雷射掃描系統與動態聚焦系統之整合與設計

The Integration and Design of Laser Scanning System and Dynamic Focus System

近年來，隨著雷射的蓬勃發展，廣泛地應用於生醫、電子光電、光通訊、量測技術等用途，可針對材料進行切割、鑽孔、焊接、雕刻、表面處理等製程。在雷射加工系統中，常使用振鏡掃描技術來進行圖案加工，因其擁有快速且精準定位的掃描特性，再搭配不同雷射源，可以提升製程速度與靈活性。而在雷射加工過程中，雷射光束多採用高斯振福分布的型態(TEM₀₀)，因其有較高的能量密度，此位置為雷射光束之焦點，亦即整體雷射加工系統之工作距離(working distance)。若在加工過程中，雷射光束的焦點位置不在表面上，將無法行加工或者加工效果不如預期，因此要如何掌握雷射焦點的位置技術顯得非常重要。

本論文針對雷射光束之焦點位置控制作探討，設計動態聚焦系統於振鏡掃描系統前，透過改變系統內鏡子間之相對位置，來實現對雷射光束之焦點位置控制，即成為可變焦的雷射加工系統，並於變焦範圍內加工具有高度差的工件或圖案。本論文首先利用ZEMAX光學系統設計模擬軟體分析動態聚焦系統內鏡子之配置，不同的配置將對於整體光路系統之成像品質造成影響，同時找出鏡子間相對位置與工作距離的關係，並建立一套光學元件挑選準則(criterion)，讓使用者能夠知道光學元件之間的搭配將對於雷射加工系統的影響，最後於實驗中進行驗證。

本論文發現，在動態聚焦系統中之鏡組為"平凹平凸"配置時，系統之成像品質較佳，而設計之動態聚焦系統，其變焦範圍可達25 mm。在變焦的過程中，成像品質會隨著鏡子間的相對位置而改變，發現在"平凹雙凸"配置時成像品質變化較小。再者，由雷射加工實驗中透過觀察工件之熱影響區(Heat Affect Zone)來評估系統之成像品質，發現成像品質較佳的配置，有較小且均勻的熱影響區。此外，對於本論文設計的動態聚焦系統之變焦能力測試，則透過加工45度斜面來驗證焦點位置的控制，在同樣加工高度差為25 mm之線段時，發現未使用動態聚焦系統之焦點位置控制時，其加工能力不如預期且加工線段只有一小段，理論加工長度與實際加工長度之誤差高達93 %；而有使用動態聚焦系統之焦點位置控制時，理論加工長度與實際加工長度之誤差約為3.2%左右，故可顯示本論文之動態聚焦系統能夠對於雷射光束之焦點控制作控制。