作者: By: Brett Heintz, Applications Engineer, Aerotech Inc.

译者: William Yeh, Regional Sales Manager, Aerotech Taiwan

选择针对某制程最适化的自动控制定位系统时，需要对于制程参数以及定位系统之误差分析有全方位了解．在近期的雷射直写制程中，需要定位系统的精密度已经提高到无法不使用制程参数来评估定位系统规格．大体而言，一般雷射直写制程包含雷射源，聚焦镜组，以及运动系统以将工件定位至正确位置　（图一）．传统而言，此制程通常是研究员用来在石英玻璃材料中，搭配UV雷射，直写布拉格光栅　（fiber Bragg grating），光波导（waveguides），定向耦合器（directional couplers）等等[1]．在产业界中，这道制程已经成功用来生产许多耦合组件用来进行光电组件的光束对位，以及生产扩增实境的光学镜片等等．目前最新的雷射直写制程已经可以展示出，在Corning Gorilla Glass超硬玻璃上，成功直写透明的光波导，以应用于手持装置的面板[2]．表面电浆子传感器（Surface plasmon sensors）透过在显示器上雷射直写，可以被用于生物感测技术以及气体侦测技术，而马赫－曾德尔干涉仪可以被用于温度感测应用上[3]．

图1：在一套常见的雷射直写系统中，XY轴通常会设计于工件底下，Z轴（聚焦轴）依照不同制程，通常设计于工件下或者在工件以上用来移动物镜．

若需要选择一套最适化的运动控制次系统以用来蚀刻手持装置上显示器的光波导，其制程参数与目标必须要清楚确认．第一，光波导必须要有最低的衰减，在蚀刻的光波导中，波长衰减直接与能量密度吸收有关[3]．因此，雷射光斑放置距离的一致性与可程序化必须要可控制并可预测．将光斑间距与运动系统做同步可以使用定位平台具备高速度稳定性来达到此需求，当搭配定频率雷射时．然而，速度不稳定性可能会影响到光斑放置距离一致性的问题，使用者可能需要在控制时，持续更改速度条件以搭配固定输出频率．若使用校正后的光学尺回馈讯号，以控制雷射光斑输出的距离，并控制一维，二维，甚至三维的触发控制，搭配奈秒等级的延迟时间，可以有效的解决光斑放置距离不一致问题，并减少程序复杂度．用户将可以直接以加工路径做程序编辑，不需要担心光斑间距改变，甚至在多维结构均可以轻易实现(图二).．

图2.a将雷射输出控制与运动控制器的编码器回馈讯号同步，不论在转角或速度改变，均提供一致性的光斑间距


图2.b 在200 mm/s速度下加工，进行光斑同步转角动作，维持光斑间距一致性

若需要生产许多基于光波导的传感器于玻璃显示器上，需要确保蚀刻路径的3D空间路径趋近于理想值．例如定向耦合器（directional couplers）其包含多组光波导，间距仅有5 ~ 9 micron的宽度，它们对于位置误差的敏感度达到100 nm左右的数量级，因此运动控制与定位系统的重复定位精度，需要在整个玻璃显示器尺寸上达到次微米．传统的三轴飞秒雷射加工实验室机台，例如图三内显示的小型实验室等级机台，使用堆栈式XY机械轴程平台，与独立的垂直移动聚焦轴．当需要加工的范围加大，由于显示器尺寸与数量加大，因为机械轴程平台滚动组件造成的几何公差，以及平台生产的公差等，将会造成加工光波导的不一致性．

因为这些原因，机械轴程平台通常会被气浮轴承所取代，使用空气薄层，产生非接触式的轴承，解决因为滚动组件所造成的几何公差问题，另外，气浮轴承因为可以平均化轴承表面的高低起伏，可以在所有方向甚至提供更高等级的重复定位精度．产生的结果将可以生产更高重复性的光斑位置，也就代表更高质量的光波导相关装置．

图3.　小尺寸飞秒雷射微细加工系统Photo courtesy of Altechna R&D.

为了达到更高的大范围，次微米定位精度，部分项目会搭配共平面镜组，以及雷射干涉仪回馈装置 (图五)，搭配高分辨率讯号细分器，用户将可以达到0.15 nm等级的分辨率，并且可以用来产生误差补偿表格．此误差补偿表可以用来校正光波导传感器放置位置物差的精度，提供高达整个面达到+/- 50 nm的重复定位精度．使用H 型设计的共平面气浮轴承，（图四，图五）可以将玻璃机材与位置回馈装置距离拉近，降低传统堆栈平台的几何公差，可达到最高等级的雷射光斑放置精度能力．

图4 PlanarHD共平面气浮轴承系统具备绝佳几何精度，达到 +/- 50 nm长时间重复定位精度


图5 XY　共平面气浮轴承系统搭配整合的 Z/Theta/Z 轴，以及2D雷射干涉仪回馈装置，提供光电芯片上的光波导直写制程.Photo courtesy of Paul Gow, Ph.D., of the Optoelectronics Research Centre (ORC) at the University of Southampton, England.

若需在显示器表面上蚀刻三维传感器，光波导将需要被蚀刻在玻璃机材的三度空间内，三维结构成形会需要动态去改变聚焦位置，因此会需要定位系统在进行XY位移时，焦距的改变非常高速且精准的完成．以确保光波导不会因为光斑放置位置误差，导致有偶发性的耦合，使用饶性轴承机构搭配压电奈米致动器的焦距控制轴 (图六)可提供高速，精准的光斑放置位置，范围达400 micron，使用电容式位移计可达到< 10 nm等级的重复定位精度，提供光波导的直写可以直接在显示器下进行传感器直写．

图六.a QFocus饶性轴承压电平台可以提供高速，高精度的物镜焦距调整

图六　.b QFocus　空载情况下，移动400 micron位移，在 15 ms 时间内位移整定完成，放置150 物镜，则可在30 ms移动整定完成

　　成功选择精密运动控制与定位系统，用以将一道高精度的制程自动化，需要对于制程参数以及与运度机构的关系具备全方位了解．先进制造技术，例如雷射直写显示器内的光波导线路，需要优化的运动控制与定位平台与控制技术，以达到新制程开发的需求，在未来可解决过去无法解决的制程问题，甚至开发新应用如个人化的生物感测技术，化学物质的侦测技术，全部整合至手机的显示器内．


References
[1]  J. Gates, C. Sima, C. Holmes, P. Smith (2013). UV direct writing of planar waveguides: basics and applications. https://spie.org/news/5036-uv-direct-writing-of-planar-waveguides-basics-and-applications?SSO=1
[2] J. Lapointe, M. Gagné, M. Li, R. Kashyap (2014). Making smart phones Smarter with photonics. OPTICS EXPRESS 15474. Vol. 22 No. 13, DOI:10.1364/OE.22.015473
[3] J. Lapointe, F. Parent, S. Loranger, M. Gagne, R. Kashyap (2015). Empowering Cell Phones with Photonics. IEEE