用激光来激光切割蓝宝石基材的方法和有系列缺陷边缘的含蓝宝石制品

摘要

激光加工材料来形成分离的零件的方法，以及包含蓝宝石的制品。所述方法包含将脉冲激光束(2a)聚焦成激光束聚焦线(2b),沿着束传播方向观察时,所述激光束聚焦线被引导进入材料(1),所述激光束聚焦线(7)在材料(1)之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料(1)之内沿着激光束聚焦线(2b)形成孔或开裂线，并在多个孔上将散焦二氧化碳(CO2)激光从材料(1)的远端边缘引导至材料(1)的近端边缘。

说明书

相关申请

本申请要求下述的优先权：2013年12月17日提交的美国临时专利申请号61/917,082，2014年07月10日提交的美国临时专利申请号62/022,890，和2014年10月31日提交的美国专利申请号14/529976，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。

背景

材料的激光加工领域包括各种应用和不同种类的材料，该应用涉及切割、钻孔、研磨、焊接、熔融等。在这些应用中，特别感兴趣的一种应用是从不同类型的基材材料切割或分离零件，例如从蓝宝石分离出任意形状。蓝宝石具有非同寻常的硬度和韧度，这些性质使得它具有非常高的耐刮擦性，且其对150纳米-5500纳米的光波长是非常透明的。

蓝宝石用于多种应用中，其依赖于蓝宝石的电学、机械、热学和光学性质的独特和非同寻常的组合。这些应用包括红外光学组件例如用于科学仪器、高耐久性窗户、条形码扫描仪、腕表晶体和移动轴承、和非常薄的电子晶片，其用作特殊目的的固态电子件(大多数是集成电路)的绝缘基材。在半导体工业中，蓝宝石也用作基于氮化镓(GaN)的装置的生长的非导电基材。具体来说，蓝宝石具有低电导率，但具有较高的热导率。因此，蓝宝石提供良好的电气绝缘，其同时有助于带走在所有操作集成电路时产生的大量热量。最近，其已提供作为用于智能手机摄影窗口、屏幕保护和消费者电子产品中的触摸应用的替代材料。

因为蓝宝石非常硬，从这种基材材料制造零件的一个主要挑战是切割过程。通常，通过首先使用尖端含金刚石的刀片在基材中划割图案来实现切割。然后，使划割的轮廓经受将裂纹蔓延进入基材并沿着痕迹的轮廓完全分离零件的机械力，或者在划割之后进行第二遍的圆形金刚石刀片来切穿基材。金刚石刀片具有较小但有限的宽度，且这种分离过程在待分离的两个零件之间保留“街道”(通常大于约40微米)，以容纳金刚石刀片的宽度。为了保持从基材分离的零件边缘的质量，避免基材的毁灭性和不受控的裂纹化，金刚石尖端刀片必须在低速下操作，这延长了分离过程。此外，因为磨损，刀片上的金刚石尖端磨损掉并必须常常更换-频繁到一刀片/晶片，这减慢了制造过程并增加了成本。最后，机械划割过程形成裂纹，其可损坏基材并降低产率(所宣称的典型产率是约70％)。

涉及蓝宝石切割和加工的另一挑战涉及分离的零件的形状。因为蓝宝石的晶体性质，解离和分离优先在与晶面之一对齐的直线上进行。但是，这个相同的特征使得难以切割和分离具有更复杂形状的蓝宝石零件。例如，但从正方形基材分离圆形形状时，取决于诱导的应力和与圆形形状的晶体对齐，裂纹蔓延可能偏离预期的圆形路径，而是沿着阻力最小的路径进行，其遵循结构化晶面之一。

从工艺开发和成本角度看，有许多机会来改善蓝宝石基材的切割和分离。提供比当今市场中所实施的更快、更干净、更便宜、更可重复和更可靠的蓝宝石分离方法是非常有意义的。在几种替代技术中，已使用不同方法尝试和验证了激光分离。所述技术包括：1)实际地除去在所需的零件(或多个零件)的边界之间的材料和其周围的基材基质；2)在材料的本体之内形成缺陷，以沿着所需形状轮廓的周界弱化材料或为材料接种裂纹引发点，然后进行辅助的破碎步骤；和3)通过热应力分离使得初始裂纹扩展。与竞争性技术(机械划割和破裂，高压水喷射和超声研磨等)相比，这些激光切割过程证明了潜在的经济和技术优势，例如精确性、良好的边缘精磨和低残留应力。

然后，仍然需要改善的用于切割和分离蓝宝石的任意形状的方法。

概述

本文所述的实施方式涉及用于从蓝宝石和其它基材材料切割和分离任意形状的激光方法。开发的激光方法可定制用于手动从基材分离零件，或者通过对所需的轮廓施加热应力来进行完全激光分离。所述方法涉及利用超短脉冲激光来在基材中形成开裂线(fault line)，其与所需的从基材分离的零件的形状一致。开裂线限定优选的裂纹扩展路径，其促进分离具有所需形状的零件的分离，同时避免在其它方向上的错误的裂纹扩展和损坏。任选地，在超短脉冲激光之后可使用CO2激光或其它热应力源，以实施完全自动化地从基材分离所述零件。

在一种实施方式中，激光切割材料来形成分离的零件的方法包括将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线,将所述激光束聚焦线引导进入材料,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成孔或缺陷线,使得材料或激光束相对于彼此平移，由此使用激光在材料之内形成多个缺陷线,和在所述多个孔或缺陷线上引导IR激光束。激光束聚焦线可沿着束传播方向进行取向。材料可为蓝宝石。

脉冲激光束的脉冲持续时间可为大于约1皮秒且小于约100皮秒,或大于约5皮秒且小于约20皮秒。脉冲激光束的重复率可为1kHz-2MHz,或10kHz-650kHz。在材料处测量的脉冲激光束的平均激光功率可大于40微焦耳/毫米材料厚度。可以至少两个脉冲的脉冲群(burst)的形式来产生脉冲。脉冲群之内的脉冲可相隔1纳秒-50纳秒,或10纳秒-30纳秒,或15纳秒-25纳秒的持续时间。可将多个脉冲群施加到材料,其中每一脉冲群包含两个或更多个脉冲，且脉冲群重复频率是约1kHz-约2000kHz。

脉冲激光束可具有选定的波长，从而材料在该波长下是基本上透明的。激光束聚焦线的长度可为约0.1mm-约100mm,或约0.1mm-约10mm。激光束聚焦线的平均光斑直径可为约0.1微米-约5微米。

所述方法还可包含将IR激光从材料的近端边缘引导至零件的相切边缘，或者将IR激光从材料的远端边缘引导至零件的相切边缘，从而从材料分离所述零件。引导IR激光束还可包含引导CO2激光束。IR激光束可散焦(defocused)到约2mm-约20mm的光斑尺寸。IR激光束可从材料的远端边缘引导至材料的近端边缘。

一种制品，其包含具有一系列缺陷线的边缘,其中每一缺陷线延伸至少250微米,所述缺陷线的直径小于5微米,所述边缘的表面粗糙度Ra＜0.5微米,且玻璃边缘的表面下损坏是＜100微米。玻璃边缘的表面下损坏还可为＜75微米。缺陷线可延伸穿过制品的全部厚度。缺陷线之间的距离可为大于0.5微米且小于或等于约15微米,且制品厚度可小于1.5mm。所述制品可包含蓝宝石。所述制品还可为圆形盘，或包含上面连接有蓝宝石层的玻璃基材。玻璃基材厚度可为100微米-1mm,蓝宝石层厚度可为1微米-600微米。

又在另一种实施方式中，激光切割材料的方法包括：(i)将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线；(ii)将所述激光束聚焦线引导进入材料,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线；(iii)重复地执行(i)和(ii)，从而在材料之内形成开裂线,所述开裂线包括多个缺陷线；和(iv)在所述开裂线上引导IR激光束。开裂线可为线性的、弯曲的或圆形的。引导IR激光束可沿着开裂线使材料断裂。

这些实施方式具有许多优势，包括使用降低的激光功率来完全分离被切割的零件，减少的表面下缺陷，增加的工艺清洁度，形成不同尺寸的复杂轮廓和形状，和省略工艺步骤。

本发明延伸至：

一种激光切割材料的方法，该方法包括：

将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线；

将所述激光束聚焦线引导进入材料,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线；

使得材料或激光束相对于彼此平移，由此使用激光在材料之内形成多个缺陷线；和

在所述多个缺陷线上引导IR激光束。

本发明延伸至：

一种含蓝宝石的制品，所述制品包含具有一系列缺陷线的边缘,其中每一缺陷线延伸至少250微米,所述缺陷线的直径小于5微米,所述边缘的表面粗糙度Ra＜0.5微米,且边缘的表面下损坏是＜100微米。

本发明延伸至：

一种激光切割材料的方法，该方法包括：

(i)将脉冲激光束聚焦成激光束聚焦线；

(ii)将所述激光束聚焦线引导进入材料,所述激光束聚焦线在材料之内产生诱导吸收,所述诱导吸收在材料之内沿着激光束聚焦线形成缺陷线；

(iii)重复地执行(i)和(ii)，从而在材料之内形成开裂线,所述开裂线包括多个缺陷线；和

(iv)在所述开裂线上引导IR激光束。

附图简要说明

根据下文对如在附图中所示的示例实施方式的更具体的描述，上述内容将变得显而易见，在附图中在全部不同的视图中相同的附图标记表示相同的部分。附图不必按比例绘制，相反重点是显示实施方式。

图1A-1C是:图1A:用激光透过样品形成开裂线的示意图；图1B:在分离之后具有缺陷线的边缘的示意图；图1C:分离的边缘的光学照片。

图2A和2B显示设置激光束聚焦线,即因沿着聚焦线的诱导吸收而导致的加工对于激光波长而言是透明的材料。

图3A是用于激光钻孔的光学组装件的示意图。

图3B-1到3B-4显示通过相对于基材不同地设置激光束聚焦线来加工基材的各种可能性。

图4是用于激光钻孔的第二光学组装件的示意图。

图5A和5B显示用于激光钻孔的第三光学组装件。

图6是用于激光钻孔的第四光学组装件的示意图。

图7A-7C显示用于材料的激光加工的不同状况。图7A:未聚焦的激光束；图7B:用球形透镜浓缩的激光束；图7C:用轴棱锥或衍射性菲涅耳(Fresnel)透镜浓缩的激光束。

图8A显示用于皮秒激光器的激光发射随时间的变化。每一发射的特征包括脉冲“群”，其可包含一个或多个子脉冲。显示了对应于脉冲持续时间、脉冲之间的间隔以及脉冲群之间的间隔的时间。

图8B的光学照片显示直线切割的0.55毫米厚蓝宝石基材的带材的边缘图象。

图9的光学照片显示从0.55毫米厚样品分离的蓝宝石按钮。有些按钮是手动分离的，其它的是部分地借助CO₂激光分离的，有些是完全用于CO₂激光分离的。

图10A和10B显示含圆形和释放线的开裂线穿孔顺序，其用皮秒激光器(图10A)来形成,然后进行CO₂激光追踪(图10B)以从原始的板释放出按钮。

具体描述

下面将描述示例实施方式。

本文所述的实施方式提供从包含蓝宝石的基材精确切割和分离任意形状的激光方法。含蓝宝石的基材可为纯蓝宝石、蓝宝石与一种或多种其它材料的复合材料、蓝宝石混合物、蓝宝石涂覆的材料和具有与其集成的蓝宝石的材料。在一种实施方式中，含蓝宝石的基材是上面连接、粘结、层压或涂覆有蓝宝石层的玻璃。本文中对蓝宝石、蓝宝石基材等的引用设想成延伸到广义上的含蓝宝石的基材。所述方法以可控方式分离零件，且具有可忽略的碎片、极少的缺陷和对边缘的较低的表面下损坏，从而保留零件强度。激光切割方法非常适用于对选定的激光波长是透明的材料。材料应优选地对选定的激光波长是基本上透明的(即，吸收小于约10％和优选地小于约1％/微米的材料深度)。使用0.55毫米厚在两侧上抛光的C轴切割的蓝宝石片材来演示这种方法。

加工基础步骤是使用超短激光脉冲来形成开裂线，其描绘分离零件的所需形状。开裂线形成用于裂纹扩展的具有最低阻力的路径，并因此对从基材基质分离和拆分具有最低阻力。可调节和构造激光分离方法来实现从原始的基材手动分离、部分分离或完全分离蓝宝石形状。

根据如下所述的激光方法，在单一遍中，可使用激光来透过基材或材料形成高度受控的完全线穿孔，且具有极少的(＜75微米，常常＜50微米)表面下损坏和碎片形成。这与典型的使用光斑聚焦的激光来烧蚀材料不同，后者烧蚀材料时常需要多遍的激光来完全穿透玻璃厚度，从烧蚀过程形成大量的碎片，且出现更大范围的表面下损坏(＞微米)和边缘碎屑。

如本文所使用，表面下损坏指根据本发明的从基材或材料分离的零件或者进行激光加工的材料的最大尺寸(例如，长度、宽度、直径)。因为激光缺陷从周界表面延伸，还可将表面下损坏看作从周界表面的最大深度，其中出现来自本发明激光加工的损坏。在本文中，可将分离的零件的周界表面称作分离的零件的边缘或边缘表面。结构缺陷可为裂纹或空穴，并表示机械弱点的点，其促进从基材或材料分离的零件的断裂或失效。通过使得表面下损坏的尺寸最小化，本发明的方法改善了分离的零件的结构完整性和机械强度。表面下损坏可限制于下述量级：小于或等于100微米深度，或小于或等于75微米深度，或小于或等于60微米深度，或小于或等于50微米深度，且切割可只产生较少的碎片。

因此，能使用一个或多个高能脉冲或高能脉冲的一个或多个脉冲群，在透明材料中形成微观(即，直径＜0.5微米且＞100纳米)的细长缺陷线(本文也称作穿孔或损坏痕迹)。穿孔表示被激光改变的基材材料的区域。激光诱导的改性打乱基材材料的结构，并构造机械弱点的位点。结构打乱包括材料的密实化、熔融、移动，重排和键裂开。穿孔延伸进入基材材料，并具有与激光的横截面形状(通常是圆形)一致的横截面形状。穿孔的平均直径可为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。在一些实施方式中,穿孔是“通孔”,其是从基材材料的顶部延伸到底部的孔或开口通道。在一些实施方式中，穿孔可以不是连续地开放的通道，且包括用激光从基材材料移出的固体材料部分。移出的材料堵塞或部分堵塞由穿孔限定的空间。在移出材料的部分之间可分散一个或多个开放通道(未堵塞的区域)。开放通道的直径可为＜1000nm,或＜500nm,或＜400nm,或＜300nm或为10nm-750nm,或100nm-500nm。在本文所述的实施方式中,环绕孔的材料的打乱的或改变的区域(例如实密化的、熔融的或以其它方式改变的)优选地具有<50微米(例如,<10微米)的直径。

单个穿孔可以几百千赫(例如几十万个穿孔/秒)的速率来形成。因此，借助激光源与材料之间的相对移动，可将这些穿孔邻近彼此设置(空间间距如所需地从亚微米变化到几微米)。可选定这些空间间距来促进切割。

在第一步中，用超短脉冲激光束辐射蓝宝石基材或上面具有蓝宝石层的玻璃基材，该脉冲激光束浓缩成高长径比线状聚焦，其穿透过基材的厚度或穿透过玻璃和位于其上的蓝宝石层的厚度。当玻璃基材具有连接其上的蓝宝石层时，玻璃基材可为100微米-1毫米厚，例如蓝宝石厚度可为薄的涂层到较厚的600微米的层，且厚度大于600微米的蓝宝石层厚度可预期变得过脆。在通过使用超短脉冲激光束形成的高能量密度的这个体积之内，通过非线性效应来改性材料。非线性效应提供将能量从激光束转移到基材的机理，其实现形成垂直的缺陷线。需特别指出的是，没有这种高光学强度，就不能引发非线性吸收。在低于用于非线性效应的强度阈值情况下，材料对激光辐射是透明的，且仍然处于其原始状态。通过在所需的线或路径上扫描激光，形成较窄的开裂线(几微米宽，由多个垂直缺陷线形成)，其限定待从基材分离的零件的周界或形状。

由高强度激光束诱导的非线性效应包括在透明材料中的多光子吸收(MPA)。MPA是同时吸收多个(两个或更多个)相同或不同频率的光子，从而将材料从较低能态(通常是基态)激发到较高能态(激发态)。激发态可为激发的电子态或离子化态。材料的较高和较低能态之间的能量差异等于所述两个或更多个光子的能量之和。MPA是非线性过程，其通常比线性吸收更弱几个数量级。其与线性吸收的不同之处在于MPA的强度取决于光强度的平方或更高的幂，因此使得其是非线性光学过程。在常规光强度下，MPA可忽略。如果光强度(能量密度)极高，例如在激光源(特别是脉冲激光源)的聚焦区域中，MPA变得可观并在材料中在其中光源的能量密度足够高的区域中，导致可测量的效应。在聚焦区域之内，能量密度可足够高，从而足以导致离子化。

在原子水平，单独的原子的离子化具有离散的能量要求。玻璃中常用的几种元素(例如Si,Na,K)具有较低的离子化能(～5eV)。在没有MPA现象的情况下，需要在约248纳米波长来在～5eV下形成线性离子化。有MPA时，能量相隔～5eV的态之间的离子化或激发可使用长于248纳米的波长来实现。例如，波长为532纳米的光子的能量是～2.33eV,因此例如在双光子吸收(TPA)中，两个波长为532的光子可诱导能量相隔能量约为4.66eV的态之间的转变。因此，例如可在材料的区域中选择性地激发或离子化原子和键，其中激光束的能量密度高到足以例如诱导具有一半所需激发能量的激光波长的非线性TPA。

MPA可导致激发的原子或键与相邻原子或键的局部重构和分离。键接或构造中的所得改性可导致非热烧蚀，并从发生MPA的材料区域除去物质。物质的这种除去形成结构缺陷(例如缺陷线、损坏线或“穿孔”)，其机械地弱化材料，并使得它在施加机械应力或热应力时更容易形成裂纹或断裂。通过控制穿孔的设置，可精确地限定裂纹形成所沿着的轮廓或路径，并可实现精确地微加工材料。由一系列穿孔限定的轮廓可看作开裂线，并对应于材料中结构弱化的区域。在一种实施方式中，微加工包括用激光从加工的材料分离零件，其中所述零件具有由穿孔的封闭轮廓决定的精确限定的形状或周界，其通过由激光诱导的MPA效应来形成。如本文所使用，术语封闭的轮廓指由激光线形成的穿孔路径，其中所述路径在某些位置与其自身相交。内部轮廓是一种形成的路径，其中所得形状完全被材料的外部部分环绕。

一旦形成具有垂直缺陷的开裂线，可通过下述方式来进行分离：1)在开裂线上或周围的手动或机械应力；应力或压力应形成张力，其将开裂线的两侧牵拉开，并打碎仍然连接在一起的区域；2)使用热源来绕着开裂线形成应力区域，从而使垂直缺陷线处于张力中，并诱导部分的或全部的自发分离。在两种情况下，分离都取决于加工参数，例如激光扫描速度、激光功率、透镜参数、脉冲宽度、重复率等。

本发明提供用于以可控方式从蓝宝石或其它基材精确切割和分离出任意形状的激光方法和设备，其具有可忽略的碎片和对分离的零件边缘的极少损坏。对分离零件边缘的损坏是现有技术切割过程的共同特征，且导致弱化该分离的零件。本发明的方法避免了边缘损坏，以保留分离的零件的强度。

开发的激光方法依赖于基材材料对在功率(较低激光强度)的线性状况下激光波长的透明性。透明性减少或阻止对基材表面的损坏以及离开由聚焦激光束限定的高强度区域的表面下损坏。这种方法的特征之一是由超短脉冲激光形成的缺陷线(在本文也称作穿孔或损坏痕迹)的高长径比。它使得形成从基材材料的顶部表面延伸到底部表面的缺陷线。缺陷线可通过单一脉冲或脉冲的单一脉冲群来形成，如有需要，可使用额外的脉冲或脉冲群来增加受影响区域的范围(例如，深度和宽度)。

如图1A-1C所示，切割和分离蓝宝石的方法主要基于使用超短脉冲激光140在基材材料130中形成开裂线110，该开裂线110由多个垂直缺陷线120形成。取决于材料性质(吸收，CTE，应力，组成等)和选定用于加工材料130的激光参数，仅形成开裂线110即可足以诱导自发分离。在这种情况下，无需辅助的分离过程，例如张力/弯曲力，加热或CO₂激光。

在一些实施方式中，形成的开裂线不足以自发地分离零件，且可能需要辅助的步骤。如需要这样，例如可使用第二激光来形成热应力以分离零件。在蓝宝石的情况下，可通过下述方式来实现分离：在形成开裂线之后，施加机械力或使用热源(例如红外激光，例如CO₂激光)来形成热应力，并迫使零件从基材分离。另一种选择是只用CO₂激光来启动分离，然后手动地完成分离。例如，使用在10.6微米下发射的散焦cw激光和使用通过控制其占空度调节的功率，来实现任选的CO₂激光分离。使用聚焦变化(即，散焦的范围最高达且包括聚焦的光斑尺寸)，通过改变光斑尺寸来改变诱导的热应力。散焦激光束包括产生下述光斑尺寸的激光束：该光斑尺寸大于在激光波长尺寸量级上的最小、衍射限制的光斑尺寸。例如，对于CO₂激光可使用约7毫米、2毫米和20毫米的散焦光斑尺寸，考虑到10.6微米的发射波长，例如它的衍射限制的光斑尺寸小得多。沿着开裂线110方向的相邻缺陷线120之间的距离例如可为0.25微米-50微米,或0.50微米-约20微米,或0.50微米-约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。

存在几种方法来形成缺陷线。形成线状聚焦的光学方法可具有多种形式，使用圆环状激光束和球形透镜,轴棱锥透镜,衍射元件,或其它方法来形成高强度的线性区域。激光的类型(皮秒,飞秒等)和波长(IR,绿色,UV等)也可改变，只要在聚焦的区域中达到足够的光学强度，以通过非线性光学效应来分解基材材料(例如蓝宝石或上面具有蓝宝石层的玻璃)。例如，可将蓝宝石层连接到玻璃基材上。玻璃基材可包括高性能玻璃，例如康宁的或廉价的玻璃例如钠钙玻璃。

在本发明中，使用超短脉冲激光以一致的、可控的和可重复的方式来形成高长径比的垂直缺陷线。实现形成这种垂直缺陷线的光学装置的细节如下所述，且还参见2013年1月15日提交的美国专利申请号61/752,489，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。这个概念的本质是在光学透镜组装件中使用轴棱锥透镜原件，从而使用超短(皮秒或飞秒持续时间)Bessel束来形成高长径比的、不逐渐减小的微通道区域。换句话说，轴棱锥在基材材料中将激光束浓缩成圆筒形状和高长径比(较长的长度和较小的直径)的高强度区域。因为使用浓缩的激光束形成高强度，出现激光的电磁场和基材材料的非线性相互作用，并将激光能量转移到基材，从而形成缺陷，所述缺陷变成开裂线的组成。但是，应特别指出的是，在激光能量强度不高的材料区域中(例如基材表面，环绕中央汇聚线的基材体积)，材料对激光是透明的，且不存在将能量从激光转移到材料的机理。结果，当激光强度低于非线性阈值时，基材没有发生任何事情。

转向图2A和2B,对材料进行激光钻孔的方法包含将脉冲激光束2聚焦成沿着束传播方向观察时的激光束聚焦线2b。激光束聚焦线2b可通过多种方法来形成，例如Bessel束、Airy束、Weber束和Mathieu束(即，非衍射性束)，它们的场轮廓通常通过专用函数给出，与Gaussian函数相比，它们在横向方向(即，传播方向)衰减更慢。如图3A所示,激光器3(未显示)发射激光束2,其具有入射到光学组装件6的部分2a。在输出侧上，沿着束方向在限定的膨胀范围上(聚焦线的长度l)，光学组装件6将入射激光束转变成激光束聚焦线2b。平坦基材1设置在束路径中，从而至少部分地与激光束2的激光束聚焦线2b重叠。分别地，附图标记1a表示朝向光学组装件6或激光的平坦基材的表面,附图标记1b表示基材1的逆向表面。基材或材料厚度(在该实施方式中，垂直于平面1a和1b，即垂直于基材平面测量)用d标记。

如图2A所示,基材1(或上面具有层叠的蓝宝石基材材料的玻璃)基本上垂直于纵向束轴对齐，因此在由光学组装件6产生的相同的聚焦线2b后面(基材垂直于附图平面)。沿着束方向观察时,相对于聚焦线2b设置基材使得聚焦线2b从基材的表面1a之前开始并在基材的表面1b之前结束,即聚焦线2b在基材之内终止且不延伸超出表面1b。在激光束聚焦线2b与基材1的重叠区域中,即在被聚焦线2b覆盖的基材材料中,激光束聚焦线2b产生(假设沿着激光束聚焦线2b形成合适的激光强度,该强度通过激光束2在长度l部分上的聚焦即长度l的线状聚焦来确保)部分2c(沿着纵向束方向对齐)，且沿着部分2c在基材材料中产生诱导吸收。诱导吸收沿着部分2c在基材材料中诱导形成缺陷线。缺陷线的形成不是局部的，而是在诱导吸收的部分2c的全部长度上延伸。部分2c的长度(其对应于激光束聚焦线2b与基材1重叠的长度)用附图标记L标记。诱导吸收2c的部分(或基材1材料中经历形成缺陷线的部分)的平均直径或范围用附图标记D标记。这种平均范围D基本上对应于激光束聚焦线2b的平均直径δ,即约0.1微米-约5微米的平均光斑直径。

如图2A所示,因为沿着聚焦线2b的诱导吸收，加热基材材料(对激光束2的波长λ是透明的)，其源自与聚焦线2b之内的激光束的高强度相关的非线性效应(例如，双光子吸收，多光子吸收)。图2B显示加热的基材材料最终发生膨胀，从而相应的诱导张力导致形成微观裂纹，且在表面1a处张力最大。

下面描述了可用来产生聚焦线2b的代表性光学组装件6,以及其中可应用这些光学组装件的代表性光学装置。所有组装件或装置基于上述，从而相同的附图标记用于相同的组件或特征或功能上等同的那些。因此，下面只描述不同之处。

为了确保沿着分离零件进行分离的分离零件表面的高质量(涉及破碎强度、几何精确性、粗糙度和避免再次加工的要求),在基材表面上沿着分离线设置的单个聚焦线应使用如下所述的光学组装件来产生(下文中,光学组装件也可称作激光光学器件)。分离表面(分离的零件的周界表面)的粗糙度主要由聚焦线的光斑尺寸或光斑直径决定。例如，表面的粗糙度可通过由ASME B46.1标准限定的Ra表面粗糙度参数来表征。如ASME B46.1所述,Ra是在评估的长度之内记录的表面轮廓高度偏离平均线的绝对值的算术平均值。换句话说，Ra是表面的单个特征(峰和谷)相对于平均值的一组绝对高度偏差的平均值。

在激光3(与基材1材料相互作用)的给定波长λ的情况下，为了获得例如0.5微米-2微米的较小的光斑尺寸，通常必须对激光光学器件6的数值孔径施加某些要求。通过使用如下所述的激光光学器件6来满足这些要求。另一方面，为了获得所需的数值孔径，光学器件必需设置成需要用于给定焦距的开口，根据已知的Abbé公式(N.A.＝nsin(θ),n：被加工的材料的折射率,θ：孔径角的一半；且θ＝arctan(D_L/2f)；D_L：光圈直径,f：焦距)。另一方面,激光束必须照射最高达所需的孔径的光学器件，这通常通过在激光和聚焦光学器件之间使用宽化望远镜的束扩展来实现。

为了沿着聚焦线的均匀的相互作用，光斑尺寸变化不应太大。例如,这可通过下述来确保(参见下文的实施方式)：只在较小的圆形区域照射聚焦光学器件，从而束开口和因此数值孔径的百分比只稍微发生变化。

根据图3A(垂直于基材平面且在激光辐射2的激光束簇中的中央束处的截面；这里，激光束2也垂直地入射到基材平面(在进入光学组装件6之前),即入射角θ是0°，从而聚焦线2b或诱导吸收2c的部分平行于基材法向),由激光器3发射的激光辐射2a首先引导至圆形光圈(aperture)8上，其对所用的激光辐射是完全不透明的。使光圈8取向成垂直于纵向束轴并在所示束簇2a的中央束上居中。选定光圈8的直径，使得靠近束簇2a的中心的束簇或中央束(这里用2aZ标记)撞击光圈，并被其完全吸收。因为与束直径相比光圈尺寸下降，所以只有在束簇2a外周范围的束(边际射线，这里用2aR标记)没有被吸收，而是从侧边通过光圈8并撞击光学组装件6的聚焦光学元件的边际区域，在该实施方式中，所述光学组装件6的聚焦光学元件设计成球形切割的、双凸透镜7。

透镜7在中央束上居中，且设计成常用球形切割透镜形式的非校准的双凸聚焦透镜。这种透镜的球形偏差可为优选的。作为替代，还可使用偏离理想的校准系统的非球形或多透镜系统，其不形成理想的焦点而是形成具有限定长度的不同的细长聚焦线(即，没有单一焦点的透镜或系统)。透镜的区域因此沿着聚焦线2b聚焦，受制于与透镜中心的距离。越过束方向的光圈8的直径约为束簇直径的90％(由束强度降低到最大强度的1/e²所需的距离来限定)且约为光学组装件6的透镜7直径的75％。因此，使用通过在中央阻断束簇而产生的非色差校准球形透镜7的聚焦线2b。图3A显示通过中央束的平面中的截面，且当所示的束绕着聚焦线2b旋转时，可看见完整的三维簇。

用图3A所示的透镜7和系统形成的这类聚焦线的一个潜在不足在于条件(光斑尺寸、激光强度)可沿聚焦线变化(并沿着材料中所需的深度变化)，因此所需类型的相互作用(无熔融、诱导吸收、直至裂纹形成的热塑性变形)可能只在聚焦线的选定部分中发生。这进而意味着可能只有一部分的入射激光由基材材料以所需的方式吸收。这样，可能会降低该工艺的效率(用于所需分离速度的所需的平均激光功率)，且激光还可能会传输进入不需要的区域(粘合到基材的零件或层或者固定基材的固定件)，并以不利的方式(例如，加热、扩散、吸收、不想要的改性)与它们相互作用。

图3B-1-4表明(不仅用于图3A中的光学组装件,而且用于任何其它可应用的光学组装件6)可通过下述来控制激光束聚焦线2b的位置：合适地相对于基材1设置和/或对齐光学组装件6以及合适地选定光学组装件6的参数。如图3B-1所示,可调节聚焦线2b的长度l，使得它超出基材厚度d(这里是2倍)。如果将基材1设置成(沿纵向束方向观察)居中于聚焦线2b,那么在全部基材厚度上产生诱导吸收2c的部分。例如，激光束聚焦线2b的长度l可为约0.1mm-约100mm或约0.1mm-约10mm,或约0.1mm-约1mm。例如，各种实施方式可构造成包括约0.1mm,0.2mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.7mm,1mm,2mm,3mm或5mm的长度l。

在图3B-2所示的情况中,产生长度l的聚焦线2b，其或多或少对应于基材厚度d。因为以线条2b在基材以外的点处开始的方式来相对于线条2b设置基材1，诱导吸收2c的部分(其从基片表面延伸到限定的基材深度但没有到达逆向表面1b)的长度L小于聚焦线条2b的长度l。图3B-3显示其中基材1(沿着束方向观察)设置在聚焦线条2b的起始点上方的情况，从而类似于图3B-2，线条2b的长度l大于基材1中诱导吸收2c的部分的长度L。因此，聚焦线条在基材之内开始，并延伸超出逆向(远离的)表面1b。图3B-4显示其中聚焦线条长度l小于基材厚度d的情况，从而-在相对于聚焦线条居中地设置基材且沿入射方向观察的情况下-聚焦线条在表面1a附近从基材之内开始并在表面1b附近在基材之内结束(例如l＝0.75·d)。

以下述方式来设置聚焦线条2b是特别优选的：表面1a，1b中的至少一个被聚焦线条覆盖，从而诱导吸收2c的部分从基材的至少一个表面上开始。这样，能获得实质上理想的切割，同时避免在表面处烧蚀、羽化和颗粒化。

图4显示另一可用的光学组装件6。基础构造与图3A所示相同，所以下面只描述不同之处。所示的光学组装件基于使用非球形自由表面的光学器件，从而产生聚焦线条2b，其成形为形成具有限定长度l的聚焦线条。为此，可将非球面用作光学组装件6的光学元件。例如，在图4中使用了所谓的锥形棱柱，其也称作轴棱锥。轴棱锥是特殊的、锥形切割的透镜，其在沿着光学轴的线上形成光斑源(或者将激光束转换成环)。这种轴棱锥的布置是本技术领域所公知的；在实施例中的锥角是10°。这里用附图标记9标记的轴棱锥的顶点朝向入射方向，并在束中央上居中。因为由轴棱锥9产生的聚焦线条2b在其内部之内开始，可将基材1(这里与主束轴垂直对齐)设置在束路径中且直接在轴棱锥9后面。如图4所示，因为轴棱锥的光学特征，还可沿着束方向移动基材1，同时仍然在聚焦线条2b的范围之内。因此，在基材1的材料中的诱导吸收2c的部分在全部基材深度d上延伸。

但是，所示的布局受到下述限制：因为由轴棱锥9形成的聚焦线条2b的区域在轴棱锥9之内开始，当在轴棱锥9和基材材料之间存在间隔时，显著部分的激光能量没有聚焦进入位于材料之内的聚焦线条2b的诱导吸收2c的部分。此外，通过轴棱锥9的折射率和锥角，使聚焦线2b的长度l与束直径相关。这是在较薄材料(在这种情况下几个毫米)的情况下，总聚焦线比基材厚度长得多的原因,其具有使大多数的激光能量不聚焦进入材料的影响。

为此，可能需要使用同时包含轴棱锥和聚焦透镜的光学组装件6。图5A显示这种光学组装件6，其中将含设计成形成激光束聚焦线2b的非球形自由表面的第一光学元件(沿着束方向观察)设置在激光3的束路径中。在图5A所示的情况中,这个第一光学元件是锥角为5°的轴棱锥10,其垂直于束方向设置并在激光束3上居中。轴棱锥的顶点朝着束方向取向。第二聚焦光学元件(这里是平面-凸透镜11(其弯曲部分朝向轴棱锥取向))沿束方向设置，并与轴棱锥10相距距离z1。在这种情况下，距离Z1是约300mm,其以下述方式来选定：使由轴棱锥10形成的激光辐射在透镜11的外部径向部分上以圆形的方式入射。在限定长度(在这种情况下是1.5mm)的聚焦线2b上，透镜11在距离Z2(在这种情况下，与透镜11相距约20mm)处在输出侧上聚焦该圆形辐射。在该实施方式中，透镜11的有效焦距是25毫米。通过轴棱锥10对激光束进行的圆形变换用附图标记SR标记。

图5B详细显示根据图5A在基材1材料中形成聚焦线2b或诱导吸收2c。以下述方式选定两元件10，11的光学特征以及它们的设置：在束方向上的聚焦线2b的长度l与基材1的厚度d精确地相同。结果，需要沿着束方向精确地设置基材1，从而聚焦线2b的位置精确地在基材1的两个表面1a和1b之间，如图5B所示。

因此，如果在离开激光光学器件一定距离形成聚焦线，以及如果将更大部分的激光辐射聚焦到所需的聚焦线条端部，将是优选的。如本文所述，这可通过下述来实现：仅仅在特定的外部径向区域上以圆形(环形)的方式照射主要聚焦元件11(透镜)，这一方面用于获得所要求的数值孔径和因此获得所要求的光斑尺寸,然而另一方面,在所需的聚焦线条2b之后，在光斑中心中非常短的距离上，扩散的圆的强度下降，因为形成基本上圆形的光斑。通过这样的方式,在所要求的基材深度的较短距离之内停止缺陷线形成。轴棱锥10和聚焦透镜11的组合满足这个要求。轴棱锥以两种不同方式起作用：因为轴棱锥10，以环的形式将通常为圆形的激光光斑发射到聚焦透镜11，且轴棱锥10的非球形具有下述效果：超过透镜的焦平面形成聚焦线条，而不是在焦平面内的焦点上形成聚焦线条。可通过轴棱锥上的束直径来调节聚焦线2b的长度l。另一方面,可通过距离Z1(轴棱锥-透镜间距)和通过轴棱锥的锥角，来调节沿着聚焦线的数值孔径。这样,可在聚焦线中浓缩全部激光能量。

如果希望缺陷线的形成继续到基材背面，圆形(环形)照射仍然具有下述优势：(1)最佳地使用激光功率，因为大多数的激光仍然在聚焦线的所要求的长度中浓缩和(2)能获得沿着聚焦线的均匀的光斑尺寸-和因此获得沿着聚焦线的零件与基材的均匀分离–这是由环形照明的区域以及通过其它光学作用设定的所需色差带来的。

与图5A所示的平面-凸透镜不同，还可使用聚焦半月形透镜或另外的较高程度校准的聚焦透镜(非球形的、多透镜系统)。

为了使用图5A所示的轴棱锥和透镜的组合来产生非常短的聚焦线2b，必需选定非常小的在轴棱锥上入射的激光束的束直径。这具有实际的不足：将束居中到轴棱锥的顶点上必须非常精确，结果对激光的方向变化(束漂移稳定性)非常敏感。此外，严格准直的激光束是非常分散的，即因为光挠曲，束簇在短距离上变得模糊。

如图6所示，通过在光学组装件6中包括另一透镜(准直透镜12)，可避免这两种效应。额外的正像(positive)透镜12用于非常紧密地调节聚焦透镜11的圆形照射。以下述方式选定准直透镜12的焦距f’：所需的圆形直径dr来自轴棱锥与准直透镜12的距离Z1a，其等于f’。可通过距离Z1b(准直透镜12到聚焦透镜11)来调节环的所需宽度br。作为纯几何学的问题，较小的圆形照射的宽度导致较短的聚焦线条。在距离f’处可获得极小值。

因此，在图6中描述的光学组装件6基于图5A所示的光学组装件，因此下文只描述不同之处。准直透镜12在本文中也设计成平面-凸透镜(其弯曲部分朝向束方向)，将其额外地居中设置在一侧上的轴棱锥10(其顶点朝向束方向)和在另一侧上的平面-凸透镜11之间的束路径上。将准直透镜12与轴棱锥10的距离称作Z1a,聚焦透镜11与准直透镜12的距离称作Z1b,和将聚焦线2b与聚焦透镜11的距离称作Z2(总是沿束方向观察)。如图6所示,由轴棱锥10形成的圆形辐射SR在准直透镜12上发散地入射并具有圆直径dr,可沿着距离Z1b将其调节到所要求的圆形宽度br，使得至少在聚焦透镜11处形成近似恒定的圆直径dr。在所示的情况中，预期产生非常短的聚焦线2b，从而因为透镜12的聚焦性质(在该实施例中，圆直径dr是22mm)，将透镜12处约4mm的圆宽度br降低到透镜11处的约0.5mm。

在所示实施例中，能获得小于0.5mm的聚焦线长度l，其使用2mm的典型激光束直径,聚焦透镜11的焦距f＝25mm,准直透镜的焦距f’＝150mm,和选定距离Z1a＝Z1b＝140mm和Z2＝15mm。

图7A-7C显示在不同激光强度状况下的激光-物质相互作用。在第一种情况下，如图7A所示，未聚焦的激光束710穿过透明基材720且没有对所述透明基材720带来任何改性。在这种特别的情况下，不存在非线性效应，因为激光能量密度(或激光能量/用激光束照射的单位面积)低于诱导非线性效应所需的阈值。能量密度越高，电磁场的强度越高。因此，如图7B所示，当用球形透镜730将激光束聚焦到更小的光斑尺寸(如图7B所示)时，照射的区域减小，且能量密度增加，这引发非线性效应，所述非线性效应改性材料以允许只在满足条件的体积中形成开裂线。这样，如果聚焦的激光的束腰部设置在基材表面，那么将发生表面的改性。相反，如果聚焦的激光的束腰部设置在基材表面以下，当能量密度低于非线性光学效应阈值时，在表面处不发生任何事情。但是在设置于基材720本体中的焦点740处，激光强度高到足以引发多光子非线性效应，由此诱导对材料的破坏。最终，如图7C所示，在轴棱锥的情况下(如图7C所示)，轴棱锥750或替代的菲涅耳轴棱锥的衍射图案形成干涉，所述干涉产生Bessel状的强度分布(高强度圆筒760)，且只有在这个体积中强度高到足以形成非线性吸收和对材料720的改性。

激光和光学系统

为了切割蓝宝石，开发了一种方法，所述方法使用1064纳米皮秒激光器以及形成线状聚焦束的光学器件来在基材中形成缺陷线。设置0.55毫米厚的蓝宝石基材，从而它在由光学器件产生的聚焦线的区域之内。使用长度为约1毫米的聚焦线和在材料处测量的200kHz(脉冲模式中约120微焦耳/脉冲，或脉冲群模式中约120微焦耳/脉冲群)重复率下大于或等于约24W的输出功率的皮秒激光器，聚焦线区域中的光学强度可容易地高到足以在蓝宝石或含蓝宝石的基材材料中形成非线性吸收。在蓝宝石基材之内形成损坏的、烧蚀的、蒸发的或以其它方式改变的材料的区域，其近似遵循高强度的线性区域。

超短(脉冲持续时间在几十皮秒的量级或更短)激光可以脉冲模式或脉冲群模式操作。在脉冲模式中，从激光器发射一系列标称地相同的单一脉冲，并引导至基材。在脉冲模式中，通过脉冲之间的时间间隔来决定激光的重复率。在脉冲群模式中，从激光发射脉冲的脉冲群，其中每一脉冲群包括两个或更多个脉冲(具有相同或不同的幅度)。在脉冲群模式中，脉冲群之内的脉冲通过第一时间间隔(其限定脉冲群的脉冲重复率)隔开，且脉冲群通过第二时间间隔(其限定脉冲群重复率)隔开，其中第二时间间隔通常比第一时间间隔长得多。如本文所使用(无论是在脉冲模式或脉冲群模式的情况下)，时间间隔指脉冲或脉冲群的相应部分(例如，前沿到前沿，峰到峰，或后沿到后沿)之间的时间差。通过激光的设计来控制脉冲和脉冲群重复率，且通常在极限之内可通过调节激光的操作条件来进行调节。典型的脉冲和脉冲群重复率是kHz到mHz。激光脉冲持续时间(在脉冲模式中或用于在脉冲群模式中的脉冲群之内的脉冲)可为小于或等于10^-10秒,或小于或等于10^-11秒,或小于或等于10^-12秒，或小于或等于10^-13秒。在本文所述的示例性实施方式中,激光脉冲持续时间大于10^-15。

具体来说,如图8A所示,根据本文所述的选定实施方式,皮秒激光器形成脉冲500A的"脉冲群"500,有时也称作“群脉冲”。脉冲群是一种激光操作，其中脉冲发射不是均匀和稳定的流，而是脉冲的紧密簇。每一"脉冲群"500可包含多个脉冲500A(例如2脉冲,3脉冲,4脉冲,5脉冲,10,15,20,或更多)，其具有最高达100皮秒的非常短的持续时间T_d(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,或在它们之间)。脉冲持续时间通常是约1皮秒-约1000皮秒,或约1皮秒-约100皮秒,或约2皮秒-约50皮秒,或约5皮秒-约20皮秒。单一脉冲群500之内的这些单独脉冲500A也可称作“子脉冲”，其只是表示它们在出现在脉冲的单一脉冲群之内的事实。脉冲群之内每一激光脉冲500A的能量或强度可与该脉冲群之内的其它脉冲的能量或强度不相同,且脉冲群500之内多个脉冲的强度分布可遵循随时间的指数衰减，其由激光设计控制。优选地,在本文所述的示例性实施方式中的脉冲群500之内的每一脉冲500A在时间上与所述脉冲群中的后续脉冲相隔1纳秒-50纳秒的持续时间T_p(例如10-50纳秒,或10-40纳秒,或10-30纳秒),且时间常常由激光腔设计来控制。对于给定激光,脉冲群500之内每一脉冲之间的时间间隔T_p(脉冲到脉冲间隔)是较均匀的(±10％)。例如，在一些实施方式中，每一脉冲在时间上与后续的脉冲相隔约20纳秒(50mHz脉冲重复频率)。例如,对于产生约20纳秒脉冲到脉冲间隔T_p的激光,将脉冲群之内的脉冲到脉冲间隔T_p保持在约±10％之内,或是约±2纳秒。每一“脉冲群”之间的时间(即,脉冲群之间的时间间隔T_b)将大得多,(例如,0.25≤T_b≤1000微秒,例如1-10微秒,或3-8微秒)。例如，在本文所述的激光的一些示例性实施方式中,对于约200kHz的激光重复率或重复频率，T_b可为约5微秒。在本文中，激光重复率也称作脉冲群重复频率或脉冲群重复率，且定义为脉冲群中第一脉冲到后续的脉冲群中第一脉冲之间的时间。在其它实施方式中,脉冲群重复频率是约1kHz-约4MHz,或约1kHz-约2MHz,或约1kHz-约650kHz,或约10kHz-约650kHz。在每一脉冲群中的第一脉冲到后续脉冲群中第一脉冲之间的时间T_b可为0.25微秒(4MHz脉冲群重复率)-1000微秒(1kHz脉冲群重复率),例如0.5微秒(2MHz脉冲群重复率)-40微秒(25kHz脉冲群重复率),或2微秒(500kHz脉冲群重复率)-20微秒(50kHz脉冲群重复率)。确切的时机、脉冲持续时间和重复率可根据激光设计和用户可控的操作参数而改变。已证明具有高强度的短脉冲(T_d<20皮秒，优选地T_d≤15皮秒)非常有用。

改变材料所要求的能量可通过脉冲群能量–在脉冲群之内包含的能量(每一脉冲群500包含一系列脉冲500A)来描述,或通过在单一激光脉冲之内包含的能量(其中的许多可包含脉冲群)来描述。对于这些应用，能量/脉冲群(/毫米待切割的材料)可为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。脉冲群之内的单个脉冲的能量更小，且确切的单个激光脉冲能量取决于脉冲群500之内的脉冲500A的数目，以及激光脉冲随时间的衰减速率(例如，指数衰减速率)，如图8A所示。例如,对于恒定能量/脉冲群,如果脉冲脉冲群包含10个单个激光脉冲500A,那么每个单个激光脉冲500A的能量将低于相同的脉冲群脉冲500只具有2个单个激光脉冲时的能量。

对于切割和改性透明材料例如玻璃而言，使用能产生这种脉冲群的激光是优选的。与使用在时间上通过单一脉冲激光重复率隔开的单一脉冲相反,与使用单一脉冲激光所能形成的相比，使用在脉冲群500之内的脉冲的快速序列上铺展激光能量的脉冲群脉冲序列使得实现在更长的时间尺度上与材料的高强度相互作用。虽然单一脉冲可在时间上扩展，但能量守恒表明，这样做时脉冲之内的强度必须下降，且下降倍数大约与脉冲宽度增加倍数相同。因此，如果将10皮秒单一脉冲扩展到10纳秒脉冲,强度将下降大约3个数量级。这种下降可能会将光学强度下降到其中非线性吸收不再显著的程度，且光-材料相互作用不再强烈到足以实现切割。相反，使用脉冲群脉冲激光时，在脉冲群500之内的每一脉冲或子脉冲500A中的强度可仍然非常高-例如脉冲持续时间T_d为10皮秒的3个脉冲500A在时间上通过约10纳秒的间隔T_p隔开时仍然使得每一脉冲之内的强度比单一10皮秒脉冲高约3倍，同时使得激光与材料在大三个数量级的时间尺度上相互作用。因此，在脉冲群之内的多个脉冲500A的这种调节实现以下述方式操控激光-材料相互作用的时间尺度：所述方式可促进更多或更少的与预先存在的等离子体羽流(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过初始的或之前的激光脉冲进行预激发，以及材料之内可促进缺陷线(穿孔)的受控生长的更多或更少的加热效应。改性材料所需的脉冲群能量的量取决于基材材料组成和用来与基材相互作用的线状聚焦的长度。相互作用区域越长，能量铺开的程度越大，则需要更高的脉冲群能量。

当脉冲群的单一脉冲撞击玻璃上基本上相同位置时，在材料中形成缺陷线或孔。即，单一脉冲群之内的多个激光脉冲可在玻璃中形成单一缺陷线或孔位置。当然，如果使玻璃进行平移(例如通过恒定的移动台)或束相对于玻璃移动,脉冲群之内的单独脉冲不能精确地在玻璃上相同的空间位置处。但是，它们彼此肯定在1微米之内-即它们在基本上相同的位置撞击玻璃。例如，它们可在彼此相距间隔sp处撞击玻璃，其中0<sp≤500纳米。例如，当玻璃位置用20个脉冲的脉冲群撞击时，脉冲群之内的单独脉冲在彼此的250纳米之内撞击玻璃。因此,在一些实施方式中1nm＜sp＜250nm。在一些实施方式中，1nm＜sp＜100nm。

穿孔形成：

如果基材具有足够的应力(例如，离子交换玻璃)，那么零件将自发地沿着由激光过程描绘出的开裂线与基材分离。但是，如果基材没有大量固有的应力，那么皮秒激光器只在基材中形成缺陷线。这些缺陷线通常为孔的形式，且内部尺寸(直径)是约0.5-1.5微米。

孔或缺陷线可穿过材料的全部厚度或不穿过材料的全部厚度,且可为连续或不连续的在材料的全部深度上的开口。图8B显示缺陷线的示例，其在一块550微米后蓝宝石基材的全部厚度上延伸。通过裂开的边缘的侧面观察到缺陷线。通过材料的缺陷线不必是通孔-可存在材料堵塞孔的一些区域，但它们尺寸通常较小，在微米量级。应指出在分离零件之时，沿着缺陷线进行断裂，从而提供零件，所述零件具有含衍生自缺陷线的特征的周界表面(边缘)。在分离之前，缺陷线通常是圆筒状。在分离零件之时，缺陷线断裂，且缺陷线的残余物在分离的零件的周界表面的轮廓中是明显的。在理想的模型中，在分离时缺陷线对半开裂，从而分离的零件的周界表面包括对应于一半圆筒的齿突起(serration)。实践中，分离可偏离理想模型，且周界表面的齿突起可为原始缺陷线的形状的任意断裂。与具体形式无关，将周界表面的特征称作缺陷线，以表明它们存在的来源。

图9显示从相同基材切割出的小圆盘，其直径是6毫米和10毫米。有些盘是机械分离的，有些是使用CO₂激光分离的，且有些是用CO₂激光分离并从基材机械释放的。

如上所述，还可对堆叠的材料片进行穿孔。在这种情况下，聚焦线长度需要长于堆叠件高度。

孔(穿孔，缺陷线)之间的横向间隔(节距)由当在聚焦的激光束下方平移基材时激光的脉冲率决定。通常，只需要单一皮秒激光脉冲或脉冲群来形成一个完整的孔,但如有需要，可使用多个脉冲或脉冲群。为了在不同节距形成孔,可激发激光来在更长或更短的间隔灼烧。对于切割操作，激光激发通常与束下方的基材的平台驱动移动同步，这样激光脉冲以固定间隔激发，例如每1微米或每5微米。在给定基材中的应力水平下，确切间隔由促进从穿孔到穿孔的裂纹扩展的材料性质决定。但是，与切割基材不同，还可使用相同的方法来只对材料进行穿孔。在本文所述的方法中，孔可通过较大的间隔(例如，大于或等于7微米节距)隔开。

激光功率和透镜焦距(其决定聚焦线长度和因此决定功率密度)是确保完全穿透基材和下表面以及表面下损坏的特别重要的参数。

一般来说，可用的激光功率越高，可在使用上述方法更快地切割材料。本文所述的方法可以0.25米/秒或更快的切割速度来切割玻璃。切割速度是激光束相对于基材材料(例如玻璃)的表面移动的速率，同时形成多个缺陷线孔。较高切割速度例如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，从而使得用于制造的资金投资最小化，且优化设备利用率。激光功率等于激光的脉冲群能量乘以脉冲群重复频率(重复率)。一般来说,为了以较高切割速度切割玻璃材料,缺陷线通常相隔1-25微米,在一些实施方式中，间隔优选地大于或等于3微米，例如3-12微米,或例如5-10微米。

例如,为了获得300毫米/秒的线性切割速度,3微米孔节距对应于具有至少100kHz脉冲群重复率的脉冲群激光。对于600毫米/秒切割速度,3微米节距对应于具有至少200kHz脉冲群重复率的脉冲群-脉冲激光。在200kHz下产生至少40微焦耳/脉冲群并以600毫米/秒切割速度切割的脉冲脉冲群激光需要具有至少8瓦的激光功率。更高的切割速度相应地需要更高的激光功率。

例如,在3微米节距和40微焦耳/脉冲群下的0.4米/秒的切割速度需要至少5W激光,在3微米节距和40微焦耳/脉冲群下的0.5米/秒的切割速度将需要至少6W激光。因此,优选地脉冲群ps激光的激光功率是6W或更高,更优选地至少8W或更高,和甚至更优选地至少10W或更高。例如,为了获得在4微米节距(缺陷线间隔，或损坏痕迹间隔)和100微焦耳/脉冲群下的0.4米/秒的切割速度需要至少10W激光,为了获得在4微米节距和100微焦耳/脉冲群下的0.5米/秒的切割速度将需要至少12W激光。例如，为了获得在3微米节距和40微焦耳/脉冲群下的1米/秒的切割速度将需要至少13W激光。还例如，在4微米节距和400微焦耳/脉冲群下的1米/秒的切割速度将需要至少100W激光。

缺陷线(损坏痕迹)之间的最佳节距和确切的脉冲群能量是取决于材料的，且可根据经验决定。但是，应指出升高激光脉冲能量或以更密的节距制备损坏痕迹不总是使基材材料更好地分离或具有改善的边缘质量的条件。缺陷线(损坏痕迹)之间的过小的节距(例如＜0.1微米,或在一些示例性实施方式中＜1微米,或在其它实施方式中＜2微米)有时会抑制附近的后续缺陷线(损坏痕迹)的形成，且常常会抑制绕着穿孔轮廓的材料的分离。如果节距过小，还导致玻璃之内的不想要的微裂纹化增加。过长的节距(例如，＞50微米，以及在一些玻璃中＞25微米或甚至＞20微米)可导致“不受控的微裂纹化”-即，微观裂纹不是沿着预期的轮廓从缺陷线到缺陷线的扩展，而是沿着不同路径扩展，且导致玻璃沿着远离预期轮廓的不同的(不希望的)方向形成裂纹。这会最终降低分离的零件的强度，因为残留的微裂纹构成弱化玻璃的瑕疵。用于形成缺陷线的脉冲群能量过高(例如,＞2500微焦耳/脉冲群,和在一些实施方式中＞500微焦耳/脉冲群)会导致之前形成的缺陷线的“愈合”或再次熔融，这会抑制玻璃的分离。因此，优选地脉冲群能量是＜2500微焦耳/脉冲群,例如,≤500微焦耳/脉冲群。此外，使用过高的脉冲群能量可导致形成极大的微裂纹，并形成可降低分离之后的零件的边缘强度的结构缺陷。过低的脉冲群能量(例如＜40微焦耳/脉冲群)可导致在玻璃之内没有可观的缺陷线形成，并因此可能必需使用特别高的分离力或导致完全不能沿着穿孔的轮廓分离。

使用这种方法能获得的典型的示例性切割速率(速度)是例如0.25米/秒和更高。在一些实施方式中,切割速率是至少300毫米/秒。在一些实施方式中,切割速率是至少400毫米/秒,例如,500毫米/秒-2000毫米/秒,或更高。在一些实施方式中,皮秒(ps)激光利用脉冲群来产生缺陷线，其周期性是0.5微米-13微米,例如0.5微米-3微米。在一些实施方式中,脉冲激光的激光功率是10W-100W，材料和/或激光束以至少0.25米/秒的速率相对于彼此平移；例如以0.25米/秒-0.35米/秒,或0.4米/秒-5米/秒的速率。优选地，脉冲激光束的每一脉冲群在工件处测量的平均激光能量大于40微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度。优选地，脉冲激光束的每一脉冲脉冲群在工件处测量的平均激光能量大于/小于2500微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度，优选地小于约2000微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度，且在一些实施方式中，小于1500微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度；例如，不大于500微焦耳/脉冲群/毫米工件厚度。

我们发现需要高得多的(更高5-10倍)的体积脉冲能量密度(微焦耳/立方微米)，来对不含碱金属或含较少碱金属含量的碱土硼铝硅酸盐玻璃进行穿孔。例如，这可通过下述来实现：利用脉冲群激光(优选地具有至少2个脉冲/脉冲群)，和在碱土硼铝硅酸盐玻璃(具有很少碱金属或不含碱金属)之内提供大于或等于约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/立方微米的体积能量密度。

因此，优选地激光产生具有至少2个脉冲/脉冲群的脉冲群。例如,在一些实施方式中，脉冲激光的功率是10W-150W(例如,10W–100W)，并产生具有至少2脉冲/脉冲群(例如,2-25脉冲/脉冲群)的脉冲群。在一些实施方式中，脉冲激光的功率是25W-60W,并产生具有至少2-25脉冲/脉冲群的脉冲群,且用激光脉冲群产生的相邻缺陷线之间的周期或距离是2-10微米。在一些实施方式中,脉冲激光的功率是10W-100W,其产生具有至少2脉冲/脉冲群的脉冲群,且工件和激光束以至少0.25米/秒的速率相对于彼此平移。在一些实施方式中，工件和/或激光束以至少0.4米/秒的速率相对于彼此平移。

例如,为了切割0.7毫米厚的非离子交换康宁代号2319或代号2320玻璃,观察到3-7微米的节距可良好地奏效,且脉冲群能量是约150-250微焦耳/脉冲群,和脉冲群脉冲数目是2-15,和优选地节距是3-5微米和脉冲群脉冲数目(脉冲数目/脉冲群)是2-5。

在1米/秒切割速度下，切割Eagle玻璃通常需要利用15–84W的激光功率,且30-45W常常已足够。一般来说,对于各种玻璃和其它透明材料而言，申请人发现为了获得0.2-1米/秒的切割速度,10W-100W的激光功率是优选的，且25-60W的激光功率对于许多玻璃就足够(或是最佳的)。对于0.4米/秒-5米/秒的切割速度,激光功率应优选地是10W-150W,脉冲群能量是40-750微焦耳/脉冲群,2-25脉冲群/脉冲(取决于被切割的材料),缺陷线间隔(节距)是3-15微米,或3-10微米。对于这些切割速度，使用皮秒脉冲脉冲群激光将是优选的，因为它们产生高功率和所需的脉冲数目/脉冲群。因此,根据一些示例性实施方式,脉冲激光产生10W–100W功率,例如25W-60W,并产生至少2-25脉冲/脉冲群的脉冲群，且缺陷线之间的距离是2-15微米；以及激光束和/或工件相对于彼此以至少0.25米/秒,在一些实施方式中至少0.4米/秒,例如0.5米/秒-5米/秒,或更快的速率平移。

切割和分离板的形状

如图9所示，发现不同的条件，其允许从蓝宝石基材分离蓝宝石零件。第一种方法是只使用皮秒激光器来形成通孔，并形成遵循所需形状(在这种情况下，直径为6毫米和10毫米的圆形)的开裂线。在这个步骤之后，可通过使用破碎钳、手动弯曲零件或形成引发分离和沿着开裂线扩展分离的张力的任意方法来实现机械分离。为了在550微米厚蓝宝石中形成通孔和从板机械分离盘，通过下述光学器件和激光参数发现良好的结果：

·到轴棱锥的输入束直径～2毫米

·轴棱锥角＝10度

·初始准直透镜焦距＝125mm

·最终物镜焦距＝30mm

·入射束汇聚角(β)＝12.75度

·焦点设定为在Z＝0.75mm处(在零件顶部表面以上约200微米处)

·激光功率～24瓦特(全部功率的60％)

·激光脉冲群重复率＝200kHz。

·能量/脉冲群＝120微焦耳(24W/200kHz)

·4脉冲/脉冲群

·单一遍

第二种方法是在皮秒激光完成描绘所需的轮廓之后，在皮秒激光后使用散焦CO₂激光，用于将零件完全与周围的基材基质分离。由散焦CO₂激光诱导的热应力足以遵循所需的轮廓引发分离和扩展分离，这将其从面板释放。对于这种情况，发现对于下述光学器件和激光参数获得良好结果：

·皮秒激光：

·到轴棱锥的输入束直径～2毫米

·轴棱锥角＝10度

·初始准直透镜焦距＝125mm

·最终物镜焦距＝30mm

·入射束汇聚角(β)＝12.75度

·焦点设定为在Z＝0.75mm处(在零件顶部表面以上约200微米处)

·激光功率～24瓦特(全部功率的60％)

·激光脉冲群重复率＝200kHz。

·能量/脉冲群＝120微焦耳(24W/200kHz)4脉冲/脉冲群

·10毫米直径单一遍，且6毫米直径两遍

·CO₂激光：

·激光平移速度：250毫米/秒

·激光功率＝200W

·脉冲持续时间45微米(95％占空比)

·激光调整频率20kHz

·激光束散焦(相对于玻璃的入射表面)是20毫米

·10毫米直径单一遍，6毫米直径两遍

最后，探索的最后的条件是如上所述两种方法的混合，其中在皮秒激光完成描绘所需轮廓之后，在皮秒激光之后使用散焦CO₂激光，从而将零件部分地与周围的基材基质分离。由CO₂激光诱导的热应力足以沿着所需的轮廓引发分离和部分地扩展分离，但不足以将其从周围的基材基质释放。有时，为了工艺方便性或效率，需要延迟零件的释放直到后续的步骤。对于这种情况，对于与如上所述相同的皮秒激光和更低的CO₂激光功率或更高的CO₂激光束散焦(大于约25毫米)或更高的平移速度(这取决于所需的分离的程度)，获得最佳结果。

图10A和10B分别显示示例性穿孔，其由皮秒激光描绘，并暴露于CO₂激光以释放按钮。CO₂激光可为散焦CO₂激光，可从基材的远端边缘(或近端边缘)横贯到基材的近端边缘(或远端边缘)。需特别指出的是，应小心地规划引入由散焦CO₂激光描绘的释放线和路径，以避免问题，例如：

避免启动/停止位置重合。一般来说，移动台的缓慢加速/减速可足以形成点状的应力源，其之后将使零件形成裂纹或甚至粉碎零件。

在描绘的轮廓上的任意点上停止或“驻留”散焦CO₂激光-最常见地这将熔融蓝宝石表面和/或形成微裂纹。应规划CO₂激光的路径，从而在待释放的轮廓以外启动和结束。

应规划释放线，以在没有过早地使周围和支撑基材基质崩塌的情况下实现分离。

如上所述的切割过程提供下述益处，其可转变成增强的激光加工能力和成本节省，并因此更低成本制造。在现在的实施方式中，切割过程提供：

使用降低的激光功率完全分离被切割的零件：可以干净和受控的方式完全分离或切割蓝宝石。

减少的表面下损坏：因为激光和材料之间的超短脉冲相互作用，存在很少的热相互作用，并因此存在极少的受热影响的区域，该受热影响的区域可在表面和表面下区域中导致不利的应力和微裂纹化。此外，将激光束浓缩进入蓝宝石或其它基材材料的光学器件在零件表面上形成缺陷线，所述缺陷线通常直径是2-5微米。在分离之后，表面下损坏受限于距离周界表面小于约75微米的距离。这对零件的边缘强度具有很大影响，因为强度由缺陷的数目以及缺陷的尺寸和深度的统计分布控制。这些数目越高，零件边缘越弱。

工艺干净度：本文所述的方法允许以干净和受控的方式分离和/或切割蓝宝石。使用常规的烧蚀或热激光过程是非常具有挑战性的，因为它们趋于激发受热影响的区域，其诱发微裂纹，并将基材断裂成几个更小的块。本文所述的方法的激光脉冲和诱导的与材料的相互作用的特征避免了所有这些问题，因为它们在非常短的时间尺度上进行，且基材材料对激光辐射的透明性最大程度减小了诱导的热效应。因为在基材之内形成缺陷线，大大消除了在切割步骤中碎片和颗粒物质的存在。如果存在来自形成的缺陷线的任何颗粒，它们将良好地容纳直到分离零件。

切割不同尺寸的复杂轮廓和形状

本发明的激光加工方法允许切割/分离具有许多形式和形状的玻璃、蓝宝石和其它基材，这在其它竞争性技术中是个限制。使用本发明的方法可切割较小的半径(小于约5毫米)，且允许有弯曲的边缘。已成功地从较大的蓝宝石基材切割出直径为5毫米和10毫米的圆，这对于其它激光技术而言是具有挑战性的或不可能的。此外，因为缺陷线强力地控制任何裂纹扩展的位置，这种方法对切割的空间位置具有很强的控制，并允许切割和分离小至几百微米的结构和特征。

省略工艺步骤

从来料基材(例如玻璃面板或蓝宝石块)将零件(例如玻璃板或任意形状的蓝宝石零件)制造成最终尺寸和形状的方法涉及多个步骤，其包括切割基材、切割到所需尺寸、精磨和边缘成形、将零件薄化到它们的目标厚度、抛光和甚至在一些情况下进行化学强化。就加工时间和资金花费而言，省略这些步骤中的任一种将改善制造成本。例如，本发明的方法可通过下述来减少步骤的数目，例如：

·减少的碎片和边缘缺陷形成-潜在地消除洗涤和干燥工位；

·直接将样品切割到其最终尺寸、形状和厚度-无需精磨线。

切割堆叠件

所述方法还能在堆叠的玻璃面板上形成具有垂直缺陷的这些线。虽然对堆叠件的高度有限制，但通过同时加工多个堆叠的板，可提高产率。这要求材料对激光波长透明，在这里所用的激光波长(1064纳米)下的蓝宝石就是这种情况。

本文引用的所有专利、专利申请公开和参考文献的相关教导都通过引用全文纳入本文。

虽然本文描述了示例性实施方式，但本领域普通技术人员应理解在不偏离所附权利要求所包含的范围的情况下，可改变其中的各种形式和细节。