激光切割復(fù)合材料玻璃制品和切割方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于切割和分離透明材料特別是定制的復(fù)合材料熔合拉制玻璃片的薄基材的任意形狀的方法，且本發(fā)明還涉及用所述方法制備的玻璃制品。開發(fā)的激光方法可定制用于手動(dòng)從面板分離零件，或者通過對(duì)所需的輪廓施加熱應(yīng)力來進(jìn)行完全激光分離。自發(fā)分離方法涉及利用超短脈沖激光，且可隨后使用CO2激光(與高壓空氣流結(jié)合)，用于完全自動(dòng)化分離。
【專利說明】激光切割復(fù)合材料玻璃制品和切割方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求下述的優(yōu)先權(quán):2013年12月17日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/917， 226,2014年07月11日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/023,322,和2014年10月31日提交的美 國專利申請(qǐng)?zhí)?4/530244, W上各文的全部內(nèi)容通過引用納入本文。
[000；3]背景
[0004] 材料的激光加工領(lǐng)域包括各種應(yīng)用和不同種類的材料，該應(yīng)用設(shè)及切割、鉆孔、研 磨、焊接、烙融等。在運(yùn)些應(yīng)用中，人們特別感興趣的一種應(yīng)用是切割或分離不同類型的基 材，例如多層復(fù)合材料烙合拉制的玻璃基材。
[0005] 從工藝開發(fā)和成本角度看，有許多機(jī)會(huì)來改善復(fù)合材料玻璃基材的切割和分離。 提供比當(dāng)今市場中所實(shí)施的更快、更干凈、更便宜、更可重復(fù)和更可靠的玻璃分離方法是非 常有意義的。在幾種替代技術(shù)中，已使用不同方法成功地驗(yàn)證了激光分離。所述技術(shù)包括： 1)實(shí)際地除去在所需的零件(或多個(gè)零件)的邊界之間的材料和其基材基質(zhì);2)在材料的本 體之內(nèi)形成缺陷，W沿著所需輪廓的周界弱化材料或?yàn)椴牧辖臃N裂紋引發(fā)點(diǎn)，然后進(jìn)行輔 助的破碎步驟;和3)通過熱應(yīng)力分離使得初始裂紋擴(kuò)展。與競爭性技術(shù)(機(jī)械劃割和破裂， 高壓水噴射和超聲研磨等)相比，運(yùn)些激光切割過程證明了潛在的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢，例如精 確性、良好的邊緣精磨和低殘留應(yīng)力。
[0006] 然而，仍然需要改善的用于切割和分離多層復(fù)合材料烙合拉制的玻璃基材的方 法。
[0007] 概述
[000引本發(fā)明設(shè)及制備具有精磨(finished)邊緣的切割復(fù)合材料玻璃制品，W及使用一 種或多種激光切割所述制品的方法。
[0009] 在一種實(shí)施方式中，一種激光加工烙合形成的玻璃復(fù)合材料工件的方法包括將脈 沖激光束聚集成沿著束傳播方向取向且引導(dǎo)進(jìn)入所述烙合形成的玻璃復(fù)合材料工件的激 光束聚焦線，所述激光束聚焦線在工件之內(nèi)產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收，且所述誘導(dǎo)吸收在所述工件之 內(nèi)沿著激光束聚焦線產(chǎn)生缺陷線。所述方法還包括沿著輪廓使得工件和激光束相對(duì)于彼此 平移，由此在所述工件之內(nèi)形成多個(gè)缺陷線，其中缺陷線W0.5微米-20微米的距離隔開。激 光束聚焦線可具有0.01mm-約100mm的長度。更優(yōu)選地，聚焦線長度可為約0.1mm-約10mm。甚 至更優(yōu)選地，激光束聚焦線具有約0.1mm-約1mm的長度。在材料處測量的脈沖激光束的平均 激光能量可大于40微焦耳/毫米材料厚度。在另一種實(shí)施方式中，用如上所述的方法制備玻 璃制品。
[0010] 在另一種實(shí)施方式中，玻璃制品包含玻璃復(fù)合材料，所述玻璃復(fù)合材料具有第一 表面、第二表面和至少一個(gè)邊緣，所述至少一個(gè)邊緣具有在所述第一表面和第二表面之間 延伸至少250微米的多個(gè)缺陷線。缺陷線中的每一個(gè)具有小于或等于約5微米的直徑。玻璃 復(fù)合材料可為烙合形成的玻璃復(fù)合材料。相鄰缺陷線的間隔可為0.1微米-20微米。所述玻 璃制品可包括3個(gè)層，最外面的層包含第一組合物，并具有熱膨脹系數(shù)CTE1和厚度TH1;內(nèi)層 在最外面的層之間，并包含不同于第一組合物的第二組合物，且具有熱膨脹系數(shù)CTE2,和厚 度TH2;W及其中CTEl可大于CTE2。最外面的玻璃層可處于壓縮應(yīng)力下，且內(nèi)層可處于拉伸 應(yīng)力下，且TH2與TH1的比例可為4-20。玻璃制品可具有大于巧即白斯卡(M化）的內(nèi)層中央張 力，且缺陷線可在邊緣的全部厚度上延伸。邊緣可具有小于約0.5微米的Ra表面粗糖度，且 邊緣可具有最高達(dá)小于或等于約75微米深度的表面下?lián)p壞。
[0011]烙合形成的復(fù)合材料玻璃片和如下所述的激光切割方法的組合形成復(fù)合材料玻 璃制品，其具有優(yōu)異的邊緣強(qiáng)度、4點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和含可忽略的碎片的表面精磨W及對(duì)零件邊 緣的極小的損壞（由此保留強(qiáng)度）。
[0012] 本發(fā)明延伸至：
[0013] -種激光加工烙合形成的玻璃復(fù)合材料工件的方法，所述方法包括：
[0014] 將脈沖激光束聚焦成沿著束傳播方向取向并引導(dǎo)進(jìn)入烙合形成的玻璃復(fù)合材料 工件的激光束聚焦線，所述激光束聚焦線在所述工件之內(nèi)產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收，且所述誘導(dǎo)吸收 在工件之內(nèi)沿著激光束聚焦線產(chǎn)生缺陷線;和
[0015] 沿著輪廓使得工件和激光束相對(duì)于彼此平移，由此在所述工件之內(nèi)形成多個(gè)缺陷 線，其中缺陷線W0.5微米-20微米的距離隔開。
[0016] 本發(fā)明延伸至：
[0017] -種玻璃制品，其包括:玻璃復(fù)合材料，所述玻璃復(fù)合材料具有第一表面、第二表 面和至少一個(gè)邊緣，所述至少一個(gè)邊緣具有在所述第一表面和第二表面之間延伸至少250 微米的多個(gè)缺陷線，所述缺陷線各自具有小于或等于約5微米的直徑。
[001引附圖簡要說明
[0019] 根據(jù)下文對(duì)如在附圖中所示的示例實(shí)施方式的更具體的描述，上述內(nèi)容將變得顯 而易見，在附圖中在全部不同的視圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分。附圖不必按比例 繪制，相反重點(diǎn)是顯示示例性實(shí)施方式。
[0020] 圖1顯示復(fù)合材料玻璃片。
[0021] 圖2A和2B顯示設(shè)置激光束聚焦線，W及沿著激光束聚焦線在誘導(dǎo)的非線性光學(xué)吸 收i區(qū)域中形成缺陷線。
[0022] 圖3A顯示根據(jù)一種實(shí)施方式的用于激光加工的光學(xué)組裝件。
[0023] 圖3B1到3B4顯示通過相對(duì)于基材或工件不同地設(shè)置激光束聚焦線來加工基材的 各種可能性。
[0024] 圖4顯示用于激光加工的光學(xué)組裝件的第二實(shí)施方式。
[0025] 圖5A和5B顯示用于激光加工的光學(xué)組裝件的第Ξ實(shí)施方式。
[0026] 圖6示意性地顯示用于激光加工的光學(xué)組裝件的第四實(shí)施方式。
[0027] 圖7A-7C顯不用于材料的激光加工的不同激光強(qiáng)度狀況(regime)。圖7A顯不未聚 焦的激光束，圖7B顯示使用球形透鏡濃縮的激光束，且圖7C顯示用軸棱錐或衍射菲涅耳 (化esnel)透鏡濃縮的激光束。
[0028] 圖8A顯示用于皮秒激光器的激光發(fā)射隨時(shí)間的變化。每一發(fā)射的特征包括脈沖 "群"，其可包含一個(gè)或多個(gè)子脈沖。顯示了對(duì)應(yīng)于脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖之間的間隔W及脈沖 群之間的間隔的時(shí)間。
[0029] 圖8B是直線切割的0.7mm厚康寧（Corning)2320NI0X(非離子交換的）厚基材帶材 的邊緣圖象。
[0030] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的烙合形成的玻璃復(fù)合材料切割的邊緣圖象。
[0031] 圖10顯示復(fù)合材料玻璃片，其具有計(jì)劃用來提取的制品。
[0032] 圖11顯示分離的復(fù)合材料玻璃制品，其具有孔和狹縫。
[0033] 圖12的圖表顯示根據(jù)本發(fā)明的烙合形成的玻璃復(fù)合材料的邊緣強(qiáng)度的圖象，其顯 示在酸蝕刻之前和之后的邊緣強(qiáng)度結(jié)果。
[0034] 圖13A-13C顯示具有改性玻璃等距間隔柱的缺陷線。
[0035] 圖14顯示用于連續(xù)烙合玻璃制造法的現(xiàn)有玻璃切割方法，其使用機(jī)械或C〇2激光 劃割。
[0036] 圖15A顯示在玻璃拉制時(shí)(on the glass化aw)的基于激光的玻璃切割方法，其中 使用水平激光切割從拉制分離玻璃板。
[0037] 圖15B顯示在玻璃拉制時(shí)的基于激光的玻璃切割方法，其中使用激光來切穿玻璃 片的高質(zhì)量區(qū)域，并從拉制移出玻璃的高質(zhì)量部分。
[0038] 圖16顯示通過在拉制高處切割球邊(bead),并在拉制下部水平地切割片，來基于 激光的在拉制時(shí)切割玻璃。
[0039] 圖17顯示通過水平地切割W從拉制除去玻璃，然后使用獨(dú)立地垂直切割來除去玻 璃球邊，來基于激光在拉制時(shí)切割玻璃。
[0040] 圖18顯示離開拉制的情況下對(duì)玻璃進(jìn)行基于激光的切割，W從片除去裁剪的或廢 棄的玻璃。
[0041] 圖19顯示在拉制時(shí)的基于激光的切割工藝，其使用多階段爐子將玻璃片保持在接 近玻璃退火點(diǎn)的溫度下。
[0042] 圖20顯示多階段爐子，其構(gòu)造成賦予在拉制時(shí)進(jìn)行切割的玻璃片W規(guī)定的溫度冷 卻分布。
[0043] 具體描述
[0044] 下面將描述示例實(shí)施方式。
[0045] 本文所述的實(shí)施方式設(shè)及用于切割和分離透明材料、特別是定制的復(fù)合材料烙合 拉制玻璃片的薄基材的任意形狀的方法。材料應(yīng)優(yōu)選地對(duì)選定的激光波長是基本上透明的 (即，吸收小于約10%，優(yōu)選地小于約1%/毫米的材料深度）。激光方法可定制用于手動(dòng)從面 板分離零件，或者通過對(duì)所需的輪廓施加熱應(yīng)力來進(jìn)行完全激光分離。自發(fā)分離方法設(shè)及 利用超短脈沖激光，且可隨后使用C〇2激光(與高壓空氣流結(jié)合），用于完全自動(dòng)化分離。
[0046] 切割的目標(biāo)是提供從復(fù)合材料玻璃的薄基材精確地切割和分離具有和不具有內(nèi) 部孔或狹縫的任意形狀制品。所述方法W可控方式分離零件，且具有可忽略的碎片、極少的 缺陷和對(duì)分離的零件邊緣的較低的表面下?lián)p壞。極少的缺陷和在分離的零件邊緣處的較低 表面下?lián)p壞保留零件強(qiáng)度，且防止零件在受到外部沖擊時(shí)失效。激光方法非常適用于對(duì)選 定的激光波長是透明的材料。使用片厚度為0.7-1.2毫米的復(fù)合材料片來演示切割方法，但 設(shè)想了任意厚度的復(fù)合材料片都可使用本發(fā)明的方法進(jìn)行切割。
[0047] 包含由切割過程導(dǎo)致的小微裂紋和材料改性且大致垂直于切割表面的表面下?lián)p 壞是玻璃或其它脆性材料的邊緣強(qiáng)度的關(guān)注點(diǎn)。
[0048] 如本文所使用，表面下?lián)p壞指根據(jù)本發(fā)明的從基材或材料分離的零件或者進(jìn)行激 光加工的材料的最大尺寸(例如，長度、寬度、直徑）。因?yàn)榧す馊毕輳闹芙绫砻嫜由?，還可將 表面損壞看作從周界表面的最大深度，其中出現(xiàn)來自本發(fā)明激光加工的損壞。在本文中，可 將分離的零件的周界表面稱作分離的零件的邊緣或邊緣表面。結(jié)構(gòu)缺陷可為裂紋或空穴， 并表示機(jī)械弱點(diǎn)的點(diǎn)，其促進(jìn)從基材或材料分離的零件的斷裂或失效。通過使得表面下?lián)p 壞的尺寸最小化，本發(fā)明的方法改善了分離的零件的結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械強(qiáng)度。
[0049] 可通過使用共焦顯微鏡在切割表面上觀察來測量表面下?lián)p壞的深度，顯微鏡的光 學(xué)分辨率是幾納米。當(dāng)在探測材料中裂紋時(shí)，忽略表面反射，裂紋出現(xiàn)為明亮的線。將顯微 鏡聚焦進(jìn)入材料直到不再存在"閃爍"，W規(guī)則的間隔收集圖象。通過尋找裂紋并透過玻璃 深度來追蹤它們W獲得表面下?lián)p壞的最大深度(通常W微米為單位進(jìn)行測量），來手動(dòng)處理 圖象。通常存在數(shù)W千計(jì)的微觀裂紋，因此通常只測量最大的微裂紋。通常在切割邊緣的約 5個(gè)位置上重復(fù)運(yùn)個(gè)過程。雖然微裂紋大致垂直于切割表面，但用運(yùn)種方法可能不能檢測直 接垂直于切割表面的任何裂紋。
[0050] 使用本文所述的方法，使得表面下?lián)p壞最小化，并將其限制到邊緣附近中較小的 區(qū)域。相對(duì)于邊緣表面，可將表面下?lián)p壞限制到下述深度:小于或等于100微米，小于或等于 75微米，小于或等于60微米，小于或等于50微米，且切割可只產(chǎn)生較少的碎屑。在本文中，使 用根據(jù)本發(fā)明的激光切割透明材料也可稱作鉆孔或激光鉆孔或激光加工。
[0051] 激光方法的基礎(chǔ)步驟是形成開裂線，其描繪所需零件形狀，且形成用于裂紋擴(kuò)展 的具有最低阻力的路徑，并因此對(duì)從其周圍基材基質(zhì)分離和拆分所述成形的零件具有最低 阻力。開裂線由用激光形成的一系列的緊密間隔的缺陷線(本文中也稱作穿孔、孔或損壞痕 跡)組成?？烧{(diào)節(jié)和構(gòu)造激光分離方法來實(shí)現(xiàn)從原始的基材手動(dòng)或機(jī)械分離、部分分離或完 全分離具有所需形狀的玻璃零件。
[0052] 在第一步中，用超短脈沖激光束福射待加工的材料(例如物品或工件），該脈沖激 光束濃縮成高長徑比線狀聚焦(在本文中稱作激光束聚焦線），其穿過基材。在運(yùn)個(gè)高能量 密度激光福射體積之內(nèi)，通過非線性效應(yīng)來改性材料。應(yīng)特別指出的是，需要在高于臨界闊 值的光學(xué)強(qiáng)度下來誘導(dǎo)非線性吸收。在低于運(yùn)個(gè)臨界強(qiáng)度闊值的情況下，材料對(duì)激光福射 是透明的，且仍然處于其原始狀態(tài)。通過在所需的線或路徑上掃描激光，我們形成由一系列 缺陷線組成的開裂線(幾微米寬）。開裂線限定待在后續(xù)的加工步驟中分離的零件的周界或 形狀。
[0053] 基于在包括烙合形成的玻璃復(fù)合材料工件的透明材料中誘導(dǎo)非線性吸收的能力， 來預(yù)測激光源的選定。非線性吸收包括多光子吸收(MPA)dMPA是同時(shí)吸收多個(gè)(兩個(gè)或更多 個(gè))相同或不同頻率的光子，從而將材料從較低能態(tài)(通常是基態(tài))激發(fā)到較高能態(tài)(激發(fā) 態(tài)）。激發(fā)態(tài)可為激發(fā)的電子態(tài)或離子化態(tài)。材料的較高和較低能態(tài)之間的能量差異等于所 述兩個(gè)或更多個(gè)光子的能量之和。MPA是非線性過程，其通常比線性吸收更弱幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 其與線性吸收的不同之處在于MPA的強(qiáng)度取決于光強(qiáng)度的平方或更高的幕，因此使得其是 非線性光學(xué)過程。在常規(guī)光強(qiáng)度下，MPA可忽略。如果光強(qiáng)度(能量密度)極高(在臨界闊值W 上），例如在含本文所述的激光束聚焦線的激光源(特別是脈沖激光源）的聚焦區(qū)域中，MPA 變得可觀并在材料中在其中光源的能量密度足夠高的區(qū)域中，導(dǎo)致可測量的效應(yīng)。在聚焦 區(qū)域之內(nèi)，能量密度還可高到足W導(dǎo)致離子化。
[0054] 在原子水平，單獨(dú)的原子的離子化具有離散的能量要求。玻璃中常用的幾種元素 (例如Si,化，K)具有較低的離子化能（~5eV)。在沒有MPA現(xiàn)象的情況下，需要在約248納米 波長來在~5eV下形成線性離子化。有MPA時(shí)，能量相隔~5eV的態(tài)之間的離子化或激發(fā)可使 用長于248納米的波長來實(shí)現(xiàn)。例如，波長為532納米的光子的能量是~2.33eV，因此例如在 雙光子吸收(TPA)中，兩個(gè)波長為532的光子可誘導(dǎo)能量相隔能量約為4.66eV的態(tài)之間的轉(zhuǎn) 變。因此，例如可在材料的區(qū)域中選擇性地激發(fā)或離子化原子和鍵，其中激光束的能量密度 高到足W例如誘導(dǎo)具有一半所需激發(fā)能量的激光波長的非線性TPA。
[0055] MPA可導(dǎo)致激發(fā)的原子或鍵與相鄰原子或鍵的局部重構(gòu)和分離。鍵接或構(gòu)造中的 所得改性可導(dǎo)致非熱燒蝕，并從發(fā)生MPA的材料區(qū)域除去物質(zhì)。物質(zhì)的運(yùn)種除去形成結(jié)構(gòu)缺 陷(例如缺陷線、損壞線或"穿孔"），其機(jī)械地弱化材料，并使得它在施加機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力 時(shí)更容易形成裂紋或斷裂。通過控制穿孔的設(shè)置，可精確地限定裂紋形成所沿著的輪廓或 路徑，并可實(shí)現(xiàn)精確地微加工材料。由一系列穿孔限定的輪廓可看作開裂線，并對(duì)應(yīng)于材料 中結(jié)構(gòu)弱化的區(qū)域。在一種實(shí)施方式中，微加工包括用激光從加工的材料分離零件，其中所 述零件具有由穿孔的封閉輪廓決定的精確限定的形狀或周界，其通過由激光誘導(dǎo)的MPA效 應(yīng)來形成。如本文所使用，術(shù)語封閉的輪廓指由激光線形成的穿孔路徑，其中所述路徑在某 些位置與其自身相交。內(nèi)部輪廓是一種形成的路徑，其中所得形狀完全被材料的外部部分 環(huán)繞。
[0056] 優(yōu)選的激光是超短脈沖激光(脈沖持續(xù)時(shí)間在幾十皮秒的量級(jí)或更短），其可W脈 沖模式或脈沖群模式操作。在脈沖模式中，從激光器發(fā)射一系列標(biāo)稱相同的單一脈沖，并引 導(dǎo)至工件。在脈沖模式中，通過脈沖之間的時(shí)間間隔來決定激光的重復(fù)率。在脈沖群模式 中，從激光器發(fā)射脈沖的脈沖群，其中每一脈沖群包括兩個(gè)或更多個(gè)脈沖(具有相同或不同 的幅度）。在脈沖群模式中，脈沖群之內(nèi)的脈沖通過第一時(shí)間間隔（其限定脈沖群的脈沖重 復(fù)率)隔開，且脈沖群通過第二時(shí)間間隔(其限定脈沖群重復(fù)率)隔開，其中第二時(shí)間間隔通 常比第一時(shí)間間隔長得多。如本文所使用(無論是在脈沖模式或脈沖群模式的情況下），時(shí) 間間隔指脈沖或脈沖群的相應(yīng)部分(例如，前沿到前沿，峰到峰，或后沿到后沿)之間的時(shí)間 差異。通過激光器的設(shè)計(jì)來控制脈沖和脈沖群重復(fù)率，且通常在極限之內(nèi)可通過調(diào)節(jié)激光 器的操作條件來進(jìn)行調(diào)節(jié)。典型的脈沖和脈沖群重復(fù)率是曲Z到mHz范圍。
[0057] 激光脈沖持續(xù)時(shí)間（在脈沖模式中或用于在脈沖群模式中的脈沖群之內(nèi)的脈沖） 可為小于或等于秒，或小于或等于10^11秒，或小于或等于?0-?2秒，或小于或等于i(ru 秒。在本文所述的示例性實(shí)施方式中，激光脈沖持續(xù)時(shí)間大于?0-?5。
[0058] 可通過控制激光和/或基材或堆疊件的移動(dòng)W控制基材或堆疊件相對(duì)于激光的速 度，來隔開和精確設(shè)置穿孔。例如，在暴露于100曲Ζ的系列脈沖(或脈沖群)且W200毫米/秒 的速度移動(dòng)的薄的透明基材中，單個(gè)脈沖將相隔2微米W形成相隔2微米的一系列的穿孔。 運(yùn)個(gè)缺陷線（穿孔)間隔近到足W沿著有該系列穿孔限定的輪廓實(shí)現(xiàn)機(jī)械分離或熱分離。沿 著開裂線方向的相鄰缺陷線之間的距離可為例如0.25微米-50微米，或0.50微米-約20微 米，或0.50微米-約15微米，或0.50微米-10微米，或0.50微米-3.0微米或3.0微米-10微米。
[0059] -旦形成具有垂直缺陷的開裂線，可通過下述方式來進(jìn)行分離：1)在開裂線上或 周圍的手動(dòng)或機(jī)械應(yīng)力;應(yīng)力或壓力應(yīng)形成張力，其將開裂線的兩側(cè)牽拉開，并打碎仍然連 接在一起的區(qū)域;2)使用熱源來繞著開裂線形成應(yīng)力區(qū)域，從而使垂直缺陷線處于張力中， 并誘導(dǎo)部分的或全部的自發(fā)分離。在兩種情況下，分離都取決于加工參數(shù)中的幾個(gè)，例如激 光掃描速度、激光功率、透鏡參數(shù)、脈沖寬度、重復(fù)率等。
[0060] 可用多層烙合拉制系統(tǒng)來制備烙合形成的玻璃復(fù)合材料片。如圖1所示，復(fù)合材料 由在忍層的每一表面上的至少一個(gè)外部包覆層組成。在本文中，包覆層也稱作外層或最外 層，忍層也稱作內(nèi)層。在一種實(shí)施方式中，玻璃復(fù)合材料具有忍層，所述忍層是中等到高熱 膨脹系數(shù)(CTE)玻璃，而外層是低CTE玻璃?；谌虒雍桶矊又g的組成差異，片具有天然 存在的具有預(yù)先施加應(yīng)力的中央忍。運(yùn)種復(fù)合材料片常常難W在不損壞的情況下切割和分 離成可用的零件。此外，在分離的零件之內(nèi)形成內(nèi)部開口（例如，狹縫或孔)可能較困難。
[0061] 本發(fā)明設(shè)及從復(fù)合材料玻璃片，例如如圖1所示的具有定制的忍區(qū)域和包覆區(qū)域 的那些，分離零件(本文中也稱作制品）。忍玻璃和包覆玻璃的代表性組成如下所述:包覆層 是玻璃組合物，其包含約60摩爾％ -約66摩爾％ Si化；約7摩爾％-約10摩爾％ Al2〇3;約14摩 爾％-約18摩爾％B2化;和約9摩爾％-約16摩爾％堿±金屬氧化物，其中堿±金屬氧化物至 少包含化0且化0W約3摩爾％-約12摩爾％的濃度存在于玻璃組合物中；W及其中所述玻璃 組合物基本上不含堿金屬和含有堿金屬的化合物。具體的包覆層玻璃組合物參見表1。
[0062] 表1:包覆玻璃組合物
[0063]
[0064] 代表性忍玻璃組合物包含:約60摩爾％-約75摩爾％ Si化，約2摩爾％-約11摩爾％ Al203,0摩爾％-約ll摩爾％B203,0摩爾％-約l摩爾％Na20，約l摩爾％-約18摩爾％K20,0摩 爾％-約7摩爾％Mg0,0摩爾％-約9摩爾％Ca0，約l摩爾％-約8摩爾％Sr0,0摩爾％-約4摩 爾％8曰0,和約3摩爾％-約16摩爾％R'0,其中R'O包含組合物中Mg0、Ca0、Sr0和BaO的摩爾％ 之和。具體的忍玻璃組合物參見表2。
[00化]表2:忍玻璃組合物 [0066]
[0067]
[0068] 使用如下所述的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)如圖1所示的烙合形成的玻璃復(fù)合材料片的激光鉆 孔和分離。
[0069] 激光切割方法依賴于對(duì)在線性狀況中或較低激光強(qiáng)度下的激光波長的材料透明 度，其實(shí)現(xiàn)保持高表面質(zhì)量，且依賴于減少的表面下?lián)p壞，該表面下?lián)p壞由圍繞激光聚焦的 高強(qiáng)度區(qū)域形成。例如，通過使用本文所述的方法，工件邊緣可具有最高達(dá)小于或等于約75 微米深度的表面下?lián)p壞。實(shí)現(xiàn)運(yùn)個(gè)過程的關(guān)鍵因素之一是用超短脈沖激光形成的缺陷的高 長徑比。它使得形成從待切割材料的頂部表面延伸到底部表面的缺陷線。原則上，缺陷線可 通過單一脈沖或脈沖的單一脈沖群來形成，如有需要，可使用額外的脈沖或脈沖群來形成 缺陷線或增加受影響區(qū)域的程度(例如，深度和寬度）。
[0070] 切割和分離透明材料的方法主要基于使用超短脈沖激光在待加工的材料中形成 開裂線，其中開裂線由一系列缺陷線組成，其設(shè)置成限定待從材料分離的零件的所需的周 界。取決于材料性質(zhì)（吸收性，CTE，應(yīng)力，組成等)和選定用于加工材料的激光參數(shù)，只形成 開裂線可足W誘發(fā)自發(fā)分離。在運(yùn)種情況下，無需輔助的分離過程，例如張力/彎曲力，加熱 或C〇2激光。
[0071] 在一些情況下，沿著由一系列穿孔或缺陷線限定的輪廓形成的開裂線不足W自發(fā) 地分離零件，可能需要輔助步驟。如需要運(yùn)樣，例如可使用第二激光來形成熱應(yīng)力W分離零 件。在烙合形成的玻璃復(fù)合材料的情況中，我們發(fā)現(xiàn)在形成開裂線W后可通過下述方式來 實(shí)現(xiàn)分離:施加機(jī)械力或使用C〇2激光來形成熱應(yīng)力W實(shí)施零件的分離。另一種選擇是只用 0)2激光來啟動(dòng)分離，然后手動(dòng)地完成分離。使用在10.6微米下發(fā)射的散焦CW激光和使用通 過控制其占空度調(diào)節(jié)的功率，來實(shí)現(xiàn)任選的C〇2激光分離。通過改變光斑尺寸，聚焦變化 (即，散焦范圍）用于改變誘導(dǎo)的熱應(yīng)力。散焦激光束包括產(chǎn)生下述光斑尺寸的激光束:該光 斑尺寸大于在激光波長尺寸量級(jí)上的最小、衍射限制的光斑尺寸。例如，對(duì)于C〇2激光可使 用約7毫米、2毫米和20毫米的散焦光斑尺寸，考慮到10.6微米的發(fā)射波長，例如它的衍射限 制的光斑尺寸小得多。
[0072] 存在幾種方法來形成缺陷線。形成線狀聚焦的光學(xué)方法可具有多種形式，使用圓 環(huán)狀激光束和球形透鏡，軸棱錐透鏡，衍射元件，或其它方法來形成高強(qiáng)度的線性區(qū)域。只 要在基材材料或烙合形成玻璃復(fù)合材料工件的聚焦的區(qū)域中達(dá)到足W通過非線性光學(xué)效 應(yīng)來形成基材或工件材料的分解的光學(xué)強(qiáng)度，激光的類型(皮秒，飛秒等)和波長(IR，綠色， UV等)也可改變。
[0073] 在本發(fā)明中，使用超短脈沖激光W-致的、可控的和可重復(fù)的方式來形成高長徑 比的垂直缺陷線。實(shí)現(xiàn)形成運(yùn)種垂直缺陷線的光學(xué)裝置的細(xì)節(jié)如下所述，且還參見2013年1 月15日提交的美國專利申請(qǐng)?zhí)?1/752,489, W上各文的全部內(nèi)容通過引用納入本文。運(yùn)個(gè) 概念的本質(zhì)是在光學(xué)透鏡組裝件中使用軸棱錐透鏡元件，從而使用超短(皮秒或飛秒持續(xù) 時(shí)間）Bessel束來形成高長徑比的、不逐漸減小的微觀通道區(qū)域。換句話說，軸棱錐在基材 材料中將激光束濃縮成圓筒形狀和高長徑比(較長的長度和較小的直徑)的高強(qiáng)度區(qū)域。因 為使用濃縮的激光束形成高強(qiáng)度，出現(xiàn)激光的電磁場和基材材料的非線性相互作用，并將 激光能量轉(zhuǎn)移到基材，從而形成缺陷，所述缺陷變成開裂線的組成。但是，應(yīng)特別指出的是， 在激光能量強(qiáng)度不高的材料區(qū)域中（例如環(huán)繞中央?yún)R聚線的基材玻璃體積），材料對(duì)激光是 透明的，且不存在將能量從激光轉(zhuǎn)移到材料的機(jī)理。結(jié)果，當(dāng)激光強(qiáng)度低于非線性闊值時(shí)， 玻璃或工件沒有發(fā)生任何事情。
[0074] 轉(zhuǎn)向圖2A和2B，激光加工材料的方法包含將脈沖激光束2聚焦成沿著束傳播方向 取向的激光束聚焦線化。激光束聚焦線2b可通過多種方法來形成，例如Bessel束、Ai巧束、 Weber束和Mathieu束（即，非衍射性束），它們的場輪廓通常通過專用函數(shù)給出，與Gaussian 函數(shù)相比，它們在橫向方向（即，傳播方向）衰減更慢。如圖3A所示，激光器3(未顯示)發(fā)射激 光束2,其具有入射到光學(xué)組裝件6的部分2a。在輸出側(cè)上，沿著束方向在限定的膨脹范圍上 (聚焦線的長度1)，光學(xué)組裝件則尋入射激光束轉(zhuǎn)變成激光束聚焦線化。平坦基材1設(shè)置在束 路徑中，從而至少部分地與激光束2的激光束聚焦線2b重疊。因此，將激光束聚焦線引導(dǎo)進(jìn) 入基材。分別地，附圖標(biāo)記la表示朝向光學(xué)組裝件6或激光的平坦基材的表面，附圖標(biāo)記化 表示基材1的逆向（遠(yuǎn)端)表面?；幕蚬ぜ穸?在該實(shí)施方式中，垂直于平面la和Ib，即垂 直于基材平面測量）用d標(biāo)記。例如，基材或工件還可稱作材料，且可為對(duì)激光束2的波長是 基本上透明的玻璃制品。
[0075] 如圖2A所示，基材1(或烙合形成的玻璃復(fù)合材料工件)基本上垂直于縱向束軸對(duì) 齊，因此在由光學(xué)組裝件6產(chǎn)生的相同的聚焦線化后面(基材垂直于附圖平面）。聚焦線沿著 束方向取向或?qū)R，相對(duì)于聚焦線化設(shè)置基材使得聚焦線化從基材的表面la之前開始并在 基材的表面lb之前結(jié)束，即聚焦線2b在基材之內(nèi)終止且不延伸超出表面lb。在激光束聚焦 線化與基材1的重疊區(qū)域中，即在被聚焦線化覆蓋的基材材料中，激光束聚焦線化產(chǎn)生(假 設(shè)沿著激光束聚焦線化形成合適的激光強(qiáng)度，該強(qiáng)度通過激光束2在長度1部分上的聚焦即 長度1的線狀聚焦來確保)部分2c(沿著縱向束方向?qū)R），且沿著部分2c在基材材料中產(chǎn)生 誘導(dǎo)非線性吸收。誘導(dǎo)非線性吸收沿著部分2c在基材材料中形成缺陷線。
[0076] 缺陷線是在基本上透明材料中的微觀的（例如直徑〉100nm且<0.5微米)細(xì)長"孔" (本文中也稱作穿孔或損壞痕跡），其通過使用一個(gè)或多個(gè)高能脈沖或一個(gè)或多個(gè)高能脈沖 的脈沖群來形成。穿孔表示被激光改變的基材材料的區(qū)域。激光誘導(dǎo)的改性打亂基材材料 的結(jié)構(gòu)，并構(gòu)造機(jī)械弱點(diǎn)的位點(diǎn)。結(jié)構(gòu)打亂包括材料的密實(shí)化、烙融、移動(dòng)，重排和鍵合裂 開。穿孔延伸進(jìn)入基材材料內(nèi)部，并具有與激光的橫截面形狀(通常是圓形)一致的橫截面 形狀。穿孔的平均直徑可為0.1微米-50微米，或1微米-20微米，或2微米-10微米，或0.1微 米-5微米。在一些實(shí)施方式中，穿孔是"通孔"，其是從基材材料的頂部延伸到底部的孔或開 口通道。在一些實(shí)施方式中，穿孔可不是連續(xù)地開放的通道，且包括用激光從基材材料移出 的固體材料部分。移出的材料堵塞或部分堵塞由穿孔限定的空間。在移出材料的部分之間 可分散一個(gè)或多個(gè)開放通道(未堵塞的區(qū)域）。開放通道的直徑可為<l〇〇〇nm,或<500nm, 或<400nm,或<300nm或?yàn)?0nm-750nm，或100nm-500nm。在本文所述的實(shí)施方式中，環(huán)繞孔 的材料的打亂的或改變的區(qū)域(例如實(shí)密化的、烙融的或W其它方式改變的）優(yōu)選地具有< 50微米(例如，< 10微米)的直徑。
[0077] 例如，單個(gè)穿孔可W幾百千赫(幾十萬個(gè)孔眼/秒)的速率來形成。借助激光源與材 料之間的相對(duì)移動(dòng)，可將運(yùn)些穿孔鄰近彼此設(shè)置（空間間距根據(jù)需要從亞微米變化到幾微 米或甚至幾十微米）?？蛇x定運(yùn)種空間間距(節(jié)距），W促進(jìn)材料或工件的分離。在一些實(shí)施 方式中，缺陷線是"通孔"，其是基本上從透明材料的頂部延伸到底部的孔或開口通道。缺陷 線的形成不是局部的，而是在誘導(dǎo)吸收的部分2c的全部長度上延伸。部分2c的長度(其對(duì)應(yīng) 于激光束聚焦線化與基材1重疊的長度）用附圖標(biāo)記L標(biāo)記。誘導(dǎo)吸收2c的部分(或基材1材 料中經(jīng)歷形成缺陷線的部分）的平均直徑或范圍或附圖標(biāo)記D標(biāo)記。運(yùn)種平均范圍D基本上 對(duì)應(yīng)于激光束聚焦線2b的平均直徑δ，即約0.1微米-約5微米的平均光斑直徑。Bessel束的 光斑直徑D可書寫成D = (2.4048λ)/(2地），其中λ是激光束波長，B是軸棱錐角的函數(shù)。
[007引如圖2Α所示，因?yàn)檠刂劢咕€化的誘導(dǎo)吸收，加熱基材材料(對(duì)激光束2的波長λ是 透明的），其源自與聚焦線化之內(nèi)的激光束的高強(qiáng)度相關(guān)的非線性效應(yīng)(例如，雙光子吸收， 多光子吸收）。圖2Β顯示加熱的基材材料最終發(fā)生膨脹，從而相應(yīng)的誘導(dǎo)張力導(dǎo)致形成微觀 裂紋，且在表面la處張力最大。
[0079] 下面描述了可用來產(chǎn)生聚焦線化的代表性光學(xué)組裝件6, W及其中可應(yīng)用運(yùn)些光 學(xué)組裝件的代表性光學(xué)裝置。所有組裝件或裝置基于上述，從而相同的附圖標(biāo)記用于相同 的組件或特征或功能上等同的那些。因此，下面只描述不同之處。
[0080] 為了確保沿著分離零件進(jìn)行分離的分離零件表面的高質(zhì)量(設(shè)及破碎強(qiáng)度、幾何 精確性、粗糖度和避免再次加工的要求），在基材表面上沿著分離線設(shè)置的單個(gè)聚焦線應(yīng)使 用如下所述的光學(xué)組裝件來產(chǎn)生（下文中，光學(xué)組裝件也可稱作激光光學(xué)器件）。分離表面 (或切割邊緣）的粗糖度主要由聚焦線的光斑尺寸或光斑直徑?jīng)Q定。例如，表面的粗糖度可 通過由ASME B46.1標(biāo)準(zhǔn)限定的Ra表面粗糖度參數(shù)來表征。如ASME B46.1所述，Ra是在評(píng)估 的長度之內(nèi)記錄的表面輪廓高度偏離平均線的絕對(duì)值的算術(shù)平均值。換句話說，Ra是表面 的單個(gè)特征(峰和谷)相對(duì)于平均值的一組絕對(duì)高度偏差的平均值。
[0081] 在激光3(與基材1材料相互作用）的給定波長λ的情況下，為了獲得例如0.5微米-2 微米的較小的光斑尺寸，通常必須對(duì)激光光學(xué)器件6的數(shù)值孔徑施加某些要求。運(yùn)些要求通 過如下所述的激光光學(xué)器件6來滿足。
[0082] 另一方面，為了獲得所需的數(shù)值孔徑，光學(xué)器件必需設(shè)置成需要用于給定焦距的 開口，根據(jù)已知的Abb自公式(Ν.Α. =nsin(目），η:待加工的玻璃或復(fù)合材料工件的折射率，目： 孔徑角的一半；且目= arctan(DL/2f);化:光圈直徑，f:焦距）。另一方面，激光束必須照射最 高達(dá)所需的孔徑的光學(xué)器件，運(yùn)通常通過在激光和聚焦光學(xué)器件之間使用寬化望遠(yuǎn)鏡的束 擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)。
[0083] 為了沿著聚焦線的均勻的相互作用，光斑尺寸變化不應(yīng)太大。例如，運(yùn)可通過下述 來確保(參見下文的實(shí)施方式）：只在較小的圓形區(qū)域照射聚焦光學(xué)器件，從而束開口和因 此數(shù)值孔徑的百分比只稍微發(fā)生變化。
[0084] 根據(jù)圖3A(垂直于基材平面且在激光福射2的激光束簇中的中央束處的截面;運(yùn) 里，激光束2也垂直地入射到基材平面，即入射角目是0°，從而聚焦線化或誘導(dǎo)吸收2c的部分 平行于基材法向），由激光器3發(fā)射的激光福射2a首先引導(dǎo)至圓形光圈（apedure)8上，其對(duì) 所用的激光福射是完全不透明的。使光圈8取向成垂直于縱向束軸并在所示束簇2a的中央 束上居中。選定光圈8的直徑，使得靠近束簇2a的中屯、的束簇或中央束(運(yùn)里用2aZ標(biāo)記)撞 擊光圈，并被其完全吸收。因?yàn)榕c束直徑相比光圈尺寸下降，所W只有在束簇2a外周范圍的 束(邊際射線，運(yùn)里用2aR標(biāo)記)沒有被吸收，而是從側(cè)邊通過光圈8并撞擊光學(xué)組裝件6的聚 焦光學(xué)元件的邊際區(qū)域，在該實(shí)施方式中，所述光學(xué)組裝件6的聚焦光學(xué)元件設(shè)計(jì)成球形切 割的、雙凸透鏡7。
[0085] 如圖3A所示，激光束聚焦線2b不是激光束的單一焦點(diǎn)，而是用于激光束中不同射 線的一系列焦點(diǎn)。所述系列焦點(diǎn)形成具有限定長度(在圖3A中顯示為激光束聚焦線2b的長 度1)的細(xì)長聚焦線。
[0086] 透鏡7在中央束上居中，且設(shè)計(jì)成常用球形切割透鏡形式的非校準(zhǔn)的雙凸聚焦透 鏡。運(yùn)種透鏡的球形偏差可為優(yōu)選的。作為替代，還可使用偏離理想的校準(zhǔn)系統(tǒng)的非球形或 多透鏡系統(tǒng)，其不形成理想的焦點(diǎn)而是形成具有限定長度的不同的細(xì)長聚焦線（即，沒有單 一焦點(diǎn)的透鏡或系統(tǒng)）。透鏡的區(qū)域因此沿著聚焦線2b聚焦，受制于與透鏡中屯、的距離。越 過束方向的光圈8的直徑約為束簇直徑的90% (由束強(qiáng)度降低到最大強(qiáng)度的1/e2所需的距 離來限定)且約為光學(xué)組裝件6的透鏡7直徑的75%。因此，使用通過在中央阻斷束簇而產(chǎn)生 的非色差校準(zhǔn)球形透鏡7的聚焦線化。圖3A顯示通過中央束的平面中的截面，且當(dāng)所示的束 繞著聚焦線化旋轉(zhuǎn)時(shí)，可看見完整的Ξ維簇。
[0087] 用圖3A所示的透鏡7和系統(tǒng)形成的運(yùn)類聚焦線的一個(gè)潛在不足在于條件(光斑尺 寸、激光強(qiáng)度)可沿聚焦線變化(并沿著材料中所需的深度變化），因此所需類型的相互作用 (無烙融、誘導(dǎo)吸收、直至裂紋形成的熱塑性變形)可能只在聚焦線的選定部分中發(fā)生。運(yùn)進(jìn) 而意味著可能只有一部分的入射激光由基材材料W所需的方式吸收。運(yùn)樣，可能會(huì)降低該 工藝的效率(用于所需分離速度的所需的平均激光功率），且激光還可能會(huì)傳輸進(jìn)入不需要 的區(qū)域(粘合到基材的零件或?qū)踊蛘吖潭ɑ牡墓潭?，并W不利的方式(例如，加熱、擴(kuò) 散、吸收、不想要的改性)與它們相互作用。
[0088] 圖3B-1-4表明（不僅用于圖3A中的光學(xué)組裝件，而且還用于任何其它可應(yīng)用的光 學(xué)組裝件6)可通過下述來控制激光束聚焦線化的位置:合適地相對(duì)于基材1設(shè)置和/或?qū)R 光學(xué)組裝件6W及合適地選定光學(xué)組裝件6的參數(shù)。如圖3B-1所示，可調(diào)節(jié)聚焦線2b的長度 1，使得它超出基材厚度d(運(yùn)里是2倍）。如果將基材1設(shè)置成(沿縱向束方向觀察)居中于聚 焦線化，那么在全部基材厚度上產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收2c的部分。例如，激光束聚焦線化的長度1可 為約0.01mm-約100mm或約0.1mm-約10mm,或約0.1mm-約1mm。例如，各種實(shí)施方式可構(gòu)造成 包括約 0.1mm, 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm, 0.7mm, 1mm, 2mm, 3mm 或 5mm 的長度 1。
[0089] 在圖3B-2所示的情況中，產(chǎn)生長度1的聚焦線化，其或多或少對(duì)應(yīng)于基材厚度d。因 為W線化在基材W外的點(diǎn)處開始的方式來相對(duì)于線化設(shè)置基材1，誘導(dǎo)吸收2c的部分(其從 基片表面延伸到限定的基材深度但沒有到達(dá)逆向表面lb)的長度L小于聚焦線化的長度1。 圖3B-3顯示其中基材1(沿著垂直于束方向的方向觀察)設(shè)置在聚焦線化的起始點(diǎn)上方的情 況，從而類似于圖3B-2,線化的長度1大于基材1中誘導(dǎo)吸收2c的部分的長度L。因此，聚焦線 在基材之內(nèi)開始，并延伸超出逆向（遠(yuǎn)端)表面lb。圖3B-4顯示其中聚焦線長度1小于基材厚 度d的情況，從而-在相對(duì)于聚焦線居中地設(shè)置基材且沿入射方向觀察的情況下-聚焦線在 表面la附近從基材之內(nèi)開始并在表面化附近在基材之內(nèi)結(jié)束(例如1 = 0.75 · d)。
[0090] W下述方式來設(shè)置聚焦線化是特別優(yōu)選的：表面la, lb中的至少一個(gè)被聚焦線覆 蓋，從而誘導(dǎo)吸收2c的部分從基材的至少一個(gè)表面上開始。運(yùn)樣，能獲得實(shí)質(zhì)上理想的切 害d，同時(shí)避免在表面處燒蝕、羽化和顆?；?。
[0091] 圖4顯示另一可用的光學(xué)組裝件6。基礎(chǔ)構(gòu)造與圖3A所示相同，所W下面只描述不 同之處。所示的光學(xué)組裝件基于使用非球形自由表面的光學(xué)器件，從而產(chǎn)生聚焦線化，其成 形為形成具有限定長度1的聚焦線。為此，可將非球面用作光學(xué)組裝件6的光學(xué)元件。例如， 在圖4中使用了所謂的錐形棱柱，其也稱作軸棱錐。軸棱錐是特殊的、錐形切割的透鏡，其在 沿著光學(xué)軸的線上形成光斑源(或者將激光束轉(zhuǎn)換成環(huán)）。運(yùn)種軸棱錐的布置是本技術(shù)領(lǐng)域 所公知的；在實(shí)施例中的錐角是10?！氵\(yùn)里用附圖標(biāo)記9標(biāo)記的軸棱錐的頂點(diǎn)朝向入射方向， 并在束中央上居中。因?yàn)橛奢S棱錐9產(chǎn)生的聚焦線化在其內(nèi)部之內(nèi)開始，可將基材1(運(yùn)里與 主束軸垂直對(duì)齊)設(shè)置在束路徑中且直接在軸棱錐9后面。如圖4所示，因?yàn)檩S棱錐的光學(xué)特 征，還可沿著束方向移動(dòng)基材1，同時(shí)仍然在聚焦線化的范圍之內(nèi)。因此，在基材1的材料中 的誘導(dǎo)吸收2c的部分在全部基材深度d上延伸。
[0092] 但是，所示的布局受到下述限制：因?yàn)橛奢S棱錐9形成的聚焦線化的區(qū)域在軸棱錐 9之內(nèi)開始，當(dāng)在軸棱錐9和基材或玻璃復(fù)合材料工件材料之間存在間隔時(shí)，顯著部分的激 光能量沒有聚焦進(jìn)入位于材料之內(nèi)的聚焦線化的誘導(dǎo)吸收2c的部分。此外，通過軸棱錐9的 折射率和錐角，使聚焦線化的長度1與束直徑相關(guān)。運(yùn)是在較薄材料(在運(yùn)種情況下幾個(gè)毫 米)的情況下，總聚焦線比基材或玻璃復(fù)合材料工件厚度長得多的原因，其具有使大多數(shù)的 激光能量不聚焦進(jìn)入材料的影響。
[0093] 為此，可能需要使用同時(shí)包含軸棱錐和聚焦透鏡的光學(xué)組裝件6。圖5A顯示運(yùn)種光 學(xué)組裝件6,其中將含設(shè)計(jì)成形成激光束聚焦線化的非球形自由表面的第一光學(xué)元件設(shè)置 在激光3的束路徑中。在圖5A所示的情況中，運(yùn)個(gè)第一光學(xué)元件是錐角為5°的軸棱錐10,其 垂直于束方向設(shè)置并在激光束3上居中。軸棱錐的頂點(diǎn)朝著束方向取向。第二聚焦光學(xué)元件 (運(yùn)里是平面-凸透鏡11(其彎曲部分朝向軸棱錐取向））沿束方向設(shè)置，并與軸棱錐10相距 距離Z1。在運(yùn)種情況下，距離Z1是約300mm，其W下述方式來選定:使由軸棱錐10形成的激光 福射在透鏡11的外部徑向部分上W圓形的方式入射。在限定長度(在運(yùn)種情況下是1.5mm) 的聚焦線化上，透鏡11在距離Z2(在運(yùn)種情況下，與透鏡11相距約20mm)處在輸出側(cè)上聚焦 該圓形福射。在該實(shí)施方式中，透鏡11的有效焦距是25毫米。通過軸棱錐10對(duì)激光束進(jìn)行的 圓形變換用附圖標(biāo)記S財(cái)示記。
[0094] 圖5B詳細(xì)顯示根據(jù)圖5A在基材1材料中形成聚焦線2b或誘導(dǎo)吸收2c。W下述方式 選定兩元件1〇，11的光學(xué)特征W及它們的設(shè)置:在束方向上的聚焦線化的長度1與基材1的 厚度d精確地相同。結(jié)果，需要沿著束方向精確地設(shè)置基材1，從而聚焦線化的位置精確地在 基材1的兩個(gè)表面la和化之間，如圖5B所示。
[00%]因此，如果在離開激光光學(xué)器件一定距離形成聚焦線，W及如果將更大部分的激 光福射聚焦到所需的聚焦線端部，將是優(yōu)選的。如本文所述，運(yùn)可通過下述來實(shí)現(xiàn):僅僅在 特定的外部徑向區(qū)域上W圓形(環(huán)形）的方式照射主要聚焦元件11(透鏡），運(yùn)一方面用于獲 得所要求的數(shù)值孔徑和因此獲得所要求的光斑尺寸，然而另一方面，在所需的聚焦線化之 后，在光斑中屯、中非常短的距離上，擴(kuò)散的圓的強(qiáng)度下降，因?yàn)樾纬苫旧蠄A形的光斑。通 過運(yùn)樣的方式，在所要求的基材深度的較短距離之內(nèi)停止缺陷線形成。軸棱錐10和聚焦透 鏡11的組合滿足運(yùn)個(gè)要求。軸棱錐W兩種不同方式起作用：因?yàn)檩S棱錐10, W環(huán)的形式將通 常為圓形的激光光斑發(fā)射到聚焦透鏡11，且軸棱錐10的的非球形具有下述效果:超過透鏡 的焦平面形成聚焦線，而不是在焦平面內(nèi)的焦點(diǎn)上形成聚焦線?？赏ㄟ^軸棱錐上的束直徑 來調(diào)節(jié)聚焦線2b的長度1。另一方面，可通過距離ZU軸棱錐-透鏡間距）和通過軸棱錐的錐 角，來調(diào)節(jié)沿著聚焦線的數(shù)值孔徑。運(yùn)樣，可在聚焦線中濃縮全部激光能量。
[0096]如果希望缺陷線的形成繼續(xù)到基材背面，圓形(環(huán)形）照射仍然具有下述優(yōu)勢：（1) 最佳地使用激光功率，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的激光仍然在聚焦線的所要求的長度中濃縮和(2)能獲 得沿著聚焦線的均勻的光斑尺寸-和因此獲得沿著聚焦線的零件與基材的均勻分離-運(yùn)是 由環(huán)形照明的區(qū)域W及通過其它光學(xué)作用設(shè)定的所需色差帶來的。
[0097] 與圖5A所示的平面-凸透鏡不同，還可使用聚焦半月形透鏡或另外的較高程度校 準(zhǔn)的聚焦透鏡(非球形的、多透鏡系統(tǒng)）。
[0098] 為了使用圖5A所示的軸棱錐和透鏡的組合來產(chǎn)生非常短的聚焦線化，必需選定非 常小的在軸棱錐上入射的激光束的束直徑。運(yùn)具有實(shí)際的不足:將束居中到軸棱錐的頂點(diǎn) 上必須非常精確，結(jié)果對(duì)激光的方向變化(束漂移穩(wěn)定性)非常敏感。此外，嚴(yán)格準(zhǔn)直的激光 束非常分散的，即因?yàn)楣鈺郧?，束簇在短距離上變得模糊。
[0099] 如圖6所示，通過在光學(xué)組裝件6中包括另一透鏡(準(zhǔn)直透鏡12)，可避免運(yùn)兩種效 應(yīng)。額外的正像(positive)透鏡12用于非常緊密地調(diào)節(jié)聚焦透鏡11的圓形照射。W下述方 式選定準(zhǔn)直透鏡12的焦距f'：所需的圓形直徑化來自整體件與準(zhǔn)直透鏡12的距離Zla，其等 于f'。可通過距離Z化(準(zhǔn)直透鏡12到聚焦透鏡11)來調(diào)節(jié)環(huán)的所需寬度br。作為純幾何學(xué)的 問題，較小的圓形照射的寬度導(dǎo)致較短的聚焦線。在距離f'處可獲得極小值。
[0100] 因此，在圖6中描述的光學(xué)組裝件6基于圖5A所示的光學(xué)組裝件，因此下文只描述 不同之處。準(zhǔn)直透鏡12在本文中也設(shè)計(jì)成平面-凸透鏡(其彎曲部分朝向束方向），將其額外 地居中設(shè)置在一側(cè)上的軸棱錐1〇(其頂點(diǎn)朝向束方向）和在另一側(cè)上的平面-凸透鏡11之間 的束路徑上。將準(zhǔn)直透鏡12與軸棱錐10的距離稱作Zla，聚焦透鏡11與準(zhǔn)直透鏡12的距離稱 作Z化，和將聚焦線化與聚焦透鏡11的距離稱作Z2(總是沿束方向觀察）。如圖6所示，由軸棱 錐10形成的圓形福射SR在準(zhǔn)直透鏡12上發(fā)散地入射并具有圓直徑化，可沿著距離nb將其 調(diào)節(jié)到所要求的圓形寬度br，使得至少在聚焦透鏡11處形成近似恒定的圓直徑化。在所示 的情況中，預(yù)期產(chǎn)生非常短的聚焦線2b，從而因?yàn)橥哥R12的聚焦性質(zhì)（在該實(shí)施例中，圓直 徑化是22mm)，將透鏡12處約4mm的圓寬度br降低到透鏡11處的約0.5mm。
[0101] 在所示實(shí)施例中，使用2mm的典型激光束直徑、焦距f = 25mm的聚焦透鏡11、焦距f ' =150mm的準(zhǔn)直透鏡，和選定距離Zla = Z化=140mm和Z2 = 15mm，能獲得小于0.5mm的聚焦 線長度1。
[0102] 圖7A-7C顯示在不同激光強(qiáng)度狀況下的激光-物質(zhì)相互作用。在第一種情況下，如 圖7A所示，未聚焦的激光束710穿過透明基材720且沒有對(duì)所述透明基材720帶來任何改性。 在運(yùn)種特別的情況下，不存在非線性效應(yīng)，因?yàn)榧す饽芰棵芏?或激光能量/用激光束照射 的單位面積)低于誘導(dǎo)非線性效應(yīng)所需的闊值。能量密度越高，電磁場的強(qiáng)度越高。因此，如 圖7B所示，當(dāng)用球形透鏡730將激光束聚焦到更小的光斑尺寸(如圖7B所示)時(shí)，照射的區(qū)域 減小，且能量密度增加，運(yùn)引發(fā)非線性效應(yīng)，所述非線性效應(yīng)改性材料W允許只在滿足條件 的體積中形成開裂線。運(yùn)樣，如果聚焦的激光的束腰部設(shè)置在基材表面，那么將發(fā)生表面的 改性。相反，如果聚焦的激光的束腰部設(shè)置在基材表面W下，當(dāng)能量密度低于非線性光學(xué)效 應(yīng)闊值時(shí)，在表面處不發(fā)生任何事情。但是在設(shè)置于基材720本體中的焦點(diǎn)740處，激光強(qiáng)度 高到足W引發(fā)多光子非線性效應(yīng)，由此誘導(dǎo)對(duì)材料的破壞。最終，如圖7C所示，在軸棱錐的 情況下(如圖7C所示），軸棱錐750或替代的菲涅耳軸棱錐的衍射圖案形成干設(shè)，所述干設(shè)產(chǎn) 生Bessel狀的強(qiáng)度分布(高強(qiáng)度圓筒760)，且只有在運(yùn)個(gè)體積中強(qiáng)度高到足W形成非線性 吸收和對(duì)材料720的改性。其中Bessel狀的強(qiáng)度分布高到足W形成非線性吸收和對(duì)材料的 改性的圓筒760的直徑，也是激光束聚焦線的光斑直徑，如本文所述。Bessel束的光斑直徑D 可表達(dá)成D = (2.4048λ) /(2地），其中λ是激光束波長，B是軸棱錐角的函數(shù)。
[0103] 激光和光學(xué)系統(tǒng)：
[0104] 為了切割烙合形成的玻璃復(fù)合材料工件，開發(fā)了一種方法，所述方法使用1064納 米皮秒激光器W及形成線狀聚焦束的光學(xué)器件來在玻璃復(fù)合材料中形成多行缺陷線。設(shè)置 最高達(dá)0.7毫米厚的玻璃復(fù)合材料，從而它在由光學(xué)器件產(chǎn)生的聚焦線的區(qū)域之內(nèi)。使用長 度為約1毫米的聚焦線和在玻璃復(fù)合材料工件處測量的20〇ωζ(脈沖模式中約120微焦耳/ 脈沖，或脈沖群模式中約120微焦耳/脈沖群)重復(fù)率下大于或等于約24W的輸出功率的皮秒 激光器，聚焦線區(qū)域中的光學(xué)強(qiáng)度可容易地高到足W在玻璃復(fù)合材料工件中形成非線性吸 收。在復(fù)合材料處測量的脈沖激光束的平均激光能量可大于40微焦耳/毫米材料厚度。運(yùn)種 "平均激光能量"還可稱作平均、每脈沖、線性能量密度或每激光脈沖平均能量/毫米材料厚 度。在玻璃工件之內(nèi)形成損壞的、燒蝕的、蒸發(fā)的或W其它方式改變的材料的區(qū)域，其近似 遵循高強(qiáng)度的線性區(qū)域。
[0105] 超短(脈沖持續(xù)時(shí)間在幾十皮秒的量級(jí)或更短)激光可W脈沖模式或脈沖群模式 操作。在脈沖模式中，從激光器發(fā)射一系列標(biāo)稱地相同的單一脈沖，并引導(dǎo)至基材。在脈沖 模式中，通過脈沖之間的時(shí)間間隔來決定激光的重復(fù)率。在脈沖群模式中，從激光發(fā)射脈沖 的脈沖群，其中每一脈沖群包括兩個(gè)或更多個(gè)脈沖(具有相同或不同的幅度）。在脈沖群模 式中，脈沖群之內(nèi)的脈沖通過第一時(shí)間間隔（其限定脈沖群的脈沖重復(fù)率)隔開，且脈沖群 通過第二時(shí)間間隔（其限定脈沖群重復(fù)率)隔開，其中第二時(shí)間間隔通常比第一時(shí)間間隔長 得多。如本文所使用(無論是在脈沖模式或脈沖群模式的情況下），時(shí)間間隔指脈沖或脈沖 群的相應(yīng)部分(例如，前沿到前沿，峰到峰，或后沿到后沿)之間的時(shí)間差異。通過激光的設(shè) 計(jì)來控制脈沖和脈沖群重復(fù)率，且通常在極限之內(nèi)可通過調(diào)節(jié)激光的操作條件來進(jìn)行調(diào) 節(jié)。典型的脈沖和脈沖群重復(fù)率是曲巧Ij恤Ζ。激光脈沖持續(xù)時(shí)間化脈沖模式中或用于在脈 沖群模式中的脈沖群之內(nèi)的脈沖)可為小于或等于秒，或小于或等于10^11秒，或小于或 等于10-?2秒，或小于或等于10-?3秒。在本文所述的示例性實(shí)施方式中，激光脈沖持續(xù)時(shí)間大 于10-化。
[0106] 具體來說，如圖8Α所示，根據(jù)本文所述的選定實(shí)施方式，皮秒激光器形成脈沖500Α 的"脈沖群"500，有時(shí)也稱作"群脈沖"。脈沖群是一種激光操作，其中脈沖發(fā)射不是均勻和 穩(wěn)定的流，而是脈沖的緊密簇。每一"脈沖群"500可包含多個(gè)脈沖500Α(例如2脈沖，3脈沖，4 脈沖，5脈沖，10，15，20，或更多），其具有最高達(dá)100皮秒的非常短的持續(xù)時(shí)間Td(例如，0.1 皮秒，5皮秒，10皮秒，15皮秒，18皮秒，20皮秒，22皮秒，25皮秒，30皮秒，50皮秒，75皮秒，或 在它們之間）。脈沖持續(xù)時(shí)間通常是約1皮秒-約1000皮秒，或約1皮秒-約100皮秒，或約2皮 秒-約50皮秒，或約5皮秒-約20皮秒。單一脈沖群500之內(nèi)的運(yùn)些單獨(dú)脈沖500A也可稱作"子 脈沖"，其只是表示它們在出現(xiàn)在脈沖的單一脈沖群之內(nèi)的事實(shí)。脈沖群之內(nèi)每一激光脈沖 500A的能量或強(qiáng)度可與該脈沖群之內(nèi)的其它脈沖的能量或強(qiáng)度不相同，且脈沖群500之內(nèi) 多個(gè)脈沖的強(qiáng)度分布可遵循隨時(shí)間的指數(shù)衰減，其由激光設(shè)計(jì)控制。優(yōu)選地，在本文所述的 示例性實(shí)施方式中的脈沖群500之內(nèi)的每一脈沖500A在時(shí)間上與所述脈沖群中的后續(xù)脈沖 相隔1納秒-50納秒的持續(xù)時(shí)間Τρ(例如10-50納秒，或10-40納秒，或10-30納秒），且時(shí)間常 常由激光腔設(shè)計(jì)來控制。對(duì)于給定激光，脈沖群500之內(nèi)每一脈沖之間的時(shí)間間隔Τρ(脈沖 到脈沖間隔）是較均勻的（± 10 % )。例如，在一些實(shí)施方式中，每一脈沖在時(shí)間上與后續(xù)的 脈沖相隔約20納秒(50mHz脈沖重復(fù)頻率）。例如，對(duì)于產(chǎn)生約20納秒脈沖到脈沖間隔Τρ的激 光，將脈沖群之內(nèi)的脈沖到脈沖間隔Τρ保持在約± 10%之內(nèi)，或是約± 2納秒。每一"脈沖 群"之間的時(shí)間（即，脈沖群之間的時(shí)間間隔Tb)將大得多，（例如，0.25《孔《1000微秒，例如 1-10微秒，或3-8微秒）。例如，在本文所述的激光的一些示例性實(shí)施方式中，對(duì)于約200曲Z 的激光重復(fù)率或重復(fù)頻率，Tb可為約5微秒。在本文中，激光重復(fù)率也稱作脈沖群重復(fù)頻率 或脈沖群重復(fù)率，且定義為脈沖群中第一脈沖到后續(xù)的脈沖群中第一脈沖之間的時(shí)間。在 其它實(shí)施方式中，脈沖群重復(fù)頻率是約IMz-約4M化，或約IMz-約2M化，或約IMz-約 650kHz，或約lOkHz-約650曲Z。在每一脈沖群中的第一脈沖到后續(xù)脈沖群中第一脈沖之間 的時(shí)間Tb可為0.25微秒(4MHz脈沖群重復(fù)率)-1000微秒（1曲Z脈沖群重復(fù)率），例如0.5微秒 (2MHz脈沖群重復(fù)率)-40微秒(2化化脈沖群重復(fù)率），或2微秒(500曲Z脈沖群重復(fù)率)-20微 秒(50曲Z脈沖群重復(fù)率）。確切的時(shí)機(jī)、脈沖持續(xù)時(shí)間和重復(fù)率可根據(jù)激光設(shè)計(jì)和用戶可控 的操作參數(shù)而改變。已證明具有高強(qiáng)度的短脈沖(Td<20皮秒，優(yōu)選地Td《15皮秒)非常有用。
[0107] 改變材料所要求的能量可通過脈沖群能量-在脈沖群之內(nèi)包含的能量(每一脈沖 群500包含一系列脈沖500A)來描述，或通過在單一激光脈沖之內(nèi)包含的能量(其中的許多 可包含脈沖群)來描述。對(duì)于運(yùn)些應(yīng)用，能量/脈沖群(/毫米待切割的材料)可為10-2500微 焦耳，或20-1500微焦耳，或25-750微焦耳，或40-2500微焦耳，或100-1500微焦耳，或200- 1250微焦耳，或250-1500微焦耳，或250-750微焦耳。脈沖群之內(nèi)的單個(gè)脈沖的能量更小，且 確切的單個(gè)激光脈沖能量取決于脈沖群500之內(nèi)的脈沖500A的數(shù)目，W及激光脈沖隨時(shí)間 的衰減速率(例如，指數(shù)衰減速率），如圖8A所示。例如，對(duì)于恒定能量/脈沖群，如果脈沖群 包含10個(gè)單個(gè)激光脈沖500A，那么每個(gè)單個(gè)激光脈沖500A的能量將低于相同的脈沖群脈沖 500只具有2個(gè)單個(gè)激光脈沖時(shí)的能量。
[0108] 對(duì)于切割和改性透明材料例如玻璃而言，使用能產(chǎn)生運(yùn)種脈沖群的激光是優(yōu)選 的。與使用在時(shí)間上通過單一脈沖激光重復(fù)率隔開的單一脈沖相反，與使用單一脈沖激光 所能形成的相比，使用在脈沖群500之內(nèi)的脈沖的快速序列上鋪展激光能量的脈沖群脈沖 序列使得實(shí)現(xiàn)在更長的時(shí)間尺度上與材料的高強(qiáng)度相互作用。雖然單一脈沖可在時(shí)間上擴(kuò) 展，但能量守恒表明，運(yùn)樣做時(shí)脈沖之內(nèi)的強(qiáng)度必須下降，且下降倍數(shù)大約與脈沖寬度增加 倍數(shù)相同。因此，如果將10皮秒單一脈沖擴(kuò)展到10納秒脈沖，強(qiáng)度將下降大約3個(gè)數(shù)量級(jí)。運(yùn) 種下降可能會(huì)將光學(xué)強(qiáng)度下降到其中非線性吸收不再顯著的程度，且光材料相互作用不再 強(qiáng)烈到足W實(shí)現(xiàn)切割。相反，使用脈沖群脈沖激光時(shí)，在脈沖群500之內(nèi)的每一脈沖或子脈 沖500A中的強(qiáng)度可仍然非常高-例如脈沖持續(xù)時(shí)間Td為10皮秒的3個(gè)脈沖500A在時(shí)間上通 過約10納秒的間隔Τρ隔開時(shí)仍然使得每一脈沖之內(nèi)的強(qiáng)度比約為單一 10皮秒脈沖高約3 倍，同時(shí)使得激光與材料在大Ξ個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間尺度上相互作用。因此，在脈沖群之內(nèi)的多 個(gè)脈沖500Α的運(yùn)種調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)W下述方式操控激光-材料相互作用的時(shí)間尺度:所述方式可 促進(jìn)更多或更少的與預(yù)先存在的等離子體羽流(plume)的光相互作用，更多或更少的光-材 料相互作用且材料的原子和分子已通過初始的或之前的激光脈沖進(jìn)行預(yù)激發(fā)，W及材料之 內(nèi)可促進(jìn)缺陷線（穿孔)的受控生長的更多或更少的加熱效應(yīng)。改性材料所需的脈沖群能量 的量取決于基材材料組成和用來與基材相互作用的線狀聚焦的長度。相互作用區(qū)域越長， 能量鋪開的程度越大，則需要更高的脈沖群能量。
[0109] 當(dāng)脈沖的單一脈沖群撞擊玻璃上基本上相同位置時(shí)，在材料中形成缺陷線或孔。 即，單一脈沖群之內(nèi)的多個(gè)激光脈沖可在玻璃中形成單一缺陷線或孔位置。當(dāng)然，如果使玻 璃進(jìn)行平移(例如通過恒定的移動(dòng)臺(tái)）或束相對(duì)于玻璃移動(dòng)，脈沖群之內(nèi)的單獨(dú)脈沖不能精 確地在玻璃上相同的空間位置處。但是，它們彼此肯定在1微米之內(nèi)-即它們在基本上相同 的位置撞擊玻璃。例如，它們可在彼此相距間隔SP處撞擊玻璃，其中0<sp《500納米。例如， 當(dāng)玻璃位置用20個(gè)脈沖的脈沖群撞擊時(shí)，脈沖群之內(nèi)的單獨(dú)脈沖在彼此的250納米之內(nèi)撞 擊玻璃。因此，在一些實(shí)施方式中l(wèi)nm<sp<250nm。在一些實(shí)施方式中，lnm<sp<100nm。
[0110] 孔或損壞痕跡形成：
[0111] 如果基材具有足夠的應(yīng)力（例如，離子交換玻璃），那么零件將沿著由激光過程描 繪出的穿孔損壞的路徑(開裂線）自發(fā)地進(jìn)行分離。但是，如果基材沒有大量固有的應(yīng)力，那 么皮秒激光器只在復(fù)合材料工件中形成缺陷線（損壞痕跡）。運(yùn)些缺陷線通常為孔的形式， 且內(nèi)部尺寸(直徑)是~0.5-1.5微米。
[0112] 缺陷線可穿過材料的全部厚度或不穿過材料的全部厚度，且可為連續(xù)或不連續(xù)的 在材料的全部深度上的開口。圖8B顯示缺陷線的示例，其在700微米厚2320NI0X基材工件的 全部厚度上穿孔。如圖9所示，在烙合形成的玻璃組合物上觀察到相似的效果。通過裂開的 邊緣的側(cè)面觀察到缺陷線。通過材料的缺陷線不必然是通孔?？纱嬖诙氯椎牟ＡУ膮^(qū)域， 但玻璃尺寸通常較小，例如在微米量級(jí)。應(yīng)指出在分離零件之后，沿著缺陷線進(jìn)行斷裂，從 而提供零件，所述零件具有含衍生自缺陷線的特征的周界表面(邊緣）。在分離之前，缺陷線 通常是圓筒狀。在分離零件之后，缺陷線斷裂，且缺陷線的殘余物在分離的零件的周界表面 的輪廓中是明顯的。在理想的模型中，在分離時(shí)缺陷線對(duì)半裂開，從而分離的零件的周界表 面包括對(duì)應(yīng)于一半圓筒的齒突起(serration)。實(shí)踐中，分離可偏離理想模型，且周界表面 的齒突起可為原始缺陷線的形狀的任意斷裂。與具體形式無關(guān)，將周界表面的特征稱作缺 陷線，W表明它們存在的來源。
[0113] 還可對(duì)包含堆疊的玻璃片的工件進(jìn)行穿孔。在運(yùn)種情況下，缺陷線長度需要長于 堆疊件高度。
[0114] 孔(缺陷線，穿孔)之間的橫向間隔(節(jié)距）由當(dāng)在聚焦的激光束下方平移基材時(shí)激 光的脈沖率決定。通常，只需要單一皮秒激光脈沖或脈沖群來形成一個(gè)完整的孔，但如有需 要，可使用多個(gè)脈沖或脈沖群。為了在不同節(jié)距形成孔，可激發(fā)激光來在更長或更短的間隔 灼燒。對(duì)于切割操作，激光激發(fā)通常與束下方的工件的平臺(tái)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)同步，從而激光脈沖W 固定間隔激發(fā)，例如每1微米或每5微米。例如在一些實(shí)施方式中，沿著開裂線方向的相鄰穿 缺陷線之間的距離或周期性可為大于0.1微米且小于或等于約20微米。更優(yōu)選地，間隔是 0.5-3.0微米。甚至更優(yōu)選地，間隔可為0.5-1.0微米。在給定基材中的應(yīng)力水平下，相鄰缺 陷線之間的確切間隔由促進(jìn)從穿孔到穿孔的裂紋擴(kuò)展的材料性質(zhì)決定。但是，與切割基材 不同，還可使用相同的方法來只對(duì)材料進(jìn)行穿孔。在本文所述的的方法中，孔或缺陷線可相 隔較大的間隔(例如，大于或等于7微米的節(jié)距）。
[0115] 激光功率和透鏡焦距(其決定聚焦線長度和因此決定功率密度)是確保完全穿透 玻璃和下表面W及表面下?lián)p壞的特別重要的參數(shù)。
[0116] -般來說，可用的激光功率越高，可在使用上述方法更快地切割材料。本文所述的 方法可W0.25米/秒或更快的切割速度來切割玻璃。切割速度是激光束相對(duì)于基材材料(例 如玻璃)的表面移動(dòng)的速率，同時(shí)形成多個(gè)缺陷線孔。較高切割速度例如400毫米/秒，500毫 米/秒，750毫米/秒，1米/秒，1.2米/秒，1.5米/秒，或2米/秒，或甚至3.4米/秒-4米/秒常常 是所需的，從而使得用于制造的資金投資最小化，且優(yōu)化設(shè)備利用率。激光功率等于激光的 脈沖群能量乘w脈沖群重復(fù)頻率(重復(fù)率）。一般來說，為了 w較高切割速度切割玻璃材料， 缺陷線通常相隔1-25微米，在一些實(shí)施方式中，間隔優(yōu)選地大于或等于3微米，例如3-12微 米，或例如5-10微米。
[0117] 例如，為了獲得300毫米/秒的線性切割速度，3微米孔節(jié)距對(duì)應(yīng)于具有至少100曲Z 脈沖群重復(fù)率的脈沖群激光。對(duì)于600毫米/秒切割速度，3微米節(jié)距對(duì)應(yīng)于具有至少200曲Z 脈沖群重復(fù)率的脈沖群-脈沖激光。在200曲Z下產(chǎn)生至少40微焦耳/脈沖群并W600毫米/秒 切割速度切割的脈沖群激光需要具有至少8瓦的激光功率。更高的切割速度相應(yīng)地需要更 高的激光功率。
[0118] 例如，在3微米節(jié)距和40微焦耳/脈沖群下的0.4米/秒的切割速度需要至少5W激 光，在3微米節(jié)距和40微焦耳/脈沖群下的0.5米/秒的切割速度將需要至少6W激光。因此，優(yōu) 選地脈沖群PS激光的激光功率是6W或更高，更優(yōu)選地至少8W或更高，和甚至更優(yōu)選地至少 10W或更高。例如，為了獲得在4微米節(jié)距(缺陷線間隔，或損壞痕跡間隔)和100微焦耳/脈沖 群下的0.4米/秒的切割速度需要至少10W激光，為了獲得在4微米節(jié)距和100微焦耳/脈沖群 下的0.5米/秒的切割速度將需要至少12W激光。例如，為了獲得在3微米節(jié)距和40微焦耳/脈 沖群下的1米/秒的切割速度將需要至少13W激光。還例如，在4微米節(jié)距和400微焦耳/脈沖 群下的1米/秒的切割速度將需要至少100W激光。
[0119] 缺陷線(損壞痕跡)之間的最佳節(jié)距和確切的脈沖群能量是取決于材料的，且可根 據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定。但是，應(yīng)指出升高激光脈沖能量或W更密的節(jié)距制備損壞痕跡不總是使基材 材料更好地分離或具有改善的邊緣質(zhì)量的條件。缺陷線(損壞痕跡)之間的過小的節(jié)距(例 如<0.1微米，或在一些示例性實(shí)施方式中<1微米，或在其它實(shí)施方式中<2微米)有時(shí)會(huì) 抑制附近的后續(xù)缺陷線(損壞痕跡）的形成，且常常會(huì)抑制繞著穿孔輪廓的材料的分離。如 果節(jié)距過小，還導(dǎo)致玻璃之內(nèi)的不想要的微裂紋化增加。過長的節(jié)距(例如，>50微米，W及 在一些玻璃中> 25微米或甚至> 20微米)可導(dǎo)致不受控的"微裂紋化"-即，微觀裂紋不是沿 著預(yù)期的輪廓從缺陷線到缺陷線的擴(kuò)展，而是沿著不同路徑擴(kuò)展，且導(dǎo)致玻璃沿著遠(yuǎn)離預(yù) 期輪廓的不同的（不希望的）方向形成裂紋。運(yùn)會(huì)最終降低分離的零件的強(qiáng)度，因?yàn)闅埩舻?微裂紋構(gòu)成弱化玻璃的瑕疵。用于形成缺陷線的脈沖群能量過高（例如，>2500微焦耳/脈 沖群，和在一些實(shí)施方式中>500微焦耳/脈沖群)會(huì)導(dǎo)致之前形成的缺陷線的"愈合"或再 次烙融，運(yùn)會(huì)抑制玻璃的分離。因此，優(yōu)選地脈沖群能量是<2500微焦耳/脈沖群，例如，《 500微焦耳/脈沖群。此外，使用過高的脈沖群能量可導(dǎo)致形成極大的微裂紋，并形成可降低 分離之后的零件的邊緣強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)缺陷。過低的脈沖群能量(例如<40微焦耳/脈沖群)可 導(dǎo)致在玻璃之內(nèi)沒有可觀的缺陷線形成，并因此可必需使用特別高的分離力或?qū)е峦耆?能沿著穿孔的輪廓分離。
[0120] 使用運(yùn)種方法能獲得的典型的示例性切割速率(速度)是例如0.25米/秒和更高。 在一些實(shí)施方式中，切割速率是至少300毫米/秒。在一些實(shí)施方式中，切割速率是至少400 毫米/秒，例如，500毫米/秒-2000毫米/秒，或更高。在一些實(shí)施方式中，皮秒(PS)激光利用 脈沖群來產(chǎn)生缺陷線，其周期性是0.5微米-13微米，例如0.5微米-3微米。在一些實(shí)施方式 中，脈沖激光的激光功率是10W-100W，材料和/或激光束W至少0.25米/秒的速率相對(duì)于彼 此平移;例如W0.25米/秒-0.35米/秒，或0.4米/秒-5米/秒的速率。優(yōu)選地，脈沖激光束的 每一脈沖群在工件處測量的平均激光能量大于40微焦耳/脈沖群/毫米工件厚度。優(yōu)選地， 脈沖激光束的每一脈沖群在工件處測量的平均激光能量大于小于2500微焦耳/脈沖群/毫 米工件厚度，優(yōu)選地小于約2000微焦耳/脈沖群/毫米工件厚度，且在一些實(shí)施方式中，小于 1500微焦耳/脈沖群/毫米工件厚度;例如，不大于500微焦耳/脈沖群/毫米工件厚度。
[0121] 我們發(fā)現(xiàn)需要高得多的（更高5-10倍）的體積脈沖能量密度(微焦耳/立方微米）， 來對(duì)不含堿金屬或含較少堿金屬含量的堿±棚侶娃酸鹽玻璃進(jìn)行穿孔。例如，運(yùn)可通過下 述來實(shí)現(xiàn):利用脈沖群激光(優(yōu)選地具有至少2個(gè)脈沖/脈沖群），和在堿±棚侶娃酸鹽玻璃 (具有很少堿金屬或不含堿金屬)之內(nèi)提供大于或等于約0.05微焦耳/立方微米，例如至少 0.1微焦耳/立方微米，例如0.1-0.5微焦耳/立方微米的體積能量密度。
[0122] 因此，優(yōu)選地激光產(chǎn)生具有至少2個(gè)脈沖/脈沖群的脈沖群。例如，在一些實(shí)施方式 中，脈沖激光的功率是10W-150W(例如，10W-100W)，并產(chǎn)生具有至少2脈沖/脈沖群(例如，2- 25脈沖/脈沖群）的脈沖群。在一些實(shí)施方式中，脈沖激光的功率是25W-60W，并產(chǎn)生具有至 少2-25脈沖/脈沖群的脈沖群，且用激光脈沖群產(chǎn)生的相鄰缺陷線之間的周期或距離是2- 10微米。在一些實(shí)施方式中，脈沖激光的功率是10W-100W，其產(chǎn)生具有至少2脈沖/脈沖群的 脈沖群，且工件和激光束W至少0.25米/秒的速率相對(duì)于彼此平移。在一些實(shí)施方式中，工 件和/或激光束W至少0.4米/秒的速率相對(duì)于彼此平移。
[012引例如，為了切害do. 7毫米厚的非離子交換康寧代號(hào)2319或代號(hào)2320Gorilla'i''玻璃， 觀察到3-7微米的節(jié)距可良好地湊效，且脈沖群能量是約150-250微焦耳/脈沖群，和脈沖群 脈沖數(shù)目是2-15，和優(yōu)選地節(jié)距是3-5微米和脈沖群脈沖數(shù)目（脈沖數(shù)目/脈沖群)是2-5。
[0124] 在1米/秒切割速度下，切割EagleXG''玻璃通常需要利用15-84W的激光功率，且 30-45W常常已足夠。一般來說，對(duì)于各種玻璃和其它透明材料而言，
【申請(qǐng)人】發(fā)現(xiàn)為了獲得 0.2-1米/秒的切割速度，10W-100W的激光功率是優(yōu)選地的，且25-60W的激光功率對(duì)于許多 玻璃就足夠(或是最佳的）。對(duì)于0.4米/秒-5米/秒的切割速度，激光功率應(yīng)優(yōu)選地是10W- 150W，脈沖群能量是40-750微焦耳/脈沖群，2-25脈沖群/脈沖(取決于被切割的材料），缺陷 線間隔(節(jié)距)是3-15微米，或3-10微米。對(duì)于運(yùn)些切割速度，使用皮秒脈沖群激光將是優(yōu)選 的，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生高功率和所需的脈沖數(shù)目/脈沖群。因此，根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，脈沖 激光產(chǎn)生10W-100W功率，例如25W-60W，并產(chǎn)生至少2-25脈沖/脈沖群的脈沖群，且缺陷線之 間的距離是2-15微米；W及激光束和/或工件相對(duì)于彼此W至少0.25米/秒，在一些實(shí)施方 式中至少0.4米/秒，例如0.5米/秒-5米/秒，或更快的速率平移。
[0125] 切割和分離板的形狀：
[0126] 如圖10所示，從更大的復(fù)合材料玻璃片形成具有或不具有孔或狹縫的制品是非常 需要的。圖11顯示示例性分離的復(fù)合材料制品，其具有用于功能按鈕或用于待設(shè)置的揚(yáng)聲 器或麥克風(fēng)的孔和狹縫。
[0127] 僅通過皮秒激光或通過皮秒激光和后續(xù)C〇2激光的組合來描繪開裂線，從而釋放 周界和/或內(nèi)部孔或狹縫。需特別指出的是，應(yīng)小屯、地規(guī)劃引入由散焦C〇2激光描繪的釋放 線和路徑，W避免問題，例如：
[0128] 避免同時(shí)發(fā)生的啟動(dòng)/停止設(shè)置。一般來說，移動(dòng)臺(tái)的緩慢加速/減速可足W形成 準(zhǔn)時(shí)的應(yīng)力源，其將在之后使零件形成裂紋或甚至粉碎零件。
[0129] 在描繪的輪廓上停止或"駐留"散焦C〇2激光或任意光斑-最常見地運(yùn)可烙融表面 和/或形成微裂紋。應(yīng)規(guī)劃C〇2激光的路徑，從而在待釋放的輪廓W外啟動(dòng)和結(jié)束。
[0130] 示例性皮秒激光條件是：1064納米波長，4脈沖/脈沖群，功率水平100%，200曲z重 復(fù)率。示例性C〇2激光條件是：10.6微米波長，20米/分鐘下的2次激光通過(pass),焦距28.5 毫米，100 %功率，20kHz重復(fù)率下的17微秒脈沖。
[0131] 與剛用激光切割的片相比，通過酸蝕刻進(jìn)一步加工提取的制品可得到非常高的邊 緣強(qiáng)度制品。在一些情況下，剛切割的片的強(qiáng)度可足W用于特定應(yīng)用，但對(duì)于許多應(yīng)用而言 其通常需要具有更高的邊緣強(qiáng)度。
[0132] 然后，對(duì)零件（制品）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的酸蝕刻處理(例如，1.5M HF和0.9M此S化的溶液） W減少或完全除去由激光切割方法誘導(dǎo)的表面缺陷。然后，如圖12所示，在韋布爾 (We化ull)圖中對(duì)邊緣強(qiáng)度數(shù)據(jù)作圖，并與"剛切割(as-cutr的實(shí)施例進(jìn)行對(duì)比。如從圖12 可知，經(jīng)過處理的制品現(xiàn)在可具有顯著更高的強(qiáng)度值，高達(dá)650兆帕斯卡(MPa)。
[0133] 圖13A-13C顯示具有改性玻璃等距間隔柱的缺陷線的示例。
[0134] 拉制時(shí)切割玻璃
[0135] 機(jī)械劃割和破裂是用于連續(xù)烙合玻璃制造法的傳統(tǒng)玻璃切割方法。雖然較快(實(shí) 現(xiàn)1米/秒的直線切割），但就切割輪廓玻璃形狀而言，它是高度受限的，因?yàn)閷?duì)于運(yùn)種應(yīng)用 其變得極具挑戰(zhàn)性，運(yùn)是由緩慢的速度、玻璃邊緣缺口化、高的切割邊緣粗糖度等造成的。 運(yùn)些應(yīng)用需要多個(gè)研磨和拋光步驟來降低表面下?lián)p壞(SSD)，W及洗涂步驟，運(yùn)不僅因更高 的資金要求和因較低產(chǎn)率造成的更高成本而增加工藝成本，而且簡單地不能滿足技術(shù)要 求。
[0136] 最近，已開發(fā)將二氧化碳(0)2)激光劃割和破裂方法用于切割顯示器玻璃組合物。 運(yùn)種技術(shù)依賴于機(jī)械(或激光)裂紋引發(fā)，然后進(jìn)行C〇2激光裂紋擴(kuò)展。最常見地，將在10.6 微米波長下的C〇2激光福射用作精確熱源，然后進(jìn)行冷卻劑噴射來形成熱沖擊，并沿著用C〇2 激光橫貫的直線擴(kuò)展裂紋。運(yùn)種方法的困難在于不能成功地控制和擴(kuò)展運(yùn)種裂紋，特別是 沿著輪廓控制和擴(kuò)展運(yùn)種裂紋。雖然對(duì)于有些應(yīng)用，通過機(jī)械或激光劃割和破裂技術(shù)的直 線切割可良好地湊效，但仍然持續(xù)地需要高度精確的、清潔的和柔性的玻璃切割解決方案。
[0137] 機(jī)械和C〇2劃割的困難的示例之一是液晶顯示器化CD)玻璃烙合法。在LCD烙合法 中，形成薄的平坦玻璃的連續(xù)帶，其從高的拉制塔涌出。運(yùn)種薄的玻璃形成為0.050mm-2mm 厚W及24"-150"寬。通過機(jī)械劃割砂輪來劃割玻璃帶，運(yùn)與劃割或切割玻璃窗戶相似。然 后，運(yùn)個(gè)劃割的玻璃在拉制塔底部機(jī)械彎曲和破裂帶，W形成24"-150"寬乘W24"-150"高 的片。運(yùn)種片在片的右側(cè)和左側(cè)上具有非常粗糖的部分。機(jī)械劃割只能在玻璃片的高質(zhì)量 區(qū)域中進(jìn)行，且不能在玻璃片的較厚的球邊部分中進(jìn)行。然后，機(jī)器人將夾持玻璃片，彎曲 玻璃片，并將劃割的片從玻璃帶破裂下來。運(yùn)個(gè)破裂作用導(dǎo)致高幅度振動(dòng)，其在帶上并進(jìn)入 拉制塔，其導(dǎo)致在最終的片中形成平坦度變化。運(yùn)還可導(dǎo)致婉艇形態(tài)(rubicons)，因?yàn)檎駝?dòng) 可在拉制上形成微裂紋。機(jī)械劃割和破裂玻璃產(chǎn)生像羽毛的非常輕的玻璃屑，但運(yùn)些玻璃 屑尺寸是10-200微米且厚度是3-20微米。運(yùn)些玻璃屑在拉制塔中上浮并連接到片的表面， 運(yùn)些顆粒中的一些(稱作始?xì)げＡ?永久地連接到帶玻璃表面，運(yùn)導(dǎo)致形成玻璃的不合格 部分。
[0138] 然后將運(yùn)個(gè)玻璃片從帶區(qū)域移動(dòng)到第二切割區(qū)域，其中將玻璃片設(shè)置在稱作垂直 球邊劃割機(jī)器的另一機(jī)器上，且隨后機(jī)械劃割玻璃的球邊化部分或低質(zhì)量區(qū)域，然后從母 片機(jī)械破裂掉球邊化部分。同樣地，細(xì)小的始?xì)げＡ紡钠巷w落到缺陷的區(qū)域上，運(yùn)導(dǎo)致 形成玻璃的不合格的部分。
[0139] 在一些情況下，隨后將所有的片包裝進(jìn)入包裝箱，并運(yùn)輸?shù)骄ノ恢谩Ｍ瑯拥?，?殼玻璃屑從玻璃的邊緣遷移到表面，并導(dǎo)致形成玻璃的不合格部分。卸載運(yùn)種玻璃的包裝 箱，并設(shè)置在精磨加工線中，其中機(jī)械地或C〇2劃割片，并機(jī)械地破裂成稍微更小的玻璃片， 但運(yùn)種劃割過程比精確劃割機(jī)更精確得多。同樣地，更多的始?xì)げＡ硷w到玻璃表面上，并 導(dǎo)致形成運(yùn)些玻璃的不合格部分。
[0140] 接下來，將片移動(dòng)到邊緣研磨機(jī)，其將薄的玻璃板粗研磨和精細(xì)研磨成最終長度 和寬度。然后，將片移動(dòng)到另一研磨機(jī)，其研磨4個(gè)角。接下來，將片移動(dòng)到在線洗涂機(jī)，其清 潔表面上大多數(shù)的松散顆粒，但始?xì)ゎw粒除外。
[0141] 本文所述的激光玻璃切割技術(shù)極精確地、極快地和在不形成玻璃屑的情況下切割 薄玻璃，包括薄玻璃。IRIS技術(shù)可用極小的孔(例如，小于1微米)和較短的節(jié)距間隔(例如，1 微米)對(duì)玻璃進(jìn)行穿孔。此外，可W極高的速度(例如，1-2米/秒），對(duì)玻璃進(jìn)行穿孔。在測試 的情況中，在玻璃邊緣上沒有觀察到碎片。激光過程可從較大的玻璃片穿孔和分離出較小 玻璃制品，例如手機(jī)尺寸(70mm X 150mm)形狀。薄玻璃的運(yùn)種穿孔和分離過程得到邊緣，所 述邊緣具有小于40化m的表面粗糖度Ra和深度限制于小于或等于60微米的表面下微裂紋。 運(yùn)種邊緣質(zhì)量接近研磨的玻璃片的質(zhì)量。考慮到運(yùn)種能力，可在制備薄玻璃片的烙合拉制 過程中對(duì)熱玻璃進(jìn)行激光切割。
[0142] 圖14顯示用于連續(xù)的烙合玻璃制造法的現(xiàn)有玻璃切割方法。在現(xiàn)有方法中，玻璃 片1464從拉制塔1462向下流動(dòng)。玻璃片1464的更深的陰影表明更高的溫度。當(dāng)例如在烙合 拉制機(jī)上形成玻璃片時(shí)，通過夾持機(jī)械裝置例如漉來牽拉熱而軟的玻璃片，其在玻璃片的 兩個(gè)外部邊緣上形成印記。將具有印記的邊緣稱為"球邊"，且運(yùn)些邊緣延伸過玻璃片的全 部長度。因?yàn)榕c玻璃片的中央部分相比，運(yùn)些球邊化區(qū)域常常是扭曲的和不平坦的，在將玻 璃用于制備最終裝置之前，除去球邊(或球邊化區(qū)域）。如通過拉制移動(dòng)1465所述，使用漉輪 向下牽拉玻璃片，其沿著玻璃片1466的邊緣形成玻璃球邊1464。沿著劃割線1468施加機(jī)械 或C〇2激光源，運(yùn)促進(jìn)將劃割的片1470從玻璃片1464破裂下來。
[0143] 本文所述的方法提供用于顯示器玻璃組合物的玻璃切割解決方案，用于在線和離 線玻璃切割需求?？稍诓Ａ瑥睦瞥鰜頃r(shí)，特別是在其中玻璃開始從其形成溫度冷卻的 稱作拉制底部(B0D)的區(qū)域處，在線地施加運(yùn)些方法，用于玻璃片的切割和球邊除去。本文 所述的方法提供玻璃切割解決方案，其可提供透過玻璃片的整體厚度的全-主體(全厚度） 穿孔。一系列全厚度穿孔可形成開裂線，在沿開裂線進(jìn)行片分離時(shí)，開裂線可在玻璃片中形 成非常精確的和可控的切割。
[0144] 圖15A-15B顯示根據(jù)本文所述的方法在拉制時(shí)進(jìn)行激光玻璃切割的兩種方法，其 使用例如結(jié)合圖2-6本文所述的那些的激光光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)激光切割工藝1500A，將由一系 列缺陷線組成的激光切割線1468'施加到由拉制塔1462形成的玻璃片1464。在工藝1500A 中，將激光(未顯示)構(gòu)造成切穿玻璃片1464的整體厚度。激光切割線1468'延伸越過在拉制 時(shí)新形成的玻璃片1464,運(yùn)包括在不振動(dòng)玻璃帶或形成任何玻璃碎屑或顆粒的情況下切割 球邊1466。
[0145] 圖15B顯示在拉制時(shí)的激光玻璃切割的替代方法1500B，其中使用激光來切穿玻璃 片的高質(zhì)量區(qū)域，并移除玻璃的較大的矩形片1470'。在拉制區(qū)域的底部1472處，從玻璃片 除去廢棄玻璃1472。應(yīng)認(rèn)識(shí)到在其它實(shí)施方式中，移除的玻璃片1470'無需是矩形的。玻璃 片1470'可為正方形或圓形，或具有任意其它所需形狀。
[0146] 圖16顯示在拉制時(shí)激光玻璃切割的又一替代方法。在圖16中，鄰近玻璃球邊1466 在拉制路徑中的相對(duì)上方的更高處，施加垂直激光切割線1468 '。然后，在拉制路徑的相對(duì) 較低處，施加水平激光切割線1468'來從拉制切割和除去玻璃片1470'。
[0147] 圖17顯示在拉制時(shí)激光玻璃切割的其它替代方法。在圖17中，在拉制時(shí)越過玻璃 片1464的全部寬度來施加激光切割線1468'，從而從拉制移下激光切割的片1470'。在運(yùn)之 后，將垂直的激光切割線1468施加到切割片1470'，從而在拉制底部處從切割片除去球邊。
[0148] 圖18顯示使用本文所述的激光方法來在離開拉制處從片1470'除去裁剪或廢棄玻 璃1472。在精磨區(qū)域中，同時(shí)施加水平的和垂直的激光切割線1468'，W從激光切割的玻璃 片1470'除去裁剪或廢棄玻璃1472的水平和垂直的塊。
[0149] 對(duì)于有些應(yīng)用，玻璃應(yīng)力也會(huì)受到特別關(guān)注，特別是對(duì)于使用具有高應(yīng)力的玻璃 片或?qū)訅旱牟Ａ膽?yīng)用而言。使用傳統(tǒng)方法在運(yùn)種情況下切割片具有顯著的困難。例如， 在烙合拉制法中，在拉制LCD玻璃片的過程中，引發(fā)顯著量的應(yīng)力。因?yàn)槠颓蜻呏g的不 同厚度W及不同的相關(guān)冷卻速率，在玻璃冷卻過程中，在片和球邊界面處的應(yīng)力甚至更大。 對(duì)于烙合拉制層壓片(大于300MPa)的情況，應(yīng)力水平可顯著更大，其中相鄰的片層之間的 粘度和CTE差異導(dǎo)致非常高的外層壓縮應(yīng)力。運(yùn)種高壓縮應(yīng)力層性質(zhì)可顯著改善層壓玻璃 片的玻璃強(qiáng)度。然而，在具有高應(yīng)力水平的片中，可能難W用傳統(tǒng)方法來切割玻璃片。
[0150] 如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，使用烙合拉制法制備的LCD玻璃片具有高應(yīng)力，其 中在將玻璃從高于玻璃軟化點(diǎn)的溫度冷卻到比玻璃應(yīng)變點(diǎn)低得多的過程中引發(fā)該應(yīng)力。因 為厚度和熱質(zhì)量的差異，在玻璃球邊界面處的應(yīng)力還顯著更高。對(duì)于層壓玻璃片的情況，應(yīng) 力更高得多（大于300MPa)，其中玻璃層CTE和粘度的不匹配可導(dǎo)致強(qiáng)化玻璃應(yīng)用所需的高 壓縮應(yīng)力。運(yùn)些高水平的應(yīng)力使得非常難W在比玻璃應(yīng)變點(diǎn)（<30(TC)低得多的溫度下切割 玻璃片。
[0151] 批露方法和不同實(shí)施方式來使用激光技術(shù)切割片和從片分離球邊，其使得需要穿 過玻璃片厚度的單一激發(fā)(single shot)穿透。本文所述的方法實(shí)現(xiàn)在拉制處基于激光切 割片，并分離球邊，從而改善烙合拉制法的制造效率。此外，在一些實(shí)施方式中，可在高溫 (接近玻璃的退火點(diǎn)）下切割單一層片和層壓的片，運(yùn)使得誘導(dǎo)的應(yīng)力更小得多。在高溫下 切割片和隨后通過預(yù)定的溫度分布后處理片的能力還可供應(yīng)具有較低玻璃密實(shí)化、較低殘 留應(yīng)力的片，消除獨(dú)立的精磨步驟成本的可能性，加工有更高應(yīng)變點(diǎn)玻璃的能力，和因?yàn)樵?退火溫度下停留更久而帶來的增加的生產(chǎn)通量。
[0152] 圖19顯示使用多階段爐子1971的一種示例方法，該多階段爐子1971設(shè)計(jì)成將玻璃 片部分1470'（待切割的）保持在接近其退火點(diǎn)的溫度下。在拉制的下部部分，將玻璃片 1470'（待切割的）引入爐子1971a，其保持在近似等于玻璃的退火溫度下。在接近退火點(diǎn)的 升高的溫度下的較低的應(yīng)力水平有助于切割片。首先通過經(jīng)歷水平激光束平移1976的激光 束1974在拉制處水平地切割片1464,從而在玻璃中形成多個(gè)缺陷線。
[0153] 然后，將玻璃片1470 '平移到爐子197化，其也保持在玻璃的退火溫度下。使用激光 束1974分離玻璃球邊1466，該激光束1974構(gòu)造成經(jīng)歷垂直平移1674來對(duì)鄰近球邊1466的玻 璃片1470'進(jìn)行激光劃割。水平和垂直切割步驟可包括沿著激光損壞的輪廓施加拉伸或彎 曲應(yīng)力，從而從拉制分離玻璃，且如有需要，從切割玻璃片1470 '分離玻璃球邊。例如，可使 用機(jī)器人來施加應(yīng)力。
[0154] 在除去玻璃球邊之后，將切割玻璃片1470'平移到第Ξ爐子1971c，其中熱源1980 經(jīng)歷垂直平移1982, W將熱量輸送到玻璃板1470'的切割邊緣。施加熱量來使得切割的垂直 邊緣平滑化和圓化，且雖然沒有在圖19中示出，但還可將熱量施加到板1470'的水平切割邊 緣，用于平滑化和圓化。熱源可包括氣體火焰、C〇2激光等。
[0155] 玻璃片1464可為層壓片，其中片包括多個(gè)層，每一層具有不同的材料性質(zhì)例如CTE 等。運(yùn)種層壓的片可通過使用雙等壓槽(isopipe)拉制塔來形成，其中每一等壓槽用于提供 用于層壓件的不同層的玻璃。層壓件的玻璃層之間的CTE差異導(dǎo)致在將玻璃片從高于軟化 點(diǎn)的溫度冷卻到比應(yīng)變點(diǎn)低很多時(shí)引入顯著量的應(yīng)力。例如，當(dāng)內(nèi)部和表面層之間的CTE差 異大于60x lO^/C，且內(nèi)部層厚度與總層壓件厚度的比例是0.8-1時(shí)，可在層壓件片表面的 表面上引發(fā)大于400MPa的壓縮應(yīng)力（參見，例如譚東（Tandon )等，美國專利申請(qǐng)?zhí)?20110318555,該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文）。
[0156] 在其中玻璃片1464是層壓件的情況下，爐子1971a和197化可構(gòu)造成將層壓件保持 在層壓件的兩個(gè)層的退火溫度之間的溫度下。對(duì)于其中需要高表面壓縮應(yīng)力的應(yīng)用中（例 如，用于高強(qiáng)度應(yīng)用的層壓玻璃中），提供在退火溫度下的時(shí)間將降低應(yīng)力大小，運(yùn)促進(jìn)使 用激光束1974來進(jìn)行切割。在運(yùn)些情況中，還可通過在切割后冷卻過程中對(duì)玻璃進(jìn)行巧冷， 在成品的玻璃片中獲得高應(yīng)力。
[0157] 圖20顯示一種過程，其中通過使片物理地橫貫通過具有漸進(jìn)的冷卻器階段2071a、 207化和2071c的多階段爐子2071，將片1470'冷卻到遠(yuǎn)低于玻璃退火點(diǎn)的溫度。所述系列爐 子施加預(yù)定的溫度分布W使得殘留應(yīng)力最小化，形成后密實(shí)化，改善玻璃片性能特征并調(diào) 整玻璃性質(zhì)。應(yīng)理解，在其它實(shí)施方式中，通過使用具有時(shí)間變化的溫度分布的單一階段爐 子，獲得相似的受控的冷卻分布。
[0158] 在其它實(shí)施方式中，在高于玻璃退火點(diǎn)的溫度下，使用在拉制時(shí)的玻璃制備激光 穿孔，在缺陷線之間存在一些間隔。在運(yùn)個(gè)拉制位置，運(yùn)對(duì)玻璃強(qiáng)度沒有顯著影響。但是，運(yùn) 可導(dǎo)致當(dāng)在拉制時(shí)位置下游形成CTE應(yīng)力(例如，用于層壓玻璃)時(shí)，玻璃片自發(fā)分離或僅使 用非常微弱的外部擾動(dòng)來分離。自發(fā)的分離，或者使用微弱的外部擾動(dòng)來分離，可用于除去 玻璃球邊和用于玻璃采集。
[0159] 由于能夠在高溫下切割片且隨后通過預(yù)定的溫度分布后處理片，可使得片具有更 低的玻璃密實(shí)化和更低的殘留應(yīng)力。運(yùn)種能力還可消除獨(dú)立的精磨步驟的成本，允許加工 具有更高應(yīng)變點(diǎn)的玻璃，且因?yàn)樵谕嘶饻囟认虏ＡＡ舻幂^久而帶來的增加生產(chǎn)通量。
[0160] 通過兩個(gè)缺陷線之間的節(jié)距來控制沿著全厚度切割的玻璃分離。用于切割許多顯 示器玻璃組合物的典型示例性節(jié)距是約1-5微米(例如，2-5微米）。但是，還顯示最高達(dá)8微 米巧-8微米)的節(jié)距也提供良好的質(zhì)量切割?？刂乒?jié)距的能力也是重要的，因?yàn)槠錄Q定切割 速度，其還受到激光脈沖頻率或脈沖群重復(fù)率、脈沖群模式之內(nèi)的脈沖數(shù)目和平均能量/脈 沖和/或平均能量/脈沖群的影響。
[0161] 當(dāng)繞著缺陷線的微裂紋朝向相鄰的缺陷線取向時(shí)，促進(jìn)玻璃切割，因?yàn)槲⒘鸭y與 開裂線對(duì)齊并引導(dǎo)分離的方向。在運(yùn)種情況下，缺陷線之間較大的節(jié)距(例如3-50微米，例 如3-20微米），可足W形成完全的玻璃分離，因此簡化加工（因?yàn)樾枰俚娜毕菥€來實(shí)施 分離）?；蛘撸谝恍┎Ａь愋椭?，當(dāng)沒有形成微裂紋或微裂紋沒有朝著相鄰的缺陷線進(jìn)行 取向時(shí)，對(duì)于干凈的分離而言，可需要孔(或缺陷線)之間較小的節(jié)距(0.1-3微米，例如1-3 微米)。
[0162] 本文引用的所有專利、專利申請(qǐng)公開和參考文獻(xiàn)的相關(guān)教導(dǎo)都通過引用全文納入 本文。
[0163] 雖然本文描述了示例性實(shí)施方式，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解在不偏離所附權(quán) 利要求所包含的范圍的情況下，可改變其中的各種形式和細(xì)節(jié)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種激光加工熔合形成的玻璃復(fù)合材料工件的方法，所述方法包括： 將脈沖激光束聚焦成沿著束傳播方向取向并引導(dǎo)進(jìn)入熔合形成的玻璃復(fù)合材料工件 的激光束聚焦線，所述激光束聚焦線在所述工件之內(nèi)產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收，且所述誘導(dǎo)吸收在工 件之內(nèi)沿著激光束聚焦線產(chǎn)生缺陷線;和 沿著輪廓使得工件和激光束相對(duì)于彼此平移，由此在所述工件之內(nèi)形成多個(gè)缺陷線， 其中缺陷線以0.5微米-20微米的距離隔開。2. -種通過如權(quán)利要求1所述的方法制備的玻璃制品。3. 如權(quán)利要求1所述的方法或權(quán)利要求2所述的制品，其特征在于，所述缺陷線相隔1微 米-7微米的距離。4. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述缺陷線延伸至少250 微米。5. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述熔合形成的玻璃復(fù) 合材料工件包括具有不同熱膨脹系數(shù)的包覆層和芯層，且總計(jì)包括3個(gè)或更多個(gè)層。6. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，還包括沿著輪廓分離所 述工件。7. 如權(quán)利要求6所述的方法或制品，其特征在于，沿著輪廓分離所述工件包括沿著所述 輪廓或靠近所述輪廓將二氧化碳激光引導(dǎo)進(jìn)入所述工件，以促進(jìn)沿著輪廓分離所述工件。8. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，重復(fù)率是約lkHz-4MHz。9. 如權(quán)利要求8所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖激光束的重復(fù)率是約10kHz-650kHz〇10. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖激光束的脈沖 持續(xù)時(shí)間是大于約1皮秒且小于約100皮秒。11. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖持續(xù)時(shí)間是大 于約5皮秒且小于約20皮秒。12. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，在材料處測量的脈沖激 光束的平均激光能量大于40微焦耳/毫米材料厚度。13. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖激光束具有波 長，且在所述波長下所述材料是基本上透明的。14. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束聚焦線具有 約0 · 1mm-約10mm的長度。15. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述激光束聚焦線具有 約0.1微米-約5微米的平均光斑直徑。16. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述熔合形成的玻璃復(fù) 合材料工件具有大于5兆帕斯卡(MPa)的中央張力。17. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述脈沖以相隔約1納 秒-約50納秒持續(xù)時(shí)間的至少兩個(gè)脈沖的脈沖群的形式來產(chǎn)生，以及脈沖群重復(fù)頻率是約 1kHz-約650kHz。18. 如權(quán)利要求17所述的方法或制品，其特征在于，所述至少兩個(gè)脈沖相隔約20納秒的 持續(xù)時(shí)間。19. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述熔合形成的玻璃復(fù) 合材料工件是玻璃片的形式，以及其中聚焦所述脈沖激光束和沿著輪廓使得所述工件和激 光束相對(duì)于彼此平移的操作在玻璃片處于在線拉制時(shí)進(jìn)行。20. 如權(quán)利要求19所述的方法或制品，其特征在于，在玻璃片處于玻璃片退火溫度附近 的溫度下的情況下，進(jìn)行聚焦和平移。21. 如權(quán)利要求19所述的方法或制品，其特征在于，所述玻璃片包括具有至少兩種不同 的各自退火溫度的至少兩個(gè)層，以及其中在所述玻璃片處于所述至少兩種不同的各自退火 溫度之間的溫度下的情況下，進(jìn)行聚焦和平移。22. 如權(quán)利要求19所述的方法或制品，其特征在于，所述玻璃片包括至少兩層，且其中 在所述玻璃片處于高于該玻璃片的退火溫度的溫度的情況下，進(jìn)行聚焦和平移。23. 如權(quán)利要求19-22中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，還包括沿著輪廓從拉 制分離所述玻璃片，以及在輪廓處向分離的玻璃片施加熱源來在輪廓處使得分離的玻璃片 平滑化或圓化使得分離的玻璃片平滑化或圓化。24. 如權(quán)利要求19-22中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，在拉制頂部或靠近拉 制頂部處進(jìn)行聚集和平移。25. 如權(quán)利要求19-22中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，在拉制底部或靠近拉 制底部處進(jìn)行聚集和平移。26. 如權(quán)利要求19-22中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，還包括在輪廓的區(qū)域 中，將熱源、拉伸應(yīng)力或彎曲應(yīng)力中的至少一種施加到所述玻璃片，以促進(jìn)沿著所述輪廓從 拉制分尚所述玻璃片。27. 如權(quán)利要求19-22中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，所述輪廓鄰近玻璃片 的球邊，且其中沿著輪廓激光形成多個(gè)缺陷線促進(jìn)從所述玻璃片分離球邊。28. 如權(quán)利要求19-22中任一項(xiàng)所述的方法或制品，其特征在于，還包括沿著輪廓從拉 制分離所述玻璃片，以及在輪廓處向分離的玻璃片施加熱源來在輪廓處使得分離的玻璃片 平滑化或圓化。29. -種玻璃制品，其包括:玻璃復(fù)合材料，所述玻璃復(fù)合材料具有第一表面、第二表面 和至少一個(gè)邊緣，所述至少一個(gè)邊緣具有在所述第一表面和第二表面之間延伸至少250微 米的多個(gè)缺陷線，所述缺陷線各自具有小于或等于約5微米的直徑。30. 如權(quán)利要求29所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一個(gè)邊緣具有小于約0.5微 米的Ra表面粗糙度。31. 如權(quán)利要求29或30所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一個(gè)邊緣具有最高達(dá)小 于或等于約75微米深度的表面下?lián)p壞。32. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品包括3個(gè)層， 其中最外面的層包含第一組合物，并具有熱膨脹系數(shù)CTE1和厚度TH1;以及在所述最外面的 層之間的內(nèi)層，所述內(nèi)層包含不同于第一組合物的第二組合物，且具有熱膨脹系數(shù)CTE2,和 厚度TH2;其中CTE1大于CTE2。33. 如權(quán)利要求32所述的玻璃制品，其特征在于，所述最外面的玻璃層處于壓縮應(yīng)力 下，且所述內(nèi)層處于中央應(yīng)力下，且TH2和TH1的比例是4-20。34. 如權(quán)利要求29-31中任一項(xiàng)所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品具有大于 5MPa的內(nèi)層中央張力。35. 如權(quán)利要求29-31中任一項(xiàng)所述的玻璃制品，其特征在于，所述缺陷線在所述至少 一個(gè)邊緣的全部厚度上延伸。36. 如權(quán)利要求29-31中任一項(xiàng)所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一個(gè)邊緣具有 小于約0.5微米的Ra表面粗糙度。37. 如權(quán)利要求29-31中任一項(xiàng)所述的玻璃制品，其特征在于，所述至少一個(gè)邊緣具有 最高達(dá)小于或等于約75微米深度的表面下?lián)p壞。
【文檔編號(hào)】C03B17/02GK106029589SQ201480075647
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2014年12月16日
【發(fā)明人】S·馬加諾維克, G·A·皮切, S·楚達(dá), R·S·瓦格納
【申請(qǐng)人】康寧股份有限公司