飛秒雷射玻璃表面功能化

日期：2026/09/09

飛秒雷射玻璃表面功能化（Femtosecond Laser Surface Functionalization of Glass）是指利用飛秒級的超快雷射，在玻璃表面進行奈米級的精密結構加工，進而賦予玻璃原本不具備的光學、表面張力、生醫或力學功能。

由於飛秒雷射具有極高峰值功率與極小熱影響區特性，它能在不損傷透明玻璃基材內部結構的情況下，精確改變玻璃最外層（微米至奈米級）的物理形態與化學特性。

玻璃表面之次微米級改質

飛秒雷射能精準地對玻璃正反兩面進行極淺層的表面改質，而不會破壞其內部結構。透過仔細選擇加工參數，並在接近材料損傷閾值的條件下操作，可形成一種自組織的準週期性表面結構，稱為雷射誘導週期性表面結構（LIPSS）。這些結構的形狀、週期與深度取決於雷射加工參數，因此能依不同應用需求，打造專屬的表面特性。

(圖 1. 使用 Jasper X1 飛秒雷射改質的青板玻璃表面。)

雷射加工玻璃之抗反射與防霧特性

LIPSS 結構的存在，賦予玻璃表面獨特的功能特性。首先，這些結構能顯著降低表面反射率，產生抗反射（AR）效果，提升光學穿透率並改善視覺清晰度。其次，經過改質的表面會變得高度親水。由於有效表面能降低，凝結的水滴會擴散成一層薄且近乎透明的水膜，而不會形成會散射光線的獨立水珠。因此，該表面展現出優異的防霧性能。

(圖 2. 使用 Jasper X1 飛秒雷射對鈉鈣玻璃進行局部改性，以展示其防霧效果。)

飛秒雷射加工相較於傳統方法之優勢

飛秒雷射表面功能化技術在抗反射與防霧應用上的一大優勢，就是它的超高通用性。這種製程幾乎適用於各種玻璃，我們的經驗涵蓋了鈉鈣玻璃、硼矽玻璃（如 BK7）、熔融石英，以及電子應用中的特殊玻璃，包括 Corning® Gorilla® Glass 和 Corning® Eagle XG®。

另一個亮點是，這種改質直接在玻璃表面進行，不需要額外的功能性塗層。雷射結構化製程能在常壓大氣下操作，不必用到薄膜沉積、無塵室或昂貴的保護氣氛設備。因為功能來自表面拓樸結構本身，而不是外加塗層，所以不像傳統抗反射或防霧塗層那樣有剝落或脫層的風險。

實驗結果顯示，改質後的表面至少能維持功能六個月，長期耐用性測試仍在進行中。而且即使經過多次清潔循環，性能依然穩定，證明了雷射誘導表面結構的可靠性。

面向工業化應用之開發設計

此技術從研發之初，即以工業化應用為目標。該製程可輕易整合至現有生產線中，並實現全自動化操作。透過將飛秒雷射與高速掃描系統結合，無論是小型光學元件，還是面積達數平方公尺的大面積玻璃面板，皆能高效加工。目前的加工產能可達 200 cm²/min，同時在整個加工區域內，仍能維持優異的均勻性與高重現性的表面結構。

以量化反射率與穿透率測量驗證之玻璃性能提升

在可見光（VIS）光譜範圍內進行的光學表徵顯示，BK7 玻璃與鈉鈣玻璃經飛秒雷射表面織構化處理後，其鏡面反射率皆大幅下降。未經處理的玻璃反射率約為 8–10%，而經雷射結構化處理的表面，反射率則低至 1–2.5%。抗反射效果在近紫外光與可見光範圍內最為顯著，並隨著波長趨向近紅外光而逐漸減弱。這種與波長相關的行為，可歸因於雷射誘導表面結構的特徵尺寸與入射光波長之間的交互作用，同時影響有效折射率梯度與光散射。這些結果證實，飛秒雷射織構化技術提供了一種有效且無需塗層的方法，可用於製造寬頻抗反射玻璃表面，並在大多數光學與光子系統所使用的光譜範圍內展現出特別優異的性能。