4-1 圓柱型雷射模組設計 4-1-1 零件的設計
一. 雷射二極體的選擇
圓柱型雷射模組的光源是使用波長為 1.310µm 之 MQW 的雷射 二極體，其包裝型式為 TO-can，如圖 4.1 是 TO-can 外觀尺寸示意圖。
二.銲接材料的選擇
本模組使用的主要材料是不銹鋼(SS304L)，其使用原因如下：
(1)對雷射 Nd：YAG(波長 1.064µm)能量之吸收率達 40%，可減少雷 射光入射能量。
(2)SS304L 低碳(0.08%)、高鉻(18~20%)及高鎳(8.0~10.5%)含量，適 合作為銲接材料。
三.機械精度的要求
為求穩定接合，零件的精度有以下的要求。
(1)真平度(Flatness) ：10µm (2)粗糙度(Finish) ：1µm 以內 (3)垂直度(Perpendicularity) ：10µm (4)平行度(Parallelism) ：10µm (5)真圓度(Circularity) ：10µm
四. 上件、下件和陶瓷管的設計 (1) 上件和陶瓷管的設計
上件和陶瓷管尺寸大小的設計是要互相配合的。一般而言，銲 接系統都是使用 FC/PC 的光纖(單模光纖)跳接線來耦光，如圖 4.2 是 FC/PC 光纖(單模光纖)跳接線的示意圖。所以圓柱形陶瓷管內徑的大 小要和跳接線 PC 端 Ferrule 的外徑大小相符合，這就陶瓷管設計的 重點。而上件內徑大小的設計，則要針對圓柱形陶瓷管外徑大小來 定，因兩者尺寸要互相符合。且跳接線 PC 端的底部要剛好是雷射 二極體的聚焦平面。其圓柱型雷射模組的整體的設計圖如圖 4.4 所 示。
(2)下件
下件的設計主要考慮重點是雷射二極體前端的球透鏡至聚焦位 置的距離。如圖 4.3 所示，先將雷射二極體固定於 X，Y，Z 三軸可 移動的平臺上，供給雷射二極體某一定值的直流驅動電流，並將光 纖一端固在 X，Y，Z 三軸可移動的平臺上，光纖的另一端接到光功 率計上。
一開始先讓光纖端面和 TO-can 雷射二極體的前端球透鏡表面接 觸，做為 Z 軸的零點。然後將光纖沿 Z 軸逐步遠離光源，在每個 Z
掃瞄完後再回到相對最大功率所對應的 X 軸的位置，再做 Y 方向掃 瞄，找到 x-y 平面上，最大功率位置後，光纖再移到下一個 Z 軸的 位置。重複上述的 X、Y 掃瞄，並記錄每一位置(x，y，z)的相對功 率。在光纖掃瞄過程中，最大光功率所對應的 Z 軸位置，即為雷射 二極體的聚焦點位置。
完成焦點距離的量測後，針對此距離設計適當的下件，使焦點 落在的端面上，而下件外觀的尺寸大小 ，則要針對銲接系統的夾具 大小而定。如圖 4.4 為圓柱型雷射模組整體設計的示意圖。
尺寸的單位：mm
圖 4.2 FC/PC 接頭的跳接線
圖 4.3 雷射耦光架構圖
Current Driver
Power Meter Laser Diode
Fiber
X,Y,Z Stage X,Y,Z Stage
ZrO2 Ferrule 含柄
SC-OP/900-BOOT
9/125
×
900u FC/SPEPC接頭端 FC接頭端
圖 4.4 圓柱型雷射模組整體設計的示意圖 Fiber
金屬柄
Ferrule
陶瓷管 上件
下件
雷射二極體 聚焦平面
球形透鏡
4-1-2 零件的組合 一.主要零件介紹
其主要的零件有以下四種：
(1)雷射二極體(Laser diode)：所使用的雷射波長為 1.310µm 之 MQW TO-can 形式之雷射二極體。如圖 4.1。
(2)上件(Upper parts)：其材質為不銹鋼(SS304L)。如圖 4.5。
(3)下件(Lower parts)：其材質為不銹鋼(SS304L)。如圖 4.6。
(4)陶瓷管(Ceramic pipe)：其材質為陶瓷。如圖 4.7。
二.上件和陶瓷管的組合
上件和陶瓷管的組合主要是利用 AB 膠將陶瓷管黏著於上件內。
其步驟如下：
首先先將 A 劑和 B 劑依比例混合(依各廠牌的 AB 膠而定)，並 利用牙籤將混合之後的 AB 膠塗到陶瓷管上，再將塗上 AB 膠的陶 瓷管塞入上件內。如圖 4.8 所示。
三.下件和雷射二極體的組合
下件和雷射二極體的組合主要是利用緊配的方式，將雷射二極 體裝配到下件內。
其步驟如下：
利用機械壓合的方式將雷射二極體壓入下件內，如圖 4.9 所示。
圖 4.5 上件(Upper parts)的三視圖
圖 4.6 下件(Lower parts)的三視圖
圖 4.7 陶瓷管(Ceramic pipe)的三視圖
圖 4.8 利用 AB 膠將陶瓷管黏著固定於上件內
圖 4.9 利用緊配的方式將雷射二極固定於下件內
4-2 圓柱型雷射模組構裝
4-2-1 利用雷射銲接技術構裝圓柱型雷射模組 一.雷射光束的調整與對準
整個雷射出端及調整平臺之架構如圖 4.10 所示。
(1)確認三個雷射光束成 120 度均分，且入射角度為 45 度。
雷射輸出端之調整可分：
1. 馬達：控制移動平臺昇降及平移。
2. 微調螺鈕：控制雷射頭的傾斜角及聚焦位置。
圖 4.10 雷射輸出端及調整平臺之架構
微調螺鈕 光纖
Laser Head 馬達 1
馬達 2
Stage2 Stage1
我們使用圓形刻度盤，來校正雷射光束位置。調整三束光成 120 度。調整過程如圖 4.11 所示。
圖 4.11 雷射光束 120 度均分之確認過程
移動平臺 1(Stage 1)，檢視對焦用的氦氖雷射之紅色光點是否在 直線上移動。若光點未沿直線行進，則表示座檯必須重新調整。
(2)尋找正確銲點位置：
1. 將欲銲接之下件夾在下夾具(Lower tooling)上，藉以當作銲接平面 之參考面。
2. 為確保下件的中心與上件的中心同軸，可將上件夾到上夾具(Upper tooling)，並做適當的 X，Y 方向調整。
將上夾具往下移，使上件和下件接觸，調整光束剛好落在上件及下 件的結合處，如圖 4.12 所示。即完成正確銲點位置的尋找。
雷射光束
圖 4.12 雷射銲接銲點位置示意圖
二.雷射銲接步驟
雷射參數的設定，製程參數的設定，自動化程式的 撰寫，工件 的功能及穩定且高解析度的平移平臺(Translation stage)等，都是銲接 成敗的重要因素。
以下是圓柱型雷射模組銲接的步驟
(1)將裝有雷射二極體的下件放入下夾具內並夾住。
(2)通入一電流，使雷射二極體發光，並利用檢光片，檢查雷射二極 體是否發光。
(3)將光纖的頭端(PC 端)，夾在上夾具內，而另一端(FC 接頭)接到光 上件
下件
(4)利用系統的自動耦光程式進行耦光，直到耦光效率達到最大值。
(5)將上夾具提昇 20000µm(Z 軸)，將上件插入光纖。
(6)並將上夾具下降 19800µm(Z 軸)(避免壓到光纖)，並將上件壓平。
(7)觸發雷射，進行銲接(三個雷射光束同時打)，轉一角度(20 度)再 一次， 即打了六個銲點。
(8)經過以上步驟，圓柱型雷射模組，即構裝完成。
三.結果與討論
造成耦光效率下降的幾個原因：
(1)上件、下件本身的機械公差精密不夠，或雷射二極體的焦距長度 不準確，而造成和 Housing 尺寸之間的不配合。
(2)雷射二極體於緊配過程中，下件和雷射二極體結合造成的誤差。
(3)陶瓷管的精度不夠或上件和陶瓷管膠黏時造成的誤差。
(4)銲後位移所造成的影響。
以上幾點，都是造成模組(成品)耦光效率降低的原因。而我將在 下一章針對銲後位移這個問題，進行一些研究，以期能對銲後位移 有進一步的了解。
第五章 圓柱型雷射模組銲後位移之分析
5-1 造成銲後位移的原因及抑制的方法 5-1-1 造成銲後位移的原因
當雷射光束打到一金屬材料時，雷射光束的光子可在兆分之一 秒(10-12 秒)內將能量傳遞給電子，電子又可在十億分之一秒(10-9秒) 內將能量轉換成晶格熱。由於從光能轉換成熱能的時間非常短，加 上雷射光束的功率密度相當高，在單位時間、單位面積內，提供極 高的光能，使得金屬材料表面在瞬間內便可獲得大量的熱能。另一 方面，金屬材料表面所獲得的熱量因為來不及擴散到加工件內部，
以致於幾乎全部的熱量都集中在表面薄層，而工件本體仍然維持在 室溫狀態，但加工件表面的溫度可上升到千度以上，甚至造成金屬 材料表面的融化、氣化。此種使金屬材料表面升溫的速度一般可達 千度，最高更可達每秒 108到 1010℃。也就是這種升降溫快且熱影響 區小的特性，使雷射成為金屬材料加工上的一大利器[18]。
圖 5.1 為雷射銲點的剖面示意圖，一般而言，我們可以將雷射 銲點分成以下幾個部分：融化區(Fusion zone)、部分融化區(Partially melted zone)、熱影響區(Heat-Affected zone)等三個部分。而造成融 化區(Fusion zone)所需的溫度最高、部分融化區(Partially melted zone) 次之、熱影響區(Heat-Affected zone)所需的溫度最低。
由於銲接時急速升降溫的過程中，會產生巨大的溫度梯度而導 致高溫時的熱應力(thermal stress)，及固液相變化降回室溫後，材料 會產生不小的內聚力，因材料拘束關係而產生的殘留應力(residual stress)，這些應力都是造成銲後位移的因素 [18]。圖 5.2 溫度與應力 和微觀組織三者的熱處理互相關係運作圖。它說明了溫度、應力和 微觀組織三者的關係是環環相扣的[19]。
PMZ(Partially Melted Zone)
HAZ(Heat-Affected Zone) in low
temperature
5-1-2 抑制銲後位移的方法
射圓柱型雷射模組。如圖 5.3 所示。
由平板上銲點的銲後位移量測如圖 3.10 可知，雷射光束能量越 大，銲點的銲後位移越大，所以藉由減少入射的雷射光束能量，可 減小銲後位移。因此比較以 45 度及 90 度入射金屬平板時，銲接能 量與銲點深度之間的關係，如以 90 度入射及 Schedule10 來銲接，其 入射雷射能量比 Schedule8 少 20%，但銲點深度確比以 45 度 及 Schedule8 來銲接的銲點深度深 16%。因此以 90 度入射及 Schedule10 來銲接是較佳選擇。因為入射雷射能量減少，其銲點深度並沒有相 對變小。表 5.2 說明入射雷射能量及角度和銲點深度之間的關係。
圖 5.3 上件倒角的示意圖
45 度 45 度
雷射光束
下件 上件
90 度
表 5.2 Schedule8 和 Schedule10 銲點深度、寬度的比較
表 5.3 四種不同抑制銲後位移的實驗結果
圖 5.4 四種不同抑制銲後位移的實驗比較
意圖，將手指放在金屬柄上，並於金屬柄上施加一往外壓的力量，
會發現量測的光功率表上的數值會變化 ，也就是說，因為手指在金 屬柄上施加一往外壓的力量，造成耦光效率的變化。於是就旋轉金 屬柄(小的角度)，改變金屬柄和陶瓷管相對的位置，並同樣的在金屬 柄上施加一往外推的力量，重覆上述的動作，就可以找到最大的耦 光效率值，也就是找到銲後位移的方向 。於是就將手指移開，並在 銲後位移的反方向打上一雷射銲點。
圖 5.5(a)打上六個銲點的成品的示意圖
圖 5.5(b)利用雷射補銲的技術在成品上打上一個銲點的示意圖
圖 5.5(c)利用雷射補銲的技術在成品上打上第二個銲點的示意圖
Ferrule
Block
Block
Fiber
Weld-spot Laser beam Laser beam
Block
Block
Ferrule
Fiber
Weld-spot Ferrule
Fiber
Laser beam
Weld-spot
圖 5.6 已完成構裝的圓柱型雷射模組(打上六個銲點)示意圖 Fiber
金屬柄
Ferrule 陶瓷管
上件
下件
雷射二極體 聚焦平面
球形透鏡 雷射補銲所要打的位置
手指放的位置
最佳耦光功率的方向
原來銲點
5-3 銲後位移的量測與結果
一.圓柱型雷射模組銲後位移的量測
由 3-6 節中，發現當三個銲點同時以 45 度入射金屬平板時，三 個銲點中心點的 x-y 平面銲後位移量很小，更由於實際模組的尺寸 大小遠比量測的尺寸大小還大，所以推測雷射銲點對於模組的 x-y 平面的影響應該更小，幾乎可以忽略。。基於這個理由，推測 Z 方 向的銲後位移，應該是影響模組耦光效率的主要因素，而 Z 方向的
由 3-6 節中，發現當三個銲點同時以 45 度入射金屬平板時，三 個銲點中心點的 x-y 平面銲後位移量很小，更由於實際模組的尺寸 大小遠比量測的尺寸大小還大，所以推測雷射銲點對於模組的 x-y 平面的影響應該更小，幾乎可以忽略。。基於這個理由，推測 Z 方 向的銲後位移，應該是影響模組耦光效率的主要因素，而 Z 方向的