чипы, чипы и карты памяти, сенсорные чипы, светоизлучающие диоды (LED), лазерные диоды (LD) и поверхностно-излучающие лазеры с вертикальной полостью (vertical cavity surface emitting laser - VCSEL). Также в качестве разделяемого материала могут быть использованы отличные от указанных выше стекол прозрачные и полупрозрачные материалы: сапфир, алмаз, керамики, полимеры, проводники, полупроводники, ситалл, кристаллический диоксид циркония с тем или иным содержанием стабилизирующих добавок, карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), а также селениды, сульфиды, хлориды, бромиды, фториды, например - селенид цинка (ZnSe), сульфид цинка (ZnS), хлорид натрия (KCl), бромид калия (KBr), фторид кальция (CaF₂), фторид бария (BaF₂), фторид магния (MgF₂), фторид лития (LiF).Note that the given specific calculations are only explanatory examples and by no means exhaust the variety of different cases of application of this method, including both the variety of transparent materials and the variety of methods used for creating filaments, as well as exposure to radiation not only with the considered wavelengths λ = 1.04 and 0.52 microns, but also with other λ, and therefore do not limit the scope of application of the method. The processed material can be display glasses used in liquid crystal displays (LCD), flat panel displays (FPD) and organic veto-emitting displays (OLED), or automotive glass, quartz glass, windows, biochips, optical sensors, planar light guides, clear glasses and hollow cylinders, art products, microelectronic chips, memory chips and cards, touch chips, light-emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), and vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs). Also, transparent and translucent materials other than the above glasses can be used as the separated material: sapphire, diamond, ceramics, polymers, conductors, semiconductors, glass ceramics, crystalline zirconium dioxide with varying levels of stabilizing additives, silicon carbide (SiC), nitride gallium (GaN), as well as selenides, sulfides, chlorides, bromides, fluorides, for example, zinc selenide (ZnSe), zinc sulfide (ZnS), sodium chloride (KCl), potassium bromide (KBr), calcium fluoride (CaF ₂ ), barium fluoride (BaF ₂ ), magnesium fluoride (MgF ₂ ), lithium fluoride (LiF).

Приведенные конкретные примеры дают представление о характерных порядках величин параметров излучения, диапазонах их изменения и их согласовании друг с другом в различных ситуациях. Например, в случае, когда требуется создание в толще материала филамента иной длины, чем указанная в данных таблицах, или одновременное создание двух или более наборов филаментов с указанной в примерах длиной Н=45 мкм, то при их одновременном создании (например, методом мультифокусировки) необходимые величины средней мощности и энергии цуга увеличатся по сравнению с указанными в приведенных Примерах и таблицах пропорционально изменению суммарной ширины нескольких таких наборов по сравнению с величинами Н, указанными в приведенных Примерах. Результаты вычислений требуемых параметров излучения могут быть легко пересчитаны также и для радиусов филаментов, отличающихся от указанных в приведенных Примерах.The given specific examples give an idea of the characteristic orders of magnitude of radiation parameters, the ranges of their variation and their agreement with each other in various situations. For example, in the case when it is necessary to create a filament of a different length in the thickness of the material than that indicated in these tables, or the simultaneous creation of two or more sets of filaments with the length H = 45 μm indicated in the examples, then when creating them simultaneously (for example, using the multifocusing method) the required values of the average power and energy of the train will increase compared to those indicated in the given Examples and tables in proportion to the change in the total width of several such sets compared to the values of H indicated in the given Examples. The results of calculations of the required radiation parameters can also be easily recalculated for filament radii that differ from those indicated in the Examples given.

Совокупность существенных признаков способа и устройства описывается приводимой ниже формулой изобретения.The set of essential features of the method and device is described by the claims below.

Claims (219)

1. Способ лазерного филаментационного разделения (ЛФР) хрупкого материала, включающий в себя создание филамента цугом импульсов (СФЦИ), при этом филаменты не перекрываются друг с другом по их радиусам в объеме материала, отличающийся тем, что1. A method of laser filamentation separation (LFR) of a brittle material, including the creation of a filament by a pulse train (SPTS), while the filaments do not overlap each other along their radii in the volume of the material, characterized in that филамент создают с использованием длительности τ_burst [с] цуга с ограничением величины, т.е. the filament is created using the duration τ _burst [s] of a train with a limited value, i.e. τ_burst < t_r, t_T1,τ _burst < t _r , t _T1 , t_r = r_f/u [с] - время удержания лазерного пучка в пределах радиуса филамента r_f при учете движения пучка относительно материала со скоростью u [см/с]; t _r = r _f /u [s] - time of holding the laser beam within the radius of the filament r _f , taking into account the movement of the beam relative to the material with a speed u [cm/s]; r_f [см] - радиус филамента на уровне (1/е) спадания объемной плотности энергии (ОПЭ) w [Дж/см³] от оси филамента по радиусу r в приближении гауссова распределения w(r); r _f [cm] - radius of the filament at the level (1/e) of the decrease in volumetric energy density (VED) w [J/cm ³ ] from the filament axis along the radius r in the approximation of the Gaussian distribution w(r); t_T1 = r_f ²/(4χ) [с] - время удержания тепла в пределах радиуса филамента r_f ; t _T1 = r _f ² /(4χ) [s] - heat retention time within the filament radius r _f ; χ [см²/с] - усредненное значение температуропроводности материала в диапазоне температур от начальной температуры T_i = 293 К до порядка T_mod;χ [cm ² /s] - average value of the thermal diffusivity of the material in the temperature range from the initial temperature T _i = 293 K to the order of T _mod ; T_mod [К] - температура, которая для аморфных материалов составляет T_mod = T_strain, а для кристаллических материалов T_mod = T_melt;T _mod [K] - temperature, which for amorphous materials is T _mod = T _strain , and for crystalline materials T _mod = T _melt ; T_strain [К] - точка стеклования аморфного материала;T _strain [K] - glass transition point of an amorphous material; T_melt [К] - точка плавления кристаллического материала; T _melt [K] - melting point of crystalline material; при этом выбирают ОПЭ w [Дж/см³] лазерной накачки филамента на его оси с ограничением величины, т.е. согласно условиюin this case, the OPE w [J/cm ³ ] of laser pumping of the filament on its axis is selected with a limited value, i.e. according to the condition w ≤ w₁,w ≤ w ₁ , где ограничивающий предел w₁ [Дж/см³] численно составляет от 200 до 1000 кДж/см³ в зависимости от материала и величины радиуса r_f филамента; указанный предел w₁ оценивают с учетом коэффициента K_sw преобразования энергии филамента в ударную волну: where the limiting limit w ₁ [J/cm ³ ] is numerically from 200 to 1000 kJ/cm ³ depending on the material and the radius r _f of the filament; the specified limit w ₁ is assessed taking into account the coefficient K _sw of converting filament energy into a shock wave: w₁ = [1/(1-K_sw)]ρC_HT (T₁ - T_i) + w_dis, гдеw ₁ = [1/(1-K _sw )]ρC _HT (T ₁ - T _i ) + w _dis , where ρ [г/см³] - плотность материала; ρ [g/cm ³ ] - density of the material; C_HT [Дж/(г×К)] - удельная теплоемкость материала при температурах выше температуры диссоциации материала, составляющей для стекол >2500-3000 К; C _HT [J/(g×K)] - specific heat capacity of the material at temperatures above the dissociation temperature of the material, which for glasses is >2500-3000 K; T₁ [K] - соответствующий пределу w₁ предел температуры плазмы филамента;T ₁ [K] - corresponding limit w ₁ filament plasma temperature limit; T_i = 293 К - начальная температура материала до облучения; T _i = 293 K - initial temperature of the material before irradiation; w_dis [Дж/см³] - ОПЭ необратимых потерь на диссоциацию материала при его лазерном нагреве;w _dis [J/cm ³ ] - RPE of irreversible losses due to dissociation of the material during laser heating; C_HT оценивают как C _HT is estimated as C_HT = 3RN_at/μ; _CHT = 3RN _at /μ; R = 8,31 Дж/(моль×K) - универсальная газовая постоянная; R = 8.31 J/(mol×K) - universal gas constant; N_at - безразмерный параметр, число атомов в 1 молекуле материала;N _at - dimensionless parameter, the number of atoms in 1 molecule of material; μ [г/моль] - молярная масса материала; μ [g/mol] - molar mass of the material; температурный предел T₁ оценивают как temperature limit T ₁ is estimated as T₁ = [16(ln2)^1/2β_maxC_HTρχ /(σr_f )]^1/3;T ₁ = [16(ln2) ^1/2 β _max C _HT ρχ /(σr _f )] ^1/3 ; β_max = 0,12;β _max = 0.12; σ = 5,67×10^-12 Вт/(см²×K⁴) - постоянная Стефана; σ = 5.67 × 10 ^-12 W/(cm ² × K ⁴ ) - Stefan's constant; предел w₁ по ОПЭ рассчитывают как limit w ₁ according to OPE is calculated as w₁ = 2ρC_HT (T₁ – T_i) + w_dis w ₁ = 2ρC _HT (T ₁ – T _i ) + w _dis при K_sw = 0,5, когда, соответственно, время t_E [c] энерговыделения при релаксации возбужденных лазерным импульсом электронных уровней материала сравнительно мало, т.е.at K_sw = 0.5, when, accordingly, time t_E[c] energy release during relaxation of electronic levels of the material excited by a laser pulse relatively little, i.e. t_E << t_P1;t _E << t _P1 ; t_P1 [с] - время инерциального удержания давления ударной волны в филаменте, которое оценивают как t _P1 [s] is the time of inertial retention of the shock wave pressure in the filament, which is estimated as t_P1 = 2r_f/c_sw;t _P1 = 2r _f /c _sw ; c_sw [см/с] - скорость ударной волны в материале в микронной окрестности филамента; c _sw [cm/s] - shock wave speed in the material in the micron vicinity of the filament; или предел w₁ рассчитывают как or the limit w ₁ is calculated as w₁ = ρC_HT (T₁ – T_i) + w_dis w ₁ = ρC _HT (T ₁ – T _i ) + w _dis при K_sw << 1, когда время t_E > t_P1, т.е.at K _sw << 1, when time t _E > t _P1 , i.e. t_P1 < t_E < t_T1. t _P1 < t _E < t _T1 . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количественно определяют параметры лазерного облучения, полностью задающие в режиме СФЦИ процесс ЛФР с величиной шероховатости R_a боковых стенок разделения не более 0,1 мкм: энергию E_burst [Дж] цуга импульсов в материале, среднюю энергию E₀ [Дж] отдельных импульсов цуга, частоту повторения f_burst [Гц] цугов, шаг следования s₁ [см] филаментов в материале, длительность τ_burst [с] цуга в целом, длительность τ [с] отдельного импульса в цуге, временной интервал Δt [с] между импульсами в цуге и их количество N_p в цуге, среднюю мощность импульсно-периодического лазерного излучения в материале P [Вт], скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала u [см/c], а также энергетическую эффективность Ω [см²/Дж] процесса ЛФР на основе задания управляющих параметров - радиуса r_f, длины H [см] и ОПЭ w филамента; 2. The method according to claim 1, characterized in that the parameters of laser irradiation are quantitatively determined, completely defining the LPR process in the SFC mode with the roughness value R _{a of} the side walls of the separation not exceeding 0.1 μm: energy E _burst [J] of the pulse train in the material , average energy E ₀ [J] of individual pulses of the train, repetition frequency f _burst [Hz] of trains, repetition pitch s ₁ [cm] of filaments in the material, duration τ _burst [s] of the train as a whole, duration τ [s] of an individual pulse in train, time interval Δt [s] between pulses in a train and their number N _p in a train, average power of pulse-periodic laser radiation in the material P [W], speed of relative movement of the laser beam and material u [cm/s], and also energy efficiency Ω [cm ² /J] of the LPR process based on setting control parameters - radius r _f , length H [cm] and OPE w of the filament; для этого используют следующую последовательность нахождения указанных параметров облучения: To do this, use the following sequence to find the specified irradiation parameters: на начальной стадии: at the initial stage: устанавливают входные параметры - длину волны излучения лазера λ [см], толщину материала L [см], радиус филаментов r_f [см] и их длину H [см], выбираемые оператором для выполнения процесса ЛФР;set the input parameters - laser radiation wavelength λ [cm], material thickness L [cm], filament radius r _f [cm] and their length H [cm], selected by the operator to perform the LPR process; используют справочные данные по w_dis, P_c (λ), ρ₂, С₂, μ, χ, c_s, N_at, σ_c, а также T_mod = T_strain для аморфного материала, либо T_mod = T_melt для кристаллического материала; use reference data on w _dis , P _c (λ), ρ ₂ , C ₂ , μ, χ, c _s , N _at , σ _c , as well as T _mod = T _strain for an amorphous material, or T _mod = T _melt for crystalline material; используют величины Т_i = 293 К, Γ = 1-1,25, ϕ = 1,4, А_L-P = 0,8, A_P-H = 0,9; use the values T _i = 293 K, Γ = 1-1.25, ϕ = 1.4, A _LP = 0.8, A _PH = 0.9; где P_c (λ) [Вт] - критическая для самофокусировки мощность в отдельном импульсе, зависящая от λ;where P _c (λ) [W] is the critical power for self-focusing in an individual pulse, depending on λ; ρ₂ [г/см³] - среднее значение плотности материала в диапазоне температур от T_i = 293 К до T_mod;ρ ₂ [g/cm ³ ] - average value of the density of the material in the temperature range from T _i = 293 K to T _mod ; C₂ [Дж/(г×К)] - среднее значение удельной теплоемкости в диапазоне температур от начальной (комнатной) T_i = 293 К до T_mod;C ₂ [J/(g×K)] - the average value of the specific heat capacity in the temperature range from the initial (room) T _i = 293 K to T _mod ; c_s [см/с] - скорость звука в материале, которую используют в расчетах ниже вместо c_sw;c _s [cm/s] - speed of sound in the material, which is used in the calculations below instead of c _sw ; σ_c [кДж/см³] - предел прочности материала на сжатие при ударно-волновом воздействии; σ _c [kJ/cm ³ ] - the compressive strength of the material under shock wave action; Т_i [К] - начальная (комнатная) температура;T _i [K] - initial (room) temperature; Γ - безразмерный параметр, подбираемый эмпирически в диапазоне 1-1,25;Γ is a dimensionless parameter, selected empirically in the range 1-1.25; ϕ = R_Т/R_sw - безразмерный параметр, коэффициент, показывающий, во сколько раз желательно уменьшить R_sw по отношению к R_Т за счет использования в цуге числа импульсов N_p0; ϕ = R _T /R _sw is a dimensionless parameter, a coefficient showing how many times it is desirable to reduce R _sw in relation to R _T by using the number of pulses N _p0 in the train; R_sw [см] - радиус цилиндрической зоны ударно-волнового воздействия вокруг оси филамента; R _sw [cm] - radius of the cylindrical zone of shock wave action around the filament axis; R_T [см] - радиус цилиндрической зоны воздействия вокруг оси филамента за счет теплопроводностного механизма; R _T [cm] - radius of the cylindrical impact zone around the filament axis due to the thermal conductivity mechanism; A_L-P - безразмерный параметр, нелинейная (в зависимости от ОПЭ w) поглощательная способность филамента;A _LP - dimensionless parameter, nonlinear (depending on OPE w) absorption capacity of the filament; A_P-H - безразмерный параметр, коэффициент конверсии, описывающий долю тепловой энергии от плазмы филамента E_tw [Дж], перешедшую в тепло Q [Дж]; A _PH - dimensionless parameter, conversion coefficient, describing the fraction of thermal energy from the filament plasma E _tw [J] converted into heat Q [J]; на стадии 1: at stage 1: вычисляют время t_P1 инерциального удержания давления ударной волны в филаменте, как calculate the time t _P1 of inertial retention of the pressure of the shock wave in the filament, as t_P1 = 2r_f/c_s;t _P1 = 2r _f /c _s ; вычисляют время t_T1 удержания тепла в пределах радиуса филамента, используя указанные выше r_f и χ: calculate the heat retention time t _T1 within the filament radius using the above r _f and χ: t_T1 = r_f ²/(4χ);t _T1 = r _f ² /(4χ); используют K_sw = 0,5, если время энерговыделения t_E материала сравнительно мало, т.е. use K _sw = 0.5 if the energy release time t _E of the material is relatively short, i.e. t_E << t_P1;t _E << t _P1 ; или используют K_sw << 1, что, согласно п. 1, соответствует времени t_E, превосходящему время t_P1, т.е. or use K _sw << 1, which, according to paragraph 1, corresponds to a time t _E exceeding time t _P1 , i.e. t_P1 < t_E < t_T1;t _P1 < t _E < t _T1 ; вычисляют C_HT, T₁ и w₁;calculate C _HT , T ₁ and w ₁ ; используют для облучения «высокочастотный» диапазон частот повторения цугов импульсов f_burst [Гц], т.е. f_burst ≥ f₁, где f₁ [Гц] - нижний предел этого диапазона, в котором η изменяется в диапазоне η = 0,76-1, η - безразмерный коэффициент теплопроводностного остывания материала в пространстве между соседними филаментами от какого-либо цуга импульсов к моменту достижения максимума нагрева этого промежутка следующим по времени и соседним по пространству цугом импульсов;For irradiation, the “high-frequency” frequency range of pulse train repetition f _burst [Hz] is used, i.e. f _burst ≥ f ₁ , where f ₁ [Hz] is the lower limit of this range, in which η varies in the range η = 0.76-1, η is the dimensionless coefficient of thermal conductivity cooling of the material in the space between adjacent filaments from any pulse train by the time the maximum heating of this interval is reached by the next in time and adjacent in space pulse train; или используют «низкочастотный» диапазон частот повторения цугов, т.е. f_burst ≤ f₂, где f₂ [Гц] - верхний предел этого диапазона, в котором η ≤ 0,1;or use the “low-frequency” range of train repetition frequencies, i.e. f _burst ≤ f ₂ , where f ₂ [Hz] is the upper limit of this range, in which η ≤ 0.1; соответственно, выбирают конкретную величину η из того или иного указанных диапазонов;accordingly, select a specific value of η from one or another specified range; для химически закаленных стекол используют «высокочастотный» или «низкочастотный» диапазон, а для незакаленных материалов предпочтительно используют лишь «высокочастотный» диапазон, дополнительно ограничивая f_burst в этом диапазоне, как for chemically tempered glasses, the “high frequency” or “low frequency” range is used, and for non-tempered materials, it is preferable to use only the “high frequency” range, further limiting f _burst in this range, as f_burst = (1-3)f₁;f _burst = (1-3)f ₁ ; на стадии 2: at stage 2: используют величину ОПЭ плазмы филамента, удовлетворяющую условию:use the value of filament plasma OPE that satisfies the condition: w ≤ w₁;w ≤ w ₁ ; вычисляют из указанных входных данных C₂, ρ₂, T_mod, T_i и выбранной выше величины η порог модификации w_mod [Дж/см³] для теплового механизма calculated from the specified input data C ₂ , ρ ₂ , T _mod , T _i and the value η selected above, the modification threshold w _mod [J/cm ³ ] for the thermal mechanism w_mod = C₂ρ₂(T_mod -T_i)/(1+ η);w _mod = C ₂ ρ ₂ (T _mod -T _i )/(1+ η); на стадии 3:at stage 3: из указанных выше параметров вычисляют энергию цуга импульсов в материале E_burst и максимально допустимый для получения гладкого разделения шаг следования филаментов в материале s_1max [см]:From the above parameters, the energy of the pulse train in the material E _burst and the maximum permissible step of filaments in the material s _1max [cm] to obtain a smooth separation are calculated: E_burst = πr_f ²Hw/A_L-P, E _burst = πr _f ² Hw/A _LP , s_1max = 2[(1/e)(1-K_sw)A_P-H(w-w_dis)/w_mod]^1/2r_f ;s _1max = 2[(1/e)(1-K _sw )A _PH (ww _dis )/w _mod ] ^1/2 r _f ; используют ограниченный шаг следования филаментов s₁ согласно условиюuse a limited step of filaments s ₁ according to the condition s₁ ≤ s_1max,s ₁ ≤ s _1max , обеспечивая частичное перекрытие зон теплового воздействия от соседних филаментов;providing partial overlap of thermal impact zones from neighboring filaments; используют use s₁ = 0,9s_1max;s ₁ = 0.9s _1max ; для найденных выше w, w_mod и указанных выше σ_c и K_sw (= 0,5, либо << 1) вычисляют пределы N_p0 и N_p1:for the above w, w _mod and the above σ _c and K _sw (= 0.5, or << 1) calculate the limits N _p0 and N _p1 : N_p1 = [w/ (0,8w_dis)] + 1;N _p1 = [w/ (0.8w _dis )] + 1; при этом квадратные скобки [ ] в этих двух последних выражениях обозначают целую часть числа в этих скобках; in this case, square brackets [ ] in these last two expressions denote the integer part of the number in these brackets; число импульсов в цуге N_p выбирают согласно условию the number of pulses in the train N _p is chosen according to the condition Np ≥ max (N_p0, N_p1);Np ≥ max (N _p0 , N _p1 ); на стадии 4: at stage 4: вычисляют энергетическую эффективность Ω [см²/Дж] процесса ЛФР calculate the energy efficiency Ω [cm ² /J] of the LPR process Ω = 2s₁Н/E_burst,Ω = 2s ₁ Н/E _burst , используя указанные выше s₁, H и E_burst;using the above s ₁ , H and E _burst ; вычисляют частотные пределы f₁ и f₂ в зависимости от степени перекрытия соседних зон воздействия, характеризуемой отношением (s₁/s_max) от 0,6 до 1, как calculate the frequency limits f ₁ and f ₂ depending on the degree of overlap of adjacent impact zones, characterized by the ratio (s ₁ /s _max ) from 0.6 to 1, as f₁ = (12-18)χ/s₁ ², f ₁ = (12-18)χ/s ₁ ² , f₂ = (0,22-0,70)χ/s₁ ²; f ₂ = (0.22-0.70)χ/s ₁ ² ; для указанного выше (s₁/s_1max) = 0,9 используют соотношенияfor the above (s ₁ / s _1max ) = 0.9 use the relations f₁ = 13,3 χ/s₁ ², f ₁ = 13.3 χ/s ₁ ² , f₂ = 0,547χ/s₁ ²;f ₂ = 0.547χ/s ₁ ² ; в соответствии с ранее выбранной величиной η используют частоту повторения цугов f_burst в «высокочастотном» диапазоне, т.е. in accordance with the previously selected value of η, the frequency of repetition of trains f _burst is used in the “high-frequency” range, i.e. f_burst ≥ f₁,f _burst ≥ f ₁ , или в «низкочастотном» диапазоне, т.е. or in the “low frequency” range, i.e. f_burst ≤ f₂;f _burst ≤ f ₂ ; вычисляют время t_P2 [с] инерциального удержания давления ударной волны в пространстве между соседними филаментами calculate the time t _P2 [s] of inertial retention of the shock wave pressure in the space between adjacent filaments t_P2 = s₁/c_s; t _P2 = s ₁ /c _s ; энергию E_0i [Дж] (i = 1,2,..N_p) отдельных импульсов цуга в материале берут одинаковой для всех импульсов цуга и вычисляют для найденных выше E_burst и N_p, как the energy E _0i [J] (i = 1.2,..N _p ) of individual train pulses in the material is taken to be the same for all train pulses and is calculated for the E _burst and N _p found above as E_0i = const = E₀ = E_burst/N_p;E _0i = const = E ₀ = E _burst /N _p ; на стадии 5: at stage 5: вычисляют среднюю мощность P импульсно-периодического лазерного излучения в материале calculate the average power P of pulse-periodic laser radiation in the material P = E_burstf_burst P = E _burst f _burst и скорость u относительного перемещения лазерного пучка и материала and speed u of the relative movement of the laser beam and material u = s₁f_burst u = s ₁ f _burst при подстановке указанных выше E_burst, f_burst и s₁;when substituting the above E _burst , f _burst and s ₁ ; вычисляют время t_r удержания положения пучка для заданного r_f и найденного выше u:calculate the time t _r for holding the beam position for a given r _f and u found above: t_r = r_f /u;t _r = r _f /u; используют длительность цуга в целом τ_burst согласно условию ограничения ее величиныuse the duration of the train as a whole τ _burst according to the condition of limiting its value τ_burst < t_T1, t_r;τ _burst < t _T1 , t _r ; временной интервал ∆t между импульсами в цуге находят как the time interval ∆t between pulses in a train is found as ∆t = τ_burst /(N_p - 1),∆t = τ _burst /(N _p - 1), при этом между ∆t и t_P2 соблюдают выполнение соотношения in this case, between ∆t and t _P2 the following relation is observed: ∆t > t_P2;∆t > t _P2 ; длительность τ отдельного импульса берут одинаковой для всех импульсов цуга и вычисляют как The duration τ of an individual pulse is taken to be the same for all pulses in the train and is calculated as τ = E₀/[ΓР_с(λ)].τ = E ₀ /[ΓР _с (λ)]. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что дополнительно к получению указанного уровня шероховатости повышают энергоэффективность Ω процесса ЛФР, для чего при количественном нахождении параметров облучения применяют, по меньшей мере, одно из следующих дополнительных ограничений: 3. The method according to claim 2, characterized in that, in addition to obtaining the specified level of roughness, the energy efficiency Ω of the LPR process is increased, for which, when quantitatively determining the irradiation parameters, at least one of the following additional restrictions is applied: предпочтительно выбирают w в диапазоне (2-3)w_dis, но не более w₁; preferably choose w in the range (2-3)w _dis , but not more than w ₁ ; уменьшают радиус филамента r_f путем использования более короткой, чем 1,03 мкм, длины волны λ лазерного излучения и большей числовой апертуры фокусировки NA (более 0,5); reduce the radius of the filament r _f by using a shorter wavelength λ of laser radiation than 1.03 μm and a larger focusing numerical aperture NA (more than 0.5); используют материал с критической для разделения температурой модификации, T_strain или T_melt, не более 870 К;use a material with a modification temperature critical for separation, T _strain or T _melt , not more than 870 K; используют частоту повторения цугов в «высокочастотном» диапазоне, т.е. f_burst ≥ f₁, предпочтительно f_burst >> f₁; use the frequency of repetition of trains in the “high-frequency” range, i.e. f _burst ≥ f ₁ , preferably f _burst >> f ₁ ; используют материал с временем энерговыделения t_E > t_P1; use a material with energy release time t _E > t _P1 ; в дополнение к указанному повышению Ω получают при ЛФР также скорость u относительного перемещения лазерного пучка и материала 4-52 м/с в зависимости от материала и параметров облучения, для чего указанный выше список ограничений при количественном нахождении параметров облучения дополняют еще двумя ограничениями, которые применяют по отдельности или вместе: in addition to the indicated increase in Ω, with LPR, the speed u of the relative movement of the laser beam and the material is also 4-52 m/s, depending on the material and irradiation parameters, for which the above list of restrictions when quantitatively finding irradiation parameters is supplemented with two more restrictions that apply separately or together: используют материал с более высокой величиной χ (у сапфира χ в 4-5 раз выше, чем у кварцевого стекла); they use a material with a higher χ value (for sapphire χ is 4-5 times higher than for quartz glass); используют уменьшение отношения s₁/s_1max до величин менее 0,9, применяя более высокую степень перекрытия радиусов теплового воздействия филаментов. use a reduction in the ratio s ₁ / s _1max to values less than 0.9, using a higher degree of overlap of the radii of thermal action of the filaments. 4. Cпособ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что 4. Method according to claim 2 or 3, characterized in that ЛФР осуществляют маломощным лазерным пучком, т.е. со средней мощностью P от десятых долей Вт, при этом для нахождения параметров облучения применяют, по меньшей мере, одно из следующих дополнительных ограничений: LPR is carried out with a low-power laser beam, i.e. with an average power P from tenths of W, while at least one of the following additional restrictions is used to find the irradiation parameters: используют частоту повторения цугов f_burst в «низкочастотном» диапазоне, т.е. f_burst ≤ f₂; use the frequency of repetition of trains f _burst in the “low-frequency” range, i.e. f _burst ≤ f ₂ ; используют филаменты с длиной H не более нескольких десятков микрон; use filaments with a length H of no more than several tens of microns; w выбирают предпочтительно в диапазоне (2-3)w_dis, но не более w₁; w is preferably chosen in the range (2-3)w _dis , but not more than w ₁ ; используют материал с временем энерговыделения t_E > t_P1; use a material with energy release time t _E > t _P1 ; используют материал со сравнительно малой величиной χ, т.е. кварцевое или дисплейное стекло вместо сапфира;they use material with a relatively small χ value, i.e. quartz or display glass instead of sapphire; в дополнение к указанной малой мощности P ЛФР выполняют со скоростью u относительного движения лазерного пучка и материала до порядка 20-30 см/с, для чего при количественном нахождении параметров облучения указанный список ограничений дополняют еще несколькими ограничениями, которые применяют по отдельности или вместе: In addition to the indicated low power P, LPR is performed at a speed u of the relative movement of the laser beam and material up to about 20-30 cm/s, for which, when quantitatively determining the irradiation parameters, the specified list of restrictions is supplemented with several more restrictions, which are applied separately or together: используют f_burst = f₂; use f _burst = f ₂ ; используют филаменты с радиусами r_f менее 0,5 мкм, что достигают за счет применения числовой апертуры системы фокусировки NA более 0,5 и за счет длины волны λ лазерного излучения не более 1,03 мкм. they use filaments with radii r _f less than 0.5 µm, which is achieved through the use of a numerical aperture of the focusing system NA of more than 0.5 and due to the wavelength λ of laser radiation no more than 1.03 µm. 5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что в качестве материала с временем энерговыделения t_E > t_P1, t_P2 используют:5. Method according to claim 3 or 4, characterized in that the material with energy release time t _E > t _P1 , t _P2 is used as: материал, при нагреве которого цугом импульсов возникают дефекты структуры и обусловленные ими долгоживущие состояния электронного возбуждения с t_E указанной величины; a material, when heated by a train of pulses, structural defects and the resulting long-lived states of electronic excitation with t _E of the specified value arise; материал, для которого дефекты структуры и обусловленные ими долгоживущие состояния с указанным t_E создают за счет:a material for which structural defects and the long-lived states caused by them with the specified t _E are created due to: - состава материала, его модификации; - composition of the material, its modification; - вспомогательного воздействия на материал в зоне движения по нему лазерного пучка ЛФР перед его прохождением по материалу. - auxiliary influence on the material in the zone of movement of the LPR laser beam through it before its passage through the material. 6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве материала для ЛФР используют химически закаленное стекло Corning Gorilla Glass 5, при этом для количественного нахождения параметров облучения применяют, по меньшей мере, одно из следующих ограничений: 6. The method according to claim 2, characterized in that chemically tempered Corning Gorilla Glass 5 is used as the material for LPR, and at least one of the following restrictions is used to quantitatively determine the irradiation parameters: радиус филамента выбирают в диапазоне r_f = 0,2-0,5 мкм; the filament radius is chosen in the range r _f = 0.2-0.5 μm; ОПЭ филамента выбирают в диапазоне w = (1,8-6)w_dis, но не более предела w₁; The OPE of the filament is selected in the range w = (1.8-6)w _dis , but not more than the limit w ₁ ; число импульсов в цуге N_p выбирают не менее некоторой минимальной величины, N_p ≥ N_p ^min, где N_p ^min = 3-6.the number of pulses in the train N _p is chosen to be no less than a certain minimum value, N _p ≥ N _p ^min , where N _p ^min = 3-6. 7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве материала используют дисплейное стекло Corning Eagle XG™ или кварцевое стекло, при этом для количественного нахождения параметров облучения применяют, по меньшей мере, одно из следующих ограничений: 7. The method according to claim 2, characterized in that Corning Eagle XG™ display glass or quartz glass is used as the material, and at least one of the following restrictions is used to quantitatively determine the irradiation parameters: радиус филамента выбирают в диапазоне r_f = 0,2-0,5 мкм; the filament radius is chosen in the range r _f = 0.2-0.5 μm; ОПЭ w филамента выбирают в диапазоне w = (1,8-6)w_dis, предпочтительно в диапазоне w = (3-4)w_dis, но не более предела w₁; OPE w of the filament is selected in the range w = (1.8-6)w _dis , preferably in the range w = (3-4)w _dis , but not more than the limit w ₁ ; число импульсов N_p в цуге выбирают не менее некоторой минимальной величины N_p ^min, т.е. N_p ≥ N_p ^min, где N_p ^min = 5-7; the number of pulses N _p in a train is chosen to be no less than a certain minimum value N _p ^min , i.e. N _p ≥ N _p ^min , where N _p ^min = 5-7; частоту f_burst повторения цугов импульсов выбирают в «высокочастотном» диапазоне, где f_burst ≥ f₁, предпочтительно в диапазоне f_burst = (1-3)f₁. the frequency f _burst of repetition of pulse trains is chosen in the “high-frequency” range, where f _burst ≥ f ₁ , preferably in the range f _burst = (1-3) f ₁ . 8. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве материала для ЛФР используют сапфир, при этом для количественного нахождения параметров облучения применяют одно или несколько ограничений: 8. The method according to claim 2, characterized in that sapphire is used as a material for LPR, and one or more restrictions are applied to quantitatively determine the irradiation parameters: радиус филамента предпочтительно выбирают в диапазоне r_f = 1,3-1,7 мкм; the filament radius is preferably chosen in the range r _f = 1.3-1.7 μm; ОПЭ филамента выбирают в диапазоне w = (2-11)w_dis, предпочтительно в диапазоне w = (7 -11)w_dis, но не более предела w₁; The OPE of the filament is selected in the range w = (2-11)w _dis , preferably in the range w = (7-11)w _dis , but not more than the limit w ₁ ; число импульсов в цуге N_p выбирают не менее минимальной величины N_p ^min, т.е. N_p ≥ N_p ^min, где N_p ^min = 9-13; the number of pulses in the train N _p is chosen not less than the minimum value N _p ^min , i.e. N _p ≥ N _p ^min , where N _p ^min = 9-13; частоту повторения f_burst цугов лазерных импульсов выбирают в «высокочастотном» диапазоне f_burst ≥ f₁, предпочтительно в диапазоне f_burst = (1-3)f₁.The repetition frequency f _burst of laser pulse trains is selected in the “high-frequency” range f _burst ≥ f ₁ , preferably in the range f _burst = (1-3) f ₁ . 9. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что для повышения энергоэффективности ЛФР и получения разделения с высокой скоростью до десятков м/с, а также достижения высокой скорости в режиме облучения малой лазерной мощностью от десятых долей Вт применяют для облучения лазер с длиной волны излучения λ менее 1,03 мкм, при этом используют филаменты с радиусом r_f менее 0,5 мкм и шагом следования s₁ менее 6 мкм.9. The method according to claim 3 or 4, characterized in that in order to increase the energy efficiency of the LPR and obtain separation at a high speed of up to tens of m/s, as well as to achieve high speed in the irradiation mode with low laser power from tenths of a W, a laser with the radiation wavelength λ is less than 1.03 µm, and filaments with a radius r _f less than 0.5 µm and a repetition pitch s ₁ of less than 6 µm are used. 10. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для выполнения ЛФР используют параметры облучения E_burst, E₀, s₁, f_burst, τ, Δt, t_burst и N_p, из которых один или несколько параметров отличаются, но не более чем в 2-3 раза в большую или меньшую сторону от соответствующих величин этих параметров, вычисленных согласно п. 2 при тех же вводных параметрах r_f, H и w.10. The method according to claim 2, characterized in that to perform LPR, the irradiation parameters E _burst , E ₀ , s ₁ , f _burst , τ, Δt, t _burst and N _p are used, of which one or more parameters differ, but not more than 2-3 times higher or lower than the corresponding values of these parameters calculated according to paragraph 2 with the same input parameters r _f , H and w. 11. Способ по п. 2, отличающийся тем, что дополнительно к количественному расчету параметров облучения для осуществления ЛФР экспериментально уточняют их величины: 11. The method according to claim 2, characterized in that in addition to the quantitative calculation of irradiation parameters for carrying out LPR, their values are experimentally clarified: ОПЭ выбирают как w ≤ w₁; OPE is chosen as w ≤ w ₁ ; с превышением в несколько раз над N_p0 выбирают число импульсов в цуге, т.е. N_p ≥ (2-3)N_p0, N_p1; with an excess of several times over N _p0 , the number of pulses in the train is selected, i.e. N _p ≥ (2-3)N _p0 , N _p1 ; частоту повторения цугов f_burst выбирают с превышением над f₁: f_burst = (2-3)f₁, а параметр η выбирают соответствующим этому диапазону как 0,8-1;the frequency of repetition of the trains f _burst is chosen in excess of f ₁ : f _burst = (2-3) f ₁ , and the parameter η is chosen corresponding to this range as 0.8-1; временной интервал Δt между импульсами выбирают с превышением над t_P2: Δt ≥ (2-3)t_P2; the time interval Δt between pulses is selected in excess of t _P2 : Δt ≥ (2-3)t _P2 ; для параметров r_f, H, w, E_burst, E₀, f_burst, τ, Δt, t_burst, N_p и u используют их выбранные и рассчитанные значения, в то время как величину шага следования филаментов s₁ уточняют путем ее экспериментального подбора, сравнивая результаты ЛФР, получаемого при различных s₁, т.е. при различных u=s₁f_burst при фиксированном f_burst; for the parameters r _f , H, w, E _burst , E ₀ , f _burst , τ, Δt, t _burst , N _p and u their selected and calculated values are used, while the filament step size s ₁ is refined by its experimental selection, comparing the results of LPR obtained at different s ₁ , i.e. for different u=s ₁ f _burst for fixed f _burst ; нижнюю и верхнюю границы диапазона варьирования в эксперименте величины s₁ выбирают отличающимися не более чем в 1,4 раза соответственно, в меньшую и большую стороны от рассчитанного значения s₁; the lower and upper limits of the range of variation in the experiment of the value of s ₁ are chosen to differ by no more than 1.4 times, respectively, on the smaller and larger sides of the calculated value of s ₁ ; находят в эксперименте оптимальную величину s₁, для которой достигается результат ЛФР с наилучшей гладкостью боковых стенок разделения; find in the experiment the optimal value of s ₁ for which the result of LPR is achieved with the best smoothness of the side walls of the separation; предпочтительно выполняют указанную процедуру также и для иного выбора ОПЭ w, тем самым расширяя количество экспериментов, из которых находят результат с наилучшей гладкостью разделения.preferably, the specified procedure is also performed for a different choice of OPE w, thereby expanding the number of experiments from which the result with the best separation smoothness is found. 12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что филаменты в объеме прозрачного материала создают лазерным облучением за счет нелинейно-оптического процесса самофокусировки в материале высокоинтенсивного лазерного пучка или применения способов, применяемых наряду с самофокусировкой либо без нее, обеспечивающих создание в материале удлиненной области фокусировки лазерного пучка вдоль его оси; 12. Method according to any one of paragraphs. 1-11, characterized in that filaments in the volume of transparent material are created by laser irradiation due to the nonlinear optical process of self-focusing in the material of a high-intensity laser beam or the use of methods used along with self-focusing or without it, ensuring the creation in the material of an elongated focusing area of the laser beam along its axes; для выполнения ЛФР материалов с толщиной 7-10 мм и более предпочтительно используют сочетание гаусс-бесселевых пучков с режимом СФЦИ, что позволяет создавать филаменты с длиной более 1 мм. To perform LPR of materials with a thickness of 7-10 mm and more preferably, a combination of Gaussian-Bessel beams with the SFC mode is used, which makes it possible to create filaments with a length of more than 1 mm. 13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что реализуют безабляционное разделение материала с нулевой шириной реза, для чего положение создаваемых филаментов выбирают целиком внутри объема материала, и они в процессе лазерного облучения не выходят ни на переднюю, ни на заднюю поверхности обрабатываемого образца, не создавая выброса материала в окружающее пространство в виде паров, капель или твердых осколков. 13. Method according to any one of paragraphs. 1-12, characterized in that they implement non-ablative separation of the material with zero cutting width, for which the position of the created filaments is chosen entirely within the volume of the material, and during laser irradiation they do not come out to either the front or rear surface of the processed sample, without creating an ejection material into the surrounding area in the form of vapors, drops or solid fragments. 14. Способ по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что ЛФР выполняют для материала, являющегося частью многослойной композиции, состоящей из расположенных друг на друге слоев из одного и того же прозрачного или полупрозрачного материала, или же включающей слои различных прозрачных и полупрозрачных материалов, твердых и/или жидких; указанные слои могут иметь различную толщину, а подлежащий ЛФР слой материала может быть первым в указанной композиции, т.е. обращенным к лазерному пучку, либо последним слоем, т.е. на тыльной стороне указанной многослойной композиции, или же заключен между других слоев. 14. Method according to any one of paragraphs. 1-13, characterized in that LPR is performed for a material that is part of a multilayer composition consisting of layers of the same transparent or translucent material located on top of each other, or including layers of various transparent and translucent materials, solid and/or liquid ; these layers may have different thicknesses, and the material layer subject to LFR may be the first in the specified composition, i.e. facing the laser beam, or the last layer, i.e. on the back side of the specified multilayer composition, or enclosed between other layers. 15. Способ по любому из пп. 2-14, отличающийся тем, что используют для ЛФР детали с неплоской поверхностью, содержащей, по крайней мере, как элемент, участок поверхности в виде фигуры вращения, т.е. цилиндрические трубки, оптические волокна и другие осесимметричные детали - сфероиды, эллипсоиды, гиперболоиды, другие рельефы с кривизной, при этом относительное перемещение лазерного пучка и указанной детали наряду с другими возможными видами перемещений включает в себя ее вращение вокруг оси симметрии вышеупомянутой фигуры вращения; 15. Method according to any one of paragraphs. 2-14, characterized in that for LPR they use parts with a non-flat surface containing, at least as an element, a surface section in the form of a figure of rotation, i.e. cylindrical tubes, optical fibers and other axisymmetric parts - spheroids, ellipsoids, hyperboloids, other reliefs with curvature, while the relative movement of the laser beam and the specified part, along with other possible types of movements, includes its rotation around the axis of symmetry of the above-mentioned figure of rotation; используют для ЛФР гибкие материалы с применением относительного перемещения материала и лазерного пучка по схеме «с катушки на катушку». They use flexible materials for LPR using relative movement of the material and the laser beam according to the “reel to reel” scheme. 16. Способ по любому из пп. 1-5, 9-15, отличающийся тем, что для ЛФР используют: 16. Method according to any one of paragraphs. 1-5, 9-15, characterized in that for LPR they use: дисплейные стекла, используемые в жидкокристаллических дисплеях (LCD), плоскопанельных дисплеях (FPD) и органических светоизлучающих дисплеях (OLED); display glasses used in liquid crystal displays (LCDs), flat panel displays (FPDs), and organic light-emitting displays (OLEDs); автомобильное стекло, окна, биочипы, оптические сенсоры, планарные световоды, прозрачные стаканы и полые цилиндры, художественные изделия, теплоотводящие подложки для микропроцессоров, карты памяти, сенсорные чипы, светоизлучающие диоды (LED) и лазерные диоды (LD); automotive glass, windows, biochips, optical sensors, planar light guides, transparent glasses and hollow cylinders, art products, heat-sinking substrates for microprocessors, memory cards, touch chips, light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs); алмаз, керамики, полимеры, прозрачные проводники, полупроводники, ситалл, кристаллический диоксид циркония с тем или иным содержанием стабилизирующих добавок, карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), а также селениды, сульфиды, хлориды, бромиды, фториды, например, селенид цинка (ZnSe), сульфид цинка (ZnS), хлорид натрия (KCl), бромид калия (KBr), фторид кальция (CaF₂), фторид бария (BaF₂), фторид магния (MgF₂), фторид лития (LiF). diamond, ceramics, polymers, transparent conductors, semiconductors, glass ceramics, crystalline zirconium dioxide with varying levels of stabilizing additives, silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), as well as selenides, sulfides, chlorides, bromides, fluorides, for example, zinc selenide (ZnSe), zinc sulfide (ZnS), sodium chloride (KCl), potassium bromide (KBr), calcium fluoride (CaF ₂ ), barium fluoride (BaF ₂ ), magnesium fluoride (MgF ₂ ), lithium fluoride (LiF) . 17. Устройство для ЛФР хрупкого материала, содержащее импульсно-периодический лазер, блок формирования и фокусировки пучка лазера, блок создания режима СЦФИ, систему крепления и перемещения материала под лазерным пучком с настройкой положения фокуса по глубине, отличающееся тем, что содержит блок числового программного управления, выполненный с возможностью установки параметров облучения для режима СЦФИ: r_f, H, w, E_burst, E₀, f_burst, s₁, τ_burst, τ, Δt, N_p, P и u согласно величинам, определенным для осуществления способа по любому из пп. 1-16. 17. A device for LPR of a fragile material, containing a pulse-periodic laser, a unit for forming and focusing the laser beam, a unit for creating the SCFI mode, a system for fastening and moving the material under the laser beam with adjustable focus position in depth, characterized in that it contains a numerical program control unit , made with the ability to set irradiation parameters for the SCFI mode: r _f , H, w, E _burst , E ₀ , f _burst , s ₁ , τ _burst , τ, Δt, N _p , P and u according to the values determined for the implementation of the method according to any one of paragraphs. 1-16. 18. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что при использовании для ЛФР тонких материалов, включая дисплейное стекло толщиной 0,5-0,75 мм, химически закаленное стекло толщиной 0,3-0,7 мм и сапфир толщиной 0,05-0,3 мм, параметры облучения устанавливают в следующих диапазонах:18. The device according to claim 17, characterized in that when thin materials are used for LPR, including display glass with a thickness of 0.5-0.75 mm, chemically tempered glass with a thickness of 0.3-0.7 mm and sapphire with a thickness of 0.05 -0.3 mm, irradiation parameters are set in the following ranges: длина волны излучения λ лазера - от 0,3 мкм до 2 мкм, или в части или частях этого диапазона, или λ может принимать дискретные значения 0,52 мкм, 1,04 мкм; laser radiation wavelength λ - from 0.3 μm to 2 μm, or in part or parts of this range, or λ can take discrete values of 0.52 μm, 1.04 μm; радиус филамента r_f : 0,2-1,7 мкм; filament radius r _f : 0.2-1.7 µm; длина филамента H: 30-750 мкм; filament length H: 30-750 µm; ОПЭ филамента w: 115-900 кДж/см³; OPE filament w: 115-900 kJ/cm ³ ; энергия цуга импульсов E_burst: 1-250 мкДж; pulse train energy E _burst : 1-250 µJ; число импульсов в цуге N_p: 2-25; number of pulses in a train N _p : 2-25; средняя энергия одного импульса цуга E₀: 0,1-25 мкДж; average energy of one train pulse E ₀ : 0.1-25 μJ; шаг следования филаментов в материале s₁: 1,2-13 мкм;pitch of filaments in the material s ₁ : 1.2-13 µm; средняя лазерная мощность в материале P: 0,4-150 Вт; average laser power in material P: 0.4-150 W; частота повторения цугов f_burst: 10 кГц-5 МГц; train repetition frequency f _burst : 10 kHz-5 MHz; скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала u: 1-1200 см/с; speed of relative movement of the laser beam and material u: 1-1200 cm/s; длительность цуга импульсов τ_burst: 5-130 нс; pulse train duration τ _burst : 5-130 ns; временной интервал между импульсами в цуге Δt: 1-30 нс; time interval between pulses in a train Δt: 1-30 ns; длительность отдельного импульса цуга τ: 90 фс-9 пс. duration of an individual train pulse τ: 90 fs-9 ps. 19. Устройство по п. 17 или 18, отличающееся тем, что при использовании для ЛФР прозрачных и полупрозрачных материалов со сравнительно большой толщиной (10-12 мм и более), включая химически закаленные стекла и незакаленные дисплейные стекла, параметры облучения устанавливают в следующих диапазонах:19. The device according to claim 17 or 18, characterized in that when using transparent and translucent materials with a relatively large thickness (10-12 mm or more) for LPR, including chemically tempered glass and non-tempered display glass, the irradiation parameters are set in the following ranges : длина филаментов H: 7-10 мм, причем в качестве системы фокусировки для создания филаментов указанной длины предпочтительно используют гаусс-бесселев пучок;filament length H: 7-10 mm, and a Gaussian-Bessel beam is preferably used as a focusing system to create filaments of the specified length; радиус филамента r_f: 0,2-0,5 мкм;filament radius r _f : 0.2-0.5 µm; длина волны λ лазерного излучения в диапазоне 0,5-1,1 мкм, или λ может принимать дискретные значения 0,52 мкм, 1,04 мкм в указанном диапазоне;wavelength λ of laser radiation in the range of 0.5-1.1 μm, or λ can take discrete values of 0.52 μm, 1.04 μm in the specified range; ОПЭ филамента w: 115-260 кДж/см³; OPE filament w: 115-260 kJ/cm ³ ; энергия цуга импульсов E_burst: 230-2100 мкДж; pulse train energy E _burst : 230-2100 µJ; число импульсов в цуге N_p: 3-7;number of pulses in a train N _p : 3-7; средняя энергия отдельного импульса в цуге E₀: 40-380 мкДж;average energy of an individual pulse in a train E ₀ : 40-380 μJ; шаг следования филаментов в материале s₁: 1-7 мкм; pitch of filaments in the material s ₁ : 1-7 µm; средняя лазерная мощность в материале P: 40-2000 Вт; average laser power in material P: 40-2000 W; частота повторения цугов f_burst: 10 кГц-4,2 МГц;train repetition frequency f _burst : 10 kHz-4.2 MHz; скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала u: 5-1000 см/с; speed of relative movement of the laser beam and material u: 5-1000 cm/s; длительность цуга импульсов τ_burst: 4-110 нс;pulse train duration τ _burst : 4-110 ns; временной интервал между импульсами в цуге Δt: 1-24 нс; time interval between pulses in a train Δt: 1-24 ns; длительность отдельного импульса цуга τ: 17-75 пс.duration of an individual train pulse τ: 17-75 ps. 20. Устройство по п. 18 или 19, отличающееся тем, что установку, по крайней мере, некоторых из указанных вычисленных параметров облучения, выполняют «вручную». 20. The device according to claim 18 or 19, characterized in that the installation of at least some of the specified calculated irradiation parameters is performed “manually”. 21. Устройство по любому из пп. 17-20, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью вращения детали, имеющей неплоскую поверхность в виде фигуры вращения, относительно лазерного пучка вокруг оси симметрии указанной детали; 21. The device according to any one of paragraphs. 17-20, characterized in that it is configured to rotate a part having a non-flat surface in the form of a figure of revolution, relative to the laser beam around the axis of symmetry of said part; при этом угловую скорость указанного вращения выбирают так, чтобы обеспечить требуемую величину скорости u относительного перемещения лазерного пучка и указанной детали на глубине создания филаментов в толще материала.in this case, the angular velocity of said rotation is selected so as to ensure the required value of the speed u of the relative movement of the laser beam and the specified part at the depth of creation of filaments in the thickness of the material.