(57)【要約】実施形態は、少なくとも１つのガラス物品を、レーザ切断するシステムを対象にしたものである。このシステムは、パルスレーザアセンブリと、パルスレーザアセンブリ内でのレーザ切断中にガラス物品を支持するように構成された、ガラス支持アセンブリとを備え、パルスレーザアセンブリは、入力ビームを擬似ＮＤＢビームへと変換するように構成された、少なくとも１つの非回折ビーム（ＮＤＢ）形成光学要素と、擬似ＮＤＢビームを、約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた複数の擬似ＮＤＢサブビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのビーム変換要素とを備えたものであり、パルスレーザアセンブリは、複数の擬似ＮＤＢサブビームの１以上のパルスをガラス物品の表面上へと送出するように置かれ、複数の擬似ＮＤＢサブビームのパルスの夫々は、ガラス物品に複数の穿孔を開けるように動作可能なものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのガラス物品を、レーザ切断するシステムであって、パルスレーザアセンブリと、前記パルスレーザアセンブリ内での前記レーザ切断中に前記ガラス物品を支持するように構成された、ガラス支持アセンブリとを備え、前記パルスレーザアセンブリが、
入力ビームを擬似ＮＤＢビームへと変換するように構成された、少なくとも１つの非回折ビーム（ＮＤＢ）形成光学要素、および、
前記擬似ＮＤＢビームを、約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた複数の擬似ＮＤＢサブビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのビーム変換要素、
を備えたものであり、
前記パルスレーザアセンブリが、前記複数の擬似ＮＤＢサブビームの１以上のパルスを前記ガラス物品の表面上へと送出するように置かれ、前記複数の擬似ＮＤＢサブビームの前記パルスの夫々が、前記ガラス物品に複数の穿孔を開けるように動作可能なものであることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのＮＤＢ形成光学要素からの前記擬似ＮＤＢビームを細くするように構成された、少なくとも１つのコリメートレンズをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ビーム変換要素が、前記コリメートレンズにより生成されるフーリエ変換平面の近傍に置かれていることを特徴とする請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記ビーム変換要素の下流に、前記複数の擬似ＮＤＢサブビームを集束させるように構成された、少なくとも１つのさらなるコリメートレンズをさらに備えていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の擬似ＮＤＢサブビームが、互いに平行であり、かつ約１μｍから約２０μｍの距離だけ間隔を空けたものであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記ビーム変換要素が、位相回折格子、振幅回折格子、またはこれらの組合せから選択されたものであり、前記ＮＤＢ形成光学要素が、アキシコン、空間光変調器、楕円レンズ、またはこれらの組合せから選択されたものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
前記擬似ＮＤＢビームが、ベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム、またはマチュービームであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
少なくとも１つのガラス物品をレーザ切断する方法において、
パルス毎に約１μｍから約５００μｍの距離の間隔を空けた複数の擬似非回折ビーム（ＮＤＢ）を生成する、パルスレーザシステムに、少なくとも１つのガラス物品を供給するステップ、
前記複数の擬似ＮＤＢサブビームを用いて前記ガラス物品に複数の穿孔をもたらして、前記少なくとも１つのガラス物品をレーザ切断するステップ、および、
前記複数の穿孔に沿って前記ガラス物品を分離して、レーザ切断されたガラス物品を生み出すステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記パルスレーザシステムが、入力ビームを擬似ＮＤＢビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのＮＤＢ形成光学要素と、前記擬似ＮＤＢビームを複数の擬似ＮＤＢサブビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのビーム変換要素とを備えていることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つのガラス物品を、レーザ切断するシステムであって、パルスレーザアセンブリと、前記パルスレーザアセンブリ内での前記レーザ切断中に前記ガラス物品を支持するように構成された、ガラス支持アセンブリとを備え、前記パルスレーザアセンブリが、
ガウシアンビームをベッセルビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのアキシコン、
前記アキシコンの下流に配置された、第１のコリメートレンズおよび第２のコリメートレンズ、および、
前記第１のコリメートレンズおよび第２のコリメートレンズの間に置かれ、前記ベッセルビームを、約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた平行な複数のサブベッセルビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのビーム変換要素、
を備えたものであり、
前記パルスレーザアセンブリが、前記複数のサブベッセルビームの１以上のパルスを前記ガラス物品の表面上へと送出するように置かれ、前記複数のサブベッセルビームの前記パルスの夫々が、前記ガラス物品に複数の穿孔を開けるように動作可能なものであることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１４年１２月４日に出願された米国仮特許出願第６２／０８７，４０６号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施形態は、一般にガラス切断システムおよび方法に関し、特に複数の非回折サブビームを使用するガラス切断システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
集束された短パルスレーザビームが、多光子イオン化と続くアブレーションとを用いた非線形吸収過程による、ガラスなどの透明基板の切断および改質に用いられている。このレーザ系は従って、極小さいスポットサイズを送出しなければならず、また著しい速さで材料を処理するべく高い繰返し率を有するものでなければならない。典型的なレーザ処理ではガウシアンレーザビームが使用された。ガウシアン強度プロファイルを有するレーザビームの強く集束した焦点はレイリーレンジＺRを有し、以下で与えられる：
【０００４】
【数１】
2018504347.tif 000003
【０００５】
レイリーレンジは、屈折率ｎoの材料においてビームのスポットサイズｗoが波長λ0で√２増加するまでの距離を表す。この制限は回折によって課せられる。上記の方程式１に示されているように、レイリーレンジは直接スポットサイズに関係し、従って強い焦点（すなわち、小さいスポットサイズ）は長いレイリーレンジを有し得ない。従って小さいスポットサイズは、適切ではない、短い距離に対して維持される。このようなビームを、材料に孔を開けるために焦点領域の深さを変化させて使用する場合、焦点の両側でスポットが急速に拡大するため、ビームの焦点特性を限定する可能性のある光学的歪みを含まない大きい領域が必要になる。このような短いレイリーレンジで厚いサンプルを貫き切断するためには、複数のパルスがさらに必要となる。
【０００６】
強く集束したビームを材料内で維持するための別の手法は、自己集束現象を生み出すカー効果による、非線形フィラメンテーションを使用するものである。このプロセスでは、非線形カー効果によりビーム中心で屈折率が増加し、それにより上述した回折効果を弱める導波路が形成される。ビームサイズは、上記の方程式１で与えられるものよりも大幅に長い長さに亘って維持され得、その焦点は表面で画成されるため、もはや表面の位相歪みの影響を受け易いものとはならない。十分なカー効果を生み出すために、入射レーザビームのパワーは以下の方程式２で与えられる臨界値を超えるものでなければならない：
【０００７】
【数２】
2018504347.tif 000004
【０００８】
ここでｎ2は二次の非線形屈折率である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような集束範囲の拡張といった利益はあるものの、カー効果によりビームを発生させるには上述したガウシアンビームの手法よりも大幅に多くのパワーが必要となり、これは望ましくない。
【００１０】
従ってレーザ切断システムにおいて、パワー要求を最小限に抑え、プロセス速度を増加させながら、制御されたスポットサイズ、より長い焦点距離を有する、ビームをもたらすビーム生成方法が継続的に必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の実施形態は、光学的非回折ビーム（ＮＤＢ）、特に複数のＮＤＢサブビームを有する「複合」ＮＤＢビームを使用して、ガラス物品を切断する、ガラス切断システムおよび方法を対象にする。この手法は、多光子吸収を持続させるのに必要な高強度を維持し、回折効果が必然的にビームの焦点を限定してしまう前に、かなりの距離のビーム伝播を達成する。さらにビーム中心の極大部分の半径を非常に小さくすることができ、従って制御されたスポットサイズを有する高強度ビームを生成することができる。ＮＤＢを用いた手法は、ガウシアンビームの手法に関連する低パワーの利益と、フィラメンテーションプロセス（カー効果）により得られる長い集束範囲の利益とを兼ね備えている。
【００１２】
さらにＮＤＢの本実施形態では、基板を貫き切断するためのパルスの数が最小限に抑えられるため、都合よくプロセス速度を増加させることができ、また操業コストを低下させることができる。この光学系は単一の入力ビームパルスから複数の同時に生じるサブビームを生成し、それにより各パルスから複数の損傷スポットまたは孔をガラス物品に生成する。パルス毎に唯一の損傷スポットを生み出す単一ビームの方法に比べると、切断スピードの著しい向上を実現することができる。（図１１の上を参照）
一実施の形態によれば、少なくとも１つのガラス物品を、レーザ切断するシステムが提供される。このシステムは、パルスレーザアセンブリと、パルスレーザアセンブリ内でのレーザ切断中にガラス物品を支持するように構成された、ガラス支持アセンブリとを備えている。パルスレーザアセンブリは、入力ビームを擬似ＮＤＢビームへと変換するように構成された、少なくとも１つの擬似ＮＤＢビーム形成光学要素と、擬似ＮＤＢビームを、約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた複数の擬似ＮＤＢサブビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのビーム変換要素とを備えている。パルスレーザアセンブリは、複数の擬似ＮＤＢサブビームの１以上のパルスをガラス物品の表面上へと送出するように置かれ、このとき複数の擬似ＮＤＢサブビームのパルスの夫々は、ガラス物品に複数の穿孔を開けるように動作可能である。
【００１３】
別の実施形態によれば、ガラス物品をレーザ切断する方法が提供される。この方法は、パルス毎に約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた複数の擬似非回折ビーム（ＮＤＢ）を生成する、パルスレーザシステムに、少なくとも１つのガラス物品を供給するステップ、それら複数の擬似ＮＤＢビームを用いてガラス物品に複数の穿孔をもたらして、少なくとも１つのガラス物品をレーザ切断するステップ、および、穿孔に沿ってガラス物品を分離して、レーザ切断されたガラス物品を生み出すステップを含む。
【００１４】
さらに別の実施形態によれば、少なくとも１つのガラス物品を、レーザ切断する別のシステムが提供される。このシステムは、パルスレーザアセンブリと、パルスレーザアセンブリ内でのレーザ切断中にガラス物品を支持するように構成された、ガラス支持アセンブリとを備えている。パルスレーザアセンブリは、入力ビーム（例えばガウシアンビーム）をベッセルビームに変換するように構成された、少なくとも１つのアキシコンと、アキシコンの下流に配置された第１および第２のコリメートレンズと、第１および第２のコリメートレンズ間に置かれた、少なくとも１つのビーム変換要素とを備えている。少なくとも１つのビーム変換要素は、ベッセルビームを、約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた平行な複数のサブベッセルビームへと変換するように構成されている。パルスレーザアセンブリは、複数のサブベッセルビームの１以上のパルスをガラス物品の表面上へと送出するように置かれ、このとき複数のサブベッセルビームのパルスの夫々は、ガラス物品に複数の穿孔を開けるように動作可能である。１以上の実施形態においては、ビーム変換要素を、第１のコリメートレンズにより生成されるフーリエ変換平面の近傍に配置してもよいし、あるいは第２のコリメートレンズの焦点距離の範囲内に置いてもよい。
【００１５】
本開示の特定の実施形態に関する以下の詳細な説明は、本書に含まれる図面と併せて読むと最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】擬似ＮＤＢベッセルビームを生成するアキシコンを通過する、ガウシアンビームの概略図
【図２Ａ】本開示の１以上の実施形態によるガラス切断システムの概略図
【図２Ｂ】本開示の１以上の実施形態によるガラス物品のレーザ切断を描いた図２Ａの拡大図
【図３Ａ】５．８４μｍ離れている２つのベッセルサブビームの中心を横切る１軸走査を描いた、コンピュータシミュレーションのグラフ
【図３Ｂ】図３Ａの２つのベッセルサブビームの２次元断面を描いたコンピュータシミュレーションのグラフ
【図４Ａ】１つのビームにπ位相シフトが加えられている、３．２３μｍ離れている２つのベッセルサブビームの中心を横切る１軸走査を描いたコンピュータシミュレーションのグラフ
【図４Ｂ】図４Ａの２つのベッセルサブビームの２次元断面を描いたコンピュータシミュレーションのグラフ
【図５Ａ】５．８５μｍ離れている３つのベッセルサブビームの中心を横切る１軸走査を描いた、コンピュータシミュレーションのグラフ
【図５Ｂ】図５Ａの３つのベッセルサブビームの２次元断面を描いたコンピュータシミュレーションのグラフ
【図６Ａ】１つのビームにπ位相シフトが加えられている、３．２３μｍ離れている３つのベッセルサブビームの中心を横切る１軸走査を描いたコンピュータシミュレーションのグラフ
【図６Ｂ】図６Ａの３つのベッセルサブビームの２次元断面を描いたコンピュータシミュレーションのグラフ
【図７】本開示の１以上の実施形態による、ビーム変換要素が上流コリメートレンズのフーリエ変換平面の近傍に置かれている、パルスレーザアセンブリにおいて使用される光学アセンブリの概略図
【図８】本開示の１以上の実施形態による、ビーム変換要素が下流コリメートレンズの焦点距離内に置かれている、パルスレーザアセンブリにおいて使用される光学アセンブリの概略図
【図９】本開示の１以上の実施形態による、より小さい光学要素を備えた代わりの光学アセンブリの概略図
【図１０】本開示の１以上の実施形態による、反射光学素子を備えたさらに別の光学アセンブリの概略図
【図１１】単一ビーム系、２ビーム系、および３ビーム系によって生成される、損傷スポットを比較した概略図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面に明記される実施形態は本質的に実例となるものであり、請求項によって画成される本発明を限定することを意図したものではない。さらに図面の個々の特徴は、詳細な説明を考慮するとより十分に明らかになり、また理解されるであろう。
【００１８】
図２Ａおよび２Ｂの実施形態を参照すると、少なくとも１つのガラス物品をレーザ切断するための、システム１が図示されている。システム１は、パルスレーザアセンブリ１０と、パルスレーザアセンブリ１０によるレーザ切断中にガラス物品５を支持する、ガラス支持アセンブリ５０とを備えている。図２Ａおよび２Ｂに示されているように、パルスレーザアセンブリ１０は、複数の擬似ＮＤＢサブビーム１８Ａ、１８Ｂの１以上のパルスをガラス物品５の表面上に送出する。図２Ｂを参照すると、複数の擬似ＮＤＢサブビーム１８Ａ、１８Ｂのパルス（または複合ビーム）１８で、複数の穿孔６Ａ、６Ｂを開ける、あるいはガラス物品５を切断することができる。図２Ａの実施形態に示されているように、ガラス支持アセンブリ５０は単にコンベアとして描かれているが、スピンドルチャック、ロボットアームなどの種々の他の構成要素が、本書において適していると意図されている。この意図されている実施形態により、パルスレーザアセンブリ１０およびガラス支持アセンブリ５０を、レーザ切断プロセス中に互いに対して可動なものとすることができる。
【００１９】
図７を参照すると、パルスレーザアセンブリ１０は、入力ビーム７（例えばガウシアンビーム）を擬似ＮＤＢビーム１２へと変換する、少なくとも１つのＮＤＢ形成光学要素２０（図１も参照のこと）と、擬似ＮＤＢビーム１２を、約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた複数の擬似ＮＤＢサブビーム１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃへと変換する、少なくとも１つのビーム変換要素４０とを備えている。
【００２０】
本書では「擬似ＮＤＢビーム」とは、生成された非回折ビーム、典型的には入力ビーム（例えばガウシアンビーム）を非回折ビームへと変換することにより生成された非回折ビームを意味する。擬似ＮＤＢビームは、多くのビームタイプを包含するものとしてもよい。本書では「入力ビーム」は、実質的に均一な光位相を有する任意のビームを含み得る。一実施の形態において、入力ビームはガウシアンビームである。例えば擬似ＮＤＢは、ベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム、またはマチュービームを含み得る。以下で説明される実施形態において、擬似ＮＤＢビームはベッセルビームである。アキシコンＮＤＢ形成光学要素２０によるガウシアンビーム７のベッセル擬似ＮＤＢビーム１２への変換を、図１に示す。図１では単一パルスのガウシアンビームが描かれているが、ガウシアンビーム光源はガウシアンビームを複数パルスでも送出することができる。アキシコンに加え、例えば空間光変調器、楕円レンズ、またはこれらの組合せなど、種々の他のＮＤＢ形成光学要素が意図されている。ベッセルビームはアキシコンによって容易に生成することができるが、他の擬似ＮＤＢビームは他のＮＤＢ形成要素２０を用いて生成される。
【００２１】
さらに本書では「複数の擬似ＮＤＢサブビーム」は、別個のＮＤＢレーザビームを意味するものではなく、「複数の擬似ＮＤＢサブビーム」は、複数のスポットを有する複合ビームを意味する。図３Ａを参照すると、２つのピーク１８Ａおよび１８Ｂは、これに描かれている複合ベッセルビームにおける２つの擬似ＮＤＢサブビームである。図１に示されているように、ベッセルビームはゼロで中心ピークを有する傾向があり、これがそのビームスポットを構成することになる。しかしながら本実施形態によれば、単一スポットを有するベッセルビームがピーク１８Ａおよび１８Ｂに対応する２つのスポットを有する変形ベッセルビームへと変換されるように、ベッセルビームはビーム変換要素４０において変換される。この２つのスポットまたは２つの擬似ＮＤＢサブビームの断面を図３Ｂに示す。図４Ａおよび４Ｂは２つの擬似ＮＤＢサブビームを有する別の実施形態を描いたものであり、また図５Ａ〜６Ｂは３つの擬似ＮＤＢサブビーム１８Ａ、１８Ｂ、および１８Ｃを有する実施形態を描いたものである。図示されていないが、「複数の擬似ＮＤＢサブビーム」は、２または３を超える擬似ＮＤＢサブビームを有する複合ビームを包含する。
【００２２】
図７および８を参照すると、ビーム変換要素４０は、擬似ＮＤＢビーム１２を複数の擬似ＮＤＢサブビーム１８Ａ、１８Ｂ、および１８Ｃへと変換する。このビームの変換は本質的に、高強度の単一の擬似ＮＤＢビームを、ほとんどの実施形態において互いに間隔を空けた、強度が低下した複数のサブビームへと再成形するものである。図３Ａ〜６Ｂに示されているように、複数の擬似ＮＤＢサブビームは並列しているように描かれているが、複数の擬似ＮＤＢサブビーム１８は互いに重なり合うよう傾斜することもあり得ると意図されている。ビーム変換要素４０は、複数の擬似ＮＤＢサブビームの生成に加えて、ビーム間の間隔を最適化することができ、また随意的には複数の擬似ＮＤＢサブビームの１以上の位相をシフトさせることができる。複数の擬似ＮＤＢサブビームのうちの少なくとも１つの位相の位相シフトにより、複数の擬似ＮＤＢサブビームの強度はコヒーレントに加算され得る。ガラス切断用途次第で、サブビーム間の間隔は種々要求され得る。例えばこの間隔は、約１μｍから約５００μｍ、または約１μｍから約２００μｍ、または約１μｍから約１００μｍ、または約１μｍから約５０μｍ、または約１μｍから約２０μｍ、または約１μｍから約１０μｍ、または約１μｍから約５μｍになり得る。同様に、位相シフトの程度は変化することがあり、約π／４から約２π、または約π／２から約πの範囲の位相シフトが意図されている。
【００２３】
ビーム変換要素４０は種々の構成要素を備え得る。例えば限定するものではないが、ビーム変換要素は、位相回折格子または位相板、振幅回折格子、またはこれらの組合せを備え得る。特定の実施形態では、位相素子および振幅素子を組み合わせたビーム変換要素４０を含むと有益になり得る。こういった回折格子は矩形波または正弦波でもよいが、他の複合形状も本書で意図されている。ビーム変換要素４０のさらなる議論を以下で提供する。
【００２４】
振幅のみの回折格子は、以下の方程式で定義することができる：
【００２５】
【数３】
2018504347.tif 000005
【００２６】
物理的にこれは、位相シフトが必要ないため作製するのがかなり容易な回折格子であろうが、こういった格子は例えばゼロ次ビームおよび２つの一次ビームなど、多くの次数のビームを生成し得る。従っていくつかの実施形態では、位相シフトを利用して、ビームを単一の次数に実質的に制限することができる。
【００２７】
位相のみの回折格子は、ガラスにおける厚さまたは屈折率回折格子により、あるいはプログラム可能な空間光変調器を用いて、形成することができる。正方形の位相のみの回折格子は、光をより効率的にサブビームへと結合することができる。２つのビームに対し、最も効率の良い位相のみの回折格子は以下で定義することができる：
【００２８】
【数４】
2018504347.tif 000006
【００２９】
ここで、φ0＝π／２であり、ｒｅｃｔ（２πｕ／Ｔ）は周期Ｔで−１と＋１との間で振動する、ｕの矩形波関数である。正方格子では、さらなる回折次数が存在し得るが、位相振幅を正しく選択することで最小限に抑えることができる。正弦波振幅回折格子では２つの一次ビームのみが存在する。
【００３０】
第３のビームを生成するために、φ0＝ａｔａｎ（π／２）≒１ｒａｄを用いて以下を与えることができる：
【００３１】
【数５】
2018504347.tif 000007
【００３２】
これにより、３つのビームがもたらされる。
【００３３】
１以上の実施形態においては、静的な位相素子を種々の規模に対して作製することができる。しかしながら、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、空間光変調器（ＳＬＭ）、およびデジタルマイクロミラーアレイ（ＤＭＡ）などの、プログラム可能な位相素子を使用することが望ましいであろう。
【００３４】
理論に拘束されるものではないが、入力ビーム７の特性を維持するサブビーム間隔は有益である。一例として、２つのゼロ次ベッセルビームを組み合わせることに関する議論を以下で提供する。この手法は、他の擬似ＮＢＤサブビームに対して最適な間隔を見出すために用いられ得る。
【００３５】
図１に示されているように、ベッセル関数Ｊ0（ｘ）はゼロの回りの振動関数（正および負）である。２つのベッセル関数が横方向に位置ずれしてコヒーレントに加算される場合、一方の関数における正のピークが第２の関数における負のピークと重なり合うと、これらは破壊的に干渉しあう。同様にビームは、２つの正のピークが加算されると、強め合うように加算される。関数Ｊ0（ｘ）の正の最大値および負の最小値の位置は、より高次のベッセル関数Ｊ1（ｘ）のゼロ点によって与えられる（周知の関係式ｄＪ0（ｘ）／ｄｘ＝−Ｊ1（ｘ）によって）。これらのゼロ点βjは周知であり、最初の数個を以下の表１に示す。表１に示されているものを越える根では、πだけ等しく間隔を空けたものとなるため、７番目の根にπ＝３．１４１５９の倍数を単に加算する。
【００３６】
サブビームのピーク強度を最適化する最適なΔｘoptに対する方程式は、以下で定義することができる：
【００３７】
【数６】
2018504347.tif 000008
【００３８】
このとき
【００３９】
【数７】
2018504347.tif 000009
【００４０】
である。
【００４１】
空気中のλ0＝１．０６μｍに対し開口数（ＮＡ）＝０．２（またはβ＝１１．５°）ではｋr＝１．１８５５μｍ-1であることが分かり、得られた最適な間隔を表１の４番目の列に示す。一方列５は、ＮＡ＝０．１（β＝５．７°の狭い円錐角）に対する間隔を示している。ビームがこれらの間で位相シフトなく加算される場合、我々は奇数の根ｊ＝３、５等を使用する。
【００４２】
２つのビームを生成するための代わりの手法は、２つのコヒーレントなビームをその間で位相シフトさせて加算するものである。関連する光位相にπシフトを加えると、ビームの１つにマイナス記号を掛けることと同等になる。従って１つのビームの正のピークは、第２のビームの負のピークにコヒーレントに加算される。これにより、表１の第３列に「Ｎ」と表示された間隔での効率的なビーム分離が可能となり、これは偶数の根ｊ＝２、４等に対応する。
【００４３】
【表１】
2018504347.tif 000010
【００４４】
説明のために、図３Ａは間隔を空けた２つの擬似ＮＤＢサブビームを表し、また図４Ａは間隔を空けた２つの擬似ＮＤＢサブビームであるが、ビームの１つにπ位相シフトが加えられたものを図示している。図３Ａおよび４Ａは、サブビームの強度が局所的に最大となる、最適な隔たりを示している。図４Ａの位相を異にするビームは、極近く（〜３μｍ）に配置され得る。これは透明基板の切断において、略連続した損傷ゾーンを生成するために重要である。同様に、図５Ａは間隔を空けた３つの擬似ＮＤＢサブビーム１８Ａ、１８Ｂ、および１８Ｃを表し、また図６Ａは間隔を空けた３つの擬似ＮＤＢサブビームであるが、中心ビーム１８Ｂにπ位相シフトが加えられたものを図示している。
【００４５】
間隔が最適でないとピーク強度は最大化されないが、非線形の材料損傷を達成するのに十分なレーザパワーが利用可能である限り、これらの間隔は許容できる切断挙動を依然として生み出すことができる。
【００４６】
図７〜１０の実施形態を参照すると、パルスレーザアセンブリ１０のための特定の光学アセンブリ１１の配置が描かれている。図７および８に示されているように、光学アセンブリ１１は、少なくとも１つのＮＤＢ形成光学要素２０からの擬似ＮＤＢビーム１２を細くするように構成された、少なくとも１つのコリメートレンズ３１を備え得る。
【００４７】
さらに図７に示されているように、ビーム変換要素４０をコリメートレンズ３１の下流に置いてもよい。さらなる実施形態においては、ビーム変換要素４０を、コリメートレンズ３１によって生成されるフーリエ変換平面４１の近傍に置いてもよい。フーリエ変換平面４１の近傍またはフーリエ変換平面４１内ではない位置に、ビーム変換要素４０を設置することも意図されている。さらに図７に示されているように、光学アセンブリ１１は、複数の擬似ＮＤＢサブビーム１８Ａ、１８Ｂ、および１８Ｃを集束させる少なくとも１つのさらなるコリメートレンズ３２を、ビーム変換要素４０の下流にさらに備えていてもよい。
【００４８】
再び図７の実施形態を参照すると、ビーム変換要素４０がコリメートレンズ３１のフーリエ変換平面４１の後方に置かれると、フーリエ変換平面４１での場Ａ（ｕ，ｖ）が伝達関数Ｐ（ｕ，ｖ）と掛け合わされて、２つの新たな角度成分を有する新たな場Ａ’（ｕ，ｖ）が生み出され、これが次いでコリメートレンズ３２によって結像面１７に結像されて、３つの擬似ＮＤＢサブビーム１８Ａ、１８Ｂ、および１８Ｃが生成される。ビーム変換要素４０の後ろの光線が点線で描かれており、この領域における光場がビーム変換要素４０の関数であることを示している。
【００４９】
図７の実施形態に示されているように、入力ビーム７の焦点８は、第１のコリメートレンズ３１の焦点距離である距離ｆ1だけ第１のコリメートレンズ３１から前方に離れた位置に設置される。第２の焦点距離ｆ2を有する第２のレンズ３２は、第１のレンズ３１から後方にｆ1＋ｆ2離れた位置に設置される。第１のレンズ３１から後方にｆ1離れたフーリエ変換平面４１は、第１のレンズ３１のフーリエ変換平面であり、この平面での光場は、コリメートレンズ３１から前方にｆ1離れた位置での入力場ａ（ｘ，ｙ）の光学的フーリエ変換Ａ（ｕ，ｖ）となることが知られている：
【００５０】
【数８】
2018504347.tif 000011
【００５１】
第２のレンズ３２の目的は、フーリエ変換平面４１の光場Ａ（ｕ，ｖ）の逆フーリエ変換を利用して、結像面１７に入力ビームの像ｂ（ｘ，ｙ）を形成することである。これは以下のように示すことができる：
【００５２】
【数９】
2018504347.tif 000012
【００５３】
ｆ1≠ｆ2である場合、像の倍率ＭはＭ≠１となり、擬似ＮＤＢサブビームは平行ではなくなり得る。ｆ1＝ｆ2である場合、像の倍率ＭはＭ＝１となり、擬似ＮＤＢサブビームは平行になる。
【００５４】
ビーム変換要素４０をフーリエ変換平面４１内に導入すると、入力場のフーリエ変換にこの要素の伝達関数を乗じた効果が得られる：
【００５５】
【数１０】
2018504347.tif 000013
【００５６】
特定の光学要素は、入力ビームを任意の方向にシフトさせることができること、焦点領域に傾斜を付与することができること、また出力ビームの振幅をスケーリングできることが知られている。光ビームの減損を軽減する、または生み出すために、他の要素およびアパーチャを使用してビームから望ましくない空間周波数をフィルタリングすることができる。本開示では、擬似ＮＤＢサブビームを横方向にシフトさせて複数の擬似ＮＤＢサブビームを生成するものを重点的に説明する。
【００５７】
横方向のシフト（Δｘ，Δｙ）を達成する位相変換は、
【００５８】
【数１１】
2018504347.tif 000014
【００５９】
である。
【００６０】
上記から、以下のことが分かる：
【００６１】
【数１２】
2018504347.tif 000015
【００６２】
従って結像面１７における出力場ｂ’（ｘ’，ｙ’）は、入力場ａ（ｘ，ｙ）をスケーリングおよびシフトしたものである。
【００６３】
複数の擬似ＮＤＢサブビームは、異なる位相シフトの和で生成され得ることも知られている：
【００６４】
【数１３】
2018504347.tif 000016
【００６５】
２つの等しいビームの特別な場合、すなわちｘoだけ間隔を空けたＮ＝２では、
【００６６】
【数１４】
2018504347.tif 000017
【００６７】
となり、ここでＴ＝２λｆ2／（ｎΔｘ0）である。この事例では、Ｐtot（ｕ，ｖ）は単に周期Ｔの余弦振幅回折格子である。位相シフトが２つのビーム間に導入されると以下が分かる：
【００６８】
【数１５】
2018504347.tif 000018
【００６９】
その結果サブビーム間の位相シフトφ＝πが余弦に、これを正弦の機能とさせるφ／２の位相を加える。実際にはこれは回折格子の、周期の４分の１すなわちＴ／４の横方向のシフトに相当する。
【００７０】
図７の配置に加えて、ＮＤＢ形成光学要素２０（例えばアキシコン）は、レンズ３１の焦点距離ｆ1よりも離れていても、あるいは焦点距離ｆ1よりも近い距離に位置していてもよい。これはコリメートレンズ３１と３２との間の非コリメート領域につながり得、従ってビーム変換要素４０の選択に影響を与え得る。さらに、コリメートレンズ３１および３２の間の距離は種々意図されている。例えばコリメートレンズ３１と３２との間の距離は、ｆ1＋ｆ2を超えるものでも、これを下回るものでもよい。
【００７１】
あるいは、上記の実施形態ではレンズ３１の後ろにビーム変換要素４０を位置付けるものを説明しているが、他の位置も種々意図されている。例えば限定するものではないが、ビーム変換要素４０をコリメートレンズ３１の前に、またはコリメートレンズ３２の後ろに位置付けてもよい。
【００７２】
種々のさらなる光学アセンブリが本書でさらに意図されている。図８の実施形態において光学アセンブリは、ビーム変換要素４０の下流のコリメートレンズ３２の焦点距離（ｆ2）内に、ビーム変換要素４０を含み得る。図示のように、これはビーム変換要素４０の上流のコリメートレンズ３１に近接してビーム変換要素４０を設置することによって達成することができる。
【００７３】
図９に描かれているさらなる実施形態において、光学アセンブリ１１は複数のコリメート領域３０および３５を備え得る。図９の実施形態において複数のコリメート領域３０および３５は、大コリメート領域３０と、大コリメート領域３０の下流の小コリメート領域３５とを含む。大コリメート領域３０は、少なくとも１つのＮＤＢ形成光学要素２０からのＮＤＢビームを細くする、１つまたは複数のコリメートレンズ３１および３２を含み得る。さらに光学アセンブリ１１は、ビーム変換要素４０において分割する前に擬似ＮＤＢビームを細くする、大コリメート領域３０の下流の小コリメート領域３５を含み得る。小コリメート領域３５は、１つまたは複数のコリメートレンズ３６および３７を含んでいる。ビーム変換要素４０は図９の実施形態において小コリメート領域３５内に配置されているが、ビーム変換要素４０を大コリメート領域３０内に配置してもよいと意図されている。
【００７４】
理論に拘束されるものではないが、図９に示されているように２つのコリメート領域３０および３５を有していると、大きい開口数を有する直径の大きいビームに対して最適化されたベッセルビームのレイリーレンジに適応するのに有用である。例えばコリメートレンズ３１とコリメートレンズ３２との間のビームの直径は、例えば１０〜３０ｍｍなど大きいものである。従って小さい焦点を提供するためには、直径の小さい小コリメート領域３５を含むことが必要になり得る。
【００７５】
図１０を参照すると、代わりの光学アセンブリは、反射型ビーム変換要素４０を含むものでもよい。この事例において入力ビーム７は、アキシコン２０によって擬似ＮＤＢビーム１２へと変換された後に、直線的に偏光されてコリメートレンズ３１および３２間のコリメート領域内の偏光ビームスプリッタ４８を通過する。擬似ＮＤＢビーム１２は次いで４分の１波長板４６を通過して円形に偏光されてから、コリメートレンズ３２および３３によって、縮小された状態で再びコリメートされる。擬似ＮＤＢビーム１２は複数の擬似ＮＤＢビームへと変換され、これが次いで反射型ビーム変換要素４０から逆反射されて、コリメートレンズ３３および３２を通って戻る。この複数の擬似ＮＤＢビームの偏光は４分の１波長板４６によってさらに回転され、それにより入力ビーム７とは反対の直線偏光が得られる。この新たな偏光がビームスプリッタ４８によって反射され、ビームはコリメートレンズ３８によってその最終的なサイズに集束される。
【００７６】
上述したように光学アセンブリは、望ましくない光が結像面１７に到達するのを遮断するために、開口を備え得ることも予想される。これは、より高次の回折パターンを有する、位相のみの回折格子の場合に当てはまり得る。最終的な像の倍率は、焦点距離の選択に依存する。理論に拘束されるものではないが、ターゲットビーム間隔は結像面において特定されるものであり、従って回折格子と光学的倍率との両方によって調整することができる。
【００７７】
ここでガラス切断用途を考えると、本実施形態は、損傷の単一ライン（すなわち穿孔）の形成の改善、および損傷点のアレイを形成する複数ラインの形成の改善をもたらすことができる。
【００７８】
単一の損傷ラインの場合、複数のサブビームはレーザの走査方向と位置合わせされる。例えば１００ｋＨｚのレーザ系を使用して３μｍの間隔を空けて損傷点を生成する場合、単一ビームの光学系では０．５ｍ／ｓの切断スピードのために、１０マイクロ秒毎に３μｍ走査することになるであろう。しかしながら３つのサブビームを用いると、複合ビームスポットを同じ１０マイクロ秒の期間に９μｍ移動させることにより、同じ系は１．５ｍ／ｓで動作することが可能になり得る。
【００７９】
図１１に示されているようなアレイで適用される複数の損傷ラインの場合には、複数のサブビームをレーザの走査方向に対して直角に位置合わせする。例えば図１１に示されているように、１０，０００×１０，０００の損傷点を１０μｍの間隔を空けて１００ｋＨｚのレーザ系を使用して生成する場合、単一ビームの光学系ではこのアレイの生成に１０００秒が必要となる。３つのサブビーム系では、同じ仕事を３３４秒で終えることができるであろう。
【００８０】
当業者にはよく知られていることであろうが、レーザ切断アセンブリに対して種々の他の構成要素が意図されている。例えばレーザ切断アセンブリは、これらの穿孔に沿ってガラス物品を分離してレーザ切断されたガラス物品を生み出すための、何らかの機構を含み得る。これには熱衝撃装置、割断ビーム（cracking beam）等が含まれ得る。
【００８１】
「好適には」、「一般に」、「通常」、および「典型的に」のような用語は、請求される発明の範囲を制限するために本書において用いられるものではないこと、あるいは請求される発明の構造または機能に対して特定の特徴が重大、不可欠、または重要であることすら意味するために用いられるものではないことにさらに留意されたい。むしろこれらの用語は、本開示の特定の実施形態において利用することができる、または利用することができない、代わりのまたは追加の特徴を強調することを単に意図している。
【００８２】
添付の請求項において画成される本開示の範囲から逸脱することなく、改変および変形が考えられることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様は、本書で好ましい、または特に有利なものと識別されるが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されないと意図されている。
【００８３】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００８４】
実施形態１
少なくとも１つのガラス物品を、レーザ切断するシステムであって、パルスレーザアセンブリと、前記パルスレーザアセンブリ内での前記レーザ切断中に前記ガラス物品を支持するように構成された、ガラス支持アセンブリとを備え、前記パルスレーザアセンブリが、
入力ビームを擬似ＮＤＢビームへと変換するように構成された、少なくとも１つの非回折ビーム（ＮＤＢ）形成光学要素、および、
前記擬似ＮＤＢビームを、約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた複数の擬似ＮＤＢサブビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのビーム変換要素、
を備えたものであり、
前記パルスレーザアセンブリが、前記複数の擬似ＮＤＢサブビームの１以上のパルスを前記ガラス物品の表面上へと送出するように置かれ、前記複数の擬似ＮＤＢサブビームの前記パルスの夫々が、前記ガラス物品に複数の穿孔を開けるように動作可能なものであることを特徴とするシステム。
【００８５】
実施形態２
前記少なくとも１つのＮＤＢ形成光学要素からの前記擬似ＮＤＢビームを細くするように構成された、少なくとも１つのコリメートレンズをさらに備えていることを特徴とする実施形態１記載のシステム。
【００８６】
実施形態３
前記ビーム変換要素が、前記コリメートレンズの下流に置かれていることを特徴とする実施形態２記載のシステム。
【００８７】
実施形態４
前記ビーム変換要素が、前記コリメートレンズにより生成されるフーリエ変換平面の近傍に置かれていることを特徴とする実施形態２または３記載のシステム。
【００８８】
実施形態５
前記ビーム変換要素の下流に、前記複数の擬似ＮＤＢサブビームを集束させるように構成された、少なくとも１つのさらなるコリメートレンズをさらに備えていることを特徴とする実施形態１記載のシステム。
【００８９】
実施形態６
前記ビーム変換要素が、前記さらなるコリメートレンズの焦点距離の範囲内に置かれていることを特徴とする実施形態５記載のシステム。
【００９０】
実施形態７
前記入力ビームがガウシアンビームであることを特徴とする実施形態１から６いずれか１項記載のシステム。
【００９１】
実施形態８
前記複数の擬似ＮＤＢサブビームが、互いに平行であり、かつ約１μｍから約２０μｍの距離だけ間隔を空けたものであることを特徴とする実施形態１から７いずれか１項記載のシステム。
【００９２】
実施形態９
前記ビーム変換要素が、位相回折格子、振幅回折格子、またはこれらの組合せから選択されたものであり、前記ＮＤＢ形成光学要素が、アキシコン、空間光変調器、楕円レンズ、またはこれらの組合せから選択されたものであることを特徴とする実施形態１から８いずれか１項記載のシステム。
【００９３】
実施形態１０
前記ビーム変換要素が、前記複数の擬似ＮＤＢサブビームのうちの少なくとも１つの位相を、約π／４から約２πシフトさせるように構成されていることを特徴とする実施形態１から９いずれか１項記載のシステム。
【００９４】
実施形態１１
前記擬似ＮＤＢビームが、ベッセルビーム、エアリービーム、ウェーバービーム、またはマチュービームであることを特徴とする実施形態１から１０いずれか１項記載のシステム。
【００９５】
実施形態１２
少なくとも１つのガラス物品をレーザ切断する方法において、
パルス毎に約１μｍから約５００μｍの距離の間隔を空けた複数の擬似非回折ビーム（ＮＤＢ）を生成する、パルスレーザシステムに、少なくとも１つのガラス物品を供給するステップ、
前記複数の擬似ＮＤＢサブビームを用いて前記ガラス物品に複数の穿孔をもたらして、前記少なくとも１つのガラス物品をレーザ切断するステップ、および、
前記複数の穿孔に沿って前記ガラス物品を分離して、レーザ切断されたガラス物品を生み出すステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【００９６】
実施形態１３
前記パルスレーザシステムが、入力ビームを擬似ＮＤＢビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのＮＤＢ形成光学要素と、前記擬似ＮＤＢビームを複数の擬似ＮＤＢサブビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのビーム変換要素とを備えていることを特徴とする実施形態１２記載の方法。
【００９７】
実施形態１４
前記ビーム変換要素が、位相回折格子、振幅回折格子、またはこれらの組合せから選択されたものであり、前記ＮＤＢ形成光学要素が、アキシコン、空間光変調器、楕円レンズ、またはこれらの組合せから選択されたものであることを特徴とする実施形態１３記載の方法。
【００９８】
実施形態１５
前記複数の擬似ＮＤＢサブビームのうちの少なくとも１つの位相を、約π／４から約２πシフトさせることを特徴とする実施形態１２から１４いずれか１項記載の方法。
【００９９】
実施形態１６
少なくとも１つのガラス物品を、レーザ切断するシステムであって、パルスレーザアセンブリと、前記パルスレーザアセンブリ内での前記レーザ切断中に前記ガラス物品を支持するように構成された、ガラス支持アセンブリとを備え、前記パルスレーザアセンブリが、
ガウシアンビームをベッセルビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのアキシコン、
前記アキシコンの下流に配置された、第１のコリメートレンズおよび第２のコリメートレンズ、および、
前記第１のコリメートレンズおよび第２のコリメートレンズの間に置かれ、前記ベッセルビームを、約１μｍから約５００μｍの距離だけ間隔を空けた平行な複数のサブベッセルビームへと変換するように構成された、少なくとも１つのビーム変換要素、
を備えたものであり、
前記パルスレーザアセンブリが、前記複数のサブベッセルビームの１以上のパルスを前記ガラス物品の表面上へと送出するように置かれ、前記複数のサブベッセルビームの前記パルスの夫々が、前記ガラス物品に複数の穿孔を開けるように動作可能なものであることを特徴とするシステム。
【０１００】
実施形態１７
前記ビーム変換要素が、位相回折格子、振幅回折格子、またはこれらの組合せであることを特徴とする実施形態１６記載のシステム。
【０１０１】
実施形態１８
前記複数の擬似ＮＤＢサブビームが、約１μｍから約２０μｍの距離だけ間隔を空けたものであることを特徴とする実施形態１６または１７記載のシステム。
【０１０２】
実施形態１９
前記ビーム変換要素が、前記第１のコリメートレンズにより生成されるフーリエ変換平面の近傍に置かれていることを特徴とする実施形態１６から１８いずれか１項記載のシステム。
【０１０３】
実施形態２０
前記ビーム変換要素が、前記第２のコリメートレンズの焦点距離の範囲内に置かれていることを特徴とする実施形態１６から１９いずれか１項記載のシステム。
【符号の説明】
【０１０４】
１    システム
５    ガラス物品
７    入力ビーム
１０    パルスレーザアセンブリ
１１    光学アセンブリ
１２    擬似ＮＤＢビーム
１８    擬似ＮＤＢサブビーム
２０    ＮＤＢ形成光学要素
３１、３２    コリメートレンズ
４０    ビーム変換要素
４１    フーリエ変換平面
５０    ガラス支持アセンブリ
【図１】
2018504347.tif 000019
【図２Ａ】
2018504347.tif 000020
【図２Ｂ】
2018504347.tif 000021
【図３Ａ】
2018504347.tif 000022
【図３Ｂ】
2018504347.tif 000023
【図４Ａ】
2018504347.tif 000024
【図４Ｂ】
2018504347.tif 000025
【図５Ａ】
2018504347.tif 000026
【図５Ｂ】
2018504347.tif 000027
【図６Ａ】
2018504347.tif 000028
【図６Ｂ】
2018504347.tif 000029
【図７】
2018504347.tif 000030
【図８】
2018504347.tif 000031
【図９】
2018504347.tif 000032
【図１０】
2018504347.tif 000033
【図１１】
2018504347.tif 000034
【国際調査報告】
2018504347.tif 000035
2018504347.tif 000036
2018504347.tif 000037