先利用加工機台軟體 Markingmate 設定一正三角形,其邊長為 250 m,加工方式為沿著正三角形掃描,目標為產生一三角型外框,
當改變不同的雷射功率下,可以發現雷射功率在 3 W 下,鍍鋁基板上 可產生線寬約 70 m 之三角外框,但功率過高下,則金屬鋁吸收過多 能量,溫度上升外擴,反而造成鄰近的鋁達到汽化溫度,線寬達~100
m,如圖十所示,故 3 W 的加工功率已足夠。
圖十 (a)加工功率 3 W (b)加工功率 5 W (c)加工功率 7.5 W
(二)雷射加工參數:掃描路徑差異
透過前段加工功率的測試,將雷射輸出功率設定在 3 W 平均功 率,並測試不同的雷射加工掃描路徑造成之差異性,首先以實心和空 心六邊形狹縫的掃描方式為例,如圖十一所示。圖十一(a)設定的掃描 方式可形成空心六邊形圖樣,而圖十一(b)設定的掃描方式,會造成一 實心六邊形圖樣。
圖十一 (a)實心掃描路徑之狹縫 (b)中空掃描路徑之狹縫
最初我們使用實心圖案的掃描路徑,經 beam profiler 觀察後,其 繞射圖案較不明顯,如圖十二(a)。由繞射的原理可知狹縫越窄的話,
繞射現象的產生會更為明顯,因此後來以空心圖案做加工後果然其繞 射現象較強烈,如圖十二(b),故後續圖案皆已空心的形式去加工。
圖十二 (a)實心狹縫之繞射圖案 (b) 中空狹縫之繞射圖案
(三)雷射加工參數:掃描速度差異
不同的掃描速度會影響到狹縫邊緣的平滑程度,主要差別在於加 工速度越慢,單位時間內累積的雷射功率越多,累積足夠能量,造成 金屬鋁溫度上升,達到汽化溫度,進而移除,由圖十三(a)可以看到,
在雷射平均功率固定在 3 W 時,當設定掃描速度達 500 mm/s,因雷 射光束掃描過快,熱量累積不足,使得線寬較窄,同時容易出現不規 則線條,同時有些區域的金屬鋁沒有完整清潔,當掃描速度降至 100 mm/s,合適的雷射光束掃描速度,可以得到完整的狹縫圖案,如圖 十三(b)所示。
圖十三 (a)掃描速度 500 mm/s (b)掃描速度 100 mm/s
(四)Beam Profiler 繞射結果
利用圖九的實驗裝置紀錄不同幾何結構的光繞射圖樣,因繞射光 的 0 階與高階繞射光強度差異很大,估計落差 100 倍以上,這對利用 beam profiler 進行繞射光的空間分佈是個很大的挑戰,若 0 階繞射光
曝光量不飽和,則高階繞射光記錄不到,故起初為了降低 0 階繞射光 強度,因此我們以中心直徑約 100 m 的圓形金屬鍍鋁圖案去遮擋,
但實作後發現,經過遮擋後,繞射現象變得很不穩定,可能原因為振 動問題,或是 100 m 圖形圖案額外造成的繞射現象,如圖十四所示。
圖十四 受遮擋之繞射能量分佈。
最後為了避免額外的不穩定繞射現象,我們沒有使用額外的圓形 金屬鍍鋁削減 0 階繞射,而是調高 Beam Profiler 的曝光時間,讓 0 階繞射過度曝光,高階繞射光可以記錄下來的作法,對繞射現象去做 觀測與分析,如圖十五所示。
圖十五量測繞射圖可對應到圖八的中空幾何圖,左側圖表示的 2 維的繞射分佈,而右側的圖形為 3D 的強度分佈,由於 0 階繞射光的 強度過強,故過度曝光後呈現白色,可以觀察到繞射圖樣可利用單狹 縫繞射與雙狹縫干涉現象來解釋,其中中空三角形與中空 5 邊星形都 可以觀察到呈現倍數(6 與 10 邊)的繞射圖樣,因中空 5 邊星形與中空 六邊形的對稱結構,又造成干涉現象產生,而干涉的分佈又伴隨著繞
射的強度分佈調制,形成了複雜又美麗的光形圖案。
圖十五 (a)中空三角形繞射 (b)中空六角形繞射
(c)中空 5 邊星形繞射
(三)繞射角度計算 (以單狹縫為例)
多邊形狹縫的繞射圖形分析較不容易,但為了確認我們以雷射加
工後的狹縫所產生繞射現象的準確性,因此我們以較為單純的單狹縫 去做測試及測量出實際和理論的差距,圖十六(a)顯示的為雷射加工單 狹縫之線寬,圖十六(b)利用 beam profiler 量測繞射光之空間分佈,其 中中心光點和第一暗紋之間距為 =1090 m,單狹縫寬 b=110 m,
量測使用透鏡焦距 f=200 mm,利用中心光點與第一暗紋之角度計 算,可以得到量測與理論值之誤差為 5.3%。
110m
圖十六 (a)單狹縫 (b)單狹縫繞射 2010), pp. 131~193.
2. T. V. Duong , A. Dunn , T. J. Wasley, R. W. Kay, J. Stringer, P. J. Smith, C.
Connaughton, and J. D. Shephard, “Nanosecond laser textured superhydrophobic metallic surfaces and their chemical sensing applications,” Applied Surface Science 357, 248 (2015).
3. R. C. Smith and J. S. Marsh, “Diffraction patterns of simple apertures,” J. Opt.
代入 =bsin ( = ) (1)
再代 y ( ) (2)
誤差: 100%: 100%=5.3% (3)