全球雷射產業與台灣雷射加工產學合作
2014-05-31 發佈 | 作者:大中華機械五金總覽 [國立清華大學助理研究員 林彥穎/六星機械工業公司董事長特助 黃呈豐]

光電產業有一特點,就是其應用幾乎是無所不包,從每個家庭都有的電視、光碟機等消費型電子產品到雷射精密加工、雷射金屬焊接等工業生產用的大型機台,都可以算是光電產業有關的產品,但其另一個特點是純粹的光電產品很難自身成為一個完整的終端產品。所以本篇文章選擇光電產業中的雷射源(laser source)產業狀況做為起點,用簡單易懂的譬喻來進一步探討雷射加工的原理及未來適用於台灣發展的契機。

根據Laser focus world於今年一月份的報告及預測中(http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-50/issue-01/features/laser-marketplace-2014-lasers-forge-21st-century-innovations.html )可以得知,去年(2013年)雷射光源產值88.1億美金,而今年(2014年)預計上看93.3億美金,約有6%的成長,雖然與個人筆記型電腦與平板電腦等消費型電子產品的市場規模相比,是不成比例的小,但是這些雷射光源應用的領域涵蓋通訊、光儲存、材料加工、微影應用、醫療美容、科學研究及軍事、儀器及感測器、娛樂及顯示器和雷射列印,假如以6%做為分野的話,材料加工、微影應用、醫療美容、儀器及感測器、娛樂及顯示器的成長將超過整體市場的成長,由此可以大膽的猜測,持續性的發展雷射加工技術,是一個十分值得投資的方向。

在我國雷射加工技術的發展已經進入白熱化的階段,除了工研院於台南六甲成立積層製造與雷射應用中心之外,金屬工業研究發展中心也在發展雷射加工的相關技術。但是目前在發展技術的過程中,還是常常會被問到一個問題,到底什麼雷射會是雷射加工最好的選擇?每當碰到這個問題時,我們遇到兩種反應,就是我們提供的答案往往簡單到或者高深到無法令人理解。因為我們的答案是要看光與加工物質的交互作用。白話一點就是看物質的吸收、散射等物理的特性,至於選擇哪一種與雷射本身沒有太直接的關係。舉一個非常容易明白的例子,鋸子是常見的切割工具,基本上來說任何一把鋸子都可以用來切割木頭、塑膠管、金屬等,但是效率跟結果不一樣。所以目前雷射工具機大廠,多半只標示所使用雷射光源的平均功率及波長,就是不希望更準確的參數直接曝露,造成競爭對手的追趕。

接下來介紹一些雷射參數及關聯性,首先我們從下列的物理關係式開始:功率(瓦特)×時間(秒)=能量(焦耳)。從這個公式中可以得到一個啟發就是,當你在固定的時間內需要越高的能量時,就需要把功率提升,此時的功率是指雷射平均功率(Average Power),此參數標示的是雷射每秒鐘總共能提供多少能量(焦耳Joule)。從另外一方面當可以取得的能量固定時,假如能夠把時間一直縮短,功率就可以獲得提升。此時的功率是指雷射瞬間峰值功率(Peak Power),此參數標示出一些脈衝雷射瞬間的功率值的大小。所以當你的加工目標需要的是累積總能量並減少能量逸散時,越高平均功率的雷射光源,對你的加工目標(過程)越有幫助,而此時具有高峰值功率的脈衝式雷射不提升平均功率(不具備高平均工率),反而無助於加工效率的提升,反之亦然。

一般而言,雷射加工的特點在於非接觸式與熱影響區較小,對精密及多變化的工作需求較能勝任,所以就算是利用高平均功率的雷射光源可以進行焊接、切割等工作,但是還是主要應用於厚度較薄的加工物件上。而為了發揮雷射精密加工的特點減少後處理的步驟,目前雷射加工發展的趨勢往降低熱影響的方向前進,所以除了原先已經被大量使用奈秒(10-9s)級Q-開關雷射之外,現在世界上的潮流都往皮秒(10-12s)或飛秒(10-15s)級的鎖模雷射光源發展,圖一(a)為利用40奈秒雷射在不鏽鋼上鑽孔及圖一(b)為利用10皮秒雷射在鑽孔上的差別。運用40奈秒雷射的盲孔旁邊會有因為熱效應而產生的熔渣,而10皮秒雷射所產生的盲孔,由於脈衝能量較小但仍維持有高峰值功率,所以沒有融渣產生。

然而對於產業界來說,往皮秒或飛秒級的雷射加工發展最大的問題還是高昂的資本投入,此時發展的策略就可以遵照今年三月份新上任的科技部張部長強調的產學要進行密切的結合來進行,深究其關鍵性的做法就是資源共享及知識共享。但是要達成資源共享及知識共享的最大鴻溝還是在於產業界及學術界的專長不同。產業界的專長在於把技術轉為實質上的經濟收入,所以對於比較利益及各種投資額都會進行縝密的評估。而學界的專長在於大膽的探索各種方向,找出新的發展方向的樂趣,遠超過金錢上的增長得到的滿足。所以在這兩種不同的發展策略,交集還是要在於產業界樂於分享資源,學術界樂於分享知識才有辦法達到雙贏。舉例來說圖二所示的177兆赫(MHz)一微米13皮秒鎖模雷射,是逢甲大學光電系林碩泰教授自行設計的雷射光源,其功率及各種參數表現都不遜於目前商業化產品,也適用於某些雷射加工的用途。但繼續把此系統包裝成產品,絕對不是學術界的首要目標,因此假若沒有產業界與其提出合作分享資源構想,這些基礎是不能單獨成為學術論文,也不會特別被拿出來推廣,因而產業界也無從得知台灣學界有能力產出有利於產業的知識。其實這種問題同樣的在國外也會發生,所以國外會定期舉辦產業界、研究機構及學術界共同參與研討會,例如SPIE Photonics West光電展覽會暨學術研討會便是此類的會議。今年度的活動甫於二月一日在美國舊金山MOSCONE CENTER舉辦,相較於產業界熟習的商業展覽會來說,SPIE Photonics West絕對不是最大的商業展,但是絕對是走在最前端的雷射光電應用展覽會及研討會,理由是Photonics West完美的提供了一個齊聚一堂的舞臺,藉由三種原本屬性不同的人員相互的交流,讓大家互相能夠了解各自的需求及考量。

雷射精密加工的發展,是一個十分適合臺灣的產業方向,因為台灣產業界對於系統整合、自動控制的能力是倍受肯定的。雖然現在普遍都受限於雷射光源多為外國進口的緣故,所以產業界發展的進度落後外國許多,但是政府在學界已經厚植投資了很多此方面的人才,而且研究水準也已經到達國際級的水準,目前雷射精密加工產業進一步升級所需的知識,也有很多團隊已經具備,例如國立清華大學的前瞻光電研究實驗室團隊在先進雷射領域已經備受國際間同儕的肯定,其中的主要成員近年也曾發表過備受矚目的成果,不只能夠掌握奈秒、皮秒和飛秒雷射的特性,此團隊也是被認可頂尖的阿秒(10-18s)雷射研究的先驅者。總之希冀透過此篇文章,讓業界朋友對於雷射光源有進一步的認識,另外業界目前對於雷射光源的選擇常過度簡化為高中低功率的分類,此類現象若能透過更多產學合作,就能克服業界因為對於雷射的未知而產生的恐懼。以工具機業者而言,在開發雷射應用機台時,第一階段往往需要決定選擇何種光源?跟哪家國外廠商購買光源? 此階段往往造成大多廠商卻步或裹足不前;第二階段當雷射光源購回,還得面對如何調整光源? 找到最佳參數來搭配加工? 更遑論第三階段自己來組配雷射光源以及遙不可及的自行開發光源,因此鼓勵更多廠商與優秀的台灣研究團隊進行合作,也讓學術單位更知道如何提供產業需要的知識,而非獨自往更高深的科學領域探究,卻鮮少著墨於推廣產業界現階段渴求的技術,最終達到良性循環創造屬於台灣自己的雷射產業。