｜光學薄膜對皮秒雷射加工機之影響性

摘要：雷射技術已廣泛應用於機械加工產業，光學薄膜的設計與製鍍對於其有愈來愈重要之趨勢，隨著雷射的峰值功率和脈衝能量提升，所需之雷射鏡片要求越來越嚴格，傳統之光學薄膜已無法滿足現今需求，對於皮秒雷射加工機內光學鏡片所需膜質較高之薄膜，本文將概述針對皮秒雷射加工機內所應用之光學薄膜設計方向與檢測技術。

Abstract: Laser technology is applied to machining industry extensively , and the current trends are toward to optical design and optical thin film. Since the frequency and the power of lasers are increasing, the (characteristic) quality requirements are more and more serious than before. So we thinking the traditional optical thin films cannot meet the modern requirements. For example, the high power laser lens requested high quality of films for laser saw. The challenges are how to design and inspection the films. This research has discussed the topics about the design directions and the inspection skills of the optical thin films for picosecond laser saw applications.

關鍵詞：雷射技術、光學薄膜、皮秒雷射、雷射切割機

Keywords：Laser technology, Optical thin film, Picosecond laser, Laser saw

前言
筆者委外加工金屬件材時，常以雷射切割加工機設備作為選擇指標，但目前國內雷射產業，在長期依賴國外技術與設備之下，面對成本高居不下的壓力，未能有突破性發展。一旦面臨內部鏡片損壞，價格不斐，而昂貴的鏡片價格主因來自於少量客製化。本文將論及如何從設計端來避免類似問題的發生。從光學設計與優質的光學鏡片著手，使用合適之光學設計，不讓雷射光能量聚焦在膜層上，可避免因雷射能量過大，導致薄膜吸收或介面缺陷而破壞鏡片；優質的光學薄膜則須符合以下條件：透明度高、吸收小、穩定之折射率、高堆積密度、散射小、均勻的材質、良好的機械附著力、良好的硬度與應力、化學性穩定、受環境影響小及輻射能之承受量高等1。綜合上述兩點再加上電子顯微鏡等量測儀器的觀測，可進而分析雷射鏡片損毀之主因。

雷射加工機產業現況
由於機械式的加工方式效率高，因此一直都是加工的主流方式，但由於其精細度不夠，無法滿足產業界的要求，使得雷射加工技術逐漸成為新興的方式來取代機械式加工的不足。根據Laser Focus World 2010年調查，雷射應用產業在材料加工佔25.7%、通訊/光儲存佔55.2%、醫療佔6%、軍事佔5.7%、感測佔3.4%，其餘領域用途所佔的比例較小，如圖1所示。除了通訊/光儲存外，材料加工為重要的雷射應用領域，主要的加工用雷射源以光纖雷射、二極體激發固態雷射、二氧化碳雷射及準分子雷射等為主，雷射使用在加工已有多年的經驗，其特色為非接觸式的加工方式，具有夾具損耗率低、容易自動化及可透過透明體加工等優點，且除了金屬以外，亦可加工非金屬材料如木材、陶瓷及塑膠等。

國內雷射加工的應用從早期大型鋼板切割、太陽能產業畫線、發光二極體（light emitted diode, LED）藍寶石基板切割，至應用於矽晶圓低介電質膜之切割2等，應用面有愈來愈廣泛的趨勢；從技術功能需求的角度來看，聚焦光點尺寸需求越來越小，加工能量分布須更均勻，加工光束光型有客製化需求，切割深度需控制得更精密，未來將會取代輪刀切割方式，許多輪刀切割機製造廠商為了掌握先機，也很早就投入發展雷射切割機，國外設備廠商多採垂直整合方式，從元件到產品均自行生產，除避免受限於廠商交期過長與客製化產品單價太高等限制，更為確保關鍵元件取得來源正常與保護公司技術等目的，皆自行建構關鍵技術與發展製造能力。例如日商Disco Corporation所推出之7000系列3，就是全自動之雷射切割機，可預測雷射切割機在未來會有更多的應用，相較之下，國內產業對雷射光學系統之需求雖強勁，但開發光路系統設計技術及關鍵光學模組組件技術需耗費大量之人力及財力，並需長時間投入相關研發才能健全關鍵技術，因此國內廠商於考量研發成本過高及研發時程過長之限制下，多卻步而不投入雷射產業之技術研發，使得整合性光路設計、關鍵光學模組（擴束鏡、光束整型模組…）以及關鍵鍍膜元件等技術國內仍很缺乏，主要關鍵技術與模組元件等掌握於國外之手，因此國內雷射產業雖已萌芽，但尚未能蓬勃發展，同時，仰賴雷射設備的相關產業發展亦會受限。

如此長久下來，造成國內雷射製程設備皆需向國外採購，產品成形型態往往受限既定機種限制，而無多樣化產品之發展空間，而若以客製化需求訂購設備，則設備價格將十分高昂；此外，雷射加工機中之關鍵光學模組及零組件無自有技術與自製能力，亦是箝制國內雷射產業發展之重要因素，外購各模組及零組件將使其各功能特性固定，而無彈性設計製造各產品之空間，同時，一旦雷射設備或關鍵模組組件需維修時，其維修養護將只能仰賴國外原廠進行，為配合原廠之人力調度，屆時耗時耗費將是無可避免。再者，雷射設備由於只能外購，造成購置成本過高，因而降低國內生產業者轉型至高階生產製程之意願，此對國家之經濟發展而言殊為可惜。