JP7045372B2 - 非球面集束手段およびビーム拡大器を用いて脆性材料を切断するためのレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して、透明な脆性材料のレーザ機械加工に関する。本発明は、具体的には、約２０ピコ秒以下のパルス持続時間を有し、伸長焦点に形成される超短パルスレーザ放射のビームを使用する、ガラスワークピースの切断に関する。

レーザ機械加工は、ガラスおよびサファイア等の脆性材料を含む幅広い範囲の材料を切断、穿孔、マーキング、およびスクライビングするために使用されることが多くなっている。伝統的な機械加工は、加工材料が応力印加されると伝搬し、それによって、加工材料を劣化かつ脆弱化させ得る微小亀裂等の望ましくない欠陥を産出する。パルスレーザ放射の集束ビームを使用する脆性材料のレーザ機械加工は、高品質な縁および壁を有する精密な切断および孔を産出しながら、望ましくない欠陥の形成を最小限にする。産業進歩は、増加する範囲の脆性材料のレーザ機械加工を要求しながら、向上される加工速度および精度を要求する。

透明な脆性材料は、レーザ放射の非線形吸収を通してパルスレーザ放射の集束ビームと相互作用する。パルスレーザ放射は、一連の個々のパルスまたはパルスの急速なバーストを含み得る。各個々のパルスまたはパルスのバーストは、ビームの焦点において透明な脆性材料の中に欠陥を作成する。欠陥のアレイが、パルスレーザ放射の集束ビームをワークピース内の切断経路に沿って平行移動させ、それによって、材料を脆弱化させることによって作成される。薄いワークピースが、次いで、自然に分離し得る一方、厚いワークピースは、応力を印加する付加的なステップにおいて分離され得る。１つのそのような方法は、材料によって吸収される波長を有するレーザビームを切断経路に沿って印加することであり、これは、加熱を通して機械的応力をもたらす。

近年では、化学強化ガラスが、開発され、消費者電子機器デバイスのディスプレイスクリーンのためのカバーガラスとして広範囲にわたって使用されている。化学強化は、イオン交換プロセスによって達成される。ケイ酸塩板ガラスが、カリウムイオン（Ｋ^＋）を含む塩溶液内に浸漬される。より大きなカリウムイオンが、ガラスの表面近傍に位置するより小さいナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と置換され、それによって、ガラスの表面層内に圧縮をもたらす。そのような表面層の間で、ガラスの内部が、緊張状態にあり、表面圧縮を補償する。その高い表面層圧縮が、化学強化ガラスを極めて硬質（モーズ硬度約６．５）かつ引掻および機械的衝撃に対して耐久性のあるものにする。サファイア（モーズ硬度９）は、いくつかのデバイスにおいて使用される代替の硬質カバーガラス材料である。

消費者電子機器デバイスのためのカバーガラスは、典型的には、約３００マイクロメートル（μｍ）～１．１ミリメートル（ｍｍ）の厚さを有する。良好に集束されるパルスレーザ放射は、典型的には、深度において数１０マイクロメートルにわたって延在する欠陥を作成する。ワークピースの全厚を通した切断は、集束されるレーザ放射に、切断経路に沿って何度も走査されながら、焦点深度を変動させるように要求する。

商業的なレーザ機械加工プロセスは、長焦点を生成し、それによって、切断経路に沿って要求される走査数を低減させ、かつレーザ切断装置の生産性を向上させるような種々の手段を使用して開発された。「ベッセルビーム」が、集束要素としてアキシコンまたは均等な位相マスクを使用して、ガウス横モードを有するビームから生成される。アキシコンは、光学軸を中心して回転対称である、円錐プリズムである。位相マスクは、あるタイプの回折光学素子（ＤＯＥ）であり、概して、加工するために幾分高価である。実践では、付加的な望遠鏡が、多くの場合、ベッセルビームを縮小し、アキシコンまたはＤＯＥの不完全な加工によってもたらされる激しい強度変調を排除するために要求される。ベッセルビームを使用して作成される欠陥は、サテライト構造を有し得、これは、不良品質の切断縁をもたらし得る。

長焦点を生成するためのある代替方法は、自己誘導「フィラメント」を作成することである。材料において高強度を有するパルスレーザ放射の集束ビームが、その屈折率の非線形構成要素に起因してさらに集束される。非線形の集束と強度との間の正のフィードバックが、プラズマを作成する。プラズマ内のより低い屈折率が、脱集束をもたらす。集束と脱集束との間の平衡が、フィラメント内のプラズマ状態を維持する。フィラメントの伝搬が、集束要素の光学軸に沿って材料の中に空所を作成する。フィラメントレーザ機械加工が、高パルスエネルギーを要求し、超短パルスレーザ源の電流生成およびビームパラメータの全ての微調整の実践的な限界に接近する。材料物性（通常の材料不均質性等）およびビームパラメータ（放射毎の雑音およびレーザ毎のビーム品質等）における比較的に小さい違いが、フィラメントレーザ切断プロセスにおける制御の損失をもたらし得る。

より低いパルスエネルギーを使用する、切断経路に沿った単一の経路において強化ガラスまたはサファイアを切断するであろう効率的なレーザ切断方法のための必要性が、存在する。好ましくは、本方法は、決定論的であり、かつ材料物性およびビームパラメータにおける違いの影響を受けないものであるべきである。

本発明は、入射面と、出射面とを有する脆性材料の切断を対象とする。本発明によるレーザ装置は、パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するレーザ源を備える。パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有し、コリメートビームは、第１の直径を有する。光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズが、提供される。レーザ源と非球面集束レンズとの間に位置する無限焦点ビーム拡大器が、提供される。無限焦点ビーム拡大器は、コリメートビームを第１の直径から第２の直径まで拡大するように配列される。第２の直径は、拡大されたコリメートビームの一部のみが有効開口の内側に存在するように、非球面集束レンズの有効開口より大きい。非球面集束レンズは、パルスレーザ放射のビームの一部を有効開口の内側に集束させる。集束されたビームは、光学軸と同軸である伸長焦点を有する。伸長焦点は、光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有する。伸長焦点は、入射面と出射面との間の脆性材料に重複する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
脆性材料を切断するためのレーザ装置であって、前記脆性材料は、入射面と、出射面とを有し、前記装置は、
パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有し、前記コリメートビームは、第１の直径を有する、レーザ源と、
光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズと、
前記レーザ源と前記非球面集束レンズとの間に位置する無限焦点ビーム拡大器であって、前記無限焦点ビーム拡大器は、前記コリメートビームを前記第１の直径から第２の直径まで拡大するように配列され、前記第２の直径は、前記拡大されたコリメートビームの一部のみが前記有効開口の内側に存在するように、前記非球面集束レンズの有効開口より大きい、無限焦点ビーム拡大器と
を備え、
前記非球面集束レンズは、パルスレーザ放射の前記ビームの一部を前記有効開口の内側に集束させ、前記集束されたビームは、前記光学軸と同軸である伸長焦点を有し、前記伸長焦点は、前記光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有し、
前記伸長焦点は、前記入射面と前記出射面との間の前記脆性材料に重複する、装置。
（項目２）
前記有効開口の内側の前記拡大されたコリメートビームの一部は、約８５％～約９５％である、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目３）
前記有効開口の内側の前記拡大されたコリメートビームの一部は、約９０％である、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目４）
前記ほぼ一様な強度分布は、複数のピークを含み、前記ピーク強度は、平均ピーク強度から約２０％未満変動する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目５）
ほぼ一様な強度分布を有する前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目６）
前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点に送達される前記パルスレーザ放射のパルスエネルギーを最大限にし、前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目７）
前記有効開口は、前記無限焦点ビーム拡大器と前記非球面集束レンズとの間に位置する離散開口によって画定される、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目８）
前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目９）
前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目１０）
前記非球面集束レンズは、前記拡大されたコリメートビームが前記凸面形の非球面表面上に入射するように配向される、項目９に記載のレーザ切断装置。
（項目１１）
前記非球面集束レンズは、前記拡大されたコリメートビームが前記平坦表面上に入射するように配向される、項目９に記載のレーザ切断装置。
（項目１２）
前記ワークピースは、平行移動され、切断線に沿って前記光学軸をトレースしながら、パルスレーザ放射の前記集束されたビームを印加する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目１３）
パルスレーザ放射の前記コリメートビームは、横方向のガウス強度分布を有する、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目１４）
パルスレーザ放射の前記ビームは、一連のバーストを備え、各バーストは、複数の個々のパルスを含む、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目１５）
各バーストは、２～１０個の個々のパルスを含む、項目１４に記載のレーザ切断装置。
（項目１６）
各バーストは、５個の個々のパルスを含む、項目１５に記載のレーザ切断装置。
（項目１７）
パルス繰り返し数は、約４０メガヘルツ～約５０メガヘルツである、項目１４に記載のレーザ切断装置。
（項目１８）
バースト周波数は、約５０キロヘルツ～約１メガヘルツである、項目１４に記載のレーザ切断装置。
（項目１９）
前記バースト周波数は、約１００キロヘルツ～約４００キロヘルツである、項目１８に記載のレーザ切断装置。
（項目２０）
前記ワークピースは、ガラスから作製される、項目１に記載のレーザ切断装置。
（項目２１）
前記ワークピースは、化学強化ガラスから作製される、項目２０に記載のレーザ切断装置。
（項目２２）
脆性材料を切断するためのレーザ装置であって、前記脆性材料は、入射面と、出射面とを有し、前記装置は、
パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するためのレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有する、レーザ源と、
光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズと、
前記レーザ源と前記非球面集束レンズとの間のパルスレーザ放射の前記コリメートビームの中に位置するビーム拡大要素であって、前記ビーム拡大要素は、パルスレーザ放射の前記コリメートビームをパルスレーザ放射の拡大されたビームへと形成し、パルスレーザ放射の前記拡大されたビームは、パルスレーザ放射の前記拡大されたビームの一部のみが前記有効開口の内側に存在するように、前記非球面集束レンズの有効開口を過充填する、ビーム拡大要素と
を備え、
前記有効開口の内側のパルスレーザ放射の前記拡大されたビームの一部は、前記非球面集束レンズによってパルスレーザ放射の集束ビームへと形成され、パルスレーザ放射の前記集束ビームは、伸長焦点を有し、前記伸長焦点は、前記光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有し、
前記伸長焦点は、前記入射面と前記出射面との間の前記脆性材料に重複する、レーザ装置。
（項目２３）
前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２４）
前記非球面集束レンズは、球状集束レンズと、非球面位相板とを含む、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２５）
前記非球面位相板は、回折光学素子である、項目２４に記載のレーザ切断装置。
（項目２６）
前記ビーム拡大要素は、無限焦点ビーム拡大器である、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２７）
前記ビーム拡大要素は、凹面レンズである、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２８）
前記有効開口は、前記ビーム拡大要素と前記非球面集束レンズとの間のパルスレーザ放射の前記拡大されたビームの中に位置する離散開口によって画定される、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目２９）
前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目３０）
前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在するほぼ一様な強度分布を有する、項目２２に記載のレーザ切断装置。
（項目３１）
前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点に送達される前記パルスレーザ放射のパルスエネルギーを最大限にし、前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、項目２２に記載のレーザ切断装置。

本明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する添付図面が、本発明の好ましい実施形態を図式的に図示し、上記に与えられる一般的な説明および下記に与えられる好ましい実施形態の詳細説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。

図１Ａは、脆性材料から作製されるワークピース内に拡張される欠陥を作成するための本発明によるレーザ切断装置の１つの好ましい実施形態を図式的に図示し、装置は、パルスレーザ放射のビームを送達するレーザ源と、無限焦点ビーム拡大器と、一様な強度分布を有する伸長焦点を形成する非球面集束レンズとを含む。

図１Ｂは、図１Ａのパルスレーザ放射のビームにおける横方向のガウス強度分布を図式的に図示する。

図１Ｃは、図１Ａの伸長焦点における一様な強度分布を図式的に図示する。

図２は、図１Ａの実施形態に類似する本発明によるレーザ切断装置の別の好ましい実施形態を図式的に図示しているが、無限焦点ビーム拡大器は、凹面レンズによって置換されている。

図３は、図１Ａの実施形態に類似する本発明によるレーザ切断装置のさらに別の好ましい実施形態を図式的に図示しているが、非球面集束レンズは、球状集束レンズと、非球面位相板とを含んでいる。

図４は、図１Ａのレーザ放射のビームにおけるパルスを図式的に図示するタイミング図である。

図５は、本発明による非球面集束レンズの非球面表面と、市販の球状レンズの球状表面との断面形状を図式的に図示するグラフであり、表面の頂点は、原点に位置し、表面は、光学軸から半径方向の変位の関数としてサグによって図示されている。

図６Ａは、図２の実施形態に類似する伝統的なレーザ切断装置の光学軸に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示するグラフであるが、本発明の非球面集束レンズの代わりとして、球状平凸集束レンズを有しており、球状平凸集束レンズは、＋３５ｍｍの規定された焦点距離を有している。図６Ｂは、図１Ａのレーザ切断装置の光学軸に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示するグラフであり、非球面集束レンズは、＋２５ｍｍの公称焦点距離を有しており、パルスレーザ放射のビームは、非球面集束レンズの有効開口を充填不足にしている。図６Ｃは、図６Ｂと同一のレーザ切断装置の光学軸に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示するグラフであるが、パルスレーザ放射のビームは、非球面集束レンズの有効開口を過充填する。

図７Ａは、図１Ａのレーザ切断装置の光学軸に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示するグラフであるが、約５％のパルスエネルギーを、非球面集束レンズの有効開口の外側に存在するレーザ放射のビームの中に有している。図７Ｂは、図７Ａと同一のレーザ切断装置の光学軸に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示するグラフであるが、約１０％のパルスエネルギーを、非球面集束レンズの有効開口の外側に存在するレーザ放射のビームの中に有している。図７Ｃは、図７Ａと同一のレーザ切断装置の光学軸に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示するグラフであるが、約１５％のパルスエネルギーを、非球面集束レンズの有効開口の外側に存在するレーザ放射のビームの中に有している。

ここで、同様の構成要素が同様の数字によって指定される図面を参照すると、図１Ａが、本発明によるレーザ切断装置の１つの好ましい実施形態１０を図式的に図示する。装置１０は、ビーム直径「Ｄ_１」を有するパルスレーザ放射のコリメートビーム１４を送達する、レーザ源１２を含む。コリメートビーム１４は、随意の回転鏡１６によって、コリメートビーム１４を捕捉し、そしてコリメートされてより大きなビーム直径「Ｄ_２」を有するパルスレーザ放射の拡大されたビーム２０を形成するように配列される無限焦点ビーム拡大器１８の中に指向される。無限焦点ビーム拡大器は、光学設計の分野において周知のビーム拡大要素であり、その説明は、本発明の原理を理解するためには必要ではない。

非球面集束レンズ２２が、拡大されたコリメートビーム２０を捕捉し、パルスレーザ放射の集束ビーム２４を形成するように配列される。ビーム直径Ｄ_２が、非球面集束レンズ２２の有効開口「ＣＡ」を過充填するように（Ｄ_２＞ＣＡ）選択される。拡大されたコリメートビーム２０の一部のみが、有効開口ＣＡの内側に存在する。その部分が、非球面集束レンズ２２を通して伝送され、集束ビーム２４へと形成される。拡大されたコリメートビーム２０の周辺光線を含むより小さい相補的な部分は、非球面集束レンズ２２によって集束されない。非球面集束レンズ２２の有効開口ＣＡは、無限焦点ビーム拡大器１８と非球面集束レンズ２２との間に位置する離散開口２６によって画定され、描写されるように、周辺光線を物理的に遮断する。代替として、有効開口ＣＡは、その光学縁またはその物理的縁であり得る、非球面集束レンズ２２の縁２８によって画定されてもよい。

非球面集束レンズ２２は、光学軸３０と、非球面表面３２と、反対側の表面３４とを有する。非球面表面３２は、本明細書に下記に詳細に説明される凸面形の非球面形状を有する。表面３４は、平坦であってもよく、または球状または非球面である凸面形状を有してもよい。非球面集束レンズ２２は、好ましくは、平坦表面３４を有する平凸レンズである。非球面集束レンズ２２は、描写されるように、拡大されたコリメートビーム２０を非球面表面３２上に入射させるように配向されてもよい、または拡大されたコリメートビーム２０を表面３４上に入射させるように配向されてもよい。好ましい平凸非球面集束レンズ２２に関して、拡大されたコリメートビーム２０を平坦表面３４上に入射させる配向は、非球面集束レンズの集束性質が、レンズの精密な厚さ「Ｔ」から影響を受けないという利点を有する。

集束ビーム２４は、光学軸３０に沿って伸長焦点３６に収束する。光学軸３０に近接する非球面集束レンズ２２から出現する近軸光線が、光学軸３０に対して垂直である平面「Ａ」に収束する。非球面集束レンズ２２の「公称焦点距離」が、非球面集束レンズ２２と平面Ａとの間の距離として定義される。縁２８に近接する非球面集束レンズ２２から出現する光線が、平面Ａより非球面集束レンズにより近い平面「Ｂ」に収束する。伸長焦点３６が、平面ＡとＢとの間に延在する。伸長焦点３６は、平面ＡとＢとの間の光学軸３０に沿って一様な強度分布を有し、これは、本明細書に下記に詳細に説明される。

脆性材料から作製されるワークピース３８が、光学軸３０が太線によって図面内に示される切断線４０を捕捉するように位置する。集束ビーム２４は、入口表面４２を通してワークピース３８に進入し、反対側の出口表面４４を通してワークピース３８から退出する。ワークピース３８は、伸長焦点３６が入口表面４２と出口表面４４との間のワークピース３８に重複するように位置する。ワークピース３８における「公称焦点深度」「Ｌ」が、入口表面４２と平面Ａとの間の距離として定義される。ワークピース３８は、描写されるように、表面４２および４４の両方を平面ＡとＢとの間に位置させるように、伸長焦点３６の中に完全に据え付けられてもよい。代替として、ワークピース３８は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、伸長焦点３６の中に部分的に据え付けられてもよい。切断は、描写されるように、ワークピース３８を平行移動させ、切断線４０に沿って光学軸３０をトレースしながら、パルスレーザ放射の集束ビーム２４を印加することによって遂行される。切断線４０は、本願によって要求されるように、一直線または湾曲していてもよい。

図１Ｂは、コリメートビーム１４の断面強度分布を図式的に図示する。図１Ｂは、コリメートビーム１４の中心からの半径方向の変位の関数としての、レーザ放射の強度のグラフである。多くのレーザ源内の光学共振器が、ガウス関数によって説明される最低次の横モードを有する。そのような横方向のガウス強度分布が、図面に描写され、ビームの中心における最大強度の

に対応するビーム半径「ω」を有する。ビーム直径Ｄ_１は、例証の便宜上、コリメートビーム１４内のパワーの９９％を包含する直径３．０３ωとして本明細書に定義される。同様に、ビーム直径Ｄ_２は、拡大されたコリメートビーム２０内のパワーの９９％を包含する。

図１Ｃは、光学軸３０に沿った集束ビーム２４の一様な強度分布を図式的に図示する。伸長焦点３６は、図面内の平面ＡとＢとの間にほぼ一定の強度を有する。実践では、本発明によって形成される強度分布は、本明細書に下記に議論されるように、「ほぼ一様」である。

図２は、本発明による、レーザ切断装置の別の好ましい実施形態５０を図式的に図示する。装置５０は、図１Ａのレーザ切断装置１０に類似するが、無限焦点ビーム拡大器１８が、ビーム拡大要素として凹面レンズ５２によって置換される。凹面レンズ５２が、コリメートビーム１４を捕捉し、そして、発散して非球面集束レンズ２２の有効開口「ＣＡ」を過充填するパルスレーザ放射の拡大されたビーム５４を形成する。図２は、非球面集束レンズ２２の縁２８によって画定されている開口ＣＡの実施例を描写する。非球面集束レンズ２２は、拡大された発散ビーム５４を捕捉し、集束ビーム２４を形成するように配列される。図面は、伸長焦点３６の中に部分的に据え付けられているワークピース３８の実施例を描写する。本実施例では、公称焦点深度Ｌは、ワークピース３８の厚さを下回る。

図３は、本発明による、レーザ切断装置のさらに別の好ましい実施形態６０を図式的に図示する。装置６０は、図１Ａのレーザ切断装置１０に類似するが、非球面集束レンズ２２が、非球面集束レンズ６６をともに形成する球状集束レンズ６２および非球面位相板６４によって置換される。球状集束レンズ６２は、球状表面６８と、反対側の表面３４とを有する。球状表面６８は、凸面形の球形状を有する。球状集束レンズ６２および非球面位相板６４は、伸長焦点３６を有する集束ビーム２４を協働可能に形成する。図面は、伸長焦点３６内に部分的に据え付けられているワークピース３８の別の実施例を描写する。この実施例では、公称焦点深度Ｌは、ワークピース３８の厚さよりも大きい。

非球面位相板６４は、好ましくは、球状集束レンズ６２から伝搬する集束ビームの波面を修正し、光学軸３０に沿って伸長焦点３６を形成する、回折光学要素（ＤＯＥ）である。非球面位相板６４は、球状集束レンズ６２の具体的な設計に整合するようにカスタマイズされる。レーザ切断装置６０は、球状集束レンズ６２が商業的な光学系供給元から得られる標準的な平凸レンズであり得るという利点を有する。

ＤＯＥは、例えば、ＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｉｎｃ．（Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）から商業的に入手可能である。プログラム可能な波面変調を有するアクティブなＤＯＥ（「空間光変調器」として公知である）もまた、例えば、ＨｏｌｏＥｙｅ （Ｂｅｒｌｉｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ）から商業的に利用可能である。非球面位相板６４のためにアクティブなＤＯＥを使用することは、いかなる光学要素の交換もなく、装置６０が、異なる材料から作製されるまたは異なる厚さを有するワークピースをレーザ切断することを可能にする。開口は、要求される場合、非球面位相板６４の設計の中に組み込まれ、有効開口ＣＡを制限してもよい。

図４は、図１Ａのパルスレーザ放射のコリメートビーム１４内の超短パルスのバーストを図式的に図示する、タイミング図である。「超短」パルスは、約２０ピコ秒（ｐｓ）未満のパルス持続時間「δＴ」を有するものとして、本明細書に定義される。一般的に、より短いパルス持続時間は、より良好な縁品質を有する切断されたワークピースを産出する。例えば、数百フェムト秒のδＴを有するパルスを使用して形成される縁は、数十ピコ秒のδＴを有するパルスを使用して形成される縁より低い面粗度を有する。

バースト内の個々のパルスは、時間間隔「Ｔ_ｐ」によって分離され、連続するバーストは、時間間隔「Ｔ_ｂ」によって分離され、これは、１つのバーストの第１のパルスと次のバーストの第１のパルスとの間の分離である。これらの時間間隔は、それぞれ、パルス繰り返し数およびバースト周波数に対応する。バースト周波数とワークピースの平行移動速度が、切断線に沿った欠陥の間隔を決定する。具体的な厚さを有する具体的な材料から作製されるワークピースに関して、最良の縁品質を達成するための欠陥の最適な間隔が、存在する。

好ましくは、バースト毎に２～１０個のパルスが、存在し、最も好ましくは、バースト毎に５個のパルスが、存在する。好ましくは、パルス繰り返し数は、約１０メガヘルツ（ＭＨｚ）よりも大きい。最も好ましくは、パルス繰り返し数は、約４０メガヘルツ（ＭＨｚ）～約５０ＭＨｚである。好ましくは、バースト周波数は、約５０キロヘルツ（ｋＨｚ）～約１ＭＨｚである。最も好ましくは、バースト周波数は、約１００ｋＨｚ～約４００ｋＨｚである。

図１のレーザ切断装置１０、図２のレーザ切断装置５０、および図３のレーザ切断装置６０における使用のための好適なレーザ源１２は、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｎｃ．（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から入手可能であるＨｙｐｅｒＲａｐｉｄ^ＴＭ ５０ ＨＥレーザシステムである。本レーザシステムは、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）アーキテクチャを使用し、４０ワット（Ｗ）よりも大きい最大アクセス可能平均電力に対応する最高２００ｋＨｚのバースト周波数において２００マイクロジュール（μＪ）よりも大きいエネルギーを有する超短パルスのバーストを送達する。バースト毎に最高１０個のパルスが、約５０ＭＨｚのパルス繰り返し数を伴って生成される。パルスレーザ放射の出力ビームは、１０ｐｓの典型的なパルス持続時間と、約１，０６４ナノメートル（ｎｍ）の波長とを有する。ＨｙｐｅｒＲａｐｉｄ^ＴＭ ５０ ＨＥレーザシステムは、プロセスシャッタとして使用され得る音響光学変調器（ＡＯＭ）を含む。本レーザシステムは、ＡＯＭが開放している間、連続的な一連のバーストを提供する。

図５は、図１Ａのレーザ切断装置１０における使用のための非球面集束レンズ２２の例示的非球面表面３２を図式的に図示する。表面３４は、平坦である。例示的非球面表面３２の精密な形状（実線）が、光学軸３０からの半径方向の変位の関数として光学軸３０に平行な変位（「サグ」として光学技術で公知である）によって断面図に図示される。比較のために、図５は、非球面表面３２のものの近くにサグを有する、市販の球状平凸レンズの球状表面７０の綿密な形状（点線）を含む。市販の球状平凸レンズは、Ｔｈｏｒｌａｂｓ （Ｎｅｗｔｏｎ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ）製の品番ＬＡ１０２７である。ＴｈｏｒｌａｂｓレンズＬＡ１０２７は、＋３５ミリメートル（ｍｍ）の規定された焦点距離を有する。各表面の頂点７２は、図面の原点に位置する。非球面表面３２および球状表面７０の精密な形状を計算するための等式が、本明細書の下記にもたらされる。

図６Ａは、典型的なレーザ切断装置の焦点近傍の光学軸３０に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示する、グラフである。典型的なレーザ切断装置は、図２のレーザ切断装置５０に類似するが、球状平凸集束レンズが、非球面表面３２を有する非球面集束レンズ２２の代わりとして、球状凸面形表面を有する。計算は、図５に描写される球状表面７０を有するＴｈｏｒｌａｂｓレンズＬＡ１０２７を使用する。凹面レンズ５２は、－１００ｍｍの規定された焦点距離を有する、Ｔｈｏｒｌａｂｓの品番ＬＣ１１２０である。例示的ワークピース３８のための入口表面４２および出口表面４４の場所が、図６Ａの垂直の点線によって示される。例示的ワークピース３８は、１．５１の屈折率と、１．１ｍｍの厚さとを有する。Ｇｏｒｉｌｌａ^ＴＭガラス（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．（Ｃｏｒｎｉｎｇ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）によって供給される化学強化ガラスである）およびＢＫ７ガラス（一般的に入手可能な市販のガラスである）は両方とも、約１．５１の屈折率を有する。

ＴｈｏｒｌａｂｓレンズＬＡ１０２７によって集束ビーム上に付与される球面収差は、３４ｍｍ未満から約３７ｍｍまでの光学軸に沿った拡張される範囲にわたって分散される強度として図６Ａにおいて明白である伸長焦点を産出する。球面収差のない状態で、強度分布は、代わりに、約３６．６ｍｍを中心とする単一のピークであってもよい。例示的ワークピースの全体の厚さが、レーザ放射のパルスビームに暴露されるが、パルスエネルギーの多くのものが、例示的ワークピースの外側に送達され、これは、非効率的である。

図６Ｂは、図１Ａのレーザ切断装置１０の伸長焦点３６の近傍の光学軸３０に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示する、グラフである。単純な非球面集束レンズ２２は、拡大されたコリメートビーム２０の内の光線のための光学軸３０から半径方向の変位「ｒ」に対して線形に従属する焦点距離「ｆ（ｒ）」を有する。

式中、「ｆ（０）」は、公称焦点距離であり、「Δｆ」は、定数である。図６Ｂに描写される強度分布を産出する単純な非球面集束レンズは、２５ｍｍの公称焦点距離ｆ（０）と、０．１６の定数Δｆと、５０ｍｍの有効開口ＣＡとを有する。拡大されたコリメートビーム２０は、２５ｍｍのガウスビーム直径２ωを有する。図６Ｂに描写される焦点は、伸長されているが、図６Ａに描写される伸長焦点よりも光学軸に沿った小さい範囲にわたっているにすぎず、これは、はるかにより高い割合のパルスエネルギーがワークピースに送達されることを可能にする。図６Ｂは、本発明における非球面集束レンズ２２の利点を実証する。

図６Ｃは、図６Ｂを計算するために使用される単純な非球面集束レンズ２２を含むが、２５ｍｍのより小さい有効開口ＣＡを有する、図１Ａのレーザ切断装置１０における光学軸３０に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示する、グラフである。より小さい有効開口は、パルスエネルギーの１３．５％がワークピース３８に到達することを防止するが、開口２６の縁における回折が、図６Ｂと比較して、光学軸３０に沿ってより一様な強度分布を形成する。図６Ｂ内の伸長焦点は、図６Ｂに描写される伸長焦点より良好に画定され、約２３．２ｍｍの変位から約２４．８ｍｍの変位まで拡張する。図６Ｃは、本発明における非球面集束レンズ２２と組み合わせられる開口２６の利点を実証する。

図７Ａは、図５に描写される例示的非球面表面３２を有する図１Ａのレーザ切断装置１０の伸長焦点３６の近傍の光学軸３０に沿った変位の関数として計算される強度を図式的に図示する、グラフである。拡大されたコリメートビーム２０は、２５ｍｍのガウスビーム直径２ωを有し、開口２６は、３０．６ｍｍの直径を有する。開口２６は、拡大されたコリメートビーム２０内のパルスエネルギーの約５％が、１．５１の屈折率と、１．１ｍｍの厚さとを有する例示的ワークピース３８に到達することを防止する。

図５に描写される例示的非球面表面３２は、例示的ワークピース内に伸長焦点を形成し、最小限の損失を伴って例示的ワークピースにパルスエネルギーを送達するように設計される。図７Ａでは、レーザ放射のほぼ全てが、約２４．１ｍｍの変位と約２５．２ｍｍの変位との間の伸長焦点に送達され、それによって、例示的ワークピークの全厚を暴露する。例示的非球面表面３２を有する非球面集束レンズ２２は、拡大されたコリメートビーム２０を平坦表面３４上に入射させ、集束ビーム２４を例示的非球面表面３２から出現させるように配向されるように設計される。非球面集束レンズ２２は、１．０６４μｍの波長を有する放射に関して１．５１の屈折率を有するＢＫ７ガラスから作製される。

図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃは、開口２６が３０．６ｍｍ、２５．０ｍｍ、および２４．３ｍｍの個別の直径を有する例示的非球面表面３２を有する図１Ａのレーザ切断装置１０における光学軸３０に沿った強度を図示する。開口２６は、パルスエネルギーのそれぞれ、約５％、約１０％、および約１５％が例示的ワークピース３８に到達することを防止する。図７Ａは、出口表面４４近傍に位置する最大強度ピークを有する。図７Ｂは、ほぼ一様な強度分布を有する。図７Ｃは、入口表面４２に位置する最大強度ピークを有する。図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃは、伸長焦点３６における強度分布が具体的なワークピース３８の切断を最適化するように適合され得る方法を描写する。有効開口ＣＡの内側に存在する拡大されたコリメートビーム２０の部分は、好ましくは、約８５％～約９５％であり、最も好ましくは、約９０％である。

図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃに描写される計算される強度分布はそれぞれ、全体的に一様な強度分布上に課される複数のピークを有する。これらの高周波数ピークまたは強度における変調は、集束ビーム２４内のコヒーレントレーザ放射の光学干渉によってもたらされる。伸長焦点３６に沿った計算される強度におけるピークは、本発明を使用してワークピース内に作成される拡張される欠点において観察される変調にほぼ対応する。同様に、計算される強度の谷部が、時として、拡張される欠点における不連続性に対応する。

強度分布におけるピークに暴露される材料が、低い強度に暴露される材料より低いパルスエネルギーにおいて、制御される欠陥形成のための閾値および望ましくない欠陥形成のための閾値を超過する。したがって、脆性材料を加工するときは、ピーク強度を考慮することが、有用である。本明細書における「一様な強度分布」は、光学干渉によってもたらされる高周波数ピークを考慮することなく、平均強度から約２０％未満変動する全体的な形状を有する強度分布を指す。「ほぼ一様な強度分布」は、平均ピーク強度から約２０％変動するピーク強度を有する強度分布として本明細書に定義される。

ここで図５に戻ると、非球面表面３２の精密な形状が、非球面パラメータ「β」および半径パラメータ「Ｒ」のセットによって定義される。非球面表面３２上の各点は、以下のサグを有する。

例示的非球面表面３２のミリメートル単位の精密なサグが、Ｒ＝２２．６ｍｍ、β_１＝３．８３８×１０^－４、β_２＝－６．３３０×１０^－２ｍｍ^－１、β_３＝８．９９０×１０^－５ｍｍ^－２、β_４＝４．５００×１０^－５ｍｍ^－３、β_５＝１．４２４×１０^－６ｍｍ^－４、β_６＝－４．２５０×１０^－７ｍｍ^－５、β_７＝２．２００×１０^－８ｍｍ^－６、およびβ_８＝－４．６５０×１０^－１０ｍｍ^－７によって定義される。球状表面７０のｍｍ単位の精密なサグは、以下の通りである。

式中、Ｒ＝－１８．０５ｍｍである。球状表面に関して、Ｒは、表面の物理的半径に対応する。

手短に言えば、パルスレーザ放射のビームは、脆性材料を切断するための一様な強度分布を有する伸長焦点を形成するように集束される。上記で説明される本実施形態は、非球面集束レンズおよび開口を使用し、横方向のガウス強度分布を有するパルスレーザ放射のビームから伸長焦点を形成する。光学設計は、レーザ放射を脆性材料の全厚を通して効率的に集束し、それによって、脆性材料が切断線に沿った単一の経路において切断されることを可能にする、拡張される欠点を作成するように最適化されることができる。拡張される欠陥を作成するための、制御されかつ効率的なレーザ放射の送達は、強化ガラス等の硬質の脆性材料から作製されるワークピースを切断するために要求されるパルスエネルギーおよび時間を低減させる。本発明は、各拡張される欠陥を作成するための自己誘導フィラメントを作成するステップに依拠しない。したがって、本発明は、パルスレーザ放射の源のビーム特性の影響を比較的に受けない。

本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態の観点から上記に説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明されかつ描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項によってのみ限定される。

Claims (51)

1. 脆性材料を切断するためのレーザ装置であって、前記脆性材料は、入射面と、出射面とを有し、前記装置は、
   パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有し、前記コリメートビームは、第１の直径を有する、レーザ源と、
   光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズと、
   前記レーザ源と前記非球面集束レンズとの間に位置する無限焦点ビーム拡大器であって、前記無限焦点ビーム拡大器は、前記コリメートビームを前記第１の直径から第２の直径まで拡大するように配列され、前記第２の直径は、前記拡大されたコリメートビームの一部のみが前記有効開口の内側に存在しかつ前記有効開口を充填するように、前記非球面集束レンズの前記有効開口より大きい、無限焦点ビーム拡大器と
   を備え、
   前記非球面集束レンズは、パルスレーザ放射の前記ビームの前記一部を前記有効開口の内側に集束させ、前記集束は、前記有効開口の縁での回折と組み合わせて、前記光学軸と同軸である伸長焦点を形成し、前記伸長焦点は、前記光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有し、
   前記伸長焦点は、前記入射面と前記出射面との間の前記脆性材料に重複する、装置。
2. 前記有効開口の内側の前記拡大されたコリメートビームの前記一部は、約８５％～約９５％である、請求項１に記載のレーザ切断装置。
3. 前記有効開口の内側の前記拡大されたコリメートビームの前記一部は、約９０％である、請求項１に記載のレーザ切断装置。
4. 前記ほぼ一様な強度分布は、複数のピークを含み、前記ピーク強度は、平均ピーク強度から約２０％未満変動する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
5. ほぼ一様な強度分布を有する前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
6. 前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点に送達される前記パルスレーザ放射のパルスエネルギーを最大限にし、前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
7. 前記有効開口は、前記無限焦点ビーム拡大器と前記非球面集束レンズとの間に位置する離散開口によって画定される、請求項１に記載のレーザ切断装置。
8. 前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、請求項１に記載のレーザ切断装置。
9. 前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、請求項１に記載のレーザ切断装置。
10. 前記非球面集束レンズは、前記拡大されたコリメートビームが前記凸面形の非球面表面上に入射するように配向される、請求項９に記載のレーザ切断装置。
11. 前記非球面集束レンズは、前記拡大されたコリメートビームが前記平坦表面上に入射するように配向される、請求項９に記載のレーザ切断装置。
12. 前記脆性材料は、平行移動され、切断線に沿って前記光学軸をトレースしながら、パルスレーザ放射の前記集束されたビームを印加する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
13. パルスレーザ放射の前記コリメートビームは、横方向のガウス強度分布を有する、請求項１に記載のレーザ切断装置。
14. パルスレーザ放射の前記ビームは、一連のバーストを備え、各バーストは、複数の個々のパルスを含む、請求項１に記載のレーザ切断装置。
15. 各バーストは、２～１０個の個々のパルスを含む、請求項１４に記載のレーザ切断装置。
16. 各バーストは、５個の個々のパルスを含む、請求項１５に記載のレーザ切断装置。
17. パルス繰り返し数は、約４０メガヘルツ～約５０メガヘルツである、請求項１４に記載のレーザ切断装置。
18. バースト周波数は、約５０キロヘルツ～約１メガヘルツである、請求項１４に記載のレーザ切断装置。
19. 前記バースト周波数は、約１００キロヘルツ～約４００キロヘルツである、請求項１８に記載のレーザ切断装置。
20. 前記脆性材料は、ガラスから作製される、請求項１に記載のレーザ切断装置。
21. 前記脆性材料は、化学強化ガラスから作製される、請求項２０に記載のレーザ切断装置。
22. 脆性材料を切断するためのレーザ装置であって、前記脆性材料は、入射面と、出射面とを有し、前記装置は、
    パルスレーザ放射のコリメートビームを送達するためのレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約２０ピコ秒未満のパルス持続期間を有する、レーザ源と、
    光学軸と、有効開口とを有する非球面集束レンズと、
    前記レーザ源と前記非球面集束レンズとの間のパルスレーザ放射の前記コリメートビームの中に位置するビーム拡大要素であって、前記ビーム拡大要素は、パルスレーザ放射の前記コリメートビームをパルスレーザ放射の拡大されたビームへと形成し、パルスレーザ放射の前記拡大されたビームは、パルスレーザ放射の前記拡大されたビームの一部のみが前記有効開口の内側に存在しかつ前記有効開口を充填するように、前記非球面集束レンズの前記有効開口を過充填する、ビーム拡大要素と
    を備え、
    前記有効開口の内側のパルスレーザ放射の前記拡大されたビームの前記一部の前記非球面集束レンズによる集束は、前記有効開口の有効縁での回折と組み合わせて、伸長焦点を有するパルスレーザ放射の集束ビームを形成し、前記伸長焦点は、前記光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有し、
    前記伸長焦点は、前記入射面と前記出射面との間の前記脆性材料に重複する、レーザ装置。
23. 前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
24. 前記非球面集束レンズは、球状集束レンズと、非球面位相板とを含む、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
25. 前記非球面位相板は、回折光学素子である、請求項２４に記載のレーザ切断装置。
26. 前記ビーム拡大要素は、無限焦点ビーム拡大器である、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
27. 前記ビーム拡大要素は、凹面レンズである、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
28. 前記有効開口は、前記ビーム拡大要素と前記非球面集束レンズとの間のパルスレーザ放射の前記拡大されたビームの中に位置する離散開口によって画定される、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
29. 前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
30. ほぼ一様な強度分布を有する前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
31. 前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点に送達される前記パルスレーザ放射のパルスエネルギーを最大限にし、前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項２２に記載のレーザ切断装置。
32. 脆性材料から作製されるワークピースを切断線に沿って切断するための方法であって、前記方法は、
    レーザ放射のビームを送達するステップであって、前記レーザ放射は、パルス化され、かつ約２０ピコ秒未満のパルス持続時間を有する、ステップと、
    レーザ放射の拡大されたビームの一部のみが有効開口の内側に存在しかつ前記有効開口を充填し、非球面集束レンズを通して伝送されるように、前記非球面集束レンズの前記有効開口を過充填するためにレーザ放射の前記ビームを拡大するステップと、
    前記有効開口の縁でレーザ放射の前記ビームを回折させることと組み合わせて、レーザ放射の前記伝送されたビームを集束させることによって、伸長焦点を有するレーザ放射の集束ビームを形成するステップであって、前記伸長焦点は、前記非球面集束レンズの光学軸に沿ってほぼ一様な強度分布を有する、ステップと、
    前記伸長焦点が前記ワークピースの入射面と出射面との間で前記ワークピースに重複しかつ前記光学軸が前記切断線を捕捉するように、前記ワークピースを位置付けるステップと、
    前記切断線に沿って前記光学軸をトレースするステップと
    を備える、方法。
33. 前記有効開口の内側のレーザ放射の前記拡大されたビームの前記一部は、約８５％～約９５％である、請求項３２に記載の切断方法。
34. 前記ほぼ一様な強度分布は、複数のピークを含み、前記ピーク強度は、平均ピーク強度から約２０％未満変動する、請求項３２に記載の切断方法。
35. 前記伸長焦点は、前記入射面から前記出射面まで延在する、請求項３２に記載の切断方法。
36. レーザ放射の前記送達されたビームは、パルスエネルギーを有し、前記非球面集束レンズの設計は、前記伸長焦点内の前記パルスエネルギーの割合を最大限にする、請求項３２に記載の切断方法。
37. 前記有効開口は、レーザ放射の前記拡大ビームに位置する離散開口によって画定される、請求項３２に記載の切断方法。
38. 前記有効開口は、前記非球面集束レンズの縁によって画定される、請求項３２に記載の切断方法。
39. 前記非球面集束レンズは、凸面形の非球面表面と、反対側の平坦表面とを有する平凸レンズである、請求項３２に記載の切断方法。
40. 前記非球面集束レンズは、レーザ放射の前記拡大されたビームが前記凸面形の非球面表面上に入射するように配向される、請求項３９に記載の切断方法。
41. 前記非球面集束レンズは、レーザ放射の前記拡大されたビームが前記平坦表面上に入射するように配向される、請求項３９に記載の切断方法。
42. 前記非球面集束レンズは、球状集束レンズと、非球面位相板とを含む、請求項３２に記載の切断方法。
43. 前記非球面位相板は、回折光学素子である、請求項４２に記載の切断方法。
44. レーザ放射の前記ビームは、無限焦点ビーム拡大器によって拡大される、請求項３２に記載の切断方法。
45. レーザ放射の前記ビームは、凹面レンズによって拡大される、請求項３２に記載の切断方法。
46. 前記光学軸は、前記ワークピースを平行移動させることによって切断線に沿ってトレースされる、請求項３２に記載の切断方法。
47. レーザ放射の前記送達されるビームは、パルスのバーストを有し、各バーストは、複数の個々のパルスを含む、請求項３２に記載の切断方法。
48. 前記脆性材料は、ガラスである、請求項３２に記載の切断方法。
49. 前記ガラスは、化学強化される、請求項４８に記載の切断方法。
50. 拡張される欠陥が、前記伸長焦点内の前記レーザ放射によってワークピース内に作成される、請求項３２に記載の切断方法。
51. 各拡張される欠陥は、自己誘導フィラメントによって作成される、請求項５０に記載の切断方法。

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