1.1 前言
雷射的英文為 LASER，它是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的第一個字母組成的縮寫，其意思是指光受激發輻射放大。雷 射是由加州休斯實驗室的梅曼(T.H.Maiman) [1]在 1960 年 5 月 15 日利用光 與共振腔產生雷射光，而發明了世界上第一台紅寶石雷射器，其雷射光的 波長為 694.3nm。由於雷射能將光能(功率)集中在極小的區域內，所以人們 就開始探索雷射在加工領域中的應用，雷射加工為一種非接觸、無污染、
低噪音的綠色加工技術，因此雷射加工已經成為 21 世紀先進製造技術中不 可缺少的一部份。在眾多的加工技術中又以雷射切割技術最常被使用，雷 射切割是以連續或重複脈衝的方式進行加工，切割過程中雷射光束聚焦成 很小的光點，使聚焦處達到極高的功率密度，使雷射輸入的能量遠遠超過 被材料反射、透射或擴散的部份，因此被加工材料很快被加熱至熔化或是 汽化溫度。而加工材料又以非金屬材料最常被使用，二氧化碳雷射很容易 被非金屬材料所吸收，其光能幾乎全部傳入到材料內部並在瞬間引起汽化 形成孔洞；然而若使用脆性材料如玻璃、陶瓷等進行雷射切割時，必須適 當的控制雷射功率、速度與考慮斷裂成長方向，才能對於脆性材料進行有 效的切割加工[2]。
1.2 文獻回顧
光學量測力學探討的是一項已經發展多年的光電影像式應力應變等的 量測技術[3]。近幾年來，由於影像處理技術的急速進展，使得傳統上以肉 眼判讀光學干涉條紋的費時費力且較不準確的困難得以大幅改進，不少商 業化的軟硬體也隨之問世，使人們可以更便利及更準確地應用光學於工程 力學的量測，這種結合光學應用與力學研究的量測方法即稱之為光測力 學。依照不同的需求以及應用範圍，此光測技術可分為以下幾種方法。
(1) 光彈法：
光彈法(Photoelasticity Method)是一種光學式的全域性應力量測方法，
採用具有雙折射性的透明材料，製成與實際加工試片形狀相似的模型，並 在其上施加與實際負載相同的外力，放置於圓偏振光場裡。由於圓偏振光 場的干涉，形成明暗相間的條紋，而這些條紋代表了模型內部各點的應力 狀態，可用來確定模型各點的應力，再依據模型相似理論，換算成實際加 工試片的應力[4]。
(2) 格子法：
格子法(Grid Method)用於量測變形、應力、應變等等，雖然格子法是量 測力學最傳統的方法之一，但是其實用性、方便性與準確性卻是最普遍與 較容易量測的。格子法的基本原理首先先在試片表面製造出規律的細小方 格子，當試片加工受力變形後，格子將會產生某些程度的位移或變形，將
變形前與變形後的格子點相對應後比較，即可獲得該位置的位移或應變狀 態，進而求出應力分佈情形[5][6]。
(3) 繞射法：
繞射法(Diffraction Method)，其原理是利用當光通過很小的孔洞或是狹 縫時，在觀察螢幕上會產生繞射圖形，如果當孔洞或是狹縫發生位移的變 化時，則在螢幕上的繞射圖形也將隨之改變，利用前後繞射圖形的差異則 可以求出試片受力後所變化的應變量，也可以反推材料所受的應力分佈情 形[7]。
此外本研究室在近幾年來致力於發展微應力量測系統，目的在量測當 平板試片利用雷射進行切割加工時，材料因受熱所產生的熱應力與熱應 變。由鄭、何[8]所研發出的量測系統是利用光學繞射原理配合加裝反射鏡 來減少繞射的距離，大幅精簡量測系統的體積並有效地與雷射加工機台作 整合以進行線上加工的量測，透過對於加工試片的幾何設計不僅可避開雷 射的切割路徑而且可量測到熱加工點附近的應力應變。而經由實際的實驗 結果可得此量測微應力系統的應力量測解析度可達到±20kg/cm2，可量測範 圍達±2184kg/cm2。
1.3 研究動機與目的
雷射是 20 世紀人類重大的科技發明之ㄧ，因此在雷射發明不久後，便
漸漸的被使用在各種領域；在製造加工業裡，利用雷射具有高能量的加工 特性，取代了傳統加工機台，但由於雷射加工時，控制加工參數對於材料 的應力影響及加工時的成效不易觀察分析，所以本研究分別以理論模擬分 析與實驗量測驗證方法加以討論。
本 研 究 在 平 板 熱 應 力 的 數 值 分 析 模 擬 方 面 ， 使 用 有 限 元 素 軟 體 ANSYS，利用 ANSYS 分析軟體模擬動態熱源加工過程的熱應力分析與模 擬。因為雷射切割是一種動態的熱源負載，而且雷射光的熱源通常是呈近 似高斯函數的分佈，所以必須要利用到 ANSYS 裡的參數化程式開發語言 APDL，對模擬進行連續式熱源負載與高斯熱源函數分佈。在雷射加工過程 中，試片從固體受熱熔化為液體，甚至為氣體，其變化的同時發生在一個 很小的材料體積內，相的轉變伴隨著熱能，也就是潛熱(latent heat)的吸收與 釋放，大多數的研究學者在分析以雷射為熱源的材料加工過程時，並未考 慮熱焓性質。由於本文所選用的材料為具有彈性的壓克力試片，在雷射加 工時有切出一條小細縫，故在模擬分析需考慮到其熱焓的性質，如此以來 才能更加貼近實驗的數據。
為避免影響雷射加工材料的應力，本實驗的量測方法是採用光電影像 式非接觸式量測技術。本實驗室建立的非接觸式光電影像式微應力量測系 統，結合了光學顯微鏡與 DVT 影像擷取器，觀察試片在進行平板的雷射切 割加工時應變量的變化。