(57)【要約】  透明被加工物をレーザ加工するための方法は：上記透明被加工物内に輪郭線を形成するステップ；及び赤外線ビーム源によって出力された赤外線レーザビームを、アフォーカルビーム調整アセンブリを通して上記透明被加工物上に、上記輪郭線に沿って配向して、上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って分割するステップを含む。上記赤外線レーザビームは、上記透明被加工物の表面上に、環状赤外線ビームスポットを形成する。上記赤外線レーザビームは、上記アフォーカルビーム調整アセンブリの上流の入口ビーム直径と、上記アフォーカルビーム調整アセンブリの下流の出口ビーム直径とを含む。上記環状赤外線ビームスポットは、内径、外径、及び環状部分厚さを含む。更に、上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を含む。更に、上記１つ以上の調整可能な光学素子を調整することにより、上記出口ビーム直径が変化し、これにより、上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが変化する。
2020531392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明被加工物をレーザ加工するための方法であって、
前記方法は：
前記透明被加工物内に輪郭線を形成するステップであって、前記輪郭線は、前記透明被加工物内の欠陥を含む、ステップ；及び
赤外線ビーム源によって出力された赤外線レーザビームを、アフォーカルビーム調整アセンブリを通して前記透明被加工物上に、前記輪郭線に沿って又は前記輪郭線の付近に配向して、前記透明被加工物を前記輪郭線に沿って分割するステップ
を含み、
前記赤外線レーザビームは、前記透明被加工物の表面上に、環状赤外線ビームスポットを形成し；
前記赤外線レーザビームは、前記アフォーカルビーム調整アセンブリの上流の入口ビーム直径と、前記アフォーカルビーム調整アセンブリの下流の出口ビーム直径とを備え；
前記環状赤外線ビームスポットは、内径、外径、及び環状部分厚さを備え；
前記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を備え；
前記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの少なくとも１つを調整することにより、前記赤外線レーザビームの前記出口ビーム直径が変化し、これにより、前記透明被加工物の前記表面上に形成される前記環状赤外線ビームスポットの前記環状部分厚さが変化する、方法。
【請求項２】
前記アフォーカルビーム調整アセンブリは、第１の凸レンズ、第２の凸レンズ、並びに前記第１の凸レンズと前記第２の凸レンズとの間に位置決めされて前記第１の凸レンズ及び前記第２の凸レンズに光学的に結合された中間凹レンズを備え；
前記中間凹レンズは、前記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの１つであり、かつ前記第１の凸レンズと前記第２の凸レンズとの間で並進移動可能であり；
前記アフォーカルビーム調整アセンブリは、前記第２の凸レンズの上流に位置決めされるように、前記赤外線レーザビームに対して位置決めされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の凸レンズ及び前記第２の凸レンズはそれぞれ同一の焦点距離を備え；
前記第１の凸レンズの前記焦点距離、及び前記第２の凸レンズの前記焦点距離はそれぞれ、
前記中間凹レンズの焦点距離の２倍であり；
前記中間凹レンズが、前記第２の凸レンズよりも前記第１の凸レンズの近くに位置決めされた場合、前記アフォーカルビーム調整アセンブリはビーム拡張モードであり、従って前記出口ビーム直径が前記入口ビーム直径より大きくなり；
前記中間凹レンズが、前記第１の凸レンズよりも前記第２の凸レンズの近くに位置決めされた場合、前記アフォーカルビーム調整アセンブリはビーム狭窄モードであり、従って前記出口ビーム直径が前記入口ビーム直径より小さくなり；
前記出口ビーム直径を増大させると、前記透明被加工物の前記表面上に形成される前記環状赤外線ビームスポットの前記環状部分厚さが増大し、前記出口ビーム直径を減少させると、前記透明被加工物の前記表面上に形成される前記環状赤外線ビームスポットの前記環状部分厚さが増大する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記輪郭線を形成する前記ステップは：
パルスレーザビームを、ビーム伝播方向に沿って配向され、かつ前記透明被加工物内へと配向されたパルスレーザビーム焦線へと集束させるステップであって、前記パルスレーザビーム焦線は前記透明被加工物内で誘導吸収を生成し、前記誘導吸収は、前記透明被加工物内に、前記パルスレーザビーム焦線に沿って欠陥を生成する、ステップ；
前記透明被加工物及び前記パルスレーザビーム焦線を、前記輪郭線に沿って、互いに対して並進移動させることにより、前記透明被加工物内に、前記輪郭線に沿って複数の欠陥をレーザ形成するステップであって、隣接する前記欠陥の間の間隔は１マイクロメートル〜３０マイクロメートルである、ステップ
を含み、
前記パルスレーザビームは、パルスバースト１回あたり約１パルス〜パルスバースト１回あたり約３０パルスを含むパルスバーストを生成し、パルスバーストエネルギは、パルスバースト１回あたり約１００μＪ〜約６００μＪである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
光学アセンブリであって、
前記光学アセンブリは：
赤外線レーザビームを出力するよう構成された赤外線ビーム源；
前記赤外線ビーム源の下流に位置決めされたアキシコンレンズ；
前記アキシコンレンズの下流に位置決めされた第１の平凸レンズ；
前記第１の平凸レンズの下流に位置決めされた第２の平凸レンズであって、前記赤外線レーザビームが各前記アキシコンレンズ、前記第１の平凸レンズ、及び前記第２の平凸レンズを通過した後、前記第２の平凸レンズの下流に位置決めされた透明被加工物を照射すると、前記赤外線レーザビームは、前記透明被加工物の表面上に、内径、外径、及び環状部分厚さを備える環状赤外線ビームスポットを形成する、第２の平凸レンズ；並びに
前記赤外線ビーム源と前記第１の平凸レンズとの間に位置決めされたアフォーカルビーム調整アセンブリ
を備え、
前記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を備え、
前記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの少なくとも１つを調整することにより、前記透明被加工物の前記表面上に形成される前記環状赤外線ビームスポットの前記環状部分厚さが変化する、光学アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、米国特許法第１１９条の下で、２０１７年８月２５日出願の米国仮特許出願第６２／５５０，０３３号の優先権の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の内容は信頼できるものであり、その全体が参照により本出願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は一般に、透明被加工物をレーザ加工するための装置及び方法に関し、より詳細には、透明被加工物を分割することに関する。
【背景技術】
【０００３】
材料のレーザ加工の領域は、様々なタイプの材料の切断、穿孔、フライス加工、溶接、溶融等を伴う広範な用途を包含する。これらのプロセスのうち特に関心の対象となるのは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）用のガラス、サファイア若しくは溶融シリカ、又は電子デバイス用のディスプレイ材料といった材料の製造において利用され得るプロセスにおける、様々なタイプの透明基板の切断又は分割である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プロセス開発及びコストの観点から、ガラス基板の切断及び分割を改善する多くの機会が存在する。現在市場において実施されているものよりも迅速であり、清潔であり、安価であり、再現性が高く、信頼性が高い、ガラス基板の分割方法を得ることが、大きな関心を集めている。従って、ガラス基板を分割するための代替的な改良された方法に対して需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態によると、透明被加工物をレーザ加工するための方法は：上記透明被加工物内に輪郭線を形成するステップであって、上記輪郭線は、上記透明被加工物内の欠陥を含む、ステップ；及び赤外線ビーム源によって出力された赤外線レーザビームを、アフォーカルビーム調整アセンブリを通して上記透明被加工物上に、上記輪郭線に沿って又は上記輪郭線の付近に配向して、上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って分割するステップを含む。上記赤外線レーザビームは、上記透明被加工物の表面上に、環状赤外線ビームスポットを形成する。上記赤外線レーザビームは、上記アフォーカルビーム調整アセンブリの上流の入口ビーム直径と、上記アフォーカルビーム調整アセンブリの下流の出口ビーム直径とを含む。上記環状赤外線ビームスポットは、内径、外径、及び環状部分厚さを含む。更に、上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を含む。更に、上記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの少なくとも１つを調整することにより、上記赤外線レーザビームの上記出口ビーム直径が変化し、これにより、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが変化する。
【０００６】
別の実施形態では、透明被加工物をレーザ加工するための方法は：パルスレーザビームを、上記透明被加工物内へと配向されたパルスレーザビーム焦線へと集束させるステップであって、上記パルスレーザビーム焦線は上記透明被加工物内に欠陥を生成する、ステップ；上記透明被加工物及び上記パルスレーザビーム焦線を互いに対して並進移動させることによって、上記透明被加工物内の輪郭線に沿って複数の欠陥をレーザ形成するステップ；並びに赤外線レーザビームを、アフォーカルビーム調整アセンブリを通して上記透明被加工物上に、上記輪郭線に沿って又は上記輪郭線の付近に配向して、上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って分割するステップを含む。上記赤外線レーザビームは、上記透明被加工物の表面上に、環状赤外線ビームスポットを形成する。上記環状赤外線ビームスポットは、内径、外径、及び環状部分厚さを含む。更に、上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を含み、これは、上記赤外線レーザビームの上記出口ビーム直径を調整することによって、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さを変化させるよう構成される。
【０００７】
更に別の実施形態では、光学アセンブリは、赤外線レーザビームを出力するよう構成された赤外線ビーム源、上記赤外線ビーム源の下流に位置決めされたアキシコンレンズ、上記アキシコンレンズの下流に位置決めされた第１の平凸レンズ、及び上記第１の平凸レンズの下流に位置決めされた第２の平凸レンズを含む。上記赤外線レーザビームが各上記アキシコンレンズ、上記第１の平凸レンズ、及び上記第２の平凸レンズを通過した後、上記第２の平凸レンズの下流に位置決めされた透明被加工物を照射すると、上記赤外線レーザビームは、上記透明被加工物の表面上に、内径、外径、及び環状部分厚さを含む環状赤外線ビームスポットを形成する。上記光学アセンブリは更に、上記赤外線ビーム源と上記第１の平凸レンズとの間に位置決めされたアフォーカルビーム調整アセンブリを含む。上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を含み、上記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの少なくとも１つを調整することにより、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが変化する。
【０００８】
本明細書に記載のプロセス及びシステムの追加の特徴及び利点を、以下の「発明を実施するための形態」に記載するが、その一部は、「発明を実施するための形態」から、又は以下の「発明を実施するための形態」、特許請求の範囲及び添付の図面を含む本出願に記載の実施形態を実践することによって、当業者には容易に明らかになるだろう。
【０００９】
上述の「発明の概要」及び以下の「発明を実施するための形態」の両方は、様々な実施形態を説明するものであり、請求対象の主題の性質及び特徴を理解するための概観又は枠組みを提供することを意図したものであることを理解されたい。添付の図面は、これらの様々な実施形態の更なる理解を提供するために含まれており、また本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。これらの図面は、本明細書に記載の上記様々な実施形態を図示し、本記載と併せて、請求対象の主題の原理及び動作を説明する役割を果たす。 
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、透明被加工物内に形成された輪郭線を通過する環状赤外線ビームスポットの概略図
【図２】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、環状赤外線レーザビームのある実施形態の断面出力分布を示すグラフ
【図３Ａ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、環状赤外線ビームスポットを形成するために利用される光学アセンブリの概略図
【図３Ｂ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、アキシコンレンズの上流に位置決めされたアフォーカルビーム調整器を含む、環状赤外線ビームスポットを形成するために利用される光学アセンブリの概略図
【図３Ｃ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、アキシコンレンズの下流に位置決めされたアフォーカルビーム調整器を含む、環状赤外線ビームスポットを形成するために利用される光学アセンブリの概略図
【図４Ａ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、第１の凸レンズと第２の凸レンズとの間に位置決めされた中間凹レンズを備えるアフォーカルビーム調整器の概略図であり、ここでアフォーカルビーム調整器はビーム拡張モードに位置決めされている
【図４Ｂ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、ビーム中立モードに位置決めされた図４Ａのアフォーカルビーム調整器の概略図
【図４Ｃ】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、ビーム狭窄モードに位置決めされた図４Ａ及び４Ｂのアフォーカルビーム調整器の概略図
【図５】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態によるアフォーカルビーム調整器の別の実施形態の概略図
【図６】本明細書に図示及び記載されている１つ以上の実施形態による、複数の関心対象ゾーンを有する透明被加工物を照射する例示的な環状赤外線ビームスポットの概略図
【図７Ａ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、従来のガウス赤外線レーザビームのレーザプロファイルに関する好適な出力の関数としての、赤外線レーザビームのビーム直径のグラフ
【図７Ｂ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、環状赤外線ビームスポットに関する好適な出力の関数としての、赤外線レーザビームのビーム直径のグラフ
【図８】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、分割地点における、分割された透明被加工物の側部の画像であって、輪郭線における、ガウス赤外線レーザビームを利用した従来のレーザ処理による過剰な加熱によって引き起こされた割れを示す
【図９】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、線状欠陥の輪郭線の形成の概略図
【図１０】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、透明被加工物の加工中のパルスレーザビーム焦線の位置決めの概略図
【図１１Ａ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、パルスレーザ加工のための光学アセンブリの概略図
【図１１Ｂ−１】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、ある透明被加工物に関連するパルスレーザ焦線の第１の実施形態の概略図
【図１１Ｂ−２】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、ある透明被加工物に関連するパルスレーザ焦線の第２の実施形態の概略図
【図１１Ｂ−３】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、ある透明被加工物に関連するパルスレーザ焦線の第３の実施形態の概略図
【図１１Ｂ−４】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、ある透明被加工物に関連するパルスレーザ焦線の第４の実施形態の概略図
【図１２】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、パルスレーザ加工のための光学アセンブリの別の実施形態の概略図
【図１３Ａ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、パルスレーザ加工のための光学アセンブリの別の実施形態の概略図
【図１３Ｂ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、透明被加工物における図１０Ａのパルスレーザの詳細な概略図
【図１４】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、パルスレーザ加工のための光学アセンブリの別の実施形態の概略図
【図１５Ａ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、非集束パルスレーザビームに関する強度の態様の概略図
【図１５Ｂ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、球面レンズによる集光パルスレーザビームに関する強度の態様の概略図
【図１５Ｃ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、アキシコンレンズ又は回折フレネルレンズによる集光パルスレーザビームに関する強度の態様の概略図
【図１６Ａ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、時間に対するある例示的なパルスバースト内のレーザパルスの相対強度のグラフであり、ここで例示的なパルスバーストはそれぞれ７つのパルスを有する
【図１６Ｂ】本明細書に記載の１つ以上の実施形態による、別の例示的なパルスバースト内の、時間に対するレーザパルスの相対強度のグラフであり、ここで例示的なパルスバーストはそれぞれ９つのパルスを有する
【発明を実施するための形態】
【００１１】
これより、ガラス被加工物等の透明被加工物をレーザ加工するためのプロセスの実施形態について詳細に言及する。上記透明被加工物の例は添付の図面に図示されている。可能な限り、図面全体を通して、同一又は同様の部分を指すために同一の参照番号を使用する。本明細書に記載の１つ以上の実施形態によると、透明被加工物をレーザ加工することによって、上記透明被加工物を２つ以上の部分に分割できる。一般に、このプロセスは、透明被加工物内に欠陥を含む輪郭線を形成する第１のステップと、透明被加工物を輪郭線又はその付近において赤外線レーザビームに供することにより、透明被加工物を輪郭線に沿って分割する第２のステップとを少なくとも含む。一実施形態によると、パルスレーザビームを利用して、透明被加工物内に一連の線状欠陥を生成することにより、輪郭線を画定してよい。これらの線状欠陥は、本明細書中で、透明被加工物内の穿孔又は微小穿孔と呼ばれる場合がある。続いて、赤外線レーザを利用して、輪郭線に隣接する透明被加工物の領域を加熱して、透明被加工物を輪郭線において分割してよい。輪郭線に沿った分割は、赤外線レーザビームによる加熱によって引き起こされた、透明被加工物の異なる複数の部分における透明被加工物の温度の差によって発生する、透明被加工物内の機械的応力によって引き起こされ得る。透明被加工物を分割するための方法及び装置の様々な実施形態を、添付の図面を具体的に参照して本明細書において説明する。
【００１２】
本明細書中で使用される場合、句「透明被加工物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）」は、透明なガラス又はガラスセラミックから形成された被加工物を意味し、本明細書中で使用される場合、用語「透明（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）」は、材料が、指定されたパルスレーザ波長に関して材料深さ１ｍｍあたり約１０％未満の光吸収率、例えば材料深さ１ｍｍあたり約１％未満の光吸収率を有することを意味する。いくつかの実施形態によると、被加工物の少なくとも一部分、例えば分割される部分の熱膨張係数は、約５×１０−６／Ｋ未満、例えば約４×１０−６／Ｋ未満、又は約３．５×１０−６／Ｋ未満である。例えば、被加工物の熱膨張係数は約３．２×１０−６／Ｋであってよい。透明被加工物の厚さは約５０マイクロメートル〜約１０ｍｍ（例えば約１００マイクロメートル〜約５ｍｍ、又は約０．５ｍｍ〜約３ｍｍ）であってよい。
【００１３】
本明細書中で使用される場合、句「輪郭線（ｃｏｎｔｏｕｒ  ｌｉｎｅ）」は、透明被加工物の表面上における、意図されている分割の線（例えば直線、曲線等）を指し、透明被加工物は、適当な加工条件への曝露時に、上記輪郭線に沿って複数の部分に分割されることになる。上記輪郭線は一般に、様々な技法を用いて上記透明被加工物内に導入された１つ以上の欠陥からなる。本明細書中で使用される場合、「線状欠陥（ｌｉｎｅ  ｄｅｆｅｃｔ）」の「欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）」は、上記透明被加工物内の、（バルク材料に対して）改質された材料の領域、空所、擦過傷、傷、孔、又は他の変形を含んでよく、これらにより、更なる熱処理によって、例えばレーザ加工によって、分割を実施できる。
【００１４】
ガラス基板等の透明被加工物は、まず上記被加工物の表面に輪郭線を形成し、その後、、上記被加工物の上記表面を上記輪郭線上において加熱することによって、熱応力を上記被加工物内に生成することによって、複数の部分に分割できる。上記応力は最終的には、上記輪郭線に沿った上記被加工物の自発的な分割をもたらす。被加工物の表面の加熱は、例えば赤外線レーザを用いて実施してよい。具体的には、輪郭線に沿った分割を誘発するための、従来の赤外線レーザ加工は、輪郭線に入射するよう配向された赤外線レーザビームを利用し、この赤外線レーザビームは、輪郭線を画定する欠陥の真上に最大の熱強度を発生させるプロファイルを有する。例えば従来の方法では、ガウスビームプロファイルを利用し、輪郭線の真上にセンタリングする場合がある。このような従来のプロセスでは、レーザエネルギ及び熱の最大強度は輪郭線において得られる。しかしながら、輪郭線上にピーク強度を有する赤外線レーザビーム（これは分割を引き起こすために十分なエネルギを有する）を利用すると、分割後の透明被加工物の縁部（分割前にはここに上記輪郭線が存在していた）に対して損傷が生じる場合があることが発見された。例えば、分割に比較的高出力の赤外線レーザを必要とするいくつかのガラス組成物に関して、熱亀裂は、分割後の縁部から、分割後の透明被加工物の縁部に対して概ね垂直な（即ち上記輪郭線によって示される、意図した分割線に対して概ね垂直な）方向に伝播し得、これにより、分割後の透明被加工物の縁部が弱くなる。
【００１５】
更に、輪郭線の加熱に続く自発的な分割は、透明被加工物の材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）に関連し、ＣＴＥが比較的高い材料は、ＣＴＥが比較的低い材料よりも、加熱時に自発的な分割を発生させやすい。ＣＴＥが比較的低い材料で透明被加工物が形成されている場合、輪郭線に沿った自発的な分割は、透明被加工物に付与される熱エネルギを増大させることによって促進できる。しかしながら、特定の条件下（例えば材料のＣＴＥが極めて低い場合）に、従来の手段では、被加工物を損傷（例えば溶融）させて被加工物を使用不能とすることなく、透明被加工物に付与される熱エネルギを増大させることができない場合がある。
【００１６】
例えば、従来の赤外線レーザ加工のいくつかの実施形態では、スポットサイズが小さすぎる（例えば１ｍｍ未満である）場合、又はＣＯ２レーザ出力が大きすぎる（例えば４００Ｗを超える）場合、透明被加工物は輪郭線において過熱され、透明被加工物内にアブレーション、溶融、及び／又は熱によって生成された割れが発生する場合があり、これらは、分割後の部品の縁部強度を低下させることになるため、望ましくない。このようなパラメータは、特にＣＴＥが比較的低い（例えば約４×１０−６／Ｋ未満である）ガラス等の透明基板に対する、ガウスビームプロファイルによる従来の加工下では、回避できない場合があり、これらの高強度のレーザパラメータは、ガウスレーザプロファイルを利用する場合、輪郭線に沿った割れの伝播によって透明被加工物の分割を発生させるために不可欠となり得る。よって従来の手段では、アブレーション、溶融、及び／又は熱によって生成された割れ等の望ましくない影響を引き起こすことなく、低ＣＴＥガラス被加工物を分割するのは、困難となり得るか、又は不可能な場合さえある。
【００１７】
従来の赤外線レーザ加工の上述の欠点は、輪郭線に隣接する領域に位置する赤外線レーザビームからの累積エネルギの分布が、輪郭線の真上に位置する赤外線レーザビームからの累積エネルギの分布よりも大きくなるような赤外線レーザビームプロファイルを利用することによって、克服できる。即ち、赤外線レーザビームは、輪郭線の真上よりも、輪郭線に隣接した領域に、より多くのエネルギを移送できる。本明細書中で使用される場合、「累積エネルギ（ｃｕｍｕｌａｔｅｄ  ｅｎｅｒｇｙ）」は、レーザビームを被加工物に対して並進移動させたときに、赤外線レーザビームによって被加工物のある特定の領域へと移送される、全てのエネルギを指す。例えば、一実施形態では、赤外線レーザ分割は、透明被加工物上に環状赤外線ビームスポットを形成する環状レーザビームを利用してよい。例えば、環状赤外線ビームスポットは輪郭線上にセンタリングされ得るが、輪郭線の真上よりも輪郭線に隣接した領域に対して、より多量のエネルギを投射し得る。このようなビームプロファイルを用いると、輪郭線の過熱による熱亀裂及び／又は溶融を引き起こすことなく、透明被加工物に印加される熱エネルギの総量を増大させることができる。
【００１８】
更に、いくつかの実施形態では、環状赤外線ビームスポットの環状部分厚さ（即ち環状赤外線ビームスポットの外径と内径との間の差）を変化させることが望ましい場合がある。例えば、赤外線レーザビームのレーザ出力を増大させる場合、環状赤外線ビームスポットの環状部分厚さを増大させることが望ましい場合がある。というのは、レーザ出力を増大させると透明被加工物１３０を損傷させる場合があるためである。増大したレーザ出力は、環状赤外線ビームスポット２１０及び透明被加工物１３０の相対並進移動速度が増大して、透明被加工物の分割に必要な時間が短縮された場合に、有用となり得る。増大したレーザ出力はまた、それぞれＣｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（ニューヨーク州コーニング）から入手可能なＣＯＲＮＩＮＧ  ＬＯＴＵＳ（商標）及びＣＯＲＮＩＮＧ  ＳＡＰＰＨＩＲＥ（商標）等の、ＣＴＥが低い透明被加工物を分割する際に、有用となり得る。理論によって制限されることを意図したものではないが、ＣＴＥが比較的低い透明被加工物１３０は、ＣＴＥが比較的高い透明被加工物１３０よりも高いレーザ出力の放出を必要とする。このようなレーザ出力の増大を補償するために、環状赤外線ビームスポットの環状部分厚さを増大させると、赤外線レーザビームが透明被加工物１３０上に印加する増大したレーザ出力を、透明被加工物１３０のより大きな表面積にわたって広げることができ、これにより、環状赤外線ビームスポット２１０と（例えば照射によって）相互作用する透明被加工物１３０の個々の表面部分に印加される局所的レーザ出力が低下し、損傷が制限される。従って、環状赤外線ビームスポットの環状部分厚さを変化させるためのアフォーカルビーム調整アセンブリを含む、環状赤外線ビームスポットを形成するための光学アセンブリを、本明細書で説明する。
【００１９】
ここで例として図１を参照すると、本明細書に記載の方法による分割を受ける、ガラス被加工物又はガラスセラミック被加工物等の透明被加工物１３０が、概略図で示されている。まず、透明被加工物１３０の表面に輪郭線１１０を形成して、意図されている分割の線を描画するが、透明被加工物１３０はこの線の周りで２つ以上の部分に分割されることになる。輪郭線１１０は、透明被加工物１３０内の一連の欠陥によってその概形を描画できる。図１では輪郭線１１０は略直線状のものとして図示されているが、曲線、パターン、規則的な幾何学形状、不規則な形状等を含むがこれらに限定されない他の構成も考えられ、また実現可能であることを理解されたい。本明細書に記載されているように、輪郭線１１０は欠陥を含み、この欠陥に対して更に作用を及ぼすことによって、輪郭線１１０に沿った透明被加工物１３０の自発的な分割を誘発できる。
【００２０】
実施形態によると、輪郭線１１０の欠陥は、レーザ加工、機械加工、又はこれらの組み合わせを含む多数の方法で形成できる。例えば、輪郭線１１０は、レーザスクライビング又は機械的スコーリングによって形成してよい。一実施形態では、シリコンカーバイドホイール又はスクライビング工具又はダイヤモンドチップスクライビング工具を用いて、輪郭線１１０及びこれに内包される欠陥を形成してよい。別の実施形態では、レーザ加工技法を利用して、透明被加工物１３０内に輪郭線１１０の欠陥を形成してよい。例えば実施形態では、２０１５年１２月１７日公開の米国特許出願公開第２０１５／０３６０９９１号明細書（その全体が参照により本出願に援用される）に開示されている「穿孔された（ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ）」輪郭線を形成するための方法及び装置を用いて、透明被加工物１３０内に輪郭線１１０を形成してよい。
【００２１】
米国特許出願公開第２０１５／０３６０９９１号明細書に記載の方法によると、輪郭線１１０は、本明細書中で「線状欠陥（ｌｉｎｅ  ｄｅｆｅｃｔ）」と呼ばれる線状の欠陥を含んでよく、これは、透明被加工物１３０の表面内へと延在して、分割後の被加工物の所望の形状を描画し、割れの伝播のための経路を確立し、従って透明被加工物１３０の、輪郭線１１０に沿った複数の別個の部分への分割を提供する。輪郭線１１０を形成するために、加工対象の透明被加工物１３０に、波長が１０６４ｎｍ以下の超短パルス（即ちパルス持続時間が１００ｐｓｅｃ未満の）レーザビームを照射し、このレーザビームは、透明被加工物１３０の厚さの少なくとも一部分を貫通する高アスペクト比の線状焦点へと集束する。エネルギ密度が高いこの体積内において、輪郭線１１０に沿った透明被加工物１３０の材料は、（例えば２光子吸収による）非線形の効果、具体的には透明被加工物１３０の材料内での欠陥の生成によって改質される。所望の線又は経路全体にわたってレーザ走査を行うことにより、輪郭線１１０を画定する狭い線状欠陥（例えば数マイクロメートル幅）を形成できる。この輪郭線１１０は、後続の加熱ステップにおいて透明被加工物１３０から分割されることになる外周又は形状を画定できる。
【００２２】
引き続き図１を参照すると、透明被加工物１３０内での輪郭線１１０の形成に続いて、赤外線レーザビーム等の熱源を利用して、透明被加工物１３０を輪郭線１１０に沿って分割できる。実施形態によると、熱源を用いて熱応力を生成することにより、透明被加工物１３０を輪郭線１１０において分割できる。実施形態では、赤外線レーザビームを用いて自発的な分割を開始させることができ、続いて分割を機械的に終了させることができる。
【００２３】
二酸化炭素レーザ（「ＣＯ２レーザ」）、一酸化炭素レーザ（「ＣＯレーザ」）、ソリッドステートレーザ、レーザダイオード、又はこれらの組み合わせによって生成されるレーザビーム等の、赤外線レーザビーム（即ち図３Ａ〜３Ｃの赤外線レーザビーム３０２）は、透明被加工物１３０の温度を輪郭線１１０又はその付近において急速に上昇させる、制御された熱源である。この急速な加熱は、透明被加工物１３０内の、輪郭線１１０上又は輪郭線１１０に隣接する位置に、圧縮応力を形成できる。加熱されたガラス表面の面積は、透明被加工物１３０の全表面積に比べて相対的に小さいため、加熱された範囲は比較的急速に冷却される。得られた温度勾配は、透明被加工物１３０内に、割れを輪郭線１１０に沿って透明被加工物１３０の厚さを通して伝播させるために十分な引張応力を誘発し、これにより、輪郭線１１０に沿った透明被加工物１３０の完全な分割が得られる。理論によって束縛されるものではないが、上記引張応力は、被加工物の、局所的温度が比較的高い部分における、ガラスの膨張（即ち密度の変化）によって引き起こされ得ると考えられる。
【００２４】
引き続き図１を参照すると、本明細書に記載の実施形態では、赤外線レーザビーム（環状赤外線ビームスポット２１０を透明被加工物１３０上に投射する）を、透明被加工物１３０上へと配向して、透明被加工物１３０に対して輪郭線１１０に沿って加工方向２１２に並進移動させてよい。「環状赤外線ビームスポット２１０」は、場合によっては、図３Ａ〜３Ｃの赤外線レーザビーム３０２と相互交換可能なものとして言及される場合があることを理解されたい。というのは、環状赤外線ビームスポット２１０は、透明被加工物１３０の、赤外線レーザビーム３０２が接触した範囲上に形成されるためである。輪郭線１１０の分割された部分１４２は、輪郭線１１０を赤外線レーザビームで（例えば環状赤外線ビームスポット２１０を通過させることによって）加熱して、輪郭線１１０に沿って、またその厚さを通して割れを伝播させ、自発的な分割を引き起こすことによって形成される。輪郭線１１０の分割された部分１４２は、環状赤外線ビームスポット２１０が加工方向２１２に移動するに従って、環状赤外線ビームスポット２１０を追跡する。１つ以上の実施形態によると、赤外線レーザビームは、透明被加工物１３０の運動、赤外線レーザビームの運動（即ち環状赤外線ビームスポット２１０の運動）、又は透明被加工物１３０及び赤外線レーザビーム両方の運動によって、透明被加工物１３０を横断して並進移動できる。環状赤外線ビームスポット２１０を透明被加工物１３０に対して並進移動させることによって、欠陥を内包した輪郭線１１０に沿って透明被加工物１３０を分割できる。
【００２５】
本明細書に記載の実施形態によると、環状赤外線ビームスポット２１０を輪郭線１１０又はその付近に投射し、輪郭線１１０の真上よりも輪郭線１１０の両側に隣接した透明被加工物１３０の範囲に、多量のエネルギを移送してよい。輪郭線１１０に「隣接した（ａｄｊａｃｅｎｔ）」範囲は、透明被加工物１３０の、輪郭線１１０の両側のいずれの範囲（即ち欠陥の線を含まないいずれの範囲）を含む。輪郭線１１０の両側において透明被加工物１３０を加熱することによって熱応力を生成し、輪郭線１１０に沿った透明被加工物１３０の自発的な分割を促進する。しかしながら、輪郭線１１０に沿った自発的な分割を促進するために透明被加工物１３０に付与されるエネルギの総量は、赤外線レーザビームを最大強度で輪郭線１１０の真上に集束させる場合（例えばガウスビームプロファイル）と同一であってよいものの、輪郭線１１０の真上を最大強度とせずに輪郭線１１０の両側において透明被加工物１３０を加熱すると、熱エネルギの上記総量がより広い面積にわたって広がるため、輪郭線１１０に対して横方向の割れの、過熱による形成が軽減され、また輪郭線１１０に隣接した又は輪郭線１１０における透明被加工物１３０の材料の溶融が減少するか、又は軽減されさえする。実際には、輪郭線１１０の真上を最大強度とせず、輪郭線１１０の両側を最大強度として、透明被加工物１３０を加熱すると、望ましくない横方向の割れの形成及び／又は溶融を伴うことなく、より多量の合計熱エネルギを透明被加工物１３０に導入できるため、ＣＴＥが比較的低い材料で形成された透明被加工物１３０のレーザ分割が可能となる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、自発的な分割の促進に使用される赤外線レーザビームは、輪郭線１１０の真上よりも輪郭線１１０に隣接する範囲により多量のエネルギを移送するために、図１に示す円対称の環状ビームプロファイル（即ち環状赤外線ビームスポット２１０）等の環状ビームプロファイルを備えてよい。図２は、ビーム直径の関数としての環状ビームのエネルギ分布のグラフを示す。本明細書中で使用される場合、環状ビームプロファイルとは、一般にビームの中心から離れた位置に最大強度を有し、また上記最大強度に対してその中心に強度の谷を有する、いずれのレーザビームプロファイルを指す。この谷は、図２の例示的なビームプロファイルにおいて示されているような、ビームの中心におけるエネルギの完全な不在（即ちビームの強度がビームの中心において０であること）を含んでよい。本明細書では、輪郭線１１０の両側における透明被加工物１３０の加熱を促進するための、輪郭線１１０に関して円対称である環状赤外線ビームスポット２１０の使用に言及するが、最大強度がビームの中心と同心でないプロファイルをビームが有している限り、他のビームの構成も考えられ、また実現可能であることを理解されたい。
【００２７】
図１に示すように、輪郭線１１０の各側に同量の熱エネルギが投射されるように、赤外線レーザビームを輪郭線１１０上にセンタリングして（その上に環状赤外線ビームスポット２１０を形成して）よい。このような実施形態では、環状赤外線ビームスポット２１０は、輪郭線１１０の真上よりも輪郭線１１０の両側の隣接した範囲に、より多くの熱エネルギを移送することになる。図１の環状赤外線ビームスポット２１０は本質的に概略的なものであり、図２に示されているもの等の環状ビームプロファイルの１つの代表例であることを理解されたい。最大出力を輪郭線１１０から離れた位置に投射する赤外線レーザビームを利用した分割プロセスにより、過剰な局所的加熱に由来する分割済みの表面及び／又は縁部に対する損傷を引き起こすことなく、より多くの合計出力を透明被加工物に付与できる。この追加の出力により、透明被加工物内により多くの熱応力を発生させることができ、これにより、低ＣＴＥ材料、比較的厚い被加工物、及び／又は被加工物の積層体の、被加工物を損傷させることのない分割が可能となる。
【００２８】
環状赤外線ビームスポット２１０は、内径２１６、外径２１４、及び環状部分厚さ２１１を備えてよい。実施形態によると、内径２１６は、ある距離（即ち半径）の２倍として定義され、上記距離は、ビームエネルギの８６％がビームの中心から（即ち環状赤外線ビームスポット２１０の中心から）上記距離の外側にあるような距離である。同様に、外径２１４は、ある距離（即ち半径）の２倍として定義され、上記距離は、ビームエネルギの８６％が、ビームの中心から上記距離の内側にあるような距離である。更に、環状部分厚さ２１１は、外径２１４と内径２１６との差である。実施形態によると、外径２１４は、約０．５ｍｍ〜約２０ｍｍ、例えば約１ｍｍ〜約１０ｍｍ、約２ｍｍ〜約８ｍｍ、又は約３ｍｍ〜約６ｍｍであってよい。内径２１６は、約０．０１ｍｍ〜約１０ｍｍ、約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍ、又は約０．７ｍｍ〜約３ｍｍであってよい。例えば内径２１６は、外径２１４の約５％〜約９５％、例えば外径２１４の約１０％〜約５０％、約２０％〜約４５％、又は約３０％〜約４０％であってよい。更に、環状部分厚さ２１１は、約０．０４ｍｍ〜約１９．９９ｍｍ、例えば約０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、３．５ｍｍ、４ｍｍ、４．５ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍ、１１ｍｍ、１２ｍｍ、１３ｍｍ、１４ｍｍ、１５ｍｍ、１６ｍｍ、１７ｍｍ、１８ｍｍ、又は１９ｍｍ等、例えば約１ｍｍ〜約９ｍｍであってよい。いくつかの実施形態によると、環状赤外線ビームスポット２１０からの最大出力（及び透明被加工物１３０内の最高温度）は、輪郭線１１０から内径２１６の約半分に等しい距離の位置にあってよい。
【００２９】
ここで図３Ａを参照すると、環状赤外線ビームスポット２１０を透明被加工物１３０上に生成するための光学アセンブリ３００が図示されている。光学アセンブリ３００は、ガウスビームであってよい赤外線レーザビーム３０２を生成するための赤外線ビーム源３３０を備える。赤外線ビーム源３３０は、例えばＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、ソリッドステートレーザ、レーザダイオード等を備えてよい。動作時、赤外線ビーム源３３０は赤外線レーザビーム３０２を生成及び放出してよく、これは、赤外線ビーム源３３０から透明被加工物１３０に向かって、赤外線ビーム伝播方向３０に伝播する。１つ以上の実施形態によると、赤外線ビーム源３３０が出力する赤外線レーザビーム３０２の直径は、（その１／ｅ２直径によると）約８ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。以下で更に詳細に説明するように、この直径は、赤外線ビーム源３３０と透明被加工物１３０との間に位置決めされたアフォーカルビーム調整アセンブリを用いて変更できる。
【００３０】
第１の平凸レンズ３１２及び第２の平凸レンズ３１４はアキシコンレンズ３１０の下流に位置決めされ、従って赤外線ビーム源３３０が出力した赤外線レーザビーム３０２は、アキシコンレンズ３１０を通った後に第１の平凸レンズ３１２及び第２の平凸レンズ３１４を通るように配向される。本明細書中で使用される場合、「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」及び「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、ビーム源（例えば赤外線ビーム源３３０）に対する、光学アセンブリ（例えば光学アセンブリ３００）の２つの場所又は構成部品の相対位置を表す。例えば、ビーム源が出力したビームが第２の構成部品を通過する前に第１の構成部品を通過する場合、第１の構成部品は第２の構成部品の上流にある。更に、ビーム源が出力したビームが第１の構成部品を通過する前に第２の構成部品を通過する場合、第１の構成部品は第２の構成部品の下流にある。
【００３１】
動作時、赤外線レーザビーム３０２は、アキシコンレンズ３１０を通った後に第１の平凸レンズ３１２及び第２の平凸レンズ３１４を通るように配向してよい。いくつかの実施形態では、第１の平凸レンズ３１２の焦点距離は、約５０ｍｍ〜約２００ｍｍ（例えば約５０ｍｍ〜約１５０ｍｍ、又は約７５ｍｍ〜約１００ｍｍ）であってよく、第２の平凸レンズ３１４の焦点距離は第１の平凸レンズの焦点距離より短くてよく、例えば約２５ｍｍ〜約５０ｍｍであってよい。アキシコンレンズ３１０は、約１．２°、例えば約０．５°〜約５°、又は約１°〜約１．５°、又は約０．５°〜約５°でさえある角度を有する円錐面を有してよい（上記角度は、ビームがアキシコンレンズ３１０に入射する平坦な表面に対して測定される）。アキシコンレンズ３１０は、（ガウスビームを含む）入射した赤外線レーザビーム３０２をベッセルビームへと成形し、これは続いて、第１の平凸レンズ３１２及び第２の平凸レンズ３１４を通るように配向される。第１の平凸レンズ３１２及び第２の平凸レンズ３１４は上記ベッセルビームをコリメートし、また上記ベッセルビームの環状スポット（即ち環状赤外線ビームスポット２１０）の（１つ以上の）直径を調整する。特に、第１の平凸レンズ３１２は、（アキシコンレンズ３１０の下流のベッセルビームを含む）赤外線レーザビーム３０２を環状ビームプロファイルへと成形でき、第２の平凸レンズ３１４は（第１の平凸レンズ３１２の下流の環状ビームプロファイルを有するベッセルビームを含む）赤外線レーザビーム３０２を透明被加工物１３０上に集束させて、環状赤外線ビームスポット２１０を透明被加工物１３０上に（例えば図１に示すように輪郭線１１０に沿って）形成できる。
【００３２】
図１に示すように、環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ２１１、内径２１６、及び外径２１４はそれぞれ、光学アセンブリ３００の構成部品によって制御及び変更できる。特に、環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ２１１（即ち外径２１４と内径２１６との間の差）は、数学的に０．５Φｆ２／ｆ１として定義され、ここでΦは、第１の平凸レンズ３１２に入射するときの赤外線レーザビーム３０２の直径（これ以降「ビーム直径Φ」）であり、ｆ１は第１の平凸レンズ３１２の焦点距離であり、ｆ２は第２の平凸レンズ３１４の焦点距離である。第１の平凸レンズ３１２の焦点距離ｆ１及び第２の平凸レンズ３１４の焦点距離ｆ２は固定されており、環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ２１１は、例えば第１の平凸レンズ３１２の上流に位置決めされた、赤外線レーザビーム３０２のビーム直径Φの選択的調整可能性を提供するアフォーカルビーム調整アセンブリ、例えばアフォーカルビーム調整アセンブリ３４０（図３Ｂ及び３Ｃ〜４Ｃ）、アフォーカルビーム調整アセンブリ４４０（図５）、又は選択的なビーム直径の調整可能性を提供するよう構成された他のいずれの１つ以上の光学素子、例えば電動モーダルズームアダプタを用いて、ビーム直径Φを調整することにより、調整できる。
【００３３】
理論によって制限されることを意図したものではないが、第２の平凸レンズ３１４及び透明被加工物１３０の相対的な位置決めは、環状赤外線ビームスポット２１０の内径２１６及び外径２１４両方のサイズに同期的に影響し、従って、透明被加工物１３０及び第２の平凸レンズ３１４の相対的な位置決めを変更すると、内径２１６及び外径２１４が同量だけ変化する。例えば、透明被加工物１３０を、第２の平凸レンズ３１４の焦点距離に等しい距離だけ第２の平凸レンズ３１４から離間した位置に近づくように移動させると、内径２１６及び外径２１４はそれぞれ減少し、また透明被加工物１３０を、第２の平凸レンズ３１４の焦点距離に等しい距離だけ第２の平凸レンズ３１４から離間した位置から離れるように移動させると、内径２１６及び外径２１４はそれぞれ増大する。
【００３４】
これもまた理論によって制限されることを意図したものではないが、本明細書に記載のアフォーカルビーム調整アセンブリは、外径２１４のサイズを変更せずに内径２１６のサイズを変更することにより、環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ２１１を変更するよう構成される。特に、本明細書に記載のアフォーカルビーム調整アセンブリはそれぞれ、１つ以上の調整可能な光学素子を備え、動作時、上記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの少なくとも１つを調整することにより、アフォーカルビーム調整アセンブリの下流の赤外線レーザビームのビーム直径（即ち出口ビーム直径）を変更し、これにより、透明被加工物の表面上に形成される環状赤外線ビームスポットの環状部分厚さを変更する。
【００３５】
ここで図３Ｂ及び３Ｃを参照すると、光学アセンブリ３００’（図３Ｂ）及び３００’’（図３Ｃ）が図示されている。光学アセンブリ３００’及び３００’’はそれぞれ、光学アセンブリ３００の赤外線ビーム源３３０、アキシコンレンズ３１０、第１の平凸レンズ３１２、及び第２の平凸レンズ３１４と、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０とを備える。図３Ｂに示す実施形態（即ち光学アセンブリ３００’）では、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０はアキシコンレンズ３１０の上流に位置決めされ、従ってアフォーカルビーム調整アセンブリ３４０は、赤外線レーザビーム３０２がアキシコンレンズ３１０を通過する前に、赤外線レーザビーム３０２のビーム直径を変更できる。図３Ｃに示す実施形態（即ち光学アセンブリ３００’’）では、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０はアキシコンレンズ３１０の下流に位置決めされ、従ってアフォーカルビーム調整アセンブリ３４０は、赤外線レーザビーム３０２がアキシコンレンズ３１０を通過した後で、赤外線レーザビーム３０２のビーム直径を変更できる。
【００３６】
アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０は、第１の凸レンズ３４２、第２の凸レンズ３４６、及び第１の凸レンズ３４２と第２の凸レンズ３４６との間に位置決めされてこれらに光学的に結合された中間凹レンズ３４４を備える。第１の凸レンズ３４２は第２の凸レンズ３４６の上流に位置決めされ、従って赤外線レーザビーム３０２は、まず第１の凸レンズ３４２を通過し、続いて中間凹レンズ３４４を通過し、その後第２の凸レンズ３４６を通過する。第１の凸レンズ３４２及び第２の凸レンズ３４６はそれぞれ、例えば両凸レンズ、平凸レンズ等の凸レンズを含み、中間凹レンズ３４４は、両凹レンズ、平凹レンズ等の凹レンズを含む。更に、第１の凸レンズ３４２及び第２の凸レンズ３４６は、等しい焦点距離を備えてよい。動作時、第１の凸レンズ３４２は赤外線レーザビーム３０２を集束させ、中間凹レンズ３４４は赤外線レーザビーム３０２を拡大し、第２の凸レンズ３４６は赤外線レーザビーム３０２をコリメートする。更に、以下で更に詳細に説明するように、第１の凸レンズ３４２、第２の凸レンズ３４６、及び中間凹レンズ３４４それぞれの相対的な位置決めは調整可能であってよく（即ち第１の凸レンズ３４２、第２の凸レンズ３４６、及び中間凹レンズ３４４のうちの１つ以上は、調整可能な光学素子からなってよく）、これらの構成部品の相対的な位置決めを調整することにより、透明被加工物１３０上に形成される環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ２１１を変更できる。
【００３７】
ここで図４Ａ〜４Ｃを参照すると、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０が更に詳細に図示されている。図４Ａ〜４Ｃに示すように、中間凹レンズ３４４は、第１の凸レンズ３４２及び第２の凸レンズ３４６に対して並進移動可能であり、従って、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０のこれらのレンズ間の相対的な位置決めにより、ビーム直径を拡大すること、ビーム直径を狭めること、又はビーム直径を影響が及ばないままとすることができる。換言すれば、中間凹レンズ３４４及び第１の凸レンズ３４２及び第２の凸レンズ３４６それぞれの相対的な位置決めにより、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０を、ビーム拡張モード３５０（図４Ａ）、ビーム中立モード３５２（図４Ｂ）、又はビーム狭窄モード３５４（図４Ｃ）に位置決めできる。更に、中間凹レンズ３４４と第１の凸レンズ３４２とは、第１の離間距離３７０だけ離間しており、中間凹レンズ３４４と第２の凸レンズ３４６とは、第２の離間距離３７２だけ離間している。
【００３８】
動作時、赤外線レーザビーム３０２は第１の離間距離３７０に沿って狭くなり（即ちビーム直径を狭め）、また赤外線レーザビーム３０２は第２の離間距離３７２に沿って拡大される（即ちビーム直径を拡大する）。更に、図４Ａ〜４Ｃに示す実施形態では、第１の凸レンズ３４２及び第２の凸レンズ３４６の焦点距離は、中間凹レンズ３４４の焦点距離の２倍であってよく、従って、中間凹レンズ３４４が第１の凸レンズ３４２と第２の凸レンズ３４６との間の中央に位置決めされている場合、ビーム直径は、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の入口とアフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の出口とにおいて同一である。この実施形態では、赤外線レーザビーム３０２は、赤外線レーザビーム３０２が中間凹レンズ３４４と第２の凸レンズ３４６との間で拡大されるのと同一の速度で、第１の凸レンズ３４２と中間凹レンズ３４４との間で集束する。例えば、第１の凸レンズ３４２及び第２の凸レンズ３４６の焦点距離はそれぞれ約１００ｍｍであってよく、中間凹レンズ３４４の焦点距離は約５０ｍｍであってよい。しかしながら、他の実施形態では、中間凹レンズ３４４の焦点距離は、第１の凸レンズ３４２及び第２の凸レンズ３４６の焦点距離の半分でなくてよい。これらの実施形態では、第１の凸レンズ３４２、第２の凸レンズ３４６、及び中間凹レンズ３４４それぞれの間の相対的な位置決めは、それぞれビーム拡張モード３５０、ビーム中立モード３５２、及びビーム狭窄モード３５４における図４Ａ〜図４Ｃに図示された位置とは異なっていてよい。
【００３９】
ここで図４Ａを参照すると、ビーム拡張モード３５０では、第１の凸レンズ３４２、第２の凸レンズ３４６、及び中間凹レンズ３４４は互いに対して、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の上流のビーム直径（入口ビーム直径３６０）がアフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の下流のビーム直径（出口ビーム直径３６２）より小さくなるように位置決めされる。例えば、図４Ａに示す実施形態では、第１の離間距離３７０は第２の離間距離３７２より小さい（即ち中間凹レンズ３４４は、第２の凸レンズ３４６よりも第１の凸レンズ３４２に近い）。図４Ａ〜４Ｃの実施形態では、赤外線レーザビーム３０２は、赤外線レーザビーム３０２が中間凹レンズ３４４と第２の凸レンズ３４６との間で拡大されるのと同一の速度で、第１の凸レンズ３４２と中間凹レンズ３４４との間で集束するため、赤外線レーザビーム３０２は、赤外線レーザビーム３０２が収束する距離より長い距離にわたって拡大される。従って、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の上流のビーム直径（入口ビーム直径３６０）は、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の下流のビーム直径（出口ビーム直径３６２）より小さい。
【００４０】
ここで図４Ｂを参照すると、ビーム中立モード３５２では、第１の凸レンズ３４２、第２の凸レンズ３４６、及び中間凹レンズ３４４は互いに対して、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の上流のビーム直径（入口ビーム直径３６０）がアフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の下流のビーム直径（出口ビーム直径３６２）と同一となるように位置決めされる。例えば、図４Ｂに示す実施形態では、第１の離間距離３７０は第２の離間距離３７２と等しい（即ち中間凹レンズ３４４は、第２の凸レンズ３４６及び第１の凸レンズ３４２に対して等距離である）。図４Ａ〜４Ｃの実施形態では、赤外線レーザビーム３０２は、赤外線レーザビーム３０２が中間凹レンズ３４４と第２の凸レンズ３４６との間で拡大されるのと同一の速度で、第１の凸レンズ３４２と中間凹レンズ３４４との間で集束するため、赤外線レーザビーム３０２は、赤外線レーザビーム３０２が収束する距離と同一の距離にわたって拡大される。従って、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の上流のビーム直径（入口ビーム直径３６０）は、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の下流のビーム直径（出口ビーム直径３６２）と等しい。
【００４１】
ここで図４Ｃを参照すると、ビーム狭窄モード３５４では、第１の凸レンズ３４２、第２の凸レンズ３４６、及び中間凹レンズ３４４は互いに対して、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の上流のビーム直径（入口ビーム直径３６０）がアフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の下流のビーム直径（出口ビーム直径３６２）より大きくなるように位置決めされる。例えば、図４Ａに示す実施形態では、第１の離間距離３７０は第２の離間距離３７２より大きい（即ち中間凹レンズ３４４は、第１の凸レンズ３４２よりも第２の凸レンズ３４６に近い）。図４Ａ〜４Ｃの実施形態では、赤外線レーザビーム３０２は、赤外線レーザビーム３０２が中間凹レンズ３４４と第２の凸レンズ３４６との間で拡大されるのと同一の速度で、第１の凸レンズ３４２と中間凹レンズ３４４との間で集束するため、赤外線レーザビーム３０２は、赤外線レーザビーム３０２が拡大される距離より長い距離にわたって集束する。従って、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の上流のビーム直径（入口ビーム直径３６０）は、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の下流のビーム直径（出口ビーム直径３６２）より大きい。
【００４２】
図４Ａ〜４Ｃは、中間凹レンズ３４４が第１の凸レンズ３４２と第２の凸レンズ３４６との間で並進移動可能であることを図示しているが、第１の凸レンズ３４２、中間凹レンズ３４４、及び第２の凸レンズ３４６の相対的な位置決めを変更することによって、光学アセンブリ３００、３００’、３００’’（図３Ａ〜３Ｃ）の第１の平凸レンズ３１２において得られるビーム直径Φを変更するために、第１の凸レンズ３４２、中間凹レンズ３４４、及び第２の凸レンズ３４６のそれぞれが互いに対して並進移動可能であってよいことを理解されたい。更に、第１の凸レンズ３４２、中間凹レンズ３４４、及び第２の凸レンズ３４６は、電動ステージ、又は光学部品を移動させるための他のいずれの公知の若しくは開発中の機構を用いて、並進移動可能であってよい。更に、いくつかの実施形態では、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の下流のビーム直径（出口ビーム直径３６２）は、ビーム直径Φと等しくてよく、他の実施形態では、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０の下流のビーム直径（出口ビーム直径３６２）は、第１の平凸レンズ３１２に到達する前に１つ以上の追加の光学部品によって変更されてよく、従って出口ビーム直径３６２はビーム直径Φと異なることを理解されたい。上記他の実施形態では、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０は、この差異を補償して、第１の平凸レンズ３１２において所望のビーム直径Φをもたらす出口ビーム直径３６２を形成することにより、所望の環状部分厚さ２１１を有する環状赤外線ビームスポット２１０を形成するよう、構成してよい。
【００４３】
ここで図５を参照すると、第１の平凸レンズ３１２の上流（即ち、図５に示すように赤外線ビーム源３３０とアキシコンレンズ３１０との間、又はアキシコンレンズ３１０と第１の平凸レンズ３１２との間）に位置決めされたアフォーカルビーム調整アセンブリ４４０を備える、光学アセンブリ３００’’’が図示されている。アフォーカルビーム調整アセンブリ４４０は、第１の端部４１０、第１の端部４１０に位置決めされた第１のアパーチャ４１４、第２の端部４１２、及び第２の端部４１２に位置決めされた第２のアパーチャ４１６を備える。第２のアパーチャ４１６の直径は第１のアパーチャ４１４よりも大きい。更に、アフォーカルビーム調整アセンブリ４４０は第１の拡大用光学素子４２０及び第２の拡大用光学素子４２２を備え、これらはそれぞれ第１のアパーチャ４１４と第２のアパーチャ４１６との間に位置決めされる。更に、図４Ａ〜４Ｂの第１の凸レンズ３４２、中間凹レンズ３４４、及び第２の凸レンズ３４６を、アフォーカルビーム調整アセンブリ４４０内の第１の端部４１０と第２の端部４１２との間に格納してよい。
【００４４】
第１の拡大用光学素子４２０及び第２の拡大用光学素子４２２は、赤外線レーザビーム３０２がアフォーカルビーム調整アセンブリ４４０を通過する際に赤外線レーザビーム３０２のビーム直径を変更するよう構成された、調整可能なリングを備える。特に、第１の拡大用光学素子４２０を作動させる（例えば回転させる）ことにより、第１の凸レンズ３４２と中間凹レンズ３４４との間の相対距離が変化し、また第２の拡大用光学素子４２２を作動させる（例えば回転させる）ことにより、中間凹レンズ３４４と第２の凸レンズ３４６との間の相対距離が変化する。よって、第１の拡大用光学素子４２０及び第２の拡大用光学素子４２２は、アフォーカルビーム調整アセンブリ４４０内でのビーム直径の変化（例えば増大又は減少）の量を調整するために調整可能である。一実施形態では、第１の拡大用光学素子４２０を作動させることにより、第１の凸レンズ３４２を並進移動させることができ、第２の拡大用光学素子４２２を作動させることにより、第２の凸レンズ３４６を並進移動させることができ、中間凹レンズ３４４は固定された位置にあってよい。別の実施形態では、第１の拡大用光学素子４２０を作動させること及び／又は第２の拡大用光学素子４２２を作動させることにより、中間凹レンズ３４４を並進移動させることができる。更に別の実施形態では、アフォーカルビーム調整アセンブリ４４０は、固定された第１の凸レンズ３４２と第２の凸レンズ３４６との間で中間凹レンズ３４４を並進移動させるよう構成された、単一の拡大用光学素子を備えてよい。
【００４５】
更に、いくつかの実施形態では、（図５に示すように）赤外線レーザビーム３０２が第１の端部４１０においてアフォーカルビーム調整アセンブリ４４０に入射し、第２の端部４１２においてアフォーカルビーム調整アセンブリ４４０から出射する場合、アフォーカルビーム調整アセンブリ４４０は赤外線レーザビーム３０２のビーム直径を増大させ、赤外線レーザビーム３０２が第２の端部４１２においてアフォーカルビーム調整アセンブリ４４０に入射し、第１の端部４１０においてアフォーカルビーム調整アセンブリ４４０から出射する場合（例えばアフォーカルビーム調整アセンブリ４４０の配向を反転させた場合）、アフォーカルビーム調整アセンブリ４４０は赤外線レーザビーム３０２のビーム直径を減少させる。しかしながら、赤外線レーザビーム３０２に関する第１の端部４１０及び第２の端部４１２の相対的な配向が、赤外線レーザビーム３０２のビーム直径がどのように変化するかに影響しない実施形態も考えられることを理解されたい。
【００４６】
再び図３Ｂ〜５を参照すると、アフォーカルビーム調整アセンブリ３４０、４４０は、異なる環状部分厚さ２１１を有する環状赤外線ビームスポット２１０が望まれる場合に、第１の平凸レンズ３１２及び第２の平凸レンズ３１４のうちの一方又は両方を、焦点距離が異なるレンズに置換するための、動作ダウンタイムの必要を排除することにより、赤外線レーザビーム３０２を用いた透明被加工物１３０のレーザ加工を改良できる。例えば、赤外線レーザビーム３０２のレーザ出力が増大した場合には、赤外線レーザビーム３０２の環状部分厚さ２１１を増大させることが望ましい場合がある。理論によって制限されることを意図したものではないが、透明被加工物１３０に、レーザ出力が増大した赤外線レーザビーム３０２を照射すると、透明被加工物１３０を損傷する場合がある。
【００４７】
しかしながら、環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ２１１を増大させると、赤外線レーザビーム３０２によって透明被加工物１３０上に印加される増大した総レーザ出力が、透明被加工物１３０のより大きな表面積にわたって広がり、これにより、環状赤外線ビームスポット２１０と（例えば照射によって）相互作用する透明被加工物１３０の個々の表面部分に印加される局所的レーザ出力が低下する。一例として、レーザ出力の増大は、それぞれＣｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（ニューヨーク州コーニング）から入手可能なＣＯＲＮＩＮＧ  ＬＯＴＵＳ及びＣＯＲＮＩＮＧ  ＳＡＰＰＨＩＲＥ等の、ＣＴＥが低い透明被加工物１３０を分割する際に、有用となり得る。更に、レーザ出力の増大は、例えば透明被加工物１３０に形成される輪郭線１１０の分割時間を減少させるために、環状赤外線ビームスポット２１０及び透明被加工物１３０の相対的な並進移動速度を増大させた場合に、有用となり得る。分割時間の減少により、分割済みの透明被加工物１３０の製造に必要な製造時間を短縮でき、これにより、効率を向上させてコストを削減できる。レーザ出力の増大はまた、比較的厚い透明被加工物１３０を分割するためにも有用となり得る。
【００４８】
更に、ここで図６を参照すると、環状部分厚さ２１１の調整可能性は、透明被加工物１３０の複数の部分への赤外線レーザビーム３０２の照射を回避するためにも有用となり得る。例えば、透明被加工物１３０は、レーザ加工中に回避するべき１つ以上の関心対象ゾーン１３５を備えてよい。一例として、１つ以上の関心対象ゾーン１３５は、透明被加工物１３０上に堆積された材料の１つ以上の層、例えばインジウムスズ酸化物コーティング、アルミニウムコーティング、亜鉛コーティング、銅コーティング、真珠光沢コーティング、反射防止コーティング、摩擦防止コーティング等を備えてよい。しかしながら、１つ以上の関心対象ゾーン１３５は、いずれの追加の材料層の存在に関係なく、レーザの照射が望ましくない透明被加工物１３０のいずれの部分を指してよいことを理解されたい。
【００４９】
図６は、透明被加工物１３０上の、互いに離間した２つの関心対象ゾーン１３５を示し、またこれら２つの関心対象ゾーン１３５の間に延在する輪郭線１１０を示す。この例では、環状赤外線ビームスポット２１０を関心対象ゾーン１３５に照射することなく、環状赤外線ビームスポット２１０及び透明被加工物１３０を互いに対して輪郭線１１０に沿って並進移動させることによって、輪郭線１１０を分割することが望ましい。上述のアフォーカルビーム調整アセンブリ３４０、４４０を用いることにより、関心対象ゾーン１３５を回避するために、環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ２１１の変更を促進できる。説明のために、３つの例示的な環状赤外線ビームスポット２１０ａ〜２１０ｃが図６に図示されており、例えば、第１の環状赤外線ビームスポット２１０ａは、内径２１６ａ、外径２１４ａ、及び環状部分厚さ２１１ａを備え、第２の環状赤外線ビームスポット２１０ｂは、内径２１６ｂ、外径２１４ｂ、及び環状部分厚さ２１１ｂを備え、第３の環状赤外線ビームスポット２１０ｃは、内径２１６ｃ、外径２１４ｃ、及び環状部分厚さ２１１ｃを備える。
【００５０】
第１の環状赤外線ビームスポット２１０ａは、第１の環状赤外線ビームスポット２１０ａが関心対象ゾーン１３５に照射されるようなサイズの、外径２１４ｂを備える。上述のように、これは望ましくない。従って、例えば第２の平凸レンズ３１４及び透明被加工物１３０の相対位置を変更することによって、第１の環状赤外線ビームスポット２１０ａが関心対象ゾーン１３５に照射されないように、外径２１４ａ及び内径２１６ａを減少させることができ、従って第１の環状赤外線ビームスポット２１０ａは、図６に示されている第２の環状赤外線ビームスポット２１０ｂを構成する。しかしながら、第２の環状赤外線ビームスポット２１０ｂは、減少した内径２１６ｂ及び減少した外径２１４ｂを備える。従って、赤外線レーザビーム３０２のレーザ出力が一定のままであれば、量が増大したレーザ出力は、赤外線レーザビーム３０２の環状赤外線ビームスポット２１０が照射された透明被加工物１３０の部分と相互作用することになり、これによって透明被加工物１３０が損傷する場合がある。よって、上述のアフォーカルビーム調整アセンブリを用いて内径２１６ｂを増大させることにより、第２の環状赤外線ビームスポット２１０ｂの環状部分厚さ２１１ｂを増大させることが望ましく、従って第２の環状赤外線ビームスポット２１０ｂは、図６に示されている第３の環状赤外線ビームスポット２１０ｃを構成する。第３の環状赤外線ビームスポット２１０ｃは、減少した外径（外径２１４ｃ）を保持しているものの、内径（内径２１６ｃ）が更に減少することによって環状部分厚さ２１１ｃが増大し、従って、第３の環状赤外線ビームスポット２１０ｃは、第３の環状赤外線ビームスポット２１０ｃが照射される透明被加工物１３０の個々の部分に印加される局所的なレーザ出力を不本意に増大させることなく、関心対象ゾーン１３５への照射を回避する。
【００５１】
再び図３Ａ〜６を参照すると、本明細書に記載の実施形態により、透明被加工物１３０を分割する差異の加工速度を高速化できる。例えば、赤外線レーザビーム３０２及び透明被加工物１３０は、少なくとも約１ｍｍ／ｓ、少なくとも約５ｍｍ／ｓ、少なくとも約１０ｍｍ／ｓ、少なくとも約１００ｍｍ／ｓ、少なくとも約１ｍ／ｓ、少なくとも約２ｍｍ／ｓ、少なくとも約５ｍ／ｓ、少なくとも約１０ｍ／ｓ、少なくとも約１５ｍ／ｓ、又は少なくとも約２０ｍ／ｓもの速度（例えば約１ｍｍ／ｓ〜約２０ｍ／ｓ、又は約１０ｍｍ／ｓ〜約１０ｍ／ｓ、又は約１００ｍｍ／ｓ〜約２ｍ／ｓ）で、互いに対して並進移動させてよい。一般に、加工速度が速いほど、自発的な分割を促進するための熱応力を達成するために、より多量のレーザ出力が必要となる。上述のように、従来の分割技法では、高いレーザ出力は透明被加工物１３０を損傷させる恐れがある。しかしながら、本明細書に記載の実施形態における、輪郭線から離れて分布したエネルギの集中によって過熱を回避でき、これにより、透明被加工物１３０の望ましくない損傷を低減又は排除できる。更に、環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ２１１を増大させることによっても、過熱を制限でき、これにより、透明被加工物１３０の望ましくない損傷を低減又は排除できる。
【００５２】
実施形態では、本明細書に記載されているような、赤外線レーザビーム加工によって透明被加工物１３０を分割するプロセスにより、所与のプロセス速度に対してより大きな出力ウィンドウを利用できるようになる。例えば図７Ａのデータは、透明被加工物上に２００ｍｍ／ｓの速度で投射されるガウス赤外線レーザビームを利用した従来の分割技法を表し、ここではビーム直径（即ち１／ｅ２直径）が、分割のために十分なビーム出力の関数としてグラフで示されている。図７Ｂは、透明被加工物上に２００ｍｍ／ｓの速度で投射される本明細書に記載の環状赤外線ビームスポットを表し、ここでは外径が、好適なビーム出力の関数としてグラフで示されている。図７Ａ及び７Ｂで確認できるように、透明被加工物を分割するため（即ち図８に示す横方向の割れ等の透明被加工物に対する損傷を発生させるため）に好適な赤外線ビーム出力範囲は、従来のプロセスのガウスビームよりも、環状ビームを利用した場合に広くなる。よって、所与の加工速度に関して、環状ビームプロファイルを用いると赤外線レーザビームの出力をより幅広く変更でき、これにより、加工のより高い柔軟性を実現できる。実施形態によると、赤外線レーザビームは、図７Ｂに示すような外径に対して、約２０Ｗ〜約１０００Ｗ、例えば約５０Ｗ〜約３００Ｗ、又は約７５Ｗ〜約２００Ｗの出力、及び上記出力の部分範囲を有してよい。
【００５３】
再び図１及び３Ａ〜３Ｃを参照すると、透明被加工物１３０を分割するための一実施形態は、輪郭線１１０を透明被加工物１３０の表面上に形成する初期ステップを含む。輪郭線１１０は、意図されている分割の線を画定し、一般に、加熱等によって更に操作されたときに輪郭線１１０に沿った透明被加工物１３０の自発的な分割を引き起こす、欠陥を含む。輪郭線１１０の形成に続く第２のステップでは、赤外線ビーム源３３０が出力した赤外線レーザビーム３０２を、輪郭線１１０に沿って透明被加工物１３０の表面上へと配向することにより、上述のように、透明被加工物１３０の表面上に環状赤外線ビームスポット２１０を形成する。例えば、環状赤外線ビームスポット２１０は、透明被加工物１３０の表面上に、輪郭線１１０が環状赤外線ビームスポット２１０を概ね二等分するように位置決めされる。即ち環状赤外線ビームスポット２１０は、透明被加工物１３０の表面上に、輪郭線１１０が環状赤外線ビームスポット２１０の直径に沿って存在するように位置決めされる。続いて、環状赤外線ビームスポット２１０を透明被加工物１３０に対して移動させること、透明被加工物１３０を環状赤外線ビームスポット２１０に対して移動させること、又は環状赤外線ビームスポット２１０及び透明被加工物１３０を互いに対して移動させることによって、環状赤外線ビームスポット２１０に輪郭線１１０上を通過させる。
【００５４】
上述のように、赤外線レーザビーム３０２は（環状赤外線ビームスポット２１０によって）透明被加工物１３０に、輪郭線１１０に沿って熱エネルギを付与する。本明細書に記載の実施形態では、透明被加工物１３０に付与される熱エネルギの最大量は、輪郭線１１０の真上ではなく、透明被加工物１３０の、輪郭線１１０から横方向にオフセットされて離間した範囲内に存在し、これにより、溶融及び／又は横方向の割れ等の、透明被加工物１３０に対する意図しない損傷を緩和する。環状赤外線ビームスポット２１０が輪郭線１１０を通過する際、赤外線レーザビーム３０２は（環状赤外線ビームスポット２１０によって）透明被加工物１３０の材料を加熱し、材料の膨張を引き起こす。これにより、加熱された範囲に圧縮応力が発生し、その一方で環状赤外線ビームスポット２１０の前後において輪郭線１１０に沿って引張応力が発生する。これらの応力により、輪郭線１１０、より具体的には輪郭線１１０の欠陥が、透明被加工物１３０の厚さを通る方向及び輪郭線１１０に沿った方向の両方に自発的に伝播して、輪郭線１１０に沿った透明被加工物１３０の自発的な分割をもたらす。
【００５５】
１つ以上の実施形態によると、本開示は、アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス組成物、サファイア、溶融シリカ、又はこれらの組み合わせといった透明被加工物の精密切断及び／又は分割のためのプロセスを提供する。このような透明被加工物は、ディスプレイ及び／又はＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板として利用してよい。ディスプレイ又はＴＦＴの用途に好適なこのようなガラス又はガラス組成物のいくつかの例は、Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（ニューヨーク州コーニング）から入手可能なＥＡＧＬＥ  ＸＧ（登録商標）、ＣＯＮＴＥＧＯ、及びＣＯＲＮＩＮＧ  ＬＯＴＵＳである。アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス組成物は、ＴＦＴ用基板を含むがこれに限定されない、電子工学用途のための基板としての使用に好適となるように配合できる。ＴＦＴと組み合わせて使用されるガラス組成物は典型的には、ケイ素と同様の熱膨張係数（ＣＴＥ）（例えば５×１０−６／Ｋ未満、又は更には４×１０−６／Ｋ未満、例えばおよそ３×１０−６／Ｋ、又は約２．５×１０−６／Ｋ〜約３．５×１０−６／Ｋ）を有し、またガラス内に低レベルのアルカリを有する。ＴＦＴ用途において低レベルのアルカリ（例えば約０重量％〜２重量％、例えば１重量％未満、例えば０．５重量％未満といった微量）しか使用できないが、これは、いくつかの条件下において、アルカリドーパントがガラスから漏出してＴＦＴを汚染する又は「害する（ｐｏｉｓｏｎ）」、場合によってはＴＦＴを動作不能にするためである。実施形態によると、本明細書に記載のレーザ切断プロセスを用いて、無視できる程度のデブリ、最小の欠陥、及び縁部に対する小さな表面下損傷しか伴わずに、被加工物の完全性及び強度を保持して、透明被加工物を制御下で分割できる。
【００５６】
上述のように、いくつかの実施形態によると、輪郭線は、米国特許出願公開第２０１５／０３６０９９１号明細書に記載されているように、透明被加工物とパルスレーザビームとの相互作用によって生成された線状欠陥（本明細書では線状欠陥又は穿孔と呼ぶ場合がある）を備えてよい。パルスレーザを用いて透明被加工物内に欠陥を形成するこの方法は、選択されたパルスレーザ波長に対して透明な材料に対して極めて好適となり得る。このパルスレーザ波長は例えば、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、又は２６６ｎｍであってよい。欠陥の輪郭線を形成するための方法の実証は、例えば厚さ０．０２５ｍｍ〜０．７ｍｍのＥＡＧＬＥ  ＸＧ組成物を用いて行われた。
【００５７】
パルスレーザビームは、ガラス被加工物等の略透明な材料内に多光子吸収（ｍｕｌｔｉ‐ｐｈｏｔｏｎ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＭＰＡ）を生成できる。ＭＰＡは、分子をある状態（通常はグランド状態）からより高いエネルギの電子的状態（即ちイオン化）に励起する、同一の又は異なる周波数の２つ以上の光子の同時吸収である。これに関与する分子の低エネルギ状態と高エネルギ状態との間のエネルギの差は、関与する光子のエネルギの合計に等しい。誘起吸収とも呼ばれるＭＰＡは、２次又は３次（又はより高次）プロセスであってよく、これは例えば、線形吸収よりも数桁弱い。これは、２次誘起吸収の強度が光強度の２乗に比例し得、従って非線形光学プロセスであるという点で、線形吸収とは異なる。
【００５８】
輪郭線１１０を形成する穿孔ステップは、超短パルスレーザを、焦線を生成するための光学系と組み合わせて利用して、例えば様々なガラス組成物から形成された透明被加工物を完全に穿孔する。いくつかの実施形態では、個々のパルスのパルス持続時間は、約１ピコ秒〜約１００ピコ秒、例えば約５ピコ秒〜約２０ピコ秒であり、また個々のパルスの繰り返し数は、約１ｋＨｚ〜４ＭＨｚ、例えば約１０ｋＨｚ〜約３ＭＨｚ、又は約１０ｋＨｚ〜約６５０ｋＨｚであってよい。
【００５９】
上述の個々のパルス繰り返し数における単一パルスの動作に加えて、パルスを、２つ以上のパルス（例えば１回のパルスバーストあたり、３パルス、４パルス、５パルス、１０パルス、１５パルス、２０パルス、又はより多数のパルス、例えば１回のパルスバースト５００あたり１〜３０パルス、又は１回のパルスバースト５００あたり５〜２０パルス）のバーストで生成してよい。バースト内のパルスは、約１ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃ、例えば約１０ｎｓｅｃ〜約３０ｎｓｅｃ、例えば約２０ｎｓｅｃの持続時間によって隔てられていてよい。バースト繰り返し数は、約１ｋＨｚ〜約２ＭＨｚ、例えば約１ｋＨｚ〜約２００ｋＨｚであってよい。バースト形成又はパルスバーストの生成は、パルスの放出が均一かつ安定した流れにならず、パルスの密集したクラスタとなるような、レーザ動作の１タイプである。パルスバーストレーザビームは、透明被加工物の材料に基づいて、透明被加工物の材料が該波長において略透明となるように動作するよう選択された、波長を有してよい。材料において測定されるバーストあたりの平均レーザ出力は、材料の厚さ１ｍｍあたり少なくとも約４０μＪであってよい。例えば実施形態では、バーストあたりの平均レーザ出力は、約４０μＪ／ｍｍ〜約２５００μＪ／ｍｍ、又は約５００μＪ／ｍｍ〜約２２５０μＪ／ｍｍであってよい。ある具体例では、厚さ０．５ｍｍ〜０．７ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇ  ＥＡＧＬＥ  ＸＧ透明被加工物に関して、約３００μＪ〜約６００μＪのパルスバーストが被加工物を切断及び／又は分割でき、これは約４２８μＪ／ｍｍ〜約１２００μＪ／ｍｍ（即ち０．７ｍｍのＥＡＧＬＥ  ＸＧガラスに関して３００μＪ／０．７ｍｍ、及び０．５ｍｍのＥＡＧＬＥ  ＸＧガラスに関して６００μＪ／０．５ｍｍ）という例示的な範囲に対応する。
【００６０】
透明被加工物をパルスレーザビームに対して並進移動させる（又はパルスレーザビームをガラスに対して並進移動させてもよい）ことによって、欠陥を有する所望の部分の形状をトレースした輪郭線を形成できる。パルスレーザは、本明細書中で線状欠陥と呼ばれる、孔状の欠陥ゾーンを形成でき、これは、ガラスの深さ全体を貫通してよい。本明細書で開示される欠陥は、「孔（ｈｏｌｅ）」又は「孔状（ｈｏｌｅ‐ｌｉｋｅ）」として記載される場合もあるが、一般には空所でなくてよく、本明細書に記載のレーザ加工によって改質された被加工物の部分であることを理解されたい。ディスプレイ又はＴＦＴタイプのガラスにおいて、これらの線状欠陥は一般に、約５マイクロメートル〜約２０マイクロメートルの距離だけ互いから離間していてよい。例えば、線状欠陥の間の好適な間隔は、ＴＦＴ／ディスプレイ用ガラス組成物に関して、約１マイクロメートル〜約３０マイクロメートル、例えば約５マイクロメートル〜約１５マイクロメートル、約５マイクロメートル〜約１２マイクロメートル、約７マイクロメートル〜約１５マイクロメートル、又は約７マイクロメートル〜約１２マイクロメートルであってよい。
【００６１】
本明細書中で定義されているように、線状欠陥の内径は、透明被加工物内の線状欠陥を画定する、改質された範囲の内径である。例えば、本明細書に記載のいくつかの実施形態では、線状欠陥の内径は、約１マイクロメートル以下、例えば約５００ｎｍ以下、約４００ｎｍ以下、又は約３００ｎｍ以下であってよい。実施形態では、線状欠陥の内径は、レーザビーム焦線のスポット直径と同程度の大きさであってよい。実施形態では、パルスレーザビーム焦線の平均スポット直径は、約０．１マイクロメートル〜約３０マイクロメートル、例えば約０．１マイクロメートル〜約１０マイクロメートル、約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートル、例えば約１．５マイクロメートル〜約３．５マイクロメートルであってよい。加工物を輪郭線に沿って分割した後、線状欠陥は、場合によっては分割された表面において依然として観察可能であり得、線状欠陥の内径に相当する幅を有してよい。従って、本明細書に記載の方法の実施形態によって調製された、被加工物の切断された表面上の線状欠陥の幅は、約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートルであってよい。
【００６２】
単一の透明被加工物の穿孔以外に、このプロセスを用いて、ガラスシートの積層体等の透明被加工物の積層体に穿孔することもでき、また単一のレーザパスを用いて、総高さが最大数ｍｍのガラス積層体に完全に穿孔できる。ガラス積層体は更に、様々な位置に空隙を有してもよい。別の実施形態によると、接着剤等の展性層をガラス積層体間に配置してよい。それでも、パルスレーザプロセスは依然として、１回のパスで、このような積層体の上側及び下側両方のガラス層を完全に穿孔する。
【００６３】
理論によって束縛されるものではないが、上述の穿孔プロセスを実現可能とする要因の１つは、超短パルスレーザによって形成される線状欠陥の高いアスペクト比である。この高いアスペクト比によって、いくつかの実施形態では切断対象の被加工物の上面から底面まで延在する、輪郭線を形成できる。原則として、この線状欠陥は単一のパルスによって形成でき、また必要に応じて追加のパルスを使用して、影響を受ける範囲の広がり（深さ及び幅）を増大させることができる。
【００６４】
実施形態では、パルスレーザビーム焦線の長さは、約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍ、又は約０．５ｍｍ〜約５ｍｍ、例えば約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍ、約６ｍｍ、約７ｍｍ、約８ｍｍ、若しくは約９ｍｍ、又は約０．１ｍｍ〜約２ｍｍ、若しくは０．１ｍｍ〜約１ｍｍであってよい。実施形態では、パルスレーザビーム焦線の平均スポット直径は、約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートルであってよい。各線状欠陥の直径は、約０．１マイクロメートル〜３０マイクロメートル、例えば約０．２５マイクロメートル〜約５マイクロメートル（例えば約０．２５マイクロメートル〜約０．７５マイクロメートル）であってよい。
【００６５】
焦線の生成は、ガウスレーザビームをアキシコンレンズへと送ることによって実施でき、この場合、ガウスベッセルビームとして知られるビームプロファイルが生成される。このようなビームは、ガウスビームよりもはるかにゆっくりと回折する（例えばこのビームは、ガウスビームの場合の数十マイクロメートルの範囲とは対称的に、数百マイクロメートル又はミリメートルの範囲にわたって、１マイクロメートルの直径のスポットサイズを維持できる）。従って材料と強く相互作用する焦点深さ又は長さは、ガウスビームのみを使用する場合よりもはるかに長くなり得る。エアリービーム等の他の形態のゆっくりと回折する又は回折しないビームも使用してよい。
【００６６】
図９に示すように、複数の線状欠陥１２０を備える輪郭線１１０は、加工方向１６０に移動する超短パルスレーザビーム１４０で透明被加工物１３０を加工することによって形成できる。線状欠陥１２０は例えば、透明被加工物１３０の厚さを通って延在してよく、また透明被加工物１３０の（平坦な）主表面に対して垂直であってよい。輪郭線は、図９に示す輪郭線１１０のように直線であってよいが、輪郭線は非直線であってもよい（即ち湾曲を有していてもよい）。湾曲した輪郭線は例えば、透明被加工物１３０又はパルスレーザビーム１４０を他方に対して１次元ではなく２次元的に並進移動させることによって、生成できる。いくつかの透明被加工物では、材料特性（例えば吸収率、ＣＴＥ、応力、組成等）と、透明被加工物を加工するために選択されたパルスレーザのパラメータとだけによって、自己分割を誘発できるが、本明細書に記載の実施形態では、輪郭線１１０の形成後、（例えば赤外線レーザによる）熱処理を利用して、輪郭線１１０において透明被加工物１３０を分割する。図９に示すように、複数の線状欠陥１２０が輪郭線１１０を画定してよい。
【００６７】
いくつかの透明被加工物に関して、輪郭線１１０の方向に沿った、隣接する線状欠陥１２０の間の距離、即ち周期は、少なくとも約０．１マイクロメートル又は１マイクロメートル、かつ約２０マイクロメートル又は３０マイクロメートル以下であってよい。例えば、いくつかの透明被加工物では、隣接する線状欠陥１２０の間の周期は、約０．５〜約１５マイクロメートル、又は約３マイクロメートル〜約１０マイクロメートル、又は約０．５マイクロメートル〜約３．０マイクロメートルであってよい。例えば、いくつかの透明被加工物では、隣接する線状欠陥１２０の間の周期は、約０．５マイクロメートル〜約１．０マイクロメートルであってよい。しかしながら、アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス組成物、特に厚さ０．５ｍｍ以上のものに関して、隣接する線状欠陥１２０の間の周期は、少なくとも約１マイクロメートル、例えば少なくとも約５マイクロメートル、又は約１マイクロメートル〜約１５マイクロメートルであってよい。
【００６８】
様々な実施形態によると、パルスレーザビームでの加工によって穿孔された輪郭線を形成するための方法は複数存在する。焦線を形成する光学的な方法は、ドーナツ状レーザビームと球面レンズ、アキシコンレンズ、回折素子とを用いる複数の形態、又は高強度の直線状領域を形成するための他の方法を取ることができる。非線形光学効果によって透明被加工物上の焦点領域で被加工物材料の破壊を引き起こすために十分な光強度に到達しさえすれば、レーザのタイプ（ピコ秒、フェムト秒等）及び波長（赤外線、緑色、ＵＶ等）も様々であってよい。１つ以上の実施形態によると、レーザはパルスバーストレーザであってよく、これは、所与のバースト内のパルスの個数を調整することによって、時間によるエネルギ蓄積の制御を可能とする。
【００６９】
この実施形態では、超短パルスレーザを用いて、高アスペクト比の垂直な線状欠陥を、一貫した、制御可能かつ再現可能な方法で形成できる。一実施形態によると、高強度レーザビームの線状焦点を透明被加工物内に形成するために、光学的な技法を用いる。一実施形態では、アキシコンレンズ素子を光学レンズアセンブリ内に使用することにより、超短パルス（持続時間がピコ秒又はフェムト秒の）ベッセルビームを用いて、高アスペクト比でテーパを有しない線状欠陥の領域を形成する。換言すれば、アキシコンはレーザビームを、円筒形状で高アスペクト比の（長さが長く直径が小さい）高強度領域へと集光する。集光されたレーザビームによって形成された高強度により、レーザの電磁場と被加工物材料との非線形相互作用を発生させることができ、レーザエネルギを被加工物へと移送することにより、輪郭線の構成要素となる欠陥の形成を実行できる。しかしながら、レーザエネルギ強度が高くない材料の範囲（例えば中央の収束線を取り囲む被加工物のガラス体積）においては、透明被加工物の材料がレーザによる影響をほとんど受けず、レーザからのエネルギが材料に移送される仕組みが存在しないような状態を実現することが重要である。その結果、レーザ強度が非線形閾値未満である場合、焦点ゾーン自体においては被加工物に何も起こらない。
【００７０】
ここで図１０を参照すると、穿孔された輪郭線（例えば輪郭線１１０）を形成するための方法は、レーザ装置３からのパルスレーザビーム２を、ビーム伝播方向に沿って配向されたパルスレーザビーム焦線２ｂへと集束させるステップを含んでよい。図１０に示すように、レーザ（図示せず）はパルスレーザビーム２を放出し、これは、光学アセンブリ６に入射するビーム部分２ａを有する。光学アセンブリ６は入射したレーザビームを、出力側において、ビーム方向に沿った定義された拡大範囲（焦線の長さｌ）にわたるパルスレーザビーム焦線２ｂに変える。透明被加工物１はビーム経路内に位置決めされて、パルスレーザビーム２のパルスレーザビーム焦線２ｂと少なくとも部分的に重なる。これにより、レーザビーム焦線は透明被加工物１内へと配向される。参照符号１ａは、透明被加工物１の、光学アセンブリ６又はレーザに対面する表面を指し、参照符号１ｂは、透明被加工物１の反対側の表面を指す。透明被加工物１は、透明被加工物１の上面１ａ及び底面１ｂに対して（即ち被加工物の平面に対して）垂直に測定された深さｄを有し、ここで上面１ａ及び底面１ｂは平面である。
【００７１】
図１０に示すように、透明被加工物１は、長手方向ビーム軸に対して垂直に、従って光学アセンブリ６が生成するパルスレーザビーム焦線２ｂの背後に、整列される（透明被加工物１は、図面の平面に対して垂直である）。パルスレーザビーム焦線２ｂがビーム方向に沿って配向又は整列されている状態で、透明被加工物１はパルスレーザビーム焦線２ｂに対して、パルスレーザビーム焦線２ｂが透明被加工物１の上面１ａより前に始まって透明被加工物１の底面１ｂより前に終わる（即ちパルスレーザビーム焦線２ｂが透明被加工物１内で終端し、底面１ｂを超えて延在しない）ように位置決めされる。パルスレーザビーム焦線２ｂと透明被加工物１との重複範囲内では（即ちパルスレーザビーム焦線２ｂに覆われた被加工物材料内では）、パルスレーザビーム焦線２ｂは（パルスレーザビーム焦線２ｂに沿って好適なレーザ強度（この強度は、パルスレーザビーム２を長さｌのセクション、即ち長さｌの線状焦点上に集束させることによって保証される）が存在すると仮定すると）、（長手方向ビーム方向に沿って整列された）広範セクション２ｃを生成し、これに沿って、被加工物材料内で誘導吸収が発生する。この誘導吸収は、広範セクション２ｃに沿って、被加工物材料内での線状欠陥の形成をもたらす。線状欠陥は、透明被加工物１内の微視的な（例えば内径が約１００ｎｍ〜約０．５マイクロメートルの）細長い欠陥であり、これは、複数のレーザパルスの単一の高エネルギバーストを用いて生成できる。これらの一連の線状欠陥は、輪郭線に沿って、透明被加工物内に穿孔パターンを形成する。例えば個々の線状欠陥は、数百キロヘルツ（即ち１秒に数十万個の線状欠陥）の速度で形成できる。パルスレーザビーム焦線２ｂと透明被加工物１との間の相対運動により、これらの線状欠陥を、互いに隣接して配置できる（空間的分離は、必要に応じてサブミクロンから数ミクロンまで変化する）。この空間的分離（ピッチ）は、赤外線レーザ等の熱源による被加工物の分割を促進するように選択してよい。いくつかの実施形態では、線状欠陥は「貫通欠陥（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｄｅｆｅｃｔ）」であり、これは、透明被加工物１の上面１ａから透明被加工物１の底面１ｂまで延在する欠陥である。線状欠陥の形成は局所的であるだけでなく、誘導吸収の広範セクション２ｃの全長にわたる。誘導吸収の広範セクション２ｃの全長（これはパルスレーザビーム焦線２ｂと透明被加工物１との重複の長さに対応する）は、参照符号Ｌで標識されている。誘導吸収の広範セクション２ｃにおける欠陥範囲（即ち欠陥）の内径は、参照符号Ｄで標識されている。この内径Ｄは基本的に、パルスレーザビーム焦線２ｂの平均直径δ、即ち約０．１マイクロメートル〜約５マイクロメートルの平均スポット直径に対応する。
【００７２】
パルスレーザビーム焦線２ｂを生成するために適用できる代表的な光学アセンブリ６、及びこれらの光学アセンブリを適用できる代表的な光学的セットアップについて以下に説明する。全てのアセンブリ及びセットアップは、上述の説明に基づくものであるため、同一の参照符号は、同一の構成部品若しくは特徴、又は機能が同等の構成部品若しくは特徴に対して使用される。従って、差異のみを以下で説明する。
【００７３】
図１１Ａを参照すると、まず、レーザ装置３が放出したレーザビームの、光学アセンブリ６に入射するビーム部分２ａを、使用されるレーザ放射の波長に対して不透明であるアパーチャ８（例えば円形アパーチャ）へと配向する。アパーチャ８は長手方向ビーム軸に対して垂直に配向され、ビーム部分２ａの中心部分にセンタリングされる。アパーチャ８の直径は、ビーム部分２ａの中央（即ちここでは２ａＺで標識されている中央ビーム部分）付近のレーザ放射が上記アパーチャに当たり、上記アパーチャによって完全に吸収されるように、選択される。ビーム部分２ａの外周範囲のビーム（即ちここでは２ａＲで標識されている周辺光線）だけは、アパーチャのサイズがビーム直径に比べて小さくなっているため、アパーチャ８に吸収されず、アパーチャ８を横方向に通過して、この実施形態では球面状にカットされた両凸レンズとして設計されている光学アセンブリ６の集束レンズ７の周辺範囲に当たる。
【００７４】
図１１Ａに示すように、パルスレーザビーム焦線２ｂは、レーザビームに対する単一の焦点だけでなく、レーザビーム中の異なる複数の光線に対する一連の焦点であってよい。この一連の焦点は、図１１Ａにパルスレーザビーム焦線２ｂの長さｌとして示されているような定義された長さの、細長い焦線を形成する。集束レンズ７は、中央ビーム上にセンタリングでき、一般的な球面状にカットされたレンズの形態の非補正両凸集束レンズとして設計できる。代替例として、理想的に補正された系からは逸脱した非球面又はマルチレンズ系（即ち単一の焦点を有しないレンズ又は系）も使用でき、これらは理想的な焦点ではなく、定義された長さの明確な細長い焦線を形成する。よって、レンズの複数のゾーンが、レンズの中心から距離を有するパルスレーザビーム焦線２ｂに沿って焦点を合わせる。ビーム方向にわたるアパーチャ８の直径は、（ビームの強度をピーク強度の１／ｅ２まで低下させるために必要な距離によって定義される）ビーム部分２ａの直径のおよそ９０％、及び光学アセンブリ６の集束レンズ７の直径のおよそ７５％であってよい。よって、中央のビーム束をブロックすることによって生成された、集束レンズ７（例えば非収差補正球面レンズ）のパルスレーザビーム焦線２ｂが使用される。図１１Ａは、中央ビームを通る１つの平面における断面を示し、図示されているビームをパルスレーザビーム焦線２ｂの周りで回転させると、完全な３次元の束を確認できる。
【００７５】
図１１Ｂ‐１〜図１１Ｂ‐４は、図１１Ａの光学アセンブリに関してだけでなく、他のいずれの適用可能な光学アセンブリ６に関して）光学アセンブリ６を透明被加工物１に対して適切に位置決めする及び／又は整列させることによって、並びに光学アセンブリ６のパラメータを適切に選択することによって、パルスレーザビーム焦線２ｂの位置を制御できることを示している。図１１Ｂ‐１に示すように、パルスレーザビーム焦線２ｂの長さｌは、被加工物の深さｄを（ここでは係数２で）超えないように調整してよい。透明被加工物１が（長手方向ビーム方向に見て）パルスレーザビーム焦線２ｂに対して中央に配置されている場合、誘導吸収の広範セクション２ｃを、被加工物の全厚さにわたって生成できる。パルスレーザビーム焦線２ｂは、約０．０１ｍｍ〜約１００ｍｍ又は約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍの長さｌを有してよい。長さｌが約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．５ｍｍ、約０．７ｍｍ、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、又は約５ｍｍ、例えば約０．５ｍｍ〜約５ｍｍであるパルスレーザビーム焦線２ｂを有するように、様々な実施形態を構成してよい。
【００７６】
図１１Ｂ‐２に示されているケースでは、概ね被加工物の深さｄに対応する長さｌのパルスレーザビーム焦線２ｂが生成される。透明被加工物１は、パルスレーザビーム焦線２ｂに対して、パルスレーザビーム焦線２ｂが透明被加工物１の外側の点で始まるように位置決めされているため、（被加工物の表面から、定義された被加工物の深さまで延在するものの、底面１ｂまでは延在しない）誘導吸収の広範セクション２ｃの長さｌは、パルスレーザビーム焦線２ｂの長さｌより小さい。図１１Ｂ‐３は、透明被加工物１が（ビーム方向に対して垂直な方向に沿って見て）パルスレーザビーム焦線２ｂの始点の上方に位置決めされ、従って図１１Ｂ‐２のように、パルスレーザビーム焦線２ｂの長さｌが透明被加工物１の誘導吸収の広範セクション２ｃの長さより大きいケースを示す。よって、パルスレーザビーム焦線２ｂは透明被加工物１内で始まり、透明被加工物１の底面１ｂを超えて延在する。図１１Ｂ‐４は、焦線の長さｌが被加工物の深さｄより小さいため、透明被加工物１を入射方向に見てパルスレーザビーム焦線２ｂに対して中央に位置決めした場合に、パルスレーザビーム焦線２ｂが透明被加工物１内の上面１ａ付近で始まり、透明被加工物１内の底面１ｂ付近で終わるケース（例えばｌ＝０．７５ｄ）を示す。
【００７７】
上面１ａ及び底面１ｂのうちの少なくとも一方を焦線が覆う（例えば図１１Ｂ‐２又は図１１Ｂ‐３のセットアップ）ことにより、誘導吸収の広範セクション２ｃが少なくとも被加工物の１つの表面上で始まるように、パルスレーザビーム焦線２ｂを位置決めすると、特に有利となり得る。このようにして、表面におけるアブレーション、毛羽立ち、及び微粒子形成を回避しながら、略理想的な切断を達成できる。
【００７８】
図１２は、光学アセンブリ６の別の実施形態を示す。基本的な構成は図１１Ａに示したものに従うため、差異のみを以下で説明する。図１２に示されている光学アセンブリは、パルスレーザビーム焦線２ｂを生成するために、非球面自由表面を備えた光学素子を利用し、これは、定義された長さｌの焦線を形成するように成形されている。この目的のために、非球面レンズを光学アセンブリ６の光学素子として用いてよい。図１２では例えば、アキシコンとも呼ばれるいわゆる円錐プリズムを使用する。アキシコンは、円錐状に切断されたレンズであり、光軸に沿った線上にスポット源を形成する（又はレーザビームをリングに変換する）。この例におけるアキシコンの円錐角は、およそ１０°である。しかしながら、他の範囲のアキシコンの円錐角も利用可能であることを理解されたい。アキシコン９の頂点は、入射方向に向かって配向され、ビーム中心にセンタリングされている。アキシコン９が生成するパルスレーザビーム焦線２ｂはアキシコンの内部で始まるため、（ここではビーム主軸に対して垂直に整列されている）透明被加工物１は、ビーム経路内の、アキシコン９のすぐ後ろに位置決めできる。
【００７９】
図１２に示すように、アキシコンの光学特性により、透明被加工物１を、パルスレーザビーム焦線２ｂの範囲内のまま、ビーム方向に沿ってシフトさせることもできる。従って、透明被加工物１の材料内の誘導吸収の広範セクション２ｃは、被加工物の深さｄ全体にわたって延在する。しかしながら、図示されているレイアウトは、以下のような制約を受け得る：アキシコン９によって形成されるパルスレーザビーム焦線２ｂの範囲はアキシコン９内で始まるため、アキシコン９と被加工物との間が離間している状況では、レーザエネルギの大部分が、材料内に位置するパルスレーザビーム焦線２ｂの誘導吸収の広範セクション２ｃに集束しない。更に、パルスレーザビーム焦線２ｂの長さｌは、アキシコン９の屈折率及び円錐角によって、ビーム直径に関連付けられる。そのため、比較的薄い（例えば数ミリメートルの）材料の場合、焦線全体が被加工物の厚さよりはるかに長くなり、これは、レーザエネルギの大半が材料の厚さ内に集束しなくなるという効果を有する。
【００８０】
そのため、アキシコン及び集束レンズの両方を含む光学アセンブリ６を使用することが望ましくなり得る。図１３Ａはこのような光学アセンブリ６を示し、ここでは、パルスレーザビーム焦線２ｂを形成するよう設計された非球面自由表面を有する第１の光学素子が、レーザ装置３からのビーム経路内に位置決めされる。図１３Ａに示されているケースにおいては、この第１の光学素子は、ビーム方向に対して垂直に位置決めされ、かつレーザ装置３からのビーム上にセンタリングされた、円錐角が５°のアキシコン１０である。アキシコン１０の頂点は、ビーム方向に向かって配向される。第２の集束用光学素子、ここでは（湾曲面が上記アキシコンに向かって配向された）平凸レンズ１１は、ビーム方向に、アキシコン１０から距離ｚ１に位置決めされる。距離ｚ１はおよそ３００ｍｍであり、アキシコン１０によって形成されるレーザ放射がレンズ１１の半径方向外側部分に円形に入射するように選択される。レンズ１１は、円形の放射を、出力側の、この場合はレンズ１１からおよそ２０ｍｍである距離Ｚ２において、この場合は１．５ｍｍである定義された長さのパルスレーザビーム焦線２ｂ上に集束させる。レンズ１１の有効焦点距離は、この実施形態では２５ｍｍである。アキシコン１０によるレーザビームの円形変換は、参照符号ＳＲで標識されている。
【００８１】
図１３Ｂは、図１３Ａの光学アセンブリ６による、透明被加工物１の材料内でのパルスレーザビーム焦線２ｂ又は誘導吸収の広範セクション２ｃの形成を示す。両素子１０、１１の光学特性、及びこれらの位置決めは、ビーム方向におけるパルスレーザビーム焦線２ｂの長さｌが透明被加工物１の深さｄと同一となるように選択される。いくつかの実施形態では、ビーム方向に沿った透明被加工物１の正確な位置決めは、図１３Ｂのに示すようにパルスレーザビーム焦線２ｂを透明被加工物１の上面１ａと底面１ｂの間に正確に位置決めするために、必須となり得る。
【００８２】
別の実施形態では、図１３Ａに示した平凸レンズの代わりに、集束メニスカスレンズ又は別の高次補正集束レンズ（例えば非球面、マルチレンズ系）を使用することもできる。
【００８３】
図１３Ａに示したアキシコンとレンズとの組み合わせを用いて、比較的短いパルスレーザビーム焦線２ｂを生成するために、アキシコンに入射するレーザビームの極めて小さなビーム直径を選択する必要があり得る。これは、アキシコンの頂点に対するビームのセンタリングが極めて精密でなければならない点、及び結果がレーザの方向の変動、例えばビームのドリフトの安定性に対して極めて敏感となる点で、実用上不利である。更に、強くコリメートされたレーザビームは強く発散する場合があり、即ち光の偏向により、ビーム束が短距離で不鮮明となる場合がある。
【００８４】
図１４に示すように、これらの効果はいずれも、別のレンズ、即ちコリメートレンズ１２を光学アセンブリ６に含めることによって回避できる。追加のコリメートレンズ１２は、集束レンズ１１の円形照明を緊密に調整する役割を果たす。コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ’は、ｆ’に等しいアキシコンからコリメートレンズ１２までの距離ｚ１ａから、所望の円直径ｄｒが得られるように選択される。リングの所望の幅ｂｒは、コリメートレンズ１２と集束レンズ１１との間の距離ｚ１ｂによって調整できる。純粋な幾何学上の問題として、円形照明の小さな幅は短い焦線をもたらす。最小値は距離ｆ’において達成できる。
【００８５】
よって、図１４に示す光学アセンブリ６は、図１３Ａに示されているものに基づいているため、差異のみを以下で説明する。ここでも湾曲面がビーム方向を向いた平凸レンズとして設計されているコリメートレンズ１２は、（頂点がビーム方向を向いた）アキシコン１０と平凸レンズ１１との間のビーム経路の中央に配置される。コリメートレンズ１２とアキシコン１０との間の距離はｚ１ａと呼ばれ、集束レンズ１１とコリメートレンズ１２との間の距離はｚ１ｂであり、パルスレーザビーム焦線２ｂと集束レンズ１１との間の距離はｚ２である。図１４に示すように、発散しながら円直径ｄｒでコリメートレンズ１２に入射する、アキシコン１０によって形成される円形放射ＳＲは、集束レンズ１１におけるおおよそ一定の円直径ｄｒのために、距離ｚ１ｂに沿って、必要な円の幅ｂｒへと調整される。図示されているケースでは、極めて短いパルスレーザビーム焦線２ｂの生成が意図されており、従って、コリメートレンズ１２の集束特性によって、コリメートレンズ１２におけるおよそ４ｍｍの円の幅ｂｒがレンズ１１においておよそ０．５ｍｍまで低減される（この例では円直径ｄｒは２２ｍｍである）。図示されている例では、２ｍｍという典型的なレーザビーム直径、焦点距離ｆ＝２５ｍｍの集束レンズ１１、焦点距離ｆ’＝１５０ｍｍのコリメートレンズ、並びに選択された距離Ｚ１ａ＝Ｚ１ｂ＝１４０ｍｍ及びＺ２＝１５ｍｍを用いて、０．５ｍｍ未満の焦線の長さｌを達成できる。
【００８６】
図１５Ａ〜１５Ｃは、異なるレーザ強度の態様における、レーザ‐物体間の相互作用を示す。図１５Ａに示されている第１のケースでは、非集束パルスレーザビーム７１０は、透明被加工物７２０にいずれの改質を導入することなく、透明被加工物７２０を通過する。この特定のケースにおいては、レーザエネルギ密度（又はビームによって照明される単位面積あたりのレーザエネルギ）が、非線形効果を誘発するために必要な閾値未満であるため、非線形効果は存在しない。エネルギが高くなるほど、電磁場の強度が高くなる。従って図１５Ｂに示すように、レーザビームが球面レンズ７３０によって比較的小さなスポットサイズへと集束すると、照明される範囲が減少してエネルギ密度が増大し、これによって非線形効果が発生し、上記非線形効果は、透明材料を改質して、上述の条件が満たされている体積内のみにおいて欠陥線の形成を可能とする。このように、集束レーザのビームの最狭部が被加工物の表面に位置決めされると、表面の改質が起こる。対照的に、集束レーザのビームの最狭部が被加工物の表面の下方に位置決めされると、エネルギ密度が非線形光学効果の閾値未満であるときには表面に何も起こらない。しかしながら、焦点７４０が透明被加工物７２０の体積内に位置決めされると、レーザの強度は、多光子非線形効果を発生させるために十分な高さとなり、従って材料に対する損傷を誘発する。別の実施形態では、アキシコンのケースである図１５Ｃに示すように、アキシコンレンズ７５０あるいはフレネルアキシコンの回折パターンが干渉を生成し、これはベッセルビーム状の強度分布（即ち高強度円筒７６０）を生成し、この体積内においてのみ、強度が、非線形吸収及び透明被加工物７２０の材料の改質を生成するために十分となる。ベッセルビーム状強度分布が、非線形吸収及び材料の改質を生成するために十分となる、高強度円筒７６０の直径は、レーザビーム焦線のスポット直径でもある。ベッセルビームのスポット直径Ｄは、Ｄ＝（２．４０４８λ）／（２πＢ）として表現でき、ここでλはレーザビームの波長であり、Ｂはアキシコン角の関数である。
【００８７】
アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス組成物を切断する目的で、いくつかの例示的な実施形態によると、線状焦点ビーム形成用光学素子との組み合わせで複数回のパルスのバーストを生成するピコ秒パルスレーザ（例えば１０６４ｎｍ、又は５３２ｎｍピコ秒パルスレーザ）を、ガラス組成物内の線状欠陥に対して用いてよい。しかしながら、本明細書に記載の穿孔プロセスにおいて、他のパルスレーザも利用してよいことに留意されたい。
【００８８】
例えば、厚さが最大０．７ｍｍのディスプレイ／ＴＦＴガラス組成物を、光学素子が生成する焦線の範囲内となるように位置決めしてよい。長さ約１ｍｍの焦線と、透明被加工物において測定した場合に２００ｋＨｚのバースト繰り返し数において約２４Ｗ以上の出力（約１２０μＪ／バースト以上）を生成する１０６４ｎｍピコ秒レーザとを用いた場合に、焦線領域内の光強度は、ガラス組成物中で非線形吸収を生成するのに十分であり得る。パルスレーザビームは、材料において測定した場合に被加工物の厚さ１ｍｍあたり４０μＪ超の、平均レーザバーストエネルギを有してよい。いくつかのガラスに関して、利用される平均レーザバーストエネルギは、材料の厚さ１ｍｍあたり２５００μＪもの大きさ、例えば約４０μＪ／ｍｍ〜約２５００μＪ／ｍｍ、約４００μＪ／ｍｍ〜約１３００μＪ／ｍｍ、又は約５５０μＪ／ｍｍ〜約１０００μＪ／ｍｍであってよい。というのは、このエネルギ密度は、穿孔された線又は切断縁部に対して垂直な微小割れの範囲を最小限にしながら、被加工物内に線状欠陥の完全な損傷トラックを形成するために十分なものであるためである。この１ｍｍあたりの「平均パルスバーストレーザエネルギ（ａｖｅｒａｇｅ  ｐｕｌｓｅ  ｂｕｒｓｔ  ｌａｓｅｒ  ｅｎｅｒｇｙ）」は、平均バーストあたり線形エネルギ密度（ａｖｅｒａｇｅ  ｐｅｒ‐ｂｕｒｓｔ  ｌｉｎｅａｒ  ｅｎｅｒｇｙ  ｄｅｎｓｉｔｙ）、又は材料の厚さ１ｍｍあたりの、レーザパルスバースト１回あたりの平均エネルギ（ａｖｅｒａｇｅ  ｅｎｅｒｇｙ  ｐｅｒ  ｌａｓｅｒ  ｐｕｌｓｅ  ｂｕｒｓｔ  ｐｅｒ  ｍｍ  ｏｆ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）とも呼ばれる。ガラス組成物内の、損傷、アブレーション、蒸発、又はその他の改質を受けた材料の範囲を形成でき、これは、レーザビーム焦線によって生成された高光強度の線形領域におおよそ従う。
【００８９】
ここで図１６Ａ及び１６Ｂを参照して、本明細書に記載のこのようなピコ秒レーザの典型的な動作は、パルス５００Ａのバースト５００を生成することを理解されたい。各バースト５００は、持続時間が極めて短い複数の別個のパルス５００Ａ（例えば少なくとも２パルス、少なくとも５パルス、少なくとも７パルス、少なくとも８パルス、少なくとも９パルス、少なくとも１０パルス、少なくとも１５パルス、少なくとも２０パルス、又は更に多くのパルス）を内包する。即ち、１つのバーストは複数のパルスの群であり、複数のバーストは、各バースト内の別個の隣接するパルスの間隔よりも長い持続時間だけ、互いから離間している。１つ以上の実施形態によると、ディスプレイガラス／ＴＦＴガラス組成物を切断又は穿孔するために、バーストあたりのパルスの数は、約１〜３０（例えば５〜２０）であってよい。パルス５００Ａは、最大１００ｐｓｅｃ（例えば、０．１ｐｓｅｃ、５ｐｓｅｃ、１０ｐｓｅｃ、１５ｐｓｅｃ、１８ｐｓｅｃ、２０ｐｓｅｃ、２２ｐｓｅｃ、２５ｐｓｅｃ、３０ｐｓｅｃ、５０ｐｓｅｃ、７５ｐｓｅｃ、又はこれらの間のいずれの範囲）のパルス持続時間Ｔｄを有する。バースト内の個々のパルス５００Ａそれぞれのエネルギ又は強度は、該バースト内の他のパルスと同一でなくてよく、またあるバースト５００内の複数のパルスの強度分布は、レーザの設計に支配される経時的な指数関数的減衰に従うことが多い。
【００９０】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の例示的実施形態のバースト５００内の各パルス５００Ａは、約１ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃ（例えば約１０ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃ、又は約１０ｎｓｅｃ〜約３０ｎｓｅｃ；この時間は、レーザキャビティ設計によって支配されることが多い）の持続時間Ｔｐだけ、後続のパルスから時間的に離間している。所与のレーザに関して、バースト５００内の隣接するパルスの間の時間間隔Ｔｐは、比較的均一（例えば互いの約１０％以内）であってよい。例えばいくつかの実施形態では、バースト５００内の各パルスは、後続のパルスからおよそ２０ｎｓｅｃ（５０ＭＨｚ）だけ時間的に離間している。例えば、約２０ｎｓｅｃｍのパルス間隔Ｔｐを生成するレーザに関して、あるバースト内でのパルス間の間隔Ｔｐは、約±１０％、又は約±２ｎｓｅｃ以内に維持される。パルスの各バースト間の時間（即ちバースト間の時間間隔Ｔｂ）は、はるかに長くなる。例えば、パルスの各バースト間の時間は、約０．２５マイクロ秒〜約１０００マイクロ秒、例えば約１マイクロ秒〜約１０マイクロ秒、又は約３マイクロ秒〜約８マイクロ秒であってよい。本明細書に記載のレーザの例示的な実施形態のうちのいくつかでは、時間間隔Ｔｂは、バースト繰り返し数が約２００ｋＨｚであるレーザに関して、約５マイクロ秒である。レーザバースト繰り返し数は、あるバースト内の最初のパルスから、次のバースト内の最初のパルスまでの時間Ｔｂに関連する（レーザバースト繰り返し数＝１／Ｔｂ）。いくつかの実施形態では、レーザバースト繰り返し数は約１ｋＨｚ〜約４ＭＨｚであってよい。実施形態では、レーザバースト繰り返し数は例えば約１０ｋＨｚ〜６５０ｋＨｚであってよい。各バースト内の最初のパルスから、次のバースト内の最初のパルスまでの時間Ｔｂは、約０．２５マイクロ秒（４ＭＨｚのバースト繰り返し数）〜約１０００マイクロ秒（１ｋＨｚのバースト繰り返し数）、例えば約０．５マイクロ秒（２ＭＨｚのバースト繰り返し数）〜約４０マイクロ秒（２５ｋＨｚのバースト繰り返し数）、又は約２マイクロ秒（５００ｋＨｚのバースト繰り返し数）〜約２０マイクロ秒（５０ｋＨｚのバースト繰り返し数）であってよい。正確なタイミング、パルス持続時間、及びバースト繰り返し数は、レーザの設計に応じて変動し得るが、高強度の短パルス（Ｔｄ＜２０ｐｓｅｃ、好ましくはＴｄ≦１５ｐｓｅｃ）が特に良好に動作することが分かっている。
【００９１】
材料の改質に必要なエネルギは、バーストエネルギ（即ちあるバースト内に内包されたエネルギ（ここで各バースト５００は一連のパルス５００Ａを内包する））に関して、又は単一のレーザパルス（これが多数集まって１つのバーストを構成できる）内に内包されるエネルギに関して、記述できる。バーストあたりのエネルギは、約２５μＪ〜約７５０μＪ、例えば約５０μＪ〜約５００μＪ、又は約５０μＪ〜約２５０μＪであってよい。いくつかのガラス組成物に関して、バーストあたりのエネルギは約１００μＪ〜約２５０μＪであってよい。しかしながら、ディスプレイ又はＴＦＴ用ガラス組成物に関して、バーストあたりのエネルギはより高くなり得る（例えば、被加工物の具体的なディスプレイ／ＴＦＴガラス組成物に応じて、約３００μＪ〜約５００μＪ、又は約４００μＪ〜約６００μＪ）。バースト内の個々のパルスのエネルギは小さくなり、正確な個々のレーザパルスエネルギは、図１６Ａ及び１６Ｂに示すように、バースト５００内のパルス５００Ａの数、及び経時的なレーザパルスの減衰の速度（例えば指数関数的減衰速度）に左右される。例えば、一定のエネルギ／バーストに関して、１つのパルスバーストが１０個の別個のレーザパルス５００Ａを内包する場合、別個のレーザパルス５００Ａはそれぞれ、該バースト５００が別個のレーザパルスを２つしか有しない場合に比べて少ないエネルギを内包することになる。
【００９２】
このようなバーストを生成できるパルスレーザビームの使用は、例えばガラスである透明材料の切断又は改質に有利である。単一パルスレーザの繰り返し数によって時間的に隔てられた単一パルスの使用とは対照的に、バースト５００内の複数のパルスの迅速なシーケンスにわたってレーザエネルギを拡散するバーストシーケンスの使用により、材料との高強度の相互作用のタイムスケールを、単一パルスレーザによって可能なものよりも大きくすることができる。単一パルスは経時的に拡大され得るが、パルス内の強度はパルス持続時間全体でおよそ１となるように減少する。従って、１０ｐｓｅｃの単一のパルスが１０ｎｓｅｃのパルスへと拡大されると、強度はおよそ３桁小さくなる。このような減少により、非線形吸収がもはや有意でなくなり、光‐材料間の相互作用が切断のために十分ではなくなる点まで、光強度を低下させることができる。
【００９３】
対照的に、パルスバーストレーザの場合、バースト５００内の各パルス５００Ａ中の強度は比較的高いままであり（例えばおよそ１０ｎｓｅｃだけ時間的に離間した３つの１０ｐｓｅｃのパルス５００Ａは、各パルスバースト内のエネルギを、依然として、単一の１０ｐｓｅｃのパルスよりもおよそ３倍大きいものとすることができ）、レーザは、３桁大きなタイムスケールにわたって材料と相互作用する。例えば、多くの場合、およそ１０ｎｓｅｃだけ時間的に離間した１０ｐｓｅｃのパルス５００Ａは、各パルスバースト内において、単一の１０ｐｓｅｃのパルスよりもおよそ１０倍高いエネルギをもたらし、レーザは、数桁大きなタイムスケールにわたって材料と相互作用する。一実施形態では、材料の改質に必要なバーストエネルギの量は、被加工物の材料の組成、及び被加工物との相互作用に使用される線状焦点の長さに左右される。相互作用範囲が長くなるほど、より多くのエネルギが拡散され、より高いバーストエネルギが必要となる。正確なタイミング、パルス持続時間、及びバースト繰り返し数は、レーザの設計に応じて異なり得るが、いくつかの実施形態では、高強度のパルスの短いパルス時間（例えば約１５ｐｓｅｃ未満、又は約１０ｐｓｅｃ以下）が例となり得る。
【００９４】
理論によって制限されることを意図したものではないが、複数のパルスの単一のバーストが透明被加工物の実質的に同じ位置に衝突すると、材料内に欠陥が形成される。即ち、単一のバースト内の複数のレーザパルスは、透明被加工物内の単一の線状欠陥に対応する。被加工物は（例えば定常移動ステージ、又は被加工物に対して移動するビームによって）並進移動するため、バースト内の複数の別個のパルスは、ガラス上の全く同じ空間的位置にあることはできない。しかしながら、複数の別個のパルスは互いの１マイクロメートル以内にあることができる（即ちこれらはガラスの実質的に同じ位置に効果的に衝突する）。例えば、これらのパルスは、互いからある間隔ｓｐでガラスに衝突してよく、ここで０＜ｓｐ≦５００ｎｍである。例えばガラスのある位置に２０パルスのバーストが当たる場合、上記バースト内の個々のパルスは、互いの２５０ｎｍ以内でガラスに衝突する。よって、いくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜２５０ｎｍとなる。いくつかの実施形態では、１ｎｍ＜ｓｐ＜１００ｎｍとなる。
【００９５】
１つ以上の実施形態では、被加工物を切断又は分割する目的のために、パルスバーストエネルギは、バーストあたり約１００μＪ〜約６００μＪ、例えばバーストあたり約３００μＪ〜約６００μＪであってよい。この範囲の外で作業を行うと、他のガラスの良好な分割が得られる場合はあるものの、ディスプレイ（又はＴＦＴ）ガラス組成物では良好な分割が得られない。いくつかのディスプレイガラスタイプに関して、パルスバーストエネルギは約３００μＪ〜約５００μＪであってよく、又は他のディスプレイタイプのガラスに関して、約４００μＪ〜約６００μＪであってよい。４００μＪ〜５００μＪのパルスバーストエネルギは、多くのディスプレイタイプのガラス組成物に関して良好に作用できる。線状焦点内のエネルギ密度は、特定のディスプレイ又はＴＦＴガラスに関して最適化できる。例えば、ＥＡＧＬＥ  ＸＧガラス及びＣＯＮＴＥＧＯガラスの両方に関して、パルスバーストエネルギの好適な範囲は約３００〜約５００μＪであってよく、線状焦点は約１．０ｍｍ〜約１．４ｍｍであってよい（ここで線状焦点の長さは、光学的構成によって決定される）。
【００９６】
１つ以上の実施形態では、比較的低いパルスレーザエネルギ密度（例えば３００μＪ未満）は、望まれるとおりに形成されていない穿孔を形成する場合があり、これにより、赤外線レーザ加工中に欠陥の間の破断を容易に実現できなくなり、これはディスプレイガラスの破壊耐性（本明細書では破壊強度とも呼ばれる）の増大につながる。パルスレーザビームのエネルギ密度が高すぎる（例えば６００μＪ以上、又は５００μＪ超）である場合、熱損傷が大きくなり得、これにより、穿孔を接続する割れが逸れて、所望の経路に沿って形成されなくなり、ディスプレイ（又はＴＦＴ）ガラスの破壊耐性（破壊強度）が劇的に増大する。
【００９７】
以上の説明に鑑みて、赤外線レーザビームによるレーザ分割は、輪郭線の真上ではなく、欠陥を含む輪郭線に隣接した範囲にわたって最大強度を投射する環状赤外線ビームスポットを透明被加工物上に形成する赤外線レーザビームを利用することによって強化できることを理解されたい。更に、赤外線レーザビームのレーザ出力が増大した場合、及び／又は環状赤外線ビームスポットの外径が減少した場合、環状赤外線ビームスポットの環状部分厚さを変更する、例えば環状赤外線ビームスポットの環状部分厚さを増大させることが望ましくなり得ることを理解されたい。以上の説明に鑑みて、この調整可能な環状部分厚さは、１つ以上の調整可能な光学素子を有するアフォーカルビーム調整アセンブリを含む光学アセンブリを用いて達成できる。
【００９８】
本明細書において、範囲は、「約（ａｂｏｕｔ）」ある特定の値から、及び／又は「約」別の特定の値までとして表現され得る。このような範囲が表現されている場合、別の実施形態は、上記ある特定の値から、及び／又は上記別の特定の値までを含む。同様に、先行詞「約」を用いることにより、値が概数として表現されている場合、上記特定の値は別の実施形態を形成することが理解されるだろう。更に、各範囲の端点は、他方の端点との関連でも、他方の端点とは独立しても、重要であることが理解されるだろう。
【００９９】
本明細書中で使用される方向に関する用語、例えば上方（ｕｐ）、下方（ｄｏｗｎ）、右（ｒｉｇｈｔ）、左（ｌｅｆｔ）、前方（ｆｒｏｎｔ）、後方（ｂａｃｋ）、頂部（ｔｏｐ）、底部（ｂｏｔｔｏｍ）は、ここで図示されている状態の図面に関してのみ使用され、絶対的な配向を暗示することを意図したものではない。
【０１００】
特段の記載がない限り、本明細書に記載のいずれの方法が、そのステップを特定の順序で実施すること、又はいずれの装置の特定の配向を必要とするものとして解釈されることは、全く意図されていない。従って、ある方法クレームが、そのステップが従うべき順序を実際に列挙していない場合、又はいずれの装置クレームが、個々の構成部品に関する順序若しくは配向を実際に列挙していない場合、又はステップをある特定の順序に限定するべきであることが、特許請求の範囲若しくは説明中で具体的に言明されていない場合、又は装置の構成部品に関する特定の順序又は配向が列挙されていない場合、いかなる点においても、順序又は配向が推定されることは全く意図されていない。これは：ステップの構成、動作フロー、構成部品の順序、又は構成部品の配向に関する論理の問題；文法的な編成又は句読点に由来する単純な意味；及び本明細書に記載の実施形態の数又はタイプを含む、解釈のためのいずれの可能な非明示的根拠にも当てはまる。
【０１０１】
本明細書中で使用される場合、単数形「ある（ａ、ａｎ）」及び「上記（ｔｈｅ）」は、文脈がそうでないことを明らかに指示していない限り、複数の指示対象を含む。従って例えば、「ある」構成部品に関する言及は、文脈がそうでないことを明らかに指示していない限り、２つ以上の上記構成部品を有する態様を含む。
【０１０２】
請求対象の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に対して様々な修正及び変形を実施できることは、当業者には理解されるだろう。よって本明細書は、本明細書に記載の様々な実施形態に対する上記修正及び変形が、添付の請求項及びその均等物の範囲内である限りにおいて、上記修正及び変形を包含することを意図している。
【０１０３】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１０４】
実施形態１
透明被加工物をレーザ加工するための方法であって、
上記方法は：
上記透明被加工物内に輪郭線を形成するステップであって、上記輪郭線は、上記透明被加工物内の欠陥を含む、ステップ；及び
赤外線ビーム源によって出力された赤外線レーザビームを、アフォーカルビーム調整アセンブリを通して上記透明被加工物上に、上記輪郭線に沿って又は上記輪郭線の付近に配向して、上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って分割するステップ
を含み、
上記赤外線レーザビームは、上記透明被加工物の表面上に、環状赤外線ビームスポットを形成し；
上記赤外線レーザビームは、上記アフォーカルビーム調整アセンブリの上流の入口ビーム直径と、上記アフォーカルビーム調整アセンブリの下流の出口ビーム直径とを備え；
上記環状赤外線ビームスポットは、内径、外径、及び環状部分厚さを備え；
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を備え；
上記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの少なくとも１つを調整することにより、上記赤外線レーザビームの上記出口ビーム直径が変化し、これにより、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが変化する、方法。
【０１０５】
実施形態２
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、第１の凸レンズ、第２の凸レンズ、並びに上記第１の凸レンズと上記第２の凸レンズとの間に位置決めされて上記第１の凸レンズ及び上記第２の凸レンズに光学的に結合された中間凹レンズを備え；
上記中間凹レンズは、上記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの１つであり、かつ上記第１の凸レンズと上記第２の凸レンズとの間で並進移動可能であり；
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、上記第２の凸レンズの上流に位置決めされるように、上記赤外線レーザビームに対して位置決めされる、実施形態１に記載の方法。
【０１０６】
実施形態３
上記第１の凸レンズ及び上記第２の凸レンズはそれぞれ同一の焦点距離を備え；
上記第１の凸レンズの上記焦点距離、及び上記第２の凸レンズの上記焦点距離はそれぞれ、
上記中間凹レンズの焦点距離の２倍である、実施形態２に記載の方法。
【０１０７】
実施形態４
上記中間凹レンズが、上記第２の凸レンズよりも上記第１の凸レンズの近くに位置決めされた場合、上記アフォーカルビーム調整アセンブリはビーム拡張モードであり、従って上記出口ビーム直径が上記入口ビーム直径より大きくなる、実施形態２に記載の方法。
【０１０８】
実施形態５
上記中間凹レンズが、上記第１の凸レンズよりも上記第２の凸レンズの近くに位置決めされた場合、上記アフォーカルビーム調整アセンブリはビーム狭窄モードであり、従って上記出口ビーム直径が上記入口ビーム直径より小さくなる、実施形態２に記載の方法。
【０１０９】
実施形態６
上記出口ビーム直径を増大させると、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが増大し、上記出口ビーム直径を減少させると、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが増大する、実施形態１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【０１１０】
実施形態７
上記環状赤外線ビームスポットの上記外径は、約０．５ｍｍ〜約２０ｍｍである、実施形態１〜６のいずれか１つに記載の方法。
【０１１１】
実施形態８
上記環状赤外線ビームスポットの上記内径は、上記環状赤外線ビームスポットの上記外径の約５％〜約９５％である、実施形態１〜７のいずれか１つに記載の方法。
【０１１２】
実施形態９
上記輪郭線の真上よりも上記輪郭線に隣接した範囲に、赤外線ビームからのより大きな累積エネルギの分布が存在する、実施形態１〜８のいずれか１つに記載の方法。
【０１１３】
実施形態１０
上記輪郭線の真上よりも上記輪郭線の両側の上記輪郭線に隣接した範囲に、上記赤外線ビームからのより大きな累積エネルギの分布が存在する、実施形態９に記載の方法。
【０１１４】
実施形態１１
上記環状赤外線ビームスポットは、上記輪郭線上にセンタリングされる、実施形態１に記載の方法。
【０１１５】
実施形態１２
上記赤外線ビーム源は、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、ソリッドステートレーザ、レーザダイオード、又はこれらの組み合わせである、実施形態１〜１１のいずれか１つに記載の方法。
【０１１６】
実施形態１３
上記透明被加工物は、アルカリ土類ボロアルミノシリケートガラス、サファイア、溶融シリカ、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態１〜１２のいずれか１つに記載の方法。
【０１１７】
実施形態１４
上記環状赤外線ビームスポット及び上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って互いに対して並進移動させることにより、上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って分割するステップを更に含む、実施形態１〜１３のいずれか１つに記載の方法。
【０１１８】
実施形態１５
上記環状赤外線ビームスポット及び上記透明被加工物は、約１ｍｍ／ｓ〜約１０ｍ／ｓの速度で互いに対して並進移動する、実施形態１４に記載の方法。
【０１１９】
実施形態１６
上記赤外線レーザビームの出力は約２０Ｗ〜約１０００Ｗである、実施形態１〜１５のいずれか１つに記載の方法。
【０１２０】
実施形態１７
上記透明被加工物のＣＴＥは約５×１０−６／Ｋ以下である、実施形態１〜１６のいずれか１つに記載の方法。
【０１２１】
実施形態１８
上記透明被加工物の厚さは約５０マイクロメートル〜約１０ｍｍである、実施形態１〜１７のいずれか１つに記載の方法。
【０１２２】
実施形態１９
上記輪郭線を形成する上記ステップは：
パルスレーザビームを、ビーム伝播方向に沿って配向され、かつ上記透明被加工物内へと配向されたパルスレーザビーム焦線へと集束させるステップであって、上記パルスレーザビーム焦線は上記透明被加工物内で誘導吸収を生成し、上記誘導吸収は、上記透明被加工物内に、上記パルスレーザビーム焦線に沿って欠陥を生成する、ステップ；
上記透明被加工物及び上記パルスレーザビーム焦線を、上記輪郭線に沿って、互いに対して並進移動させることにより、上記透明被加工物内に、上記輪郭線に沿って複数の欠陥をレーザ形成するステップであって、隣接する上記欠陥の間の間隔は１マイクロメートル〜３０マイクロメートルである、ステップ
を含み、
上記パルスレーザビームは、パルスバースト１回あたり約１パルス〜パルスバースト１回あたり約３０パルスを含むパルスバーストを生成し、パルスバーストエネルギは、パルスバースト１回あたり約１００μＪ〜約６００μＪである、実施形態１〜１８のいずれか１つに記載の方法。
【０１２３】
実施形態２０
透明被加工物をレーザ加工するための方法であって、
上記方法は：
パルスレーザビームを、上記透明被加工物内へと配向されたパルスレーザビーム焦線へと集束させるステップであって、上記パルスレーザビーム焦線は上記透明被加工物内に欠陥を生成する、ステップ；
上記透明被加工物及び上記パルスレーザビーム焦線を互いに対して並進移動させることによって、上記透明被加工物内の輪郭線に沿って複数の欠陥をレーザ形成するステップ；並びに
赤外線レーザビームを、アフォーカルビーム調整アセンブリを通して上記透明被加工物上に、上記輪郭線に沿って又は上記輪郭線の付近に配向して、上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って分割するステップ
を含み、
上記赤外線レーザビームは、上記透明被加工物の表面上に、環状赤外線ビームスポットを形成し；
上記環状赤外線ビームスポットは、内径、外径、及び環状部分厚さを備え；
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を備え、上記１つ以上の調整可能な光学素子は、上記赤外線レーザビームの上記ビーム直径を調整することによって、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さを変化させるよう構成される、方法。
【０１２４】
実施形態２１
上記環状赤外線ビームスポット及び上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って互いに対して並進移動させることによって、上記透明被加工物を上記輪郭線に沿って分割するステップを更に含む、実施形態２０に記載の方法。
【０１２５】
実施形態２２
隣接する上記欠陥の間の間隔は５マイクロメートル〜１５マイクロメートルである、実施形態２０に記載の方法。
【０１２６】
実施形態２３
上記パルスレーザビームは、パルスバースト１回あたり約１パルス〜パルスバースト１回あたり約３０パルスを含むパルスバーストを生成し、パルスバーストエネルギは、パルスバースト１回あたり約１００μＪ〜約６００μＪである、実施形態２０、２１、又は２２に記載の方法。
【０１２７】
実施形態２４
上記パルスレーザビームは、パルスバースト１回あたり約９パルス〜パルスバースト１回あたり約２０パルスを含むパルスバーストを生成し、パルスバーストエネルギは、パルスバースト１回あたり約３００μＪ〜約５００μＪである、実施形態２０、２１、又は２２に記載の方法。
【０１２８】
実施形態２５
隣接する上記欠陥の間の間隔は約７マイクロメートル〜約１２マイクロメートルであり；
上記パルスレーザビームは、パルスバースト１回あたり約５パルス〜パルスバースト１回あたり約１５パルスを含むパルスバーストを生成し、パルスバーストエネルギは、パルスバースト１回あたり約４００μＪ〜約６００μＪである、実施形態２０又は２１に記載の方法。
【０１２９】
実施形態２６
上記パルスバーストの上記パルスの持続時間は約１ピコ秒〜約１００ピコ秒である、実施形態２０に記載の方法。
【０１３０】
実施形態２７
上記パルスバーストの繰り返し数は約１０ｋＨｚ〜約３ＭＨｚである、実施形態２０に記載の方法。
【０１３１】
実施形態２８
上記パルスレーザビーム焦線の平均スポット直径は約０．１マイクロメートル〜約１０マイクロメートルである、実施形態２０〜２７のいずれか１つに記載の方法。
【０１３２】
実施形態２９
光学アセンブリであって、
上記光学アセンブリは：
赤外線レーザビームを出力するよう構成された赤外線ビーム源；
上記赤外線ビーム源の下流に位置決めされたアキシコンレンズ；
上記アキシコンレンズの下流に位置決めされた第１の平凸レンズ；
上記第１の平凸レンズの下流に位置決めされた第２の平凸レンズであって、上記赤外線レーザビームが各上記アキシコンレンズ、上記第１の平凸レンズ、及び上記第２の平凸レンズを通過した後、上記第２の平凸レンズの下流に位置決めされた透明被加工物を照射すると、上記赤外線レーザビームは、上記透明被加工物の表面上に、内径、外径、及び環状部分厚さを備える環状赤外線ビームスポットを形成する、第２の平凸レンズ；並びに
上記赤外線ビーム源と上記第１の平凸レンズとの間に位置決めされたアフォーカルビーム調整アセンブリ
を備え、
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、１つ以上の調整可能な光学素子を備え、
上記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの少なくとも１つを調整することにより、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが変化する、光学アセンブリ。
【０１３３】
実施形態３０
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、第１の凸レンズ、第２の凸レンズ、並びに上記第１の凸レンズと上記第２の凸レンズとの間に位置決めされて上記第１の凸レンズ及び上記第２の凸レンズに光学的に結合された中間凹レンズを備え；
上記中間凹レンズは、上記１つ以上の調整可能な光学素子のうちの１つであり、かつ上記第１の凸レンズと上記第２の凸レンズとの間で並進移動可能であり；
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、上記第２の凸レンズの上流に位置決めされるように、上記赤外線レーザビームに対して位置決めされる、実施形態２９に記載の光学アセンブリ。
【０１３４】
実施形態３１
上記第１の凸レンズ及び上記第２の凸レンズはそれぞれ同一の焦点距離を備え；
上記第１の凸レンズの上記焦点距離、及び上記第２の凸レンズの上記焦点距離はそれぞれ、
上記中間凹レンズの焦点距離の２倍である、実施形態３０に記載の光学アセンブリ。
【０１３５】
実施形態３２
上記中間凹レンズが、上記第２の凸レンズよりも上記第１の凸レンズの近くに位置決めされた場合、上記アフォーカルビーム調整アセンブリはビーム拡張モードであり、従って上記赤外線レーザビームは、上記アフォーカルビーム調整アセンブリの下流の上記赤外線レーザビームの入口ビーム直径より大きな、上記アフォーカルビーム調整アセンブリの上流の出口ビーム直径を備え；
上記中間凹レンズが、上記第１の凸レンズよりも上記第２の凸レンズの近くに位置決めされた場合、上記アフォーカルビーム調整アセンブリはビーム狭窄モードであり、従って上記出口ビーム直径が上記入口ビーム直径より小さくなり；
上記出口ビーム直径を増大させると、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが増大し；
上記出口ビーム直径を減少させると、上記透明被加工物の上記表面上に形成される上記環状赤外線ビームスポットの上記環状部分厚さが増大する、実施形態３０に記載の光学アセンブリ。
【０１３６】
実施形態３３
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、上記赤外線ビーム源と上記アキシコンレンズとの間に位置決めされる、実施形態２９に記載の光学アセンブリ。
【０１３７】
実施形態３４
上記アフォーカルビーム調整アセンブリは、上記アキシコンレンズと上記第１の平凸レンズとの間に位置決めされる、実施形態２９に記載の光学アセンブリ。
【符号の説明】
【０１３８】
１          透明被加工物
１ａ        透明被加工物１の上面
１ｂ        透明被加工物１の底面
２          パルスレーザビーム
２ａ        ビーム部分
２ａＲ      周辺光線
２ａＺ      中央ビーム部分
２ｂ        パルスレーザビーム焦線
２ｃ        広範セクション
３          レーザ装置
６          光学アセンブリ
７          集束レンズ
８          アパーチャ
９          アキシコン
１０        アキシコン
１１        平凸レンズ、集束レンズ、レンズ
１２        コリメートレンズ
３０        赤外線ビーム伝播方向
１１０      輪郭線
１３０      透明被加工物
１３５      関心対象ゾーン
１４２      輪郭線１１０の分割された部分
２１０      環状赤外線ビームスポット
２１０ａ    第１の環状赤外線ビームスポット
２１０ｂ    第２の環状赤外線ビームスポット
２１０ｃ    第３の環状赤外線ビームスポット
２１１      環状赤外線ビームスポット２１０の環状部分厚さ
２１１ａ      環状赤外線ビームスポット２１０ａの環状部分厚さ
２１１ｂ      環状赤外線ビームスポット２１０ｂの環状部分厚さ
２１１ｃ      環状赤外線ビームスポット２１０ｃの環状部分厚さ
２１２      加工方向
２１４      環状赤外線ビームスポット２１０の外径
２１４ａ      環状赤外線ビームスポット２１０ａの外径
２１４ｂ      環状赤外線ビームスポット２１０ｂの外径
２１４ｃ      環状赤外線ビームスポット２１０ｃの外径
２１６      環状赤外線ビームスポット２１０の内径
２１６ａ      環状赤外線ビームスポット２１０ａの内径
２１６ｂ      環状赤外線ビームスポット２１０ｂの内径
２１６ｃ      環状赤外線ビームスポット２１０ｃの内径
３００、３００’、３００’’、３００’’’      光学アセンブリ
３０２      赤外線レーザビーム
３１０      アキシコンレンズ
３１２      第１の平凸レンズ
３１４      第２の平凸レンズ
３３０      赤外線ビーム源
３４０      アフォーカルビーム調整アセンブリ
３４２      第１の凸レンズ
３４４      中間凹レンズ
３４６      第２の凸レンズ
３５０      ビーム拡張モード
３５２      ビーム中立モード
３５４      ビーム狭窄モード
３６０      入口ビーム直径
３６２      出口ビーム直径
３７０      第１の離間距離
３７２      第２の離間距離
４１０      第１の端部
４１２      第２の端部
４１４      第１のアパーチャ
４１６      第２のアパーチャ
４２０      第１の拡大用光学素子
４２２      第２の拡大用光学素子
４４０      アフォーカルビーム調整アセンブリ
５００      バースト
５００Ａ    パルス
７１０      非集束パルスレーザビーム
７２０      透明被加工物
７３０      球面レンズ
７４０      焦点
７５０      アキシコンレンズ
７６０      高強度円筒
ｂｒ        リングの幅
ｄ          深さ
Ｄ          広範セクション２ｃにおける欠陥範囲の内径
Ｄ          ベッセルビームのスポット直径
ｄｒ      円直径
ｆ        集束レンズ１１の焦点距離
ｆ’      コリメートレンズ１２の焦点距離
ｌ          長さ
Ｌ          広範セクション２ｃの全長
ｚ１      アキシコン１０と平凸レンズ１１との間の距離
ｚ１ａ      アキシコン１０とコリメートレンズ１２との間の距離
ｚ１ｂ      コリメートレンズ１２と集束レンズ１１との間の距離
ｚ２        パルスレーザビーム焦線２ｂと集束レンズ１１との間の距離
ＳＲ      アキシコン１０によるレーザビームの円形変換
Φ        ビーム直径
δ        パルスレーザビーム焦線２ｂの平均直径
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
2020531392.tif 000008
【図４Ｂ】
2020531392.tif 000009
【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ−１】
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【図１１Ｂ−２】
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【図１１Ｂ−３】
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【図１１Ｂ−４】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【国際調査報告】
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