r雷射熱裂切割法具有加工速度快、切割面平整及熱殘留應(yīng)力低等優(yōu)點，近年來已逐漸取代傳統(tǒng)鉆石刀切割研磨法成為光電產(chǎn)業(yè)液晶玻璃基板加工主流。為克服玻璃對近紅外光吸收率較低的問題，YAG雷射應(yīng)用于玻璃熱裂切割時，需使用反射鏡使雷射光來回震蕩。本文透過多曲面反射鏡的設(shè)計來控制雷射光能量場的分布，使YAG雷射應(yīng)用于薄板玻璃切割時能加快切割速度，并利用田口法進(jìn)行多曲面反射鏡的優(yōu)化，使雷射光能量場的分布更接近預(yù)期狀況。ThethermalfracturecuttingtechnologyforbrittlematerialshasbecomethecrucialtechnologyforLCDglasssubstratecuttingtomeetthelowresidualthermalstressesrequirement.ThereflectionmirrorswereinvolvedwhentheYAGlaserplayedtheroleofaheatsourceintheglassthermalfracturecuttingtechnologysoastoovercomethelowabsorptionrateofnearIRforglass.Thisarticlepresentsanidealenergydistributionforimprovingthecuttingspeedofthinplaneglass.Andanovelreflectionmirrorwithmulti-spheresurfacewasdevelopedtoregulatethelaserenergydistribution.Furthermore,theshapeofmulti-spheresurfacewasoptimizedbyTaguchimethodsoastomeettheidealenergydistribution.近年來由于面板產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，液晶玻璃基板的需求激增，熱裂雷射切割法已逐漸取代傳統(tǒng)鉆石輪刀切割研磨法，成為光電產(chǎn)業(yè)液晶玻璃基板加工主流。熱裂切割法是應(yīng)用熱破裂原理來做切割，它具有加工速度快、切割面平整及熱殘留應(yīng)力低等優(yōu)點，其為熔切法與傳統(tǒng)鉆石刀切割研磨法所不能及。而雷射加熱均勻及熱影響區(qū)小等優(yōu)點恰可作為熱裂切割法之熱源。穩(wěn)定的雷射光源經(jīng)由光學(xué)鏡頭將光束聚焦產(chǎn)生玻璃基板上熱場，再加上適當(dāng)?shù)睦鋮s效應(yīng)，使得基板邊端產(chǎn)生初始裂紋(initialcrack)，經(jīng)由熱冷場產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力強(qiáng)度因子場(stressintensityfactorfield)以使裂紋等速成長，最后形成材料的切割效果。固態(tài)雷射兩種，兩者在應(yīng)用上各有其優(yōu)缺點，本研究針對Nd:YAG固態(tài)雷射于玻璃熱裂切割上的應(yīng)用進(jìn)行探討。二、Nd:YAG雷射熱裂切割等人提出，其后的發(fā)展非常迅速，為目前應(yīng)用最廣泛的固態(tài)雷射。Nd:YAG雷射為波長1.064μm的近紅外光，因其晶體熱傳導(dǎo)率高，且為四能級系統(tǒng)，所以可在常溫下以連續(xù)波方式(CW)以高重復(fù)率的脈沖運轉(zhuǎn)。在雷射加工方面，長較短，利于金屬加工物的吸收。而最大的優(yōu)點是可用光纖傳輸激光束，增加加工系統(tǒng)的靈活性。CO2激光束無法用光纖傳輸。此外，與同功率的湊、操作成本低和方便等優(yōu)點。聚焦鏡頭聚焦鏡頭上反射鏡xz加工玻璃保護(hù)玻璃平面反射鏡Nd:YAG雷射是目前使用最為普遍的固態(tài)雷射，摻有銣元素的釔鋁石榴石(neodymium-doped是一種堅硬且同時具有優(yōu)良光學(xué)質(zhì)量與熱導(dǎo)體特性的材料，更由于YAG的立方晶體結(jié)構(gòu)，提供了一個線寬窄的發(fā)光譜線，使雷射的增益高且臨界值替換了同樣帶正三價的釔離子，所以整個晶體沒有電荷配對上的問題。后，對于這個雷射晶體在質(zhì)量上與激發(fā)技術(shù)上有很顯著的改進(jìn)。因此對于單一支雷射桿以連續(xù)波方式的輸出功率，由瓦以下的等級進(jìn)展到數(shù)百瓦。在三固態(tài)雷射。由于玻璃對于Nd:YAG雷射的吸收率較低，因此Nd:YAG雷射應(yīng)用于玻璃切割上不能像CO2雷射般光束整形后直接射到加工玻璃上，而需搭配反射鏡使Nd:YAG雷射于玻璃兩面間來回反射，增加穿透玻璃次數(shù)以累積玻璃所吸收的能量。其架構(gòu)如圖1所示，于加工玻璃上下方各置一反射鏡，上反射鏡之形狀通常為球面。當(dāng)雷射聚焦光束穿過上反射鏡小孔后，在兩個反射鏡間來回震蕩，每通過玻璃一次便讓玻璃吸收部分的能量。此種光機(jī)架構(gòu)與CO2雷射相較之下雖然稍嫌復(fù)雜，但卻有加工玻璃上下受熱均勻的優(yōu)點。由于玻璃對CO2雷射的吸收率高，當(dāng)加工玻璃厚度較大時，玻璃上下溫差將會加大，造成熱裂切割之裂紋難以控制或者玻璃產(chǎn)生非預(yù)期破裂現(xiàn)象。而Nd:YAG雷射利用雷射來回反射，逐次累積玻璃所吸收到的能量，使得玻璃沿厚度方向的溫度變化較小，不會因上下溫差大而破裂。因此應(yīng)用有利。但應(yīng)用于薄板玻璃切割時，因玻璃厚度較小，熱吸收效應(yīng)也較小，為使玻璃能吸收足夠的能量以維持裂紋持續(xù)成長，切割速度不得不放慢。這造成Nd:YAG雷射于薄板玻璃切割應(yīng)用上的瓶頸。因此，如能善用反射鏡來制造一具有預(yù)熱功能之光能量場，則Nd:YAG雷射應(yīng)用于薄板玻璃切預(yù)熱與切割(80%)L穩(wěn)定(20%)D雷射前進(jìn)方向割時便能加快切割速度。預(yù)想之能量分布如圖2所示，左方長條形能量分布為預(yù)熱與切割用之熱源，其能量呈長條形分布，能使雷射前進(jìn)速度增加時，加工玻璃仍有較多時間吸收到足夠的能量。右方兩個緊跟在預(yù)熱與切割用熱源后方的是穩(wěn)定熱源，俾使裂紋成長更為穩(wěn)定，玻璃切割斷面更為平整。預(yù)熱與切割用之熱源的長度L越長越好，以增加預(yù)熱效果，且預(yù)熱與切割用之熱源占玻璃表面能量分布的80%，其余20%能量分配到穩(wěn)定熱源。兩穩(wěn)定熱源中心點之計務(wù)必使散逸能量達(dá)到最小。能量散逸途徑如圖1所示，除由上反射鏡中央小孔散逸之外，如反射鏡設(shè)計不佳也會使雷射光速來回震蕩幾次后由反射鏡邊緣散逸出去。形成圖2之能量分布，須經(jīng)不斷測試后，采用由三個球面構(gòu)成之反射鏡設(shè)計，如圖3所示，大略分為一個預(yù)熱切割熱源之反射面與兩個穩(wěn)定熱源之反射面，可視為反射鏡中挖除3個偏心球所造成的多曲面形狀。此種多曲面反射鏡有數(shù)項設(shè)計參數(shù)，分別為預(yù)熱切割熱源反射面之曲率半徑R1、水平射面之兩球圓心間距C3，各設(shè)計參數(shù)定義如圖4所示。各個設(shè)計參數(shù)需互相搭配與調(diào)整，方能得到所需的能量分布，如采用不當(dāng)設(shè)計參數(shù)，不僅雷射之能量分布與預(yù)期不同，更可能于兩反射鏡間幾次面的垂直偏心量其實也規(guī)范了加工玻璃與多曲面反射鏡之間的距離。雷射光需于多曲面反射鏡與平面反射鏡之間來回震蕩，最佳狀況為雷射光能持續(xù)震蕩而不散逸出去，因此多曲面反射鏡的設(shè)計與兩反射鏡之間的距離息息相關(guān)，也就是說，一個多曲面反射鏡會有特定的工作距離。當(dāng)平面反射鏡上放置加工玻璃時，兩反射鏡之間的最佳工作距離多少會有些改變，但考慮加工玻璃為薄板時，影響不會太大。本文雷射熱裂切割模擬架構(gòu)中所使用的平面反射鏡保護(hù)玻璃曲面反射鏡之球面頂點與下方平面反射鏡間距離為個截面的能量分布皆不相同，如加工玻璃為厚板時，需考慮加工玻璃中雷射能量場沿垂直方向的變C1C1C3C2MirrorZGlassR2ZR1C1初始設(shè)計2322表2.3多曲面反射鏡之初始設(shè)計模擬結(jié)果。E-loss%LE-dst%D初始設(shè)計2.6化，此處僅考慮薄板玻璃，因此直接觀察玻璃表面之雷射能量分布即可。在此采用光機(jī)設(shè)計軟件TracePro(2)進(jìn)行Nd:YAG雷射熱裂之多曲面反射鏡模型模擬，并經(jīng)多次嘗試后得到一組初始設(shè)計，其參數(shù)如表1所示，光機(jī)模擬圖形與玻璃表面之雷射能量分布圖顯E-loss%為散逸能量所占百分比、E-dst%為加工玻璃表面雷射能量中預(yù)熱與切割熱源所占百分比，L為預(yù)熱與切割熱源之長度，D為兩穩(wěn)定熱源中心點之距離，其定義如圖2所示。由表2與圖5之雷射能量分布數(shù)據(jù)可以看出雖然預(yù)熱與切割熱源及穩(wěn)定熱源皆已形成，但兩者之能量分配比例未達(dá)預(yù)期，散逸能量過多且預(yù)熱與切割熱源長度不足。但可調(diào)整之設(shè)計參數(shù)多達(dá)7個，且各參數(shù)間彼此相互影響，很難繼續(xù)以試誤法進(jìn)行優(yōu)化，因此接著利用田口式實驗方法進(jìn)行多曲面反射鏡之優(yōu)化。三、田口法一般最常用的實驗方法大致分為四種：試誤法(tryanderror)、單一因子法(onefactoratatimeexperiment)、完全要因法(completefactorial依賴執(zhí)行者的判斷與直覺，直接透過實驗結(jié)果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。單一因子法是每次實驗只變動其中一個設(shè)計參數(shù)，以評估該項設(shè)計參數(shù)的影響，然后由各參數(shù)影響推測最佳設(shè)計參數(shù)組合。完全要因法是將所有可能的設(shè)計參數(shù)組合均進(jìn)行實驗，于實驗結(jié)果中選取最佳設(shè)計參數(shù)組合。以7項設(shè)計參數(shù)且每個設(shè)計參數(shù)各有2個變動水平的狀況為例，完全要因法需進(jìn)行128(27)項實驗，再由所有實驗結(jié)果中挑選最佳設(shè)計。在設(shè)計參數(shù)較多的情況下，試誤法與完全要因法效率極低甚或不可行，而當(dāng)設(shè)計參數(shù)彼此交互作用較大時，試誤法與單一因子法便極不可靠。本多曲面反射鏡設(shè)計問題恰為多設(shè)計參數(shù)與設(shè)計參數(shù)彼此相互影響的狀況，因此采用直交表進(jìn)行實驗。開發(fā)倡導(dǎo)之實驗方法，一般稱為田口法(Taguchimethod)，是藉由直交表的配置，以有效的實驗規(guī)劃，使用較少的實驗次數(shù)進(jìn)行部分要因?qū)嶒?fractionalfactorialexperiment)與簡潔的變異數(shù)分析，藉此了解各因子對期望目標(biāo)的影響，找出最佳的參數(shù)組合，可有效提升產(chǎn)品質(zhì)量，于日本工業(yè)界雖不如全因子法真正找出確切的最佳化位置，但能以少數(shù)實驗便能指出最佳化趨勢，可行性遠(yuǎn)大于全因子法。直交表典型的表示方式為La(bc)，其意義為共有a次實驗需進(jìn)行，可容納c個b水平的因因子7個，其直交表如表3所示。直交表具有兩個特性，說明如下。每一行中各水平出現(xiàn)的頻率是相同的；如表3的，都是6次。能量分布場能量分布場xz圖5.多曲面反射鏡之光機(jī)模擬圖與能量分布表3.L18(21×37)直交表。ABCDEFGHe1R2ZR1e2C1111111111211222222311333333412112233512223311612331122713121323813232131913313212211332212121133221322113221231322223121322312321231323122321312323321231在某一行出現(xiàn)某水平之所有實驗組，在另一行的頻率是相同的。有這兩項特性同時存在，稱為直交(orthogonal)；有這兩項特性的實驗計劃表則稱得較可靠的統(tǒng)計信息，次要的優(yōu)點是簡化資料分析的工作。值得注意的是，前述完全要因法之實驗計畫必然是直交的且可以將偏差完全排除，但實驗次數(shù)過多而不實用。欲減少實驗次數(shù)多少會造成評估因子效應(yīng)時的偏差，田口式直交表雖無法完全消除實驗設(shè)計的偏差，但已利用直交表的設(shè)計方式將偏差減至最低。子(controlfactor)，為可控制或?qū)τ诓豢煽刂苹驔]辦法控制卻又會影響結(jié)果的因子因子的直交表稱為內(nèi)直交表(innerorthogonalarray)，搭配包含干擾因子的外直交表(outterorthogonalarray)同時使用，以建立所需的實驗計畫表，并以實驗結(jié)果計算訊雜比(signaltonoiseratio,S/Nratio)，透過訊雜比分析以獲得穩(wěn)健設(shè)計雖然田口法最先是應(yīng)用于質(zhì)量工程，但也可應(yīng)用于設(shè)計最佳化問題上。將設(shè)計目標(biāo)視為質(zhì)量評價特性，設(shè)計參數(shù)則視為可控因子，而會影響設(shè)計的其他不可控因素便視為干擾因子。以田口法進(jìn)行設(shè)計最佳化時，雖然無法像一般數(shù)值最佳化般的得到較精確最佳化結(jié)果，但在無法進(jìn)行數(shù)值模擬分析或數(shù)值分析繁復(fù)費時的情況下，利用田口法進(jìn)行實驗，可快速獲得各設(shè)計參數(shù)之重要性與影響趨勢。在本文多曲面反射鏡設(shè)計的題目中，所需的6個設(shè)計參數(shù)皆視為可控因子，暫無干擾因子的設(shè)定，因此直接觀察實驗結(jié)果即可推測最佳設(shè)計參數(shù)，而無須計算訊雜比。假若欲加工數(shù)種厚度之玻璃或考慮反射鏡加工高度設(shè)定會有不可忽略的偏差時，則可將加工玻璃厚度與加工高度偏差視為干擾因子，并建立外直交表以設(shè)計實驗計劃表。四、實驗設(shè)計與結(jié)果多曲面反射鏡設(shè)計之可控因子與其水平如表4用L18(21×37)直交表設(shè)計實驗計劃，各設(shè)計參數(shù)與行的交互作用，因此將只有兩個水平的設(shè)計參數(shù)C3指定到A行，而將B與G行空下(表3中標(biāo)示e1－e2)。依實驗計劃表逐一進(jìn)行光機(jī)模擬，并記表4.各因子之水平設(shè)定。ACDEFHR2ZR1C11222024322402.0340424452.5251E-loss%120111111511圖6.各因子于E-loss%反應(yīng)圖。錄下列四項評價性質(zhì)之實驗結(jié)果：散逸能量百分比E-loss%、加工玻璃表面雷射能量中預(yù)熱與切割熱設(shè)計好壞之依據(jù)。通常評價性質(zhì)為單一個，遇到同時有多個評價性質(zhì)要一起評價時，最容易的方式是配以權(quán)重相加。但本例中四個評價性質(zhì)的重要性不一，且某些評價性質(zhì)太差，如散逸能量百分比E-因此采用漸次分析方式，由重要性高的評價性質(zhì)先分析，先行決定影響大的因子，再逐次以次重要的評價性質(zhì)決定其他因子。各評價性質(zhì)中以散逸能量E-loss%LE-dst%D15.974.02.827.078.332.62.8464.12.857.17.02.867.475.69.975.62.887.672.52.897.070.02.85.9-5.62.469.620.3--26.35.85.640.5-34.95.85.8-百分比E-loss%最為重要，次為預(yù)熱與切割熱源之長度L，最后再考慮切割熱源所占百分比E-dst表5為實驗結(jié)果，其中部分實驗中穩(wěn)定熱源不存在，因此沒有兩個穩(wěn)定熱源中心點之距離D之?dāng)?shù)據(jù)資料。將各因子依其水平分別統(tǒng)計各評價性質(zhì)之平均值，以建立分析各設(shè)計參數(shù)所需之輔助表。以R2因子第1水平于評價性質(zhì)L上之平均值為例，計算方式如下：因子對評價性質(zhì)之影響大小與影響趨勢。能量散逸越少越好，因此散逸能量百分比水平。由之前嘗試多曲面反射鏡之初始設(shè)計時，得關(guān)系圖可以得知：當(dāng)C2選取第2水平時，2水平的能量散逸最小。而由R2與Z的交互關(guān)系表6.各因子之反應(yīng)。ACDEFHR2ZR1C1L17.466.976.527.337.086.3326.747.257.607.006.776.873-7.087.386.977.45E-Loss%19.0823-E-dst%176.6785.6276.2086.4085.3386.42290.9783.9885.2578.0885.4086.183-81.8590.0086.9785.6278.85第2水平較佳，因此R2選取第2水平。源長度L反應(yīng)圖，以C3、C2與R1影響較為顯第3水平。其中C2恰好與E-loss%反應(yīng)圖結(jié)果相符。但只考慮熱源長度L的話，C3應(yīng)該選取第2水平，與E-loss%反應(yīng)圖結(jié)果有些不符，可于后再加以考慮。由之前嘗試3球面反射鏡之初始設(shè)計時得知R1與C1有交互作用，因此計算其交互作此時繼續(xù)觀察圖10各因子對于切割熱源所占30252050R2-1R2-2RC2-1C2-2C2-34030Z-1200Z-2Z-39.0L8.5118.011117.5117.016.5R2ZR1C1初始設(shè)計2320452.5應(yīng)該選用第1水平。所有因子至此全部決定完畢，所得之新設(shè)計如表7所示。此設(shè)計為直交表實驗中所沒有的設(shè)計，這種現(xiàn)象在直交表實驗中常常會發(fā)生，畢竟直交表是以極少數(shù)的實驗來推估最佳設(shè)計。此外，所推估之最佳設(shè)計通常也不是所有設(shè)計中最佳的設(shè)計。以所得之多曲面反射鏡的最佳設(shè)計參數(shù)進(jìn)行光機(jī)模擬，以確認(rèn)優(yōu)化結(jié)果，其光機(jī)模擬圖形與能