[发明专利]使用环形涡旋激光束在基于玻璃的物体中形成微孔的系统及方法

说明书

本文中揭示的系统及方法利用波束形成系统，该波束形成系统被配置成用于将高斯激光束转换成具有相对较大焦点深度的环形涡旋激光束，其使得能够处理厚或堆叠式的基于玻璃的物体。该环形激光束部分地由拓扑电荷(m)限定，该拓扑电荷(m)限定当该环形涡旋波束传播时该环形涡旋波束围绕该环形涡旋波束的中心轴线的旋转量。该环形涡旋波束用于使用单步或两步方法在基于玻璃的物体中形成微孔。通过任一工艺形成的这些微孔可视应用而呈凹部或贯穿孔洞的形式。这些微孔的大小可通过控制该环形涡旋波束在该焦点深度范围中的大小来控制。

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119主张在2019年3月21日申请的美国临时申请第62/821,667号的优先权权益，该美国临时申请的内容以全文引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及形成微孔，并且尤其涉及用于使用环形涡旋激光束在基于玻璃的物体中形成微孔的系统及方法。

背景技术

发现基于玻璃的材料(例如，玻璃、玻璃陶瓷及晶体)正越来越多地用于诸如显示器、电视、膝上型计算机、GPS装置及智能电话的商用装置中。基于玻璃的材料具有与热膨胀、电绝缘、光透射、强度、化学稳定性及(例如，至硅的)结合能力相关的许多物理性质，这些物理性质使这些基于玻璃的材料成为与特定商用装置的电气及机械组件组合的极佳选择。基于玻璃的材料可用于限定不同类型的装置组件，诸如显示器的保护屏幕或平板、光学波导、光学互连件、混合式光学电气互连件等。

在商用装置中使用基于玻璃的组件常常需要在组件中或贯穿组件形成高质量微孔以作为装置制造工艺的部分。微孔直径可在几微米至几百微米的范围内，而微孔深度可在几十纳米至几毫米的范围内。这些微孔的密度可在每平方厘米几个至上千个的范围内。在需要相对高密度微孔的情况下，能够快速地且非常准确且精确地形成微孔对于确保令人满意的产品吞吐量变得重要。

发明内容

本公开的方面涉及包括波束形成系统的微孔形成系统。该波束形成系统被配置成用于将常规高斯激光束(“高斯束”)转换成涡旋激光束，该涡旋激光束具有环形横截面形状(“剖面”)且具有大于对应常规高斯绕射波束的焦点深度(例如，作为非限制性示例，从至少大1.1X直至至少大2X或直至大3X或直至大5X或直至大10X)。具有环形截面的涡旋激光束(“环形涡旋波束”)是具有拓扑电荷m(整数)的非绕射光束，该拓扑电荷m限定当波束传播时该波束围绕该波束的中心轴线的旋转量。该环形涡旋波束是以如下方式形成，该方式赋予该波束与传统高斯束相比相对较大的焦点深度，同时也提供比贝色束大的直径。该环形涡旋波束用于使用单步或两步方法在基于玻璃的物体中形成微孔。通过任一工艺形成的这些微孔可视给定应用而为封闭式的(例如，凹部)或开放式的(贯穿孔洞)。

在单步方法中，该环形涡旋波束具有足够能量(例如，在110TW/cm²至480TW/cm²范围内的峰值强度)以便经由烧蚀该基于玻璃的材料而在该基于玻璃的物体的主体中形成空心圆柱形区域。烧蚀工艺在该基于玻璃的物体的该主体中产生环形间隙或孔洞。在该环形间隙不一直延伸穿过该玻璃物体的主体(即，自顶部表面至底部表面，或自外表面至内表面，等)的情况下，存在由该间隙围绕的中心部分。在该环形间隙穿过该基于玻璃的物体的该主体延伸足够远的情况下，容易去除该中心部分而不需要用于形成贯穿孔洞的任何另外实质处理。在该环形间隙达到底部表面的情况下，该中心部分变得与该基于玻璃的物体的该主体的剩余部分分离，且仅脱落或容易去除。

不同于在单一步骤中利用该环形涡旋波束直接形成环形间隙，两步工艺依赖于利用该环形涡旋波束照射该基于玻璃的物体以在该基于玻璃的物体的该主体内形成经修改环形区域。在一示例中，该经修改环形区域中的玻璃材料改变(例如，由于致密化受损)，使得该玻璃材料相对于该主体的未转变(未照射)部分优先蚀刻，该部分诸如该中心部分或在该经修改环形区域外的该主体的部分。接着使用蚀刻工艺(例如，酸蚀刻)以去除该经修改区域以形成微孔。