使用超快激光束光学器件、中断层和其他层的堆叠透明材料切割

摘要

一种激光钻孔、形成穿孔、切割、分离或以其他方式加工材料的方法，该方法包括将脉冲激光束聚焦成激光束焦线，并且将该激光束焦线引导至包含堆叠的工件内，该堆叠至少包含：第一层，面向该激光束，该第一层是待激光加工的材料，包含载体层的第二层，和位于该第一与第二层之间的激光束中断元件，该激光束焦线在该第一层的材料内产生诱导吸收，该诱导吸收在该第一层的材料内沿着该激光束焦线产生缺陷线。该光束中断元件可以是光束中断层或光束中断界面。

说明书

相关申请

本申请要求于2013年12月17日提交的美国临时申请号61/917,092的权益和于2014年7月10日提交的美国临时申请号62/022,896的权益，以及于2014年10月31日提交的美国申请号14/530457的权益，这些申请的全部披露内容通过引用结合在此。

背景

近年来，精密微机械加工及其为了满足顾客需求以减小尖端设备的尺寸、重量和材料成本的工艺开发的改进已经引起在用于触摸屏、平板电脑、智能手机和电视的平板显示器的高科技产业的快步伐增长，其中超快工业激光器正在成为用于要求高精度的应用的重要工具。

存在各种已知的方式来切割玻璃。在常规的激光玻璃切割工艺中，玻璃的分离依赖于激光划线或穿孔，接着用机械力或热应力诱发的裂纹扩展分离。几乎所有目前的激光切割技术表现出一个或多个缺点，包括：

(1)由于与用于切割的长激光脉冲(纳秒量级或更长)相关联的大的热影响区(HAZ)，其在载体上进行薄玻璃的自由形式形状的切割的能力的有限性，

(2)热应力的产生，其由于冲击波的产生和不受控制的材料去除，往往导致激光照射的区域附近的玻璃表面的破裂，以及，

(3)在玻璃中产生表面下损伤，该损伤在玻璃的表面下方延伸数百微米(或更多)的玻璃，导致其中可以开始裂纹扩展的缺陷位点，

(4)控制切割的深度(例如至数十微米内)中的困难。

概述

在此披露的实施例涉及出于钻孔、切割、分离、穿孔、或以其他方式加工材料的目的在透明材料(玻璃、蓝宝石等)中产生小(微米和更小)“孔”的方法和装置。更具体地，超短(即从10^-10至10^-15秒)脉冲激光束(波长，例如像，1064、532、355或266纳米)被聚焦至高于在透明材料的表面处或在透明材料内的焦点的区域中产生缺陷所需的阈值的能量密度。通过重复该过程，可以产生沿预定路径对齐的一系列激光诱导缺陷。通过间隔开充分靠近在一起的激光诱导特征，可以产生在透明材料内的机械薄弱的受控区域并且该透明材料可以沿着由一系列激光诱导缺陷限定的路径精确地断裂或分离(机械地或热地)。一个或多个超短脉冲激光可以任选地跟随着二氧化碳(CO₂)激光或其他热应力源以例如实现透明材料或部分与基板片材的完全自动化分离。

在其中透明材料结合在一起以形成堆叠或层状结构的某些应用中，通常希望的是选择性地“切割”至特定层的边界而不会干扰下面的层。这可以在优选的切割深度添加反射或吸收(对于希望的波长)材料或层进行。反射层可以通过沉积薄材料(例如，铝、铜、银、金等)形成。散射或反射层是优先的，因为它散射或反射入射能量(不同于吸收和热消散入射能量)。以这种方式，可以控制切割深度而不损害下面的层。在一种应用中，透明材料被结合到载体基板上并且在透明材料与载体基板之间形成反射或吸收层。反射或吸收层使实现透明材料的切割而不损害下面的载体基板，该基板然后可以重复使用。载体基板是一种支撑层，该支撑层用于提供机械刚性或易处理性以允许在该载体基板顶部的层通过在此描述的一个或多个激光工艺步骤进行改性、切割、或钻孔。

在一个实施例中，激光钻孔、切割、分离或以其他方式加工材料的方法包括在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，该工件包含多种材料，包括：面向该激光束的第一层，该第一层是待激光加工的材料，第二层，和位于该第一与第二层之间的光束中断层。该激光束焦线在该第一层的材料内产生诱导吸收，该诱导吸收在该第一层的材料内沿着该激光束焦线产生缺陷线。该光束中断层可以是，例如，载体层。

在另一个实施例中，激光加工方法包括在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，该工件包含玻璃层和透明导电层，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收沿着该激光束焦线产生缺陷线穿过该透明导电层并且进入该玻璃层。

在又另一个实施例中，激光加工方法包括在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，该工件包含多个玻璃层，该工件包含在每个玻璃层之间的透明保护层，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收在该工件内沿着该激光束焦线产生缺陷线。

在还另一个实施例中，激光加工方法包括在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，该工件包含多个玻璃层，该工件包含在每个玻璃层之间的空气间隙，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收在该工件内沿着该激光束焦线产生缺陷线。

在又另一个实施例中，激光加工方法包括在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的。该工件具有玻璃层，该激光束焦线在该玻璃层内产生诱导吸收，并且该诱导吸收在该玻璃层内沿着该激光束焦线产生缺陷线。该方法还包括将该工件和该激光束相对于彼此沿着轮廓(contour)平移，从而沿着该轮廓形成多条缺陷线，并且施用酸蚀刻过程，该酸蚀刻过程将该玻璃层沿着该轮廓分离。

酸蚀刻的使用允许释放复杂轮廓，如在较大的件内部的孔或槽或其他内部轮廓，其仅用激光方法可能是难以用高速度和高产率做到的。此外，酸蚀刻的使用允许形成具有实用于金属化或其他化学涂覆的尺寸的孔。由激光产生的孔在并行过程中被并行扩大至目标直径，其可以比使用激光通过使用进一步激光照射钻出孔至大直径更快。

通过钝化可能由长时间暴露于激光引起的任何微裂纹或损坏，酸蚀刻产生比仅使用激光更强的部分。

在还另一个实施例中，激光加工方法包括在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的。该工件具有玻璃层，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，并且该诱导吸收在该工件内沿着该激光束焦线产生缺陷线。该方法还包括该工件和该激光束相对于彼此沿着闭合轮廓平移，从而沿着该闭合轮廓形成多条缺陷线，并且施用酸蚀刻过程，该酸蚀刻过程促进由该闭合轮廓限定的该玻璃层的一部分的去除。

在又另一个实施例中，激光加工方法包括在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，该工件具有玻璃层，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收在该工件内沿着该激光束焦线产生缺陷线，将该工件和该激光束相对于彼此沿着轮廓平移，从而沿着该轮廓形成多条缺陷线，并且沿着该轮廓引导红外激光束。该红外激光束可以通过二氧化碳(CO₂)激光器或其他红外激光器产生。

根据本披露的薄玻璃的激光切割具有以下优点，这些优点包括最小化或预防在烧蚀区域上或烧蚀区域附近的裂纹产生和执行任意形状的自由形式切割的能力。重要的是对于如平板显示器的应用在从玻璃基板分离的部分中避免边缘破裂和残余边缘应力，因为部分具有从边缘断裂的明显倾向，即使当将应力施加在中心时。在此处描述的方法中超快激光的高峰值功率结合定制的光束传递可以避免这些问题，因为本方法是切割而没有有害的热效应的“冷”烧蚀技术。根据本方法的通过超快激光的激光切割基本上不会在玻璃中产生残余应力。

本发明实施例进一步扩展到：

一种激光加工方法，该方法包括：

在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，

该工件包含：第一层、第二层、和位于该第一与第二层之间的光束中断元件；并且

该激光束焦线在该第一层内产生诱导吸收，该诱导吸收在该第一层内沿着该激光束焦线产生缺陷线。

本发明实施例进一步扩展到：

一种激光加工方法，该方法包括：

在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，该工件包含玻璃层和透明导电层，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收沿着该激光束焦线产生缺陷线穿过该透明导电层并且进入该玻璃层。

本发明实施例进一步扩展到：

一种激光加工方法，该方法包括：

在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，该工件包含多个玻璃层，该工件包含在每个玻璃层之间的透明保护层，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收在该工件内沿着该激光束焦线产生缺陷线。

本发明实施例进一步扩展到：

一种激光加工方法，该方法包括：

在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，该工件包含多个玻璃层，该工件包含在每个玻璃层之间的空气间隙，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收在该工件内沿着该激光束焦线产生缺陷线。

本发明实施例进一步扩展到：

一种激光加工方法，该方法包括：

在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，

该工件具有玻璃层，该激光束焦线在该玻璃层内产生诱导吸收，该诱导吸收在该玻璃层内沿着该激光束焦线产生缺陷线；

将该工件和该激光束相对于彼此沿着轮廓平移，从而在该玻璃层中沿着该轮廓形成多条缺陷线；并且

施用酸蚀刻过程，该酸蚀刻过程将该玻璃层沿着该轮廓分离。

本发明实施例进一步扩展到：

一种激光加工方法，该方法包括：

在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，

该工件具有玻璃层，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收在该工件内沿着该激光束焦线产生缺陷线；

将该工件和该激光束相对于彼此沿着闭合轮廓平移，从而沿着该闭合轮廓形成多条缺陷线；并且

施用酸蚀刻过程，该酸蚀刻过程促进由该闭合轮廓限定的该玻璃层的一部分的去除。

本发明实施例进一步扩展到：

一种激光加工方法，该方法包括：

在工件中形成激光束焦线，该激光束焦线是由脉冲激光束形成的，

该工件具有玻璃层，该激光束焦线在该工件内产生诱导吸收，该诱导吸收在该工件内沿着该激光束焦线产生缺陷线；

将该工件和该激光束相对于彼此沿着轮廓平移，从而沿着该轮廓形成多条缺陷线；并且

沿着该轮廓引导红外激光。

本发明实施例进一步扩展到：

一种形成穿孔的方法，该方法包括：

(i)提供多层结构，该多层结构包含布置在载体上的光束中断元件和布置在该光束中断元件上的第一层；

(ii)将具有波长λ的激光束聚焦在该第一层的第一部分上，该第一层对于该波长λ是透明的，该聚焦在该第一层内形成高激光强度的区域，该高激光强度足以在该高激光强度的区域内产生非线性吸收，该光束中断元件防止在布置在该光束中断元件的与该第一层相对的一侧的该载体材料或其他层中的非线性吸收的发生，该非线性吸收使能量能够从该激光束传递至该高强度区域内的第一层，该能量的传递导致在该高激光强度区域中的该第一层中的第一穿孔的产生，该第一穿孔在该激光束的传播方向上延伸；

(iii)将该激光束聚焦在该第一层的第二部分上；并且

(iv)重复步骤(ii)以在该基板的第二部分中形成第二穿孔，该第二穿孔在该激光束的传播方向上延伸，该光束中断元件防止在该第二穿孔的形成过程中在布置在该光束中断元件的与该第一层相对的一侧的该载体材料或其他层中的非线性吸收的发生。

附图简要说明

前述内容将从以下示例实施例的更具体描述中而变得清楚，如在附图中示出的，其中贯穿不同视图相似的参考符号指代相同的部分。这些附图并不必须是按比例的，而是将重点放在展示代表性实施例上。

图1是三个层的堆叠的图示：面向激光能量的薄材料A、改性的界面、和厚材料B，该改性的界面中断激光能量免于与该改性的界面的远离激光束的一侧上的堆叠的部分相互作用。

图2A和2B是激光束焦线的定位的图示，即，由于沿焦线的诱导吸收激光加工对激光波长透明的材料。

图3A是用于激光加工的光学组件的图示。

图3B-1-3B-4是通过相对于基板在透明材料内的不同位置处形成激光束焦线来加工基板的各种可能性的图示。

图4是用于激光加工的第二光学组件的图示。

图5A和5B是用于激光钻孔的第三光学组件的图示。

图6是用于激光加工的第四光学组件的示意图。

图7A和7B描绘了对于皮秒激光随时间变化的激光发射。每次发射的特征在于脉冲的“脉冲串(burst)”，其可以含有一个或多个子脉冲。示出了对应于脉冲持续时间、脉冲之间的间隔、以及脉冲串之间的间隔的时间。

图8是入射到玻璃-空气-玻璃复合结构上的聚焦高斯(Gaussian)光束与贝塞尔(Bessel)光束之间的比较。

图9是堆叠有透明保护层以切割多个板同时减小磨损或污染的图示。

图10是封装器件的空气间隙和切割的图示。

图11是用激光穿孔然后蚀刻或激光穿孔并且CO₂激光释放来切割中介层(interposer)或窗口的图示。

图12是切割物品如涂覆有透明导电层(例如氧化铟锡(ITO))的电致变色玻璃的图示。

图13是堆叠中的一些层的精密切割而不损伤其他层的图示。

图14A是包含塑料膜外层与玻璃或塑料内层的示例层压堆叠的侧视图。

图14B示出了使用披露的激光方法穿过在图14A中示出的层压件的所有层制成的激光穿孔。

图14C示出了由激光穿孔1450引起的缺陷线。

图15是在图14A-C中示出的层压件的顶视图。

图16A是与图14A-C中示出的层压件类似的层压件的侧视图，但具有仅穿过该层压件的一些层延伸的激光穿孔。

图16B示出了对应于图16A的激光穿孔仅在该层压件中延伸至特定深度的缺陷线。

详细说明

示例实施例的说明如下。

在此描述的实施例涉及用于在透明材料中或穿过透明材料光学地产生高精度切割的方法和装置。表面下损伤可以被限制为100μm的深度或更小、或75μm的深度或更小、或60μm的深度或更小、或50μm的深度或更小的量级，并且切割可以仅产生少量碎屑。用根据本披露的激光切割透明材料还可以在此被称为钻孔或激光钻孔或激光加工。在本披露的上下文中，当在此波长下的吸收是每毫米的材料深度小于约10％，优选小于约1％时，材料对于激光波长是基本上透明的。

根据下面描述的方法，在单次通过(pass)中，激光可以用于穿过材料产生高度受控的全线穿孔，具有极小(<75μm，常常<50μm)表面下损伤和碎屑产生。这与典型的使用点聚焦激光来烧蚀材料相反，其中常常需要多次通过以完全穿透玻璃厚度，大量的碎屑从烧蚀过程中形成，并且更广泛的表面下损伤(>100μm)和边缘碎裂发生。如在此使用的，表面下损伤是指从经受根据本披露的激光加工的基板或材料中分离的部分的外周表面中的结构缺陷的最大尺寸(例如长度、宽度、直径)。由于这些结构缺陷从外周表面延伸，表面下损伤还可以被认为是其中发生了来自根据本披露的激光加工的损伤的从外周表面的最大深度。分离的部分的外周表面在此可以被称为分离的部分的边缘或边缘表面。这些结构缺陷可以是裂纹或空隙并且代表促进从基板或材料分离的部分的断裂或失效的机械薄弱点。通过最小化表面下损伤的尺寸，本发明方法改进了分离部分的结构完整性和机械强度。

因此，有可能使用一个或多个高能量脉冲或者一个或多个高能量脉冲的脉冲串在透明材料中产生微观的(即，直径<2μm且>100nm，并且在一些实施例中<0.5μm且>100nm)延长的缺陷线(在此也被称为穿孔或损坏轨迹)。这些穿孔代表通过激光改性的基板材料的区域。激光诱导改性中断基板材料的结构并且构成机械薄弱位点。结构中断包括压实、熔化、材料的逐出、重排、以及键裂开。这些穿孔延伸进入基板材料的内部并且具有与激光的横截面形状(通常为圆形)一致的横截面形状。这些穿孔的平均直径可以在从0.1μm至50μm的范围内、或在从1μm至20μm的范围内、或在从2μm至10μm的范围内、或在从0.1μm至5μm的范围内。在一些实施例中，该穿孔是“通孔”，其是从基板材料的顶部至底部延伸的孔或开放通道。在一些实施例中，该穿孔可以不是连续开放的通道并且可以包括由激光从基板材料中逐出的固体材料区段。这些逐出的材料阻挡或部分地阻挡由该穿孔限定的空间。在这些逐出的材料区段之间可以分散一个或多个开放通道(未阻挡区域)。开放通道的直径可以是<1000nm、或<500nm、或<400nm、或<300nm或在从10nm至750nm的范围内、或在从100nm至500nm的范围内。在此处披露的实施例中围绕孔的材料的中断的或改性的区域(例如，压实的、熔融的、或以其他方式改变的)，优选具有<50μm的直径(例如，<10μm)。

单独的穿孔能够以数百千赫兹(例如，每秒数十万个穿孔)的速率产生。因此，在具有在激光源与材料之间的相对运动下，这些穿孔可以彼此相邻放置(如所希望的，空间间隔从亚微米至数微米或甚至数十微米变化)。选择这种空间间隔以便有利于切割。

此外，通过光学器件的明智选择，可以实现堆叠透明材料的单独层的选择性切割。透明材料的堆叠的微机械加工和选择性切割是用通过选择适当的激光源和波长连同光束传递光学器件，以及光束中断元件在希望的层的边界处的布置来精确控制切割深度而完成的。该光束中断元件可以是材料层或界面。该光束中断元件在此可以被称为激光束中断元件、中断元件或类似物。该光束中断元件的实施例在此可以被称为光束中断层、激光束中断层、中断层、光束中断界面、激光束中断界面、中断界面、或类似物。

该光束中断元件反射、吸收、散射、散焦或以其他方式干涉入射激光束以抑制或防止激光束损伤或以其他方式改性堆叠中下面的层。在一个实施例中，该光束中断元件位于其中将发生激光钻孔的透明材料层的下面。如在此使用的，当该光束中断元件的安置是使得激光束在遇到该光束中断元件之前必须穿过透明材料时，该光束中断元件位于透明材料的下面。该光束中断元件可以位于透明层的下面并且与该透明层直接邻近，在该透明层中将发生激光钻孔。堆叠材料可以通过插入层或改性该界面以高选择性进行微机械加工或切割，使得在堆叠的不同层之间存在光学特性的对比。通过使堆叠中的材料之间的界面在感兴趣的激光波长下更加反射、吸收、散焦和/或散射，切割可以被限制于堆叠的一个部分或一个层。

选择激光的波长，使得待激光加工(钻孔、切割、烧蚀、损伤或通过激光以其他方式明显改性)的堆叠内的材料对于该激光波长是透明的。在一个实施例中，待通过激光加工的材料对于该激光波长是透明的，如果它吸收每mm厚度的该材料小于10％的该激光波长的强度。在另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于该激光波长是透明的，如果它吸收每mm厚度的该材料小于5％的该激光波长的强度。在还另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于该激光波长是透明的，如果它吸收每mm厚度的该材料小于2％的该激光波长的强度。在又另一个实施例中，待通过激光加工的材料对于该激光波长是透明的，如果它吸收每mm厚度的该材料小于1％的该激光波长的强度。

激光源的选择是进一步基于在透明材料中诱导多光子吸收(MPA)的能力。MPA是相同或不同频率的多个光子的同时吸收以将材料从较低能态(通常是基态)激发至较高能态(激发态)。激发态可以是激发电子态或电离态。材料的较高与较低的能态之间的能量差等于该两个或更多个光子的能量的总和。MPA是非线性过程，其通常比线性吸收弱若干个数量级。它与线性吸收的不同之处在于MPA的强度取决光强度的平方或更高次幂，从而使其成为非线性光学过程。在普通的光强度下，MPA是可忽略不计的。如果光强度(能量密度)非常高，如在激光源(特别是脉冲激光源)的焦点的区域中，MPA变得明显并且在其中光源的能量密度足够高的区域内导致材料中的可测量的效应。在焦点区域内，能量密度可以为足够高以导致电离。

在原子能级上，单个原子的电离具有离散的能量需要。在玻璃中常用的几种元素(例如，Si、Na、K)具有相对低的电离能(约5eV)。没有MPA现象的情况下，将需要约248nm的波长以产生在约5eV下的线性电离。具有MPA的情况下，由约5eV的能量分开的态之间的电离或激发可以用长于248nm的波长完成。例如，具有532nm的波长的光子具有约2.33eV的能量，所以两个具有波长532nm的光子可以例如在双光子吸收(TPA)中诱发由约4.66eV的能量分开的态之间的跃迁。因此，在其中激光束的能量密度足够高以诱导具有例如一半所需激发能量的激光波长的非线性TPA的材料的区域中，原子和键可以被选择性地激发或电离。

MPA可以导致激发的原子或键与相邻的原子或键的局部重构和分离。得到的键或构型的改性可以导致非热烧蚀以及从其中发生MPA的材料区域中去除物质。这种物质的去除产生机械地削弱该材料的结构缺陷(例如缺陷线、损伤线、或“穿孔”)并使其在施加机械或热应力时更容易破裂或断裂。通过控制穿孔的位置，破裂发生所沿着的轮廓或路径可以被精确地限定并且可以完成材料的精确微机械加工。由一系列的穿孔限定的轮廓可以被视为断裂线(fault line)并且对应于材料的结构薄弱区域。在一个实施例中，微机械加工包括从由激光加工的材料中分离一部分，其中该部分具有通过由激光诱导的MPA作用形成的穿孔的闭合轮廓决定的精确限定的形状或外周。如在此使用的，术语闭合轮廓是指由激光线形成的穿孔路径，其中该路径在一些位置与自身相交。内部轮廓是其中得到的形状完全由材料的外部部分围绕形成的路径。

该激光是超短脉冲激光(脉冲持续时间在数十皮秒或更短的量级)并且能够以脉冲模式或脉冲串模式操作。在脉冲模式中，一系列标称上相同的单脉冲从激光器被发射并被引导至工件。在脉冲模式中，激光的重复率是由脉冲之间的时间间隔决定的。在脉冲串模式中，脉冲的脉冲串从激光器发射，其中每个脉冲串包括两个或更多个(相同或不同振幅的)脉冲。在脉冲串模式中，脉冲串内的脉冲被第一时间间隔(其定义了对于该脉冲串的脉冲重复率)分隔开并且这些脉冲串被第二时间间隔(其定义了脉冲串重复率)分隔开，其中该第二时间间隔典型地比该第一时间间隔长得多。如在此使用的(无论在脉冲模式或脉冲串模式的背景下)，时间间隔是指脉冲或脉冲串的相应部分(例如，前缘至前缘、峰至峰、或后缘至后缘)之间的时间差。脉冲和脉冲串的重复率是由激光的设计控制并且可以典型地通过调整激光的操作条件在一定范围内进行调节。典型的脉冲和脉冲串的重复率是在kHz至MHz范围内。

激光脉冲持续时间(在脉冲模式下或对于在脉冲串模式下的脉冲串内的脉冲)可以是10^-10s或更小、或10^-11s或更小、或10^-12s或更小、或10^-13s或更小。在此处描述的示例性实施例中，激光脉冲持续时间是大于10^-15。

这些穿孔可以通过控制激光器和/或基板或堆叠的运动控制基板或堆叠相对于激光器的速度来间隔开并且精确定位。作为例子，在暴露于100kHz的一系列脉冲(或脉冲的脉冲串)的以200毫米/秒移动的薄透明基板中，单独脉冲将被间隔开2微米以产生一系列分隔开2微米的穿孔。此缺陷线(穿孔)是间隔足够接近的以允许沿着由该系列的穿孔限定的轮廓的机械或热分离。沿着断裂线方向在相邻的缺陷线之间的距离可以是，例如，在从0.25μm至50μm的范围内、或在从0.50μm至约20μm的范围内、或在从0.50μm至约15μm的范围内、或在从0.50μm至10μm的范围内、或在从0.50μm至3.0μm的范围内或在从3.0μm至10μm的范围内。

热分离：

在一些情况下，沿着由一系列穿孔或缺陷线限定的轮廓产生的断裂线不足以自发地分离该部分，并且第二步骤可能是必要的。如果希望的话，则例如可以使用第二激光产生热应力以分离它。在低应力玻璃如康宁(Corning)Eagle XG或康宁玻璃编码2318的情况下，在它已经经受来自离子交换的化学强化之前，可以实现分离，在产生断裂线之后，通过施加机械力或通过使用热源(例如，红外线激光，例如CO₂激光)以产生热应力并迫使一部分从基板分离。另一种选择是使该CO₂激光只启动分离并且然后手动完成分离。任选的CO₂激光分离是例如用散焦连续波(cw)激光实现，该散焦连续波激光在10.6μm发射并且具有通过控制其占空比调节的功率。焦点变化(即，散焦达到的程度并且包括聚焦光斑尺寸)用于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大于在激光波长尺寸数量级下的最小衍射极限的光斑尺寸的光斑尺寸的那些激光束。例如，2至12mm、或约7mm、2mm和20mm的散焦光斑尺寸(1/e²直径)可以用于CO₂激光，例如，给定10.6μm的发射波长的情况下它的衍射极限的光斑尺寸小得多。

蚀刻：

例如，可以使用酸蚀刻，以分离具有例如玻璃层的工件。在一个实施例中，例如，所使用的酸可以是按体积计10％HF/15％HNO₃。这些部分可以在24℃-25℃的温度下蚀刻持续53分钟以用激光将通过MPA形成的孔的直径扩大至例如约100μm。激光穿孔的部分可以浸没在此酸浴中，并且例如在40kHz和80kHz频率的组合下的超声搅拌可用于促进在这些孔中的流体的渗透和流体交换。此外，可以进行在超声场内的该部分的人工搅拌以防止来自超声场的驻波图在该部分上产生“热点”或空穴相关的损伤。该酸组合物和蚀刻速率可以有意地设计成缓慢蚀刻该部分-例如仅1.9μm/分钟的材料去除速率。例如，小于约2μm/分钟的蚀刻速率允许酸充分渗透窄孔并且搅拌允许交换新鲜流体并从当最初由激光形成时是非常窄的孔中去除溶解的材料。一旦酸渗透这些孔，并且这些孔扩大到将它们与相邻的孔连接的尺寸，然后穿孔轮廓将与基板的剩余部分分离。例如，这允许内部特征例如待从更大的部分中脱落的孔或槽、或者待从含有它的更大“框架”中脱落的窗口。

在图1中显示的实施例中，在多层堆叠中的切割深度的精确控制是通过包含呈光束中断界面形式的光束中断元件(标记为“改性的界面”)实现的。该光束中断界面防止激光辐射与超出中断界面的位置的多层堆叠的部分相互作用。

在一个实施例中，该光束中断元件被定位在堆叠的层的直接下方，在该层中将发生经由双-(或多-)光子吸收的改性。这种构型在图1中示出，其中该光束中断元件是在材料A直接下方定位的改性的界面并且材料A是其中将发生通过在此描述的双-(或多-)光子吸收机制形成穿孔的材料。如在此使用的，提及在另一位置下方或低于另一位置的位置假定顶部或最上面的位置是多层堆叠的表面，激光束首先入射在该表面上。在图1中，例如，材料A的最接近激光源的表面是顶表面并且光束中断元件在材料A下方的放置意味着激光束在与光束中断元件相互作用之前穿过材料A。

该光束中断元件具有与待切割的材料不同的光学特性。例如，该光束中断元件可以是散焦元件、散射元件、半透明元件、衍射元件、吸收元件、或反射元件。该散焦元件是包含防止激光在该散焦元件上或下方形成激光束焦线的材料的界面或层。该散焦元件可以由具有散射或扰乱光束的波前的折射率不均匀性的材料或界面构成。半透明元件是材料的界面或层，其允许光通过，但仅在散射或衰减激光束以充分降低能量密度来防止在半透明元件的远离激光束的一侧的堆叠的部分中形成激光束焦线之后。在一个实施例中，该半透明元件实现至少10％的激光束光线的散射或偏移。

更具体地，可以采用中断元件的反射性、吸收性、散焦、衍射性、衰减、和/或散射以产生对激光辐射的屏障或障碍。该激光束中断元件可以通过若干手段产生。如果整个堆叠系统的光学特性不是重要的，那么可以在该堆叠的希望的两个层之间沉积一个或多个薄膜作为一个或多个光束中断层，其中该一个或多个薄膜比在它直接上方的层吸收、散射、散焦、衰减、反射、衍射、和/或消散更多的激光辐射以保护在该一个或多个光束中断层下方的层免于从激光源接收过多的能量密度。如果整个堆叠系统的光学特性的确重要，则该光束中断元件可以作为陷波滤波器实现。这可以通过几种方法来完成：

a)在该光束中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，使得发生在特定波长或波长范围下的入射激光辐射的衍射；

b)在该光束中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，使得发生入射激光辐射的散射(例如，纹理化的表面)；

c)在该光束中断层或界面处产生结构(例如，经由薄膜生长、薄膜图案化、或表面图案化)，使得发生激光辐射的衰减相移；以及

d)在该光束中断层或界面处经由薄膜堆叠产生分布式布拉格反射器以仅反射激光辐射。

没有必要的是由该光束中断元件的激光束的吸收、反射、衍射、散射、衰减、散焦等是完全的。仅必要的是该光束中断元件对激光束的作用是足以将聚焦激光束的能量密度或强度降低至低于用于由该光束中断元件保护(在该光束中断元件下面)的堆叠的层的切割、烧蚀、穿孔等所要求的阈值的水平。在一个实施例中，该光束中断元件将聚焦激光束的能量密度或强度降低至低于诱导双-(或多-)光子吸收所需要的阈值的水平。该光束中断层或光束中断界面可以被配置为吸收、反射、衍射、或散射激光束，其中该吸收、反射、衍射、或散射足以将传递至载体(或其他下面的层)的激光束的能量密度或强度降低至低于诱导载体层或下面的层中的非线性吸收所需要的水平的水平。

转向图2A以及2B，激光钻孔材料的方法包括沿着脉冲激光束2传播方向观察，使该光束聚焦成激光束焦线2b。激光束焦线2b为高能量密度的区域。如图3A所示，激光器3(未示出)发射激光束2，该激光束具有入射到光学组件6的一部分2a。光学组件6在使入射激光束转变为输出侧上的激光束焦线2b(沿着光束方向在限定的扩大范围(焦线长度l)内)。

层1是多层堆叠的层，其中会发生通过激光加工和双-(或多-)光子吸收的内部改性。层1是更大的多层工件的组件(其剩余部分未示出)，该多层工件典型地包括在其上形成多层堆叠的基板或载体。层1是多层堆叠内的层，其中孔、切口、或其他特征将通过如在此描述的双-(或多-)光子吸收辅助的烧蚀或改性形成。在图1中，例如，材料A对应于层1并且材料B是在该光束中断元件下面的层。层1被定位于光束路径上以至少部分地与激光束2的激光束焦线2b重叠。参考号1a表示层1的面向(最靠近或邻近)光学组件6或激光的表面，分别地，并且参考号1b表示层1的相反表面(与光学组件6或激光器远离、或更远的表面)。层1的厚度(垂直于平面1a和1b，即垂直于基板平面测量的)用d标记。

如图2A描绘，层1基本上垂直于纵向光束轴线对齐并且因此在由光学组件6产生的相同焦线2b后面(基板垂直于该图的平面)。沿着光束方向观察，层1相对于焦线2b以这样的方式定位，即，使得焦线2b(在光束的方向上观察)在层1的表面1a之前开始并且在层1的表面1b之前停止，即焦线2b在层1内终止并且不延伸超出表面1b。在激光束焦线2b与层1的重叠区域中，即在层1的被焦线2b重叠的部分中，激光束焦线2b产生在层1中的非线性吸收，(假设沿着激光束焦线2b的合适的激光强度，其强度由激光束2在长度l的区段上的适当聚焦(即长度l的线状焦点)保证)，其限定了区段2c(沿着纵向光束方向对齐)，沿着该区段在层1中产生诱导非线性吸收。这种线状焦点可以通过多种方式产生，例如，贝塞尔光束、艾里(Airy)光束、韦伯(Weber)光束和马蒂厄(Mathieu)光束(即非衍射光束)，它们的场分布典型地是由在横向方向(即传播方向)上比高斯函数衰减更缓慢的特殊函数给出。诱导非线性吸收导致在层1中沿着区段2c的缺陷线的形成。这些缺陷线的形成不仅是局部的，而且可以在诱导吸收的区段2c的整个长度上延伸。区段2c的长度(其对应于激光束焦线2b与层1的重叠的长度)被用参考号L标记。诱导吸收区段2c(或经受缺陷线形成的层1的材料中的区段)的平均直径或广度(extent)用参考号D标记。这个平均广度D基本上对应于激光束焦线2b的平均直径δ，即，在约0.1μm与约5μm之间的范围内的平均光斑直径。

如图2A所示，由于沿着焦线2b的诱导吸收，层1(其对于激光束2的波长λ是透明的)被局部加热。该诱导吸收起因于与焦线2b内的激光束的高强度(能量密度)相关联的非线性效应。图2B示出了被加热的层1最终将膨胀，使得对应的诱导张力导致微裂纹形成，其中张力在表面1a处是最高的。

下面将描述可应用于产生焦线2b的代表性光学组件6和其中可应用这些光学组件的代表性光学装置。所有组件或装置是基于以上描述，这样相同的参考号用于相同的部件或特征或在其功能上相等的那些部件或特征。因此下面仅描述了不同之处。

为了确保在沿着由一系列穿孔限定的轮廓的破裂后分离表面的高质量(关于断裂强度、几何精度、粗糙度和再加工要求的避免)，用于形成限定破裂轮廓的穿孔的单独焦线应使用下述光学组件产生(在下文中，光学组件可替代地还被称为激光光学器件)。该分离的表面的粗糙度主要由焦线的光斑尺寸或光斑直径决定。表面的粗糙度可以，例如，通过由ASME B46.1标准定义的Ra表面粗糙度参数表征。如ASME B46.1中描述的，Ra是自平均线的表面轮廓高度偏差的绝对值的算术平均值，在评估长度内记录。在替代术语中，Ra是相对于平均值的表面的单独特征(峰和谷)的绝对高度偏差的集合的平均值。

为了对于与层1的材料相互作用的激光3的给定的波长λ实现例如0.5μm至2μm的小光斑尺寸，通常必须对激光光学器件6的数值孔径施加某些要求。这些要求由下述的激光光学器件6满足。为了达到要求的数值孔径，该光学器件必须，在一方面，根据已知的阿贝(Abbé)公式(N.A.＝n sin(θ)，n：待加工的材料的折射率，θ：孔径角的一半；以及θ＝arctan(D_L/2f)；D_L：孔径，f：焦距)，解决给定焦距所需的开口。另一方面，激光束必须照射该光学器件直到所需孔径，这典型地借助于光束加宽利用激光与聚焦光学器件之间的加宽望远镜实现。

为了沿着焦线的均匀相互作用的目的，光斑尺寸不应变化太强烈。这可以例如通过以下方式确保(参见以下实施例)：只在小的圆形区域内照射聚焦光学器件，这样使得光束开口以及因此数值孔径百分比仅稍微改变。

根据图3A(在激光辐射2的激光束丛(bundle)中的中央光束的水平处垂直于基板平面的截面；在此，同样，激光束2垂直入射至层1(在进入光学组件6之前)，即入射角θ为0°，使得焦线2b或诱导吸收区段2c平行于基板法线)，由激光器3发射的激光辐射2a被首先引导在对于所使用的激光辐射是完全不透明的圆形光阑8上。光阑8垂直于光束纵轴定向且中心在所描绘的光束丛2a的中心光束上。光阑8的直径以这样的方式进行选择，即，使得靠近光束丛2a的中心的这些光束丛或中心光束(在此用2aZ标记)撞击光阑并且被其完全阻断。只有光束丛2a的外周边范围内的光束(边缘光线，在此用2aR标记)由于与光束直径相比的减小的光阑尺寸而不被阻挡，但是侧向地穿过光阑8并且撞击光学组件6的聚焦光学元件(在此实施例中，其被设计为球形切割的双凸透镜7)的边缘区域。

透镜7以中心光束为中心并且被有意设计为呈常见的球形切割透镜形式的非校正的、双凸聚焦透镜。这种透镜的球面像差可以是有利的。作为替代方案，还可以使用与理想校正的系统偏离的非球面或多透镜系统，其不形成理想的焦点而是限定长度的明显的、延长的焦线(即，不具有单个焦点的透镜或系统)。因此该透镜的区域沿着焦线2b聚焦，受制于与透镜中心的距离。横越光束方向的光阑8的直径是该光束丛的直径的约90％(由对于光束的强度降低至峰强度的1/e²所要求的距离限定的)并且是光学组件6的透镜7的直径的约75％。因此使用通过阻挡掉中心的光束丛产生的非像差校正的球面透镜7的焦线2b。图3A示出了通过中心光束的一个平面中的截面，当所描绘的光束绕着焦线2b旋转时，可看到完整的三维丛。

由在图3A中示出的透镜7和系统形成的这种类型的焦线的一个潜在缺点是这些条件(光斑尺寸、激光强度)可能沿着焦线(并且因此沿着该材料中的希望深度)变化并且因此可能有可能仅在焦线的选定部分中发生希望类型的相互作用(无熔化、诱导吸收、热塑性形变直至裂纹形成)。这进而意味着可能仅入射激光的一部分被待加工的材料以希望的方式吸收。以这种方式，该方法的效率(对于希望的分离速率要求的平均激光功率)可能被损害，并且激光还可能被传输到不希望的区域(粘附到基板或基板保持夹具上的部分或层)并且与它们以不希望的方式(如加热、扩散、吸收、不想要的改性)相互作用。

图3B-1-4示出(不仅对于图3A中的光学组件，而且还对于任何其他适用的光学组件6)激光束焦线2b的位置可以通过相对于层1适当地定位和/或对齐光学组件6以及通过适当地选择光学组件6的参数来控制。如图3B-1示出，焦线2b的长度l可以按这样的方式调整即，使得它超过层厚度d(在此2倍)。如果层1相对于焦线2b中心地放置(在纵向光束方向上观察)，在整个基板厚度上产生诱导吸收区段2c。

在图3B-2中所示的情况中，产生或多或少对应于层厚度d的长度l的焦点线2b。由于层1相对于线2b以这样的方式定位，即，使得线2b在待加工的材料外部的点处开始，诱导吸收区段2c的长度L(其在此从基板表面延伸至限定的基板深度，但不延伸至相反表面1b)比焦线2b的长度l更小。图3B-3示出了其中基板1(沿着光束方向观察)定位于焦线2b的起点上方的情况，使得，如在图3B-2中，线2b的长度l大于在层1中的诱导吸收区段2c的长度L。因此该焦线在层1内开始并延伸超出相反(远端)表面1b。图3B-4示出了其中焦线长度l小于层厚度d的情况，使得-在入射方向上观察的基板相对于焦线中央定位的情况下-焦线在层1内的表面1a附近开始并且在层1内的表面1b附近结束(例如，l＝0.75d)。例如，激光束焦线2b可以具有在约0.1mm与约100mm之间的范围内或在约0.1mm与约10mm之间的范围内，或在约0.1mm与约1mm之间的范围内的长度l。例如，不同实施例可以被配置为具有约0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm的长度l。

特别有利的是以这样一种方式定位焦线2b，使得表面1a、1b中的至少一个被焦线覆盖，以便诱导非线性吸收的区段2c至少在待加工的层或材料的一个表面上开始。以这种方式有可能实现几乎理想的切割，同时避免在表面处的烧蚀、羽化和微粒化。

图4描绘了另一种适用的光学组件6。基本结构遵照图3A中描述的那种，所以下面仅描述了不同之处。描绘的光学组件是基于使用具有非球形自由表面的光学器件以便产生焦线2b，该焦线以这样的方式成形，即，使得形成限定长度l的焦线。为了这个目的，非球面透镜可以用作光学组件6的光学元件。在图4中，例如，使用了所谓的圆锥形棱镜，还通常被称为轴锥镜。轴锥镜是在沿光轴的线上形成光斑源(或将激光束转换成环)的特殊的、圆锥形切割的透镜。这种轴锥镜的布局对于本领域的技术人员原则上是已知的；在本实例中的锥角为10°。在此用参考号9标记的轴锥镜的顶点指向入射方向并且以光束中心为中心。由于由轴锥镜9产生的焦线2b在其内部开始，层1(在此垂直于主光束轴对齐)可以定位在光束路径中在轴锥镜9的正后方。如图4所示，还有可能由于轴锥镜的光学特性，沿着光束方向移动层1同时仍然在焦线2b的范围内。在层1的材料中的诱导吸收区段2c因此在整个深度d上延伸。

然而，所描绘的布局受制于以下限制：由于由轴锥镜9形成的焦线2b的区域在轴锥镜9内开始，激光能量的显著部分不被聚焦到焦线2b的诱导吸收区段2c(其位于该材料内)内，在轴锥镜9与待加工的材料之间存在间隔的情况下。此外，焦线2b的长度l通过轴锥镜9的折射率和锥角与光束直径有关。这是为什么，在相对薄的材料(数毫米)的情况下，总焦线比待加工的材料的厚度长得多，具有许多激光能量没有聚焦到该材料内的影响。

由于这个原因，可能希望的是使用包括轴锥镜和聚焦透镜二者的光学组件6。图5A描绘了此类光学组件6，其中具有设计为形成激光束焦线2b的非球面自由表面的第一光学元件(沿着光束方向观察)定位在激光器3的光束路径中。在图5A中所示的情况下，此第一光学元件是具有5°锥角的轴锥镜10，该轴锥镜垂直于光束方向定位并且以激光束3为中心。该轴锥镜的顶点是朝向光束方向定向。第二聚焦光学元件，在此为平凸透镜11(其弯曲朝向该轴锥镜定向)在光束方向上与轴锥镜10相距距离Z1定位。距离Z1，在这种情况下约300mm，以这样的方式进行选择，即，使得由轴锥镜10形成的激光辐射圆形地入射到透镜11的外部径向部分上。透镜11将该圆形辐射聚焦到与透镜11相距距离Z2(在此情况下为约20mm)处的输出侧，在具有限定长度(在此情况下为1.5mm)的焦线2b上。在这个实施例中，透镜11的有效焦距为25mm。通过轴锥镜10的激光束的圆形转换用参考号SR标记。

图5B详细描绘了根据图5A的层1的材料中焦线2b或诱导吸收2c的形成。元件10、11二者的光学特性及其定位以这样的方式进行选择，即，使得焦线2b在光束方向上的长度l与层1的厚度d完全相同。因此，需要沿着光束方向精确定位层1，以便将焦线2b精确定位在层1的两个表面1a与1b之间，如图5B中所示。

因此，如果距激光光学器件一定距离形成焦线并且如果激光辐射的更大部分聚焦到焦线的希望末端，则是有利的。如描述的，这可以通过仅在特定外部径向区域上圆形地(环形地)照射主要聚焦元件11(透镜)实现，这一方面用于实现所需的数值孔径以及因此所需的光斑尺寸，并且，然而在另一方面，由于形成基本上圆形光斑，漫射圈在光斑中心上的非常短的距离内的所需焦线2b之后强度减少。以这种方式，缺陷线的形成在要求的基板深度中的短距离内停止。轴锥镜10和聚焦透镜11的组合满足这个要求。轴锥镜以两种不同方式起作用：由于轴锥镜10，通常圆形的激光光斑以环形式被发送到聚焦透镜11，并且轴锥镜10的非球面性具有在透镜焦面(而非在焦面中的焦点)之外形成焦线的作用。焦线2b的长度l可以通过轴锥镜上的光束直径进行调整。另一方面，沿着焦线的数值孔径可以通过距离Z1(轴锥镜-透镜间距)和通过轴锥镜的锥角进行调整。以这种方式，全部激光能量可以集中在焦线中。

如果缺陷线的形成旨在持续至待加工的层或材料的背面，该圆形(环形)照射仍然具有以下优点：(1)在大部分激光仍然集中在焦线的所要求的长度中的意义下，激光功率被最佳地使用，以及(2)有可能实现沿焦线的均匀光斑尺寸-以及因此沿着由焦线产生的穿孔的均匀分离过程-由于圆形照射的区域结合借助于其他光学功能设置的希望的像差。

代替图5A中所描绘的平凸透镜，还有可能使用聚焦弯月形透镜或另一种更高校正的聚焦透镜(非球面、多透镜系统)。

为了用图5A中所描绘的轴锥镜与透镜组合产生非常短的焦线2b，将必要的是选择入射到轴锥镜上的非常小的光束直径的激光束。这具有实际的缺点：将光束定中心在轴锥镜顶点上必须是非常精确的，并且结果对于激光的方向变化(光束漂移稳定性)是非常敏感的。此外，紧密准直的激光束是非常发散的，即由于光偏转，光束丛在短距离内变得模糊。

如图6所示，通过在光学组件6中包括另一个透镜，准直透镜12，两种影响均可以避免。附加的正透镜12用于非常紧密地调整聚焦透镜11的圆形照射。准直透镜12的焦距f’是以这样的方式进行选择，即，使得希望的圆形直径dr产生自从轴锥镜至准直透镜12的距离Z1a(其等于f’)。该环的希望宽度br可以通过距离Z1b(准直透镜12至聚焦透镜11)进行调整。作为纯几何学问题，小的圆形照射宽度导致短焦线。可以在距离f’处实现最小值。

图6中描绘的光学组件6因此是基于图5A中描绘的光学组件，所以下面仅描述了不同之处。准直透镜12，在此也设计为平凸透镜(其弯曲朝向光束方向)，附加地置于在一侧的轴锥镜10(其顶点朝向光束方向)与在另一侧的平凸透镜11之间的光束路径中心。准直透镜12距轴锥镜10的距离被称为Z1a，聚焦透镜11距准直透镜12的距离被称为Z1b，并且焦线2b距聚焦透镜11的距离被称为Z2(始终在光束方向上观察)。如图6所示，由轴锥镜10形成的圆形辐射SR(其是发散地并且在圆直径dr下入射到准直透镜12上)对于在聚焦透镜11处的至少近似恒定的圆直径dr被调整成沿着距离Z1b的所需的圆宽度br。在示出的情况下，旨在产生很短的焦线2b，使得在透镜12处的约4mm的圆宽度br由于透镜12的聚焦特性被减小至在透镜11处的约0.5mm(在该实例中圆直径dr为22mm)。

在所描绘的实例中，有可能使用2mm的典型激光束直径，具有焦距f＝25mm的聚焦透镜11，具有焦距f’＝150mm的准直透镜，以及选择距离Z1a＝Z1b＝140mm和Z2＝15mm来实现小于0.5mm的焦线l的长度。

更具体地，如图7A和7B中所示的，根据在此描述的某些实施例，皮秒激光产生脉冲500A的“脉冲串”500，有时也被称为“短脉冲”。脉冲串是激光操作的类型，其中脉冲的发射不是呈均匀的且稳定的流，而是呈紧密的脉冲簇。每个“脉冲串”500可以包含最高达100皮秒(例如0.1皮秒、5皮秒、10皮秒、15皮秒、18皮秒、20皮秒、22皮秒、25皮秒、30皮秒、50皮秒、75皮秒、或其间)的非常短的持续时间T_d的多个脉冲500A(例如2个脉冲、3个脉冲、4个脉冲、5个脉冲、10个、15个、20个或更多个)。脉冲持续时间总体上是在从约1皮秒至约1000皮秒的范围内、或在从约1皮秒至约100皮秒的范围内、或在从约2皮秒至约50皮秒的范围内、或在从约5皮秒至约20皮秒的范围内。在单脉冲串500内的这些单独脉冲500A还可以称为“子脉冲”，其简单地表示它们发生在脉冲的单脉冲串内的事实。脉冲串内的每个激光脉冲500A的能量或强度可能不等于该脉冲串内的其他脉冲的能量或强度，并且脉冲串500内的多个脉冲的强度分布可以遵循受激光器设计支配的时间上的指数衰减。优选地，在此描述的示例性实施例的脉冲串500内的每个脉冲500A与该脉冲串中的后续脉冲在时间上间隔了从1纳秒至50纳秒(例如10-50纳秒、或10-40纳秒、10-30纳秒)的持续时间T_p，且该时间通常受激光腔设计支配。对于给定的激光，在脉冲串500内的每个脉冲之间的时间间隔T_p(脉冲-至-脉冲间隔)是相对均匀的(±10％)。例如，在一些实施例中，每个脉冲与后续脉冲在时间上间隔了约20纳秒(50MHz脉冲重复频率)。例如，对于产生约20纳秒的脉冲-至-脉冲间隔T_p的激光，在脉冲串内的脉冲-至-脉冲间隔T_p被维持在约±10％之内，或为约±2纳秒。每个“脉冲串”之间的时间(即，脉冲串之间的时间间隔T_b)将长得多(例如，0.25≤T_b≤1000微秒，例如1-10微秒、或3-8微秒)，例如，在此处描述的激光的示例性实施例的一些中，对于约200kHz的激光重复率或频率它是约5微秒。激光重复率在此也被称为脉冲串重复频率或脉冲串重复率，并且被定义为脉冲串中的第一个脉冲至后续脉冲串中的第一个脉冲之间的时间。在其他实施例中，脉冲串重复频率是在约1kHz与约4MHz之间的范围内、或在约1kHz与约2Mhz之间的范围内、或在约1kHz与约650kHz之间的范围内、或在约10kHz与约650kHz之间的范围内。在每个脉冲串中的第一个脉冲与后续脉冲串中的第一个脉冲之间的时间T_b可以是0.25微秒(4MHz脉冲串重复率)至1000微秒(1kHz脉冲串重复率)，例如0.5微秒(2MHz脉冲串重复率)至40微秒(25kHz脉冲串重复率)，或2微秒(500kHz脉冲串重复率)至20微秒(50kHz脉冲串重复率)。确切的定时、脉冲持续时间、以及重复率可以取决于激光器设计和用户可控制的操作参数而变化。已经显示高强度的短脉冲(T_d<20皮秒并且优选T_d≤15皮秒)很好地工作。

改性材料所需的能量可以就脉冲串能量-脉冲串内含有的能量(每个脉冲串500含有一系列脉冲500A)而言或就单激光脉冲内含有的能量(其中许多可包含脉冲串)而言进行说明。对于这些应用，每脉冲串的能量(每毫米的待切割的材料)可以是从10-2500μJ、或从20-1500μJ、或从25-750μJ、或从40-2500μJ、或从100-1500μJ、或从200-1250μJ、或从250-1500μJ、或从250-750μJ。脉冲串内的单独脉冲的能量将较少，并且确切的单独激光脉冲能量将取决于脉冲串500内的脉冲500A的数量和激光脉冲随时间的衰减速率(例如，指数衰减速率)，如图7A和7B所示。例如，对于恒定的能量/脉冲串，如果脉冲串包含10个单独的激光脉冲500A，那么每个单独的激光脉冲500A将包含比如果同一脉冲串500仅具有2个单独的激光脉冲的情况下更少的能量。

使用能够产生此类脉冲串的激光有利于切割或改性透明材料，例如玻璃。与使用在时间上由单脉冲激光的重复率间隔开的单脉冲相比，使用脉冲串序列(其使激光能量在脉冲串500内的快速脉冲序列内散布)允许获得比使用单脉冲激光可能的与材料高强度相互作用的更大时间尺度。虽然单脉冲可以在时间上扩展，能量守恒指示若这样做，脉冲内的强度必须下降大致脉冲宽度分之一。因此，如果10皮秒单脉冲被扩展至10纳秒脉冲，则强度下降大致三个数量级。这种下降可以使光学强度降低至其中非线性吸收不再是显著的并且光-材料相互作用不再足够强以允许切割的点。相比之下，用短脉冲激光，脉冲串500内的每个脉冲或子脉冲500A期间的强度可以保持非常高-例如由约10纳秒的间隔T_p在时间上间隔开的具有10皮秒的脉冲持续时间T_d的三个脉冲500A仍然允许每个脉冲内的强度比单一的10皮秒脉冲高约三倍，同时允许激光与材料在大三个数量级的时间尺度上相互作用。脉冲串内的多个脉冲500A的这种调整因此允许按以下方式操纵激光-材料相互作用的时间尺度，这些方式可以有助于更大或更小的与预先存在的等离子体羽流的光相互作用、更大或更小的与通过初始或先前的激光脉冲预先激发的原子和分子的光-材料相互作用、以及更大或更小的可以促进缺陷线(穿孔)的受控生长的材料内的加热效应。改性材料所需要的脉冲串能量的量将取决于基板材料组成和用于与基板相互作用的线状焦点的长度。相互作用区域越长，能量散布出越多，并且将需要的脉冲串能量越高。

当脉冲的单脉冲串撞击玻璃上的基本上同一位置时，在材料中形成缺陷线或孔。即，单脉冲串内的多个激光脉冲可以在玻璃中产生单一缺陷线或孔位置。当然，如果玻璃平移(例如通过不断移动的平台)或光束相对于玻璃移动，脉冲串内的单独脉冲不能在该玻璃上的完全相同的空间位置处。然而，它们彼此很好地在1μm内-即，它们在基本上相同的位置撞击玻璃。例如，它们可以按彼此间隔sp撞击玻璃，其中0<sp≤500nm。例如，当玻璃位置用20个脉冲的脉冲串击中时，该脉冲串内的单独脉冲在彼此的250nm内撞击该玻璃。因此，在一些实施例中1nm<sp<250nm。在一些实施例中，1nm<sp<100nm。

总体上，可用的激光功率越高，材料可以用上述方法越快切割。在此披露的该一种或多种方法可以在0.25米/秒、或更快的切割速度下切割玻璃。切割(cut)速度(或切割(cutting)速度)是激光束相对于基板材料(例如，玻璃)的表面运动的速率，同时产生多个缺陷线孔。高的切割速度，例如像，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/秒至4米/秒是通常希望的以最小化用于制造的资本投资，并且以优化设备利用率。激光功率等于激光的脉冲串能量乘以脉冲串重复频率(率)。总体上，为了在高切割速度下切割玻璃材料，缺陷线典型地间隔开1-25μm，在一些实施例中该间隔优选地为3μm或更大-例如3-12μm，或例如5-10μm。

例如，为了实现300毫米/秒的线性切割速度，3μm的孔节距(pitch)对应于具有至少100kHz脉冲串重复率的脉冲串激光。对于600毫米/秒的切割速度，3μm的节距对应于具有至少200kHz的脉冲串重复率的脉冲串激光。在200kHz下产生至少40μJ/脉冲串、并且在600毫米/秒切割速度下切割的脉冲串激光需要具有至少8瓦特的激光功率。更高的切割速度相应地要求更高的激光功率。

例如，3μm间距和40μJ/脉冲串下的0.4米/秒切割速度将需要至少5W激光，3μm间距和40μJ/脉冲串下的0.5米/秒切割速度将需要至少6W激光。因此，优选地，脉冲串皮秒激光的激光功率是6W或更高、更优选至少8W或更高、并且甚至更优选至少10W或更高。例如，为了实现4μm节距(缺陷线间距，或损伤轨迹间距)和100μJ/脉冲串下的0.4米/秒切割速度，人们将需要至少10W激光，并且为了实现4μm节距和100μJ/脉冲串下的0.5米/秒切割速度，人们将需要至少12W激光。例如，为了实现3μm节距和40μJ/脉冲串下的1米/秒的切割速度，人们将需要至少13W激光器。而且，例如，4μm节距和400μJ/脉冲串下的1米/秒切割速度将需要至少100W激光。

缺陷线(损伤轨迹)之间的最佳节距与确切的脉冲串能量依赖于材料并且可以根据经验来确定。然而，应该指出的是，提高激光脉冲能量或使损伤轨迹在更近的节距下不是始终使基板材料更好地分离或具有改进的边缘质量的条件。缺陷线(损伤轨迹)之间的太小(例如<0.1微米，或者在一些示例性实施例中<1微米，或在其他实施例中<2微米)的节距有时可能抑制附近后续缺陷线(损伤轨迹)的形成，并且经常可能抑制穿孔轮廓周围的材料的分离。如果节距太小也可能造成玻璃内不想要的微裂纹的增加。太长(例如>50μm，并且在一些玻璃中>25μm或甚至>20μm)的节距可能导致“不受控的微裂纹化”-即，代替沿着预期的轮廓从缺陷线到缺陷线扩展，微裂纹沿着不同的路径扩展，并且使玻璃在偏离预期轮廓的不同的(不希望的)方向上破裂。这最终可能降低分离的部分的强度，因为残留的微裂纹构成弱化玻璃的缺陷。太高(例如，>2500μJ/脉冲串，并且在一些实施例中>500μJ/脉冲串)的用于形成缺陷线的脉冲串能量可能引起之前形成的缺陷线的“愈合”或再熔化，这可能抑制玻璃的分离。因此，优选的是，脉冲串能量是<2500μJ/脉冲串，例如，≤500μJ/脉冲串。此外，使用太高的脉冲串能量可能导致极大的微裂纹的形成，并且产生可能减小分离后的部分的边缘强度的结构缺陷。太低(例如<40μJ/脉冲串)的脉冲串能量可能导致在玻璃内没有缺陷线的可观形成，并且因此可能需要特别高的分离力或导致完全不能沿穿孔轮廓分离。

由该方法实现的典型的示例性切割速率(速度)是，例如，0.25米/秒和更高。在一些实施例中，切割速率是至少300毫米/秒。在一些实施例中，切割速率是至少400毫米/秒，例如，500毫米/秒至2000毫米/秒，或更高。在一些实施例中，皮秒(ps)激光利用脉冲串来产生具有在0.5μm与13μm之间，例如在0.5与3μm之间的周期性的缺陷线。在一些实施例中，该脉冲激光具有10W-100W的激光功率并且材料和/或激光束以至少0.25米/秒的速率；例如，以0.25米/秒至0.35米/秒、或0.4米/秒至5米/秒的速率相对于彼此平移。优选地，脉冲激光束的每个脉冲串具有在工件处测定的每mm厚度的工件每脉冲串大于40μJ的平均激光能量。优选地，脉冲激光束的每个脉冲串具有在工件处测定的每mm厚度的工件每脉冲串大于小于2500μJ，并且优选每mm厚度的工件每脉冲串小于约2000μJ，并且在一些实施例中每mm厚度的工件每脉冲串小于1500μJ；例如，每mm厚度的工件每脉冲串不超过500μJ的平均激光能量。

我们发现需要高得多的(高5至10倍)体积的脉冲能量密度(μJ/μm³)用于穿孔具有低或没有碱含量的碱土硼铝硅酸盐玻璃。这可以例如通过以下方式实现：利用脉冲串激光，优选具有每脉冲串至少2个脉冲，并且提供约0.05μJ/μm³或更高，例如，至少0.1μJ/μm³，例如0.1-0.5μJ/μm³的碱土硼铝硅酸盐玻璃(具有低碱或没有碱)内的体积能量密度。

因此，优选的是激光产生具有每脉冲串至少2个脉冲的脉冲串。例如，在一些实施例中，脉冲激光具有10W-150W的功率(例如，10W-100W)，并且产生具有每脉冲串至少2个脉冲的脉冲串(例如，每脉冲串2-25个脉冲)。在一些实施例中，脉冲激光具有25W-60W的功率，并产生具有每脉冲串至少2-25个脉冲的脉冲串，并且通过激光脉冲串所产生的相邻缺陷线之间的周期性或距离为2-10μm。在一些实施例中，脉冲激光具有10W-100W的功率，产生具有每脉冲串至少2个脉冲的脉冲串，并且工件和激光束以至少0.25米/秒的速率相对于彼此平移。在一些实施例中，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，对于切割0.7mm厚的非离子交换的康宁编码2319或编码2320玻璃，观察到3-7μm的节距可以很好地工作，具有约150-250μJ/脉冲串的脉冲串能量和从2-15的范围内的脉冲串数目，并优选具有3-5μm的间距和2-5的脉冲串数目(每脉冲串的脉冲的数目)。

在1米/秒的切割速度下，Eagle玻璃的切割典型地需要利用15-84W的激光功率，其中30-45W常常是足够的。一般而言，跨越各种玻璃和其他透明材料，申请人发现在10W与100W之间的激光功率对于实现从0.2-1米/秒的切割速度是优选的，其中25-60W的激光功率对于许多玻璃是足够的(或最佳的)。对于0.4米/秒至5米/秒的切割速度，激光功率应该优选地是10W-150W，具有40-750μJ/脉冲串的脉冲串能量，每脉冲串2-25个脉冲(取决于被切割的材料)，和3至15μm、或3-10μm的缺陷线间距(节距)。皮秒脉冲串激光的使用对于这些切割速度将是优选的，因为它们产生高功率和每脉冲串所需数目的脉冲。因此，根据一些示例性实施例，脉冲激光产生10W-100W的功率，例如25W至60W，并产生每脉冲串至少2-25个脉冲的脉冲串并且缺陷线之间的距离为2-15μm；并且激光束和/或工件相对于彼此以至少0.25米/秒的速度平移，在一些实施例中至少0.4米/秒，例如0.5米/秒至5米/秒，或更快。

图8示出了入射到玻璃-空气-玻璃复合结构上的聚焦高斯光束与贝塞尔光束之间的对比。聚焦高斯光束将在进入第一玻璃层时发散并且不会钻孔到大的深度，或者如果随着钻孔玻璃发生自聚焦，该光束将从第一玻璃层中露出并且衍射，并且不会钻孔入第二玻璃层。依赖于高斯光束通过克尔(Kerr)效应(有时称为“成丝”)的自聚焦在具有空气间隙的结构中是有问题的，因为通过克尔效应诱导空气中的自聚焦所需的功率是玻璃中所需的功率的约20倍。相比之下，贝塞尔光束将在线状焦点的整个广度内对两个玻璃层钻孔。图8的插图中示出了用贝塞尔光束切割的玻璃-空气-玻璃复合结构的实例，其示出了暴露的切割边缘的侧视图。顶部和底部玻璃片是0.4mm厚的康宁公司编码2320玻璃，具有101MPa的中心张力(CT)。两层玻璃之间的示例性空气间隙是约400μm。切割是以200毫米/秒用激光的单次通过进行的，使得这两片玻璃被同时切割，即使它们分隔开约400μm。

在此处描述的实施例的一些中，空气间隙的厚度为在50μm与5mm之间，或在50μm与2mm之间，或在200μm与2mm之间。

示例性的光束中断层包括聚乙烯塑料片(例如，Visqueen，从英国聚乙烯实业有限公司(British Polythene Industries Limited)可商购)。透明层，如图9所示，包括透明的乙烯树脂(例如，Penstick，从MOLCO股份有限公司(MOLCO,GmbH)可商购)。注意，不像使用其他聚焦激光方法，为了获得阻挡或停止层的效果，不需要精确地控制精确的焦点，光束中断层的材料也不需要是特别耐用的或昂贵的。在许多应用中，人们只需要稍微干涉激光的层以中断激光并防止线状焦点的发生。Visqueen防止用皮秒激光切割和线状焦点的事实是很好的例子-其他聚焦皮秒激光束(如高斯光束)将十分肯定地钻孔直接穿过Visqueen，并且人们若希望用其他激光方法避免钻孔直接穿过这种材料，人们将不得不非常精确地将激光焦点设定为不靠近Visqueen。

图10示出了封装器件的空气间隙和切割。此线状焦点方法可以同时切穿堆叠的玻璃板，即使存在显著宏观的空气间隙。这使用其他激光方法是不可能的，如图8所示。许多装置需要玻璃封装，例如OLED(有机发光二极管)。能够同时切穿两个玻璃层对于可靠且有效的装置分割过程是非常有利的。被分割是指一个组件能够从可以包含多个其他组件的较大的材料片中分离。使用单次激光通过切割全部堆叠的组件意味着每个层的切割边缘之间不存在错位，该错位用多次通过方法的情况下可能发生，其中激光的第二次通过绝不会精确地在第一次通过的位置处。可以通过在此描述的方法分割、切去、或者生产的其他组件是，例如，OLED(有机发光二极管)组件、DLP(数字光处理器)组件、LCD(液晶显示器)单元、半导体器件基板。

图11示出了堆叠有透明保护层以切割多个板同时减小磨损或污染。同时切割显示玻璃板的堆叠是非常有利的。透明聚合物如乙烯树脂或聚乙烯可被放置在玻璃板之间。透明聚合物层充当保护层用于降低对彼此紧密接触的玻璃表面的损伤。这些层将允许切割过程运行，但将保护玻璃板免受彼此划伤，并将进一步防止任何切割碎屑(尽管使用此过程的情况下它是小的)污染玻璃表面。保护层也可以包含沉积在基板或玻璃板上的蒸发介电层。

图12示出了切割制品如涂覆有透明导电层(例如ITO)的电致变色玻璃(标记为“透明基板”)。切割已经具有透明导电层例如氧化铟锡(ITO)的玻璃对于电致变色玻璃应用以及还有触摸面板装置具有高价值。这种激光过程能够以对透明导电层的最小损伤和很少的碎屑产生而切穿这样的层。所穿孔的孔的极小的尺寸(<5um)意味着非常少的ITO将受到切割过程的影响，而其他切割方法将要产生多得多的表面损伤和碎屑。

图13示出了堆叠中的一些层的精密切割而不损害其他层，如也在图1中示出的，将概念延伸至多个层(即，多于两个层)。在图13的实施例中，该光束中断元件是散焦层。

实施例方法具有以下优点：基本上透明的材料如玻璃、塑料和橡胶可以被穿孔和切割。穿孔可以贯穿层压工件的多个层压层或选定层。可以产生非常独特的产品形状和特征，并且实施例甚至可以用于切割形成的3D形状，例如，其中激光束以该层压工件的3D表面的法线定向以穿孔所有层。选定层也可以被穿孔和/或弱化以允许受控的破裂，例如用于汽车挡风玻璃或其他安全玻璃应用。具有0.1mm至1mm的层厚度的玻璃、塑料和/或橡胶的层压层，例如，能够以高速度进行切割用于制造，具有非常高的精确度并且具有非常好的边缘品质。所披露的激光过程甚至可以消除对于任何边缘精加工的需要，这具有显著的成本优势。

图14A是包含塑料膜外层与玻璃或塑料内层的示例层压堆叠的侧视图。层压堆叠1400包括在塑料薄膜1405与塑料薄膜1435之间的层1410、1415、1420、1425、和1430。层1410、1415、1420、1425、和1430可以是玻璃或塑料，并且可以是相同或不同的组成。塑料薄膜1405和1435具有在从0.01mm-0.10mm范围内的典型厚度。层1410、1415、1420、1425、和1430具有在从0.05mm-1.5mm范围内的典型厚度。层压堆叠1400的总厚度典型地在从1.0mm-4.0mm的范围内。该层压件可以熔合在一起，用粘合剂连接，或者甚至具有在相邻层之间的空气或真空间隙。如果所有的层是基本上透明的并且没有可能中断激光束的显著缺陷，则激光穿孔可穿过层压件的全部或一部分进行。

图14B示出了使用披露的切割层压件的激光方法穿过在图14A中示出的层压件的所有层制成的激光穿孔1450。在一些实施例中，该层压件具有3D表面，并且该激光按以下角度被定位，该角度例如适应该层压件的形状并且允许激光束在该层压件的3D表面的法线处穿孔该层压件。

图14C示出了由激光穿孔1450引起的缺陷线1452。一系列相邻的缺陷线可以使层压件弱化并且准备用于沿着由该系列相邻的缺陷线限定的边缘或轮廓的分离。

图15是在图14A-C中示出的层压件的顶视图。图15示出了形成激光穿孔以有助于移除该层压件的一整个边缘和该层压件的矩形区段二者。这种切割可以用如所示的一系列相邻激光穿孔来完成。在图15中，该系列的相邻激光穿孔是呈竖直和水平地定向的直线。然而，在其他情况下，例如，这些相邻的穿孔是沿着弯曲轮廓。此外，可以产生孔、槽、开口、凹陷、以及任何形状。图15中所示的玻璃或塑料矩形(或在其他情况下的其他形状)可通过将它机械推动穿过材料被移除，例如，如在冲头和冲模(punch and die method)方法中完成的。例如，玻璃或塑料也可使用其他方法如使用真空吸盘去除。

图16A是类似于图14A-C所示的层压件的侧视图。然而，激光穿孔1450’仅延伸穿过该层压件的一些层。可以选择穿孔的深度以允许任何数量的层被切割并移除，留下其余的层在原位。因此，孔、槽、开口、凹陷、以及其他任何形状的特征可以被切割。这种切割方法可以导致切割并移除选定的区域，产生具有一个或多个3D表面的层压件形状。

图16B示出了对应于激光穿孔1450’仅在该层压件中延伸至特定深度的缺陷线1452’。

在此引用的所有专利、公开申请和参考文献的相关传授内容以其全文通过援引方式并入。

虽然在此已经描述了示例性实施例，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离由所附权利要求所涵盖的范围的情况下，可以在其中做出在形式和细节上的不同改变。