透明材料的高速激光加工的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及例如玻璃的透明材料的激光切割，并且更具體地講，涉及使用類貝塞爾光束構造的激光切割。
【背景技術】
[0002]材料的激光加工，特別是激光與材料的受控相互作用已廣泛應用于各種領域，例如在工業以及醫療應用中的激光切割和激光焊接。這種交互作用取決于例如波長、焦點區、激光功率等激光參數以及例如各個波長的吸收率、材料的帶隙等材料性能。這些參數和性能的組合限定了發生的交互作用，具體地講，限定了在材料內的特定位置提供的場強。US2009/0294419 Al中公開了一種熱方法，該方法使用根據移動激光束并隨后進行局部冷卻所產生的熱沖擊對不平坦材料進行激光刻線的系統。
[0003]US 2011/0183116 Al和US 2012/0064306 Al公開了用于切割玻璃、特別是鋼化玻璃的激光加工方法的實例。具體地講，對于鋼化玻璃而言，內應力分布影響切割。因此，US2012/0064306 Al公開了不對切割區進行處理，而US 2011/0183116 Al公開了沿著預定切割路徑提供形成在壓應力層中的溝槽結構。
[0004]在2012&0196071 Al中公開了一種用于從玻璃基板制造鋼化玻璃面板的方法。其中，首先例如通過激光加工、機械鉆孔或蝕刻方法來制備孔，然后，即在形成一系列孔之后，進行鋼化過程。這導致沿著孔壁側面形成徑向壓應力層。
[0005]具體地講，當應用脈沖激光系統時，可以很好地控制激光脈沖能量以及激光脈沖持續時間，并且因此使其適用于具體應用。JP 2005/288503 A中公開了一種基于激光交互作用的激光束加工方法，該方法使用自聚焦以及貝塞爾光束形用于在處理前切割玻璃。
[0006]“使用單發飛秒貝塞爾光束的大展弦比納米通道加工”(“High aspect rat1nanochannel machining using single shot femtosecond Bessel beams”)(M.K.Bhuyan等，《應用物理快報》97，081102-1 (2010))和“飛秒非衍射貝塞爾光束和可控的納米級消融，，(“Femtosecond non-diffracting Bessel beams and controlled nanoscaleablat1n”)(M.K.Bhuyan等，IEEE(2011))中公開了使用貝塞爾光束用于激光加工。
[0007]WO 2012/006736 Al中公開了一種用于激光切割透明材料的方法，該方法通過用例如聚焦激光束的突發脈沖串照射基板，其中聚焦條件、脈沖能量和持續時間經過選擇以在基板內產生細絲，并且基板相對于激光束平移。根據WO 2012/006736 Al，通過弱聚焦、高強度、短持續時間的激光來產生細絲，激光通過非線性的克爾效應可以自聚焦，從而導致峰值強度增大并且在激光束的高強度部分中形成低密度等離子體。在WO 2012/006736 Al中進一步闡述道該方法避免了致密等離子體的產生，例如在緊密光學聚焦條件下會容易產生的槽式光學擊穿，其中等離子體產生機制取決于最初的電子的多光子激發，隨后是逆軔致輻射、碰撞電離和電子雪崩過程。根據WO 2012/006736 Al，在光學擊穿域中，透明材料的分離、切片、劃線、切開、切割和小平面處理存在很多缺點，例如，加工速度慢、產生裂紋、燒蝕碎肩造成污染以及切口寬度大。
[0008]本發明至少部分地旨在改進或克服現有系統的一個或多個方面，并且特別是提供鋼化玻璃的高精度切割，而這對目前的技術仍然是個挑戰。
【發明內容】
[0009]根據本發明的第一方面，公開了一種用激光束對層狀材料進行激光預切割的方法，其中所述層狀材料包括至少一個拉應力層、至少一個壓應力層以及所述至少一個拉應力層與所述至少一個壓應力層之間的至少一個界面區，并且所述層狀材料是透明的，以允許所述激光束傳播穿過所述層狀材料。所述方法包括:設置所述激光束的光束路徑和激光特征，使得所述激光束與所述層狀材料的交互作用在所述層狀材料中產生細長的損傷區；并且對于所述層狀材料的一系列預切割位置的每個位置而言，通過使所述層狀材料和所述激光束相對彼此定位并且照射所述激光束使得所述各個細長的損傷區延伸穿過所述至少一個界面區來預切割所述層狀材料。
[0010]根據另一方面，一種用于使材料分成材料部分的方法，所述材料包括至少一個拉應力層、至少一個壓應力層以及所述至少一個拉應力層與所述至少一個壓應力層之間的至少一個界面區，所述方法包括:按照本文公開的方式預切割所述層狀材料，從而沿著分離線形成延伸穿過所述至少一個界面區的細長的損傷區；并且在所述層狀材料上施加作用在所述一系列預切割位置上的分離力，從而沿著所述一系列預切割位置切開所述層狀材料。
[0011]根據另一方面，一種用于分成至少兩個層狀材料部分的層狀材料，所述層狀材料包括:彼此相反的前面和后面；至少一個拉應力層；至少一個壓應力層；所述至少一個拉應力層與所述至少一個壓應力層之間的至少一個界面區；以及形成在所述層狀材料中并且延伸穿過所述至少一個界面區的細長的損傷區。
[0012]根據另一方面，一種層狀材料部分包括:彼此相反的前面和后面；至少一個拉應力層；至少一個壓應力層；所述至少一個拉應力層與所述至少一個壓應力層之間的至少一個界面區；以及連接所述前面和所述后面的至少一個切割面，其中所述切割面包括由激光交互作用引起的延伸穿過所述至少一個界面區的表面結構。
[0013]根據另一方面，一種用激光束預切割層狀材料的激光加工系統，包括:用于提供所述激光束的激光光源；用于從所述激光光源引導所述激光束到所述層狀材料的光學系統；用于相對于所述激光束定位所述層狀材料的平移機構；控制單元，被配置成設置所述激光束的光學路徑和激光特征，使得所述激光束與所述層狀材料的交互作用在所述層狀材料中產生細長的損傷區，并且對于所述層狀材料的一系列預切割位置的每個位置而言，進一步被配置成使所述層狀材料和所述激光束相對彼此定位并且照射所述激光束，使得所述各個細長的損傷區延伸穿過所述至少一個界面區從而預切割所述層狀材料。
[0014]根據另一方面，一種使用脈沖類貝塞爾激光束對材料進行激光預切割的方法，由此所述材料相對于傳播穿過所述材料的所述脈沖類貝塞爾激光束的單光子吸收基本透明，所述方法包括:設置所述脈沖類貝塞爾激光束的光束路徑和激光特征，使得單個激光脈沖與所述材料的交互作用在所述材料中產生延伸穿過所述材料厚度的至少50%或至少70%或至少90%的細長的單個激光脈沖損傷區；并且通過沿著所述材料掃描所述脈沖類貝塞爾激光束而預切割所述材料，使得彼此緊挨著的連續的激光脈沖的單個激光脈沖損傷區相對彼此移動。
[0015]根據另一方面，本發明公開了一種用于使材料分成材料部分的方法，包括:按照本文公開的方式預切割所述材料，從而沿著切割路徑在一系列預切割位置形成細長的單個激光脈沖損傷區；并且在所述材料上施加作用在所述一系列預切割位置上的分離力，從而沿著所述一系列預切割位置切開所述材料。
[0016]根據另一方面，一種用于分成至少兩個材料部分的材料，包括:彼此相反的前面和后面；以及形成在所述材料中的單個激光脈沖損傷區，延伸穿過所述材料厚度的至少50%或至少70%或至少90%，并且沿著分離線空間間隔至少2 μ m或至少3 μ m或至少4 μ m的距離。
[0017]根據另一方面，一種材料部分，包括:彼此相反的前面和后面；以及連接所述前面和所述后面的至少一個切割面，其中所述切割面包括由激光交互作用引起的延伸穿過所述材料部分厚度的至少50%或至少70%或至少90%的表面結構，并且所述表面結構在空間上相對彼此間隔至少2 μ m或至少3 μ m或至少4 μ m的距離。
[0018]根據另一方面，一種使用脈沖類貝塞爾光束預切割材料的激光加工系統，其中所述材料相對于傳播穿過所述材料的所述脈沖類貝塞爾激光束的單光子吸收基本透明，所述激光加工系統包括:用于提供脈沖激光束的激光光源；用于將所述脈沖激光束從所述激光光源引導到所述材料并將所述脈沖激光束轉換成脈沖類貝塞爾激光束的光學系統；用于相對于所述脈沖類貝塞爾激光束定位所述材料的平移機構；控制單元，被配置成設置所述脈沖類貝塞爾激光束的光束路徑和激光特征，使得所述脈沖類貝塞爾激光束的單個激光脈沖與所述材料交互作用在所述材料上，產生延伸穿過所述材料厚度的至少50%或至少70%或至少90%的細長的單個脈沖損傷區，并且對于所述材料的一系列預切割位置的每個位置而言，所述控制單元被配置成使所述材料和所述脈沖類貝塞爾激光束相對彼此定位并且照射所述脈沖類貝塞爾激光束，使得連續激光脈沖的單個激光脈沖損傷區相對彼此移動，從而預切割所述材料。
[0019]根據另一方面，一種用脈沖類貝塞爾激光束對層狀材料進行激光預切割的方法，其中所述層狀材料包括至少一個拉應力層、至少一個壓應力層以及所述至少一個拉應力層與所述至少一個壓應力層之間的至少一個界面區，并且所述層狀材料是透明的，以允許所述激光束傳播穿過所述層狀材料。所述方法包括:設置所述激光束的光束路徑和激光特征，使得所述激光束與所述層狀材料的交互作用在所述層狀材料中產生細長的單個激光脈沖損傷區；并且對于所述層狀材料的一系列預切割位置的每個位置而言，通過使所述層狀材料和所述激光束相對彼此定位并且照射所述激光束，使得所述各個細長的單個激光脈沖損傷區延伸穿過所述至少一個界面區來預切割所述層狀材料。
[0020]根據另一方面，一種使用脈沖類貝塞爾激光束對材料進行激光預切割的方法，所述材料相對于傳播穿過所述材料的所述脈沖激光束的單光子吸收基本透明，所述方法包括:設置所述脈沖激光束的光束路徑和激光特征，使得單個激光脈沖與所述材料的交互作用在所述材料中產生延伸穿過所述材料厚度的至少50%或至少70%或至少90%的細長的單個激光脈沖損傷區；并且通過沿著所述材料掃描所述脈沖激光束而預切割所述材料，使得彼此緊挨著的連續的激光脈沖的單個激光脈沖損傷區相對彼此移動。
[0021]根據另一方面，一種使用脈沖類貝塞爾激光束對材料進行激光預切割的方法，所述材料相對于傳播穿過所述材料的所述脈沖類貝塞爾激光束的單光子吸收基本透明，所述方法包括:設置所述脈沖類貝塞爾激光束的光束路徑和激光特征，使得單個激光束的特征在于在Ips至10ps范圍內的脈沖持續時間以及在5°至30°范圍內的錐形半角，并且使得單個激光脈沖與所述材料的交互作用在所述材料中產生延伸穿過所述材料厚度的至少50%或至少70%或至少90%的細長的單個激光脈沖損傷區；并且通過沿著所述材料掃描所述脈沖類貝塞爾激光束而預切割所述材料，使得彼此緊挨著的連續的激光脈沖的單個激光脈沖損傷區相對彼此在I μπι至4 μπι的范圍內移動。
[0022]根據另一方面，一種使用脈沖類貝塞爾激光束對材料進行激光預切割的方法，所述材料相對于傳播穿過所述材料的所述脈沖激光束的單光子吸收基本透明，所述方法包括:設置所述激光束的光束路徑和激光特征使得單個激光脈沖與所述材料的交互作用在所述材料上產生細長的單個激光脈沖損傷區；并且通過沿著所述材料掃描所述脈沖激光束預切割所述材料，使得彼此緊挨著的連續的激光脈沖的單個激光脈沖損傷區對第一掃描序列在所述材料內以第一水平并且對第二掃描序列在所述材料內以第二水平相對彼此移動。
[0023]實施方式可以包括一個或多個以下特征。在一些實施例中，所述層狀材料包括中心在一對界面區之間的中心拉應力層或中心壓應力層，并且其中進行預切割使得所述各個細長的損傷區延伸穿過所述中心拉應力層或所述中心壓應力層的至少30%或至少50%或至少70%或至少90%。
[0024]在一些實施例中，可以進行預切割使得所述各個細長的損傷區延伸穿過所述層狀材料厚度的至少50%或至少70%或至少90%。
[0025]在一些實施例中，可以預切割相鄰的細長損傷區使得相鄰的細長損傷區相對彼此移動至少2 μ m或至少3 μ m或至少4 μ m的距離。
[0026]在一些實施例中，所述激光束可以是脈沖類貝塞爾激光束或形成細絲的高斯束，并且其中可以對各預切割位置用單個激光脈沖進行預切割，使得所述細長的損傷區是單個激光脈沖損傷區，并且/或者所述層狀材料對傳播穿過所述材料的所述激光束，例如所述脈沖類貝塞爾激光束或所述形成細絲的高斯束的單光子吸收基本透明。
[0027]在一些實施例中，所述細長的損傷區可以延伸到所述層狀材料的前面或后面中，并且可以施加所述分離力使得有損傷的面首先分離。
[0028]在一些實施例中，可以在各個預切割位置施加類貝塞爾光束，類貝塞爾光束的錐形半角(Θ)在7°至11° (或5°至15° )的范圍內，例如設置成9°，一系列激光脈沖的單程應用中的脈沖持續時間在Ips與10ps之間。本發明公開了一種通過用例如單程切割的所謂的類貝塞爾(激光)束的脈沖照射基板來對透明材料進行預切割的方法。類貝塞爾光束沿著狹窄的芯部束表現出從芯部束的徑向外截面供應能量的高注量區。
[0029]一般而言，諸如零階貝塞爾光束的類貝塞爾光束的特點例如可以是強烈的中心點，該中心點在基本不發生明顯衍射的情況下在傳播方向上持續，這與在緊聚焦之后通常強烈發散的標準高斯束的聚焦形成對照。因此，由于類貝塞爾光束的單個脈沖，可以獲得高達幾毫米及更大的交互作用區，這將導致非常窄的針狀激光損傷區。
[0030]強烈且超短的類貝塞爾光束在透明材料中的傳播概括了在細絲制度與緊聚焦制度之間的制度。事實上，在細絲的情況中，由于聚焦條件弱，激光脈沖能量基本沿著光束軸傳播。因此，弱等離子體引起的自散焦應該有助于使強度鉗位在極限值以下。在緊聚焦條件中，相比之下，使所有的激光脈沖能量從所有方向朝著共同的焦點匯聚，達到這樣多的程度使得所述聚焦再也無法被等離子體散焦抵消，獲得非常高的注量，從而觸發上述突變過程。
[0031]在類貝塞爾光束制度中，激光脈沖能量不在軸線上傳播，而是沿著分散在給定錐面上的方向傳播，即，相對于軸向傳播方向以給定角度傳播。因此，類貝塞爾光束制度不同于細絲制度，其中能量主要在軸線上流動，并且對于緊聚焦制度，其中能量在所有方向上流動。因此，類貝塞爾光束的能量沒有匯聚到單個(理想的)點，而是匯聚到一條線上。換句話講，靠在聚焦線上的每個點不接收來自脈沖的全部能量，而是僅接收來自脈沖的環形部分的能量。要注意的是，由于能量來自一側，所以等離子體散焦會變得無效，并且可以獲得非常高的峰值注量，且峰值注量比細絲制度中高很多。然而，由于在每個點進入的能量限于期望值，所以不會發生作為緊聚焦制度的典型特征的切趾現象。
[0032]基于上述理解，認識到使用大角度類貝塞爾光束會導致峰值注量大到足夠導致發生光學擊穿。然而，所述擊穿只能在非常微小且精確的小范圍的體積中發生，例如，在圍繞束軸、直徑在激光波長的量級的圓柱類體積中發生，這因此會吸收激光并且變成用于制備材料的強沖擊波的來源。然而，由于到達軸線的每個點的受到控制的能量總量，所以可以謹慎地避免作為高斯束緊聚焦制度的特征的切趾行為。
[0033]注意到，憑借類貝塞爾激光束的單個脈沖形成細長的損傷區可以提供用于對透明材料進行高精度的激光切割，這種損傷區會在非常長(例如，多50 μm，多100 μm，^ 300 μ m，甚至^ 700 μ m)且非常細(例如，直徑< 2 μ m，< 1.5 μ m，< I μ m，甚至彡0.5 μ m)的針狀體積內，例如在長度/直徑的長寬比>25，彡100，彡500，甚至彡1000的針狀體積內引起光學擊穿。這種精確性可以至少部分地歸因于能控制能量轉移到物質的機制，例如，都涉及控制局部產生單次脈沖的沖擊壓力波(即，據信產生材料的局部變化，例如損傷，和/或局部形成材料應力的波形)所需的精確的能量大小，并且控制應當產生所述壓力波的橫坐標平面的精確位置。要注意的是，盡管產生的細長的損傷區的特征可以是比發生擊穿的體積(即，電子等離子體的密度超過吸收的臨界值的體積)更大的體積，能夠以單脈沖制度(即，不存在任何熱或機械累積效果)工作也有利于形成細小的針狀損傷體積，例如，在橫向平面中的直徑不大于擊穿體積的直徑，例如<擊穿體積的直徑的4倍或者3倍或者甚至2倍。換句話講，損傷體積的直徑可以比類貝塞爾光束的第一零強度環的直徑大<2倍，或< 1.5倍，或甚至< I倍。能夠以非常高的分辨率控制細長的損傷區的橫向大小和位置是旨在提高本文公開的切割過程的質量(例如，銳利度、曲率等)的類貝塞爾光束單脈沖激光切割方法的關鍵特征。
[0034]還要注意的是，致密且超短脈沖的類貝塞爾光束的一般使用不足以獲得上述高精度的切割制度，特別是不足以獲得所需的局部且受控的光學擊穿。事實上，正如已提到的，首要要求是所述超短的類貝塞爾光束的特征為大錐角，例如，錐形半角多4°，多7°，多10°，甚至多15°，上限受到不使用比該范圍所需的激光脈沖能量更多的激光脈沖能量的要求的限制，例如<30°或25°。需要足夠大的角度的原因在于“類貝塞爾光束能量替代長度”，即，已經從第一外環聚焦在軸線上的第一部分能量離開同一軸線并且被來自第二外環的第二部分能量替代的沿著傳播方向的長度，自然隨著錐角的增大而減小。事實上，更大的錐角支持更快的能量更換。另一方面，由于高峰值強度和高峰值注量(能量密度)，在類貝塞爾中心峰值發生相關的非線性過程，其中Kerr誘導的自聚焦、等離子體誘導的自散焦、自相位調節、時空聚焦、錐形發射、時空不穩定性等的存在會阻礙形成所需的致密的等離子體以及后續的光學擊穿。對于給定的峰值強度和注量，所述非線性過程發展達到干擾水平所需的特征長度被稱為“類貝塞爾光束非線性長度”，顯然，在增加類貝塞爾光束錐角時，“類貝塞爾光束能量替代長度”與(任一)“類貝塞爾光束非線性長度”的比值減小，因此使(線性)能量替代機制能夠克服可能引起強度和/或注量水平在光學擊穿所需的水平以下的水平發生飽和的