雷 射 雕 刻 介 紹
1、雷射加工
雷射是一種電磁波，波長接近可見光範圍，有許多性質與光線相仿，可用鏡片反射或聚焦，某些種類雷射甚至可用光纖傳導。雷射因為有以下幾種特性，工業上使用很廣泛。
●能量集中在一小點，能在瞬間加熱工件。
●位置控制精密度高
●非接觸式加工
●加工種類多樣：隨雷射種類不同，有切割、雕刻、表面硬化、標識、焊接、融接、蝕刻等應用。
每種材料的吸收光譜都不一樣，要視材料及加工種類，選用適合的雷射。例如CO2雷射可切割壓克力，YAG雷射對壓克力則幾乎沒反應。
2、常見工業用雷射
●CO2 雷射：波長10,600 nm，一般用於金屬切割、塑膠切割、木材雕刻等應用。
●YAG雷射：波長1,064 nm，一般用於金屬與塑膠標識、金屬與塑膠雕刻、金屬焊接、塑膠融接、金屬表面硬化。
●DIODE(二極體)雷射：800~1,100 nm，一般作為YAG雷射的激發源或應用在塑膠融接。
●Excimer(準分子雷射)：波長193/248/308 nm，一般用於晶圓蝕刻。
塑膠產品大都採用CO2 雷射切割，以YAG雷射雕刻。適用於CO2 雷射切割的塑膠材料為PMMA與ABS，PC愈熱會變焦黑並產生大量煙氣，不適合用雷射切割。YAG雷射在塑膠的應用很多，主要用於雕刻，特別介紹如下。
3、YAG雕刻雷射
YAG雷射的雷射來源為Nd:YAG (釹:釔鋁石榴石) 晶體，雷射由Nd原子產生，波長1,064nm，屬於近紅外線，肉眼無法看到。YAG雷射是工業用雷射中能量最穩定，光點最小的種類。常見的輸出功率為5~100 W，但因為可用Q-Switch將能量轉換成脈衝輸出，實際每次雷射擊發的能量可高達數千到數百萬瓦。YAG雷射構造如下圖：
    主要組件：
●雷射晶體：有Nd:YAG 與 Nd:YVO4二種，後者的脈衝頻率較高，適合漆雕。廠內的雷射即為此類。
●激發源：    燈管或是DIODE二極體發出大量光子，刺激雷射晶體的Nd原子產生雷射。DIODE光源效率高，使用壽命長。廠內的雷射即使用DIODE激發源。
●反射鏡：    後反射鏡採用100%反射鏡面。前反射鏡採用70%反射，30%穿透鏡片。雷射晶體、激發源、前後反射鏡等四項零件組成「共振腔」。
●品質開關：    轉換雷射連續波(cw)成為脈衝波(pulse)。
●掃描：    利用二塊鏡片控制雷射光束在X與Y軸方向前進，掃描速度相當快，最快可達9,000mm/s。
●平場鏡片：    將雷射光束聚焦到掃描區平面，常見的有170x170 mm與120x120 mm兩種。越大的鏡片掃描區越大，產量較大，但解析度會降低。廠內的雷射掃描區大小即為180x180 mm。
工作原理：
來自激發源的光子刺激雷射晶體內的Nd原子產生雷射，經前後反射鏡多次反射，在共振腔
內逐次累積能量，高能量的雷射光束穿透半透明的前反射鏡，經過一連串的光圈與放大器進入掃描。精密控制掃描內的XY反射鏡震動，將雷射導引到預定的位置，利用雷射的熱能加工物件。
4、YAG雕刻雷射的應用
YAG雷射有四種效應，各有不同的應用，所需雷射能量由低至高分別為：
1.color change (變)
某些塑膠遇熱會變，例如PC會變黑(附圖A)。因為雷射的光點很小(約0.04~0.06mm )，若材料適合，精密控制每次擊發的雷射能量，產生灰階，可以打出解析度很高灰階點陣圖像(450~600dpi)。
金屬中鈦合金與不銹鋼也有變效應，顏有四五種，但沒有灰階的變化(如附圖B、C)。
限制：
1.大部分塑膠吸收雷射能量後沒有變效應，而是直接燒焦；少部分塑膠對YAG雷射吸收率很低，例如透明PMMA可完全穿透雷射，沒有反應；ABS對雷射的吸收率也不高。只有少數幾種塑膠可以打變，例如PC。
2.要打灰階點陣圖，除了要選對材料，基材本身的顏也很重要，理想的顏是要與變後的顏呈明顯對比。例如PC用雷射打後會變黑，基材選用白PC，灰階效果就很明顯。
3.透明PC也會吸收雷射，如附圖D。
4.雷射焦點大小會隨著焦距變化而改變，進而影響能量密度與灰階深淺，雷射打變的焦距有效範圍約 2mm。若加工件有曲面，必需考慮焦點大小所造成的影響。
5.雷射是以2D平面作業，打在3D曲面上會變形。若有必要，需事先在圖稿上作修正。
6.金屬打變速度慢，而且生產件很窄，設計限制較多。
附圖A：color change (PC灰階點陣圖)           
附圖B：不鏽鋼變
 
附圖C：鈦合金變
附圖D：透明PC變
2.coating removal (漆雕)
漆雕
利用雷射的熱能將基材表面塗層去除，例如噴漆或VM層(附圖E、F)。汽車溫控按鍵的透光功能(day & night design)，大都以雷射漆雕加工。
若雷射的能量控制精密度夠高，漆雕也可用於打虛擬灰階點陣圖(附圖G)。
限制：
1.雷射漆雕會產生汽化煙霧，不適合在無塵室中作業。
2.所有的漆料都可用於雷射漆雕，但漆料與各種基材的咬合層厚度不同，會影響雷雕效果(殘漆)。接案前要先做雷雕實驗，瞭解兩者的咬合程度。必要時可分二次漆雕，第一次能量較高，去除漆層；第二次能量較低，用來打光去殘漆。
3.若基材是透明材料，雷射可將漆料去除乾淨，但基材表面會變得些微不透明(白霧狀)。但若是VM，雷射可將VM層去除，而且維持基材(PMMA)的透明度。
4.漆雕圖檔的佈線(hatching)設計非常重要，好的設計可有效去除漆層並加快生產速度。尤其是圖檔有銳角時，只能用特殊的佈線設計才能達成。
5.雷射焦點大小會隨著焦距變化而改變，進而影響能量密度。若焦距變化太大，會產生殘漆或燒焦現象。雷射漆雕的焦距有效範圍較變為大，約 3mm。若加工件有曲面，需考慮焦點大小改變所造成影響。
6.雷射是以2D平面作業，打在3D曲面上會變形。若有必要，需事先在圖稿上作修正。
7.廠內的雷射掃瞄範圍為 120x120 mm，若加工範圍大於此值，需使用XY TABLE移動工件。但要考慮到移動工件後，兩個掃描區交接處的漆雕連續性，最好在圖檔設計時就避免在交接處漆雕。
附圖E: 漆雕 (day & night design) 
附圖F: 漆雕 (鋁VM鍍在PMMA上)
附圖G: 漆雕 (虛擬灰階點陣圖)
3.foaming (浮雕)
若雷射加熱能量略低於基材的汽化溫度臨界點，基材有部份開始汽化，但因為表面冷凝較快，封住了汽化物質的出路，在基材內部產生汽化胞，凸出於表面，例如附圖H。
限制：
1.並非所有的塑膠都可打出浮雕，較好的材料為PC。
2.浮雕的生產件很窄，設計時要多注意。
3.浮雕的耐磨程度較差。
附圖H: PC料浮雕
4.engraving (凹雕)
當雷射能量高於基材汽化溫度時，可以在基材上劃下一道凹痕，是為凹雕。塑膠凹雕的融膠堆積(火山口效應)很嚴重，外觀不佳(附圖I)。ㄧ般雷射凹雕應用在金屬較多，例如(附圖J)。近來用雷射深雕模具的技術越來越成熟(附圖K)，是雷射凹雕的主要發展方向。
限制：
1.凹雕所需的能量很高，應用在塑膠上會同時產生汽化/融熔/燒焦三種現象，外觀很差，只適合作標記，不適合用於裝飾。
2.金屬凹雕要使用大功率雷射(50W以上)，而且加工時間很長，例如附圖K的深雕人模具約須2個小時。
附圖I: PC料凹雕
附圖J: 金屬凹雕 (source: ROFIN LASER)
附圖 K：模具深雕 (source: FOBA LASER)