ITO薄膜激光刻蝕設(shè)備勻光系統(tǒng)的Matlab實(shí)現(xiàn)

摘 要:在簡(jiǎn)要分析目前激光微細(xì)加工系統(tǒng)中存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種能將能量呈高斯分布的激光束轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)平頂光束的勻光系統(tǒng)。介紹勻光系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)原理，重點(diǎn)利用Matlab圖形繪制功能，設(shè)計(jì)合理參數(shù)對(duì)勻光系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。最后簡(jiǎn)述了目前已經(jīng)成熟的光束整形技術(shù)，該勻光系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、功能卓越、使用簡(jiǎn)潔，在激光微細(xì)加工領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:ITO薄膜激光刻蝕設(shè)備;勻光系統(tǒng);Matlab仿真;光束整形

中圖分類(lèi)號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-164-03

Matlab Simulation of Beam Splitter of Laser Etching System for ITO

LIU Siyuan，LIU Wenjie

(College of Mechanical Engineering，Soochow University，Suzhou，215006，China)

Abstract:The beam splitter is designed to turn the Gaussian beam into analogous flat top beam，on the basis of analyzing the existing problem in the laser precision process.The structure and principles of optics are introuced，with the drawing function of Matlab，the appropriate parameter to simulate the beam splitter is designed，the rationality is ensured.The mature technology beam shaping is introduced，the beam splitter has the property of design simply，remarkable function，ease in use.It has good application prospect in the laser micro machining.

Keywords:laser etching system for ITO;beam splitter;Matlab;beam shaping

0 引 言

隨著觸摸屏的廣泛應(yīng)用，ITO導(dǎo)電薄膜受到人們的重視。而紫外激光的波長(zhǎng)短、能量集中、分辨率高，因此在去除焊料外殼、在電子線路板上鉆微孔、在薄膜或薄片材料中制作微通道、進(jìn)行精密切割和對(duì)接等微加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。ITO薄膜激光刻蝕設(shè)備正是利用紫外激光器的高能量特性來(lái)對(duì)ITO薄膜進(jìn)行冷加工處理，在薄膜表面制作微細(xì)的通道，完成圖形的制備。與傳統(tǒng)的濕法光刻技術(shù)不同，它不需要事先在薄膜上用光刻膠形成掩模，既簡(jiǎn)化了工藝流程也不會(huì)造成環(huán)境污染[1]。本系統(tǒng)刻蝕的線寬在幾十微米，屬于激光微細(xì)加工技術(shù)[2]的范疇。在加工過(guò)程中由于激光能量的高斯分布特性，在物件劃槽截面形狀為橢圓或類(lèi)三角形，影響了ITO導(dǎo)電薄膜的性能，進(jìn)而制約了液晶顯示行業(yè)的發(fā)展[3]。本加工設(shè)備中自行研制了一套激光微細(xì)加工的勻光系統(tǒng)，使激光能量分布均勻，呈現(xiàn)類(lèi)似的平頂分布，很好地解決了上述問(wèn)題。與市場(chǎng)上已經(jīng)成熟的光束整形器件相比，勻光系統(tǒng)有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

1 勻光系統(tǒng)介紹

這里所用的激光器提供波長(zhǎng)為355 nm的紫外光源，該光源保證單模(TEM00)輸出并且截面能量呈高斯分布;激光束首先經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直，使得光束的束腰直徑增大，發(fā)散角減小。擴(kuò)束后的激光束垂直照射到勻光系統(tǒng)的入射面，經(jīng)勻光系統(tǒng)分光后，激光束由進(jìn)入前截面為圓形的一束激光束變?yōu)榻孛鏋榘雸A形的兩束激光，并且這兩束激光束平行射出;被分光后的兩束激光經(jīng)聚焦鏡聚焦后各自的光斑相互接近，此時(shí)兩個(gè)光斑的能量發(fā)生重疊形成心得光斑，隨著兩個(gè)光斑之間距離的接近，沿垂直半圓光斑直徑的中心，疊加后的能量分布近似為平頂，如圖1所示。

圖1 類(lèi)平頂光能量分布

1.1 勻光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要依據(jù)幾何光學(xué)的成像原理設(shè)計(jì)而成，兩片有一定間距的反射鏡a和b，把入射的圓形光斑均勻分成兩個(gè)半圓形光斑，兩個(gè)鏡片夾具a和b分別將反射鏡a和b固定到一維調(diào)整架b和c上去。 一維調(diào)整架b實(shí)現(xiàn)對(duì)平面反射鏡a和b沿同一軸線的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，并且該軸線與一維調(diào)整架位移調(diào)節(jié)方向平行;一維調(diào)整架c實(shí)現(xiàn)對(duì)平面反射鏡b的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。最終使得入射光束以45°入射到兩個(gè)平面反射鏡上，從而可以有兩束光從垂直于整個(gè)分光系統(tǒng)入射面出來(lái)。一維調(diào)整架a使得兩個(gè)鏡片可以做鏡面平行方向的運(yùn)動(dòng)，保證入射到鏡片后的為兩個(gè)等分的半圓。這兩個(gè)半圓的光斑最終經(jīng)聚焦鏡聚焦互相接近，在工作平臺(tái)上，得到能量分布均勻的類(lèi)平頂光，如圖2所示。

圖2 勻光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 勻光系統(tǒng)光學(xué)分析

通過(guò)光路圖(見(jiàn)圖3)可以更加直觀地描述該系統(tǒng)的原理。

圖3 勻光系統(tǒng)光路示意圖

2 Matlab實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)能量的均勻分布

利用Matlab對(duì)上述勻光系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證光路設(shè)計(jì)的可行性。等式(1)是高斯光束波面上振幅A與其截面半徑r的函數(shù)關(guān)系[4]。根據(jù)本系統(tǒng)所用激光器A0=1，光腰半徑w0=0.5 mm。

A=A0e-r2/w2

(1)

用簡(jiǎn)單的Matlab語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)高斯光束強(qiáng)度的空間分布(見(jiàn)圖4)情況[5]:

w0=0，5;

r=0:3*w0/399:3*w0;

eta=0:2*pi/399:2*pi;

[rho，theta]=meshgrid(r，eta);

[x，y]=pol2cart(theta，rho);

A=exp(-2*rho.^2/w0^2);

surf(x，y，A);

shading interp;

axis([-3*w0，3*w0，-3*w0，3*w0，0，1]);

在Matlab中對(duì)上述空間圖形取投影面，如圖5所示，可知高斯光束在空間傳播時(shí)，隨著光斑半徑的增大能量逐漸衰弱，表現(xiàn)為振幅減小，能量與光斑半徑呈高斯分布。

圖4 高斯光束空間分布

圖5 投影圖形

當(dāng)垂直進(jìn)入勻光系統(tǒng)后，上述光強(qiáng)分布的高斯光束能量分布如圖6所示，此時(shí)由于該光學(xué)系統(tǒng)中兩片反射鏡片a和b之間間隙的存在，使圓形的光斑被平均分為兩個(gè)半圓，如圖7所示。

圖6 半圓光斑能量分布

圖7 投影圖形

w0=0，5;

r=0:3*w0/399:3*w0;

eta=0:pi/399: pi;

[rho，theta]=meshgrid(r，eta);

[x，y]=pol2cart(theta，rho);

A=exp(-2*rho.^2/w0^2);

surf(x，y，A);

shading interp;

axis([-3*w0，3*w0，-3*w0，3*w0，0，1]);

另一半的程序只需將其中的θ范圍改在[π，2π]即可實(shí)現(xiàn)。兩束半圓形的光斑在經(jīng)過(guò)聚焦鏡后位置逐漸接近(見(jiàn)圖8)，當(dāng)恰為光腰半徑w0時(shí)，可以得到類(lèi)似的平頂光分布。

w0=0，5;

r=0:3*w0/399:3*w0;

eta=0: pi/399: pi;

[rho，theta]=meshgrid(r，eta);

[x，y]=pol2cart(theta，rho);

A=exp(-2*rho.^2/w0^2);

>> y1=y-0.25;

>> surf(x，y1，Iopt);

shading interp;

axis([-3*w0，3*w0，-3*w0，3*w0，0，1]);

hold on;

>> w0=0，5;

r=0:3*w0/399:3*w0;

eta=- pi: pi/399: 0i;

[rho，theta]=meshgrid(r，eta);

[x，y]=pol2cart(theta，rho);

y1=y+0.25;

A=exp(-2*rho.^2/w0^2);

>> surf(x，y1，A);

shading interp;

axis([-3*w0，3*w0，-3*w0，3*w0，0，1]);

圖8 高斯光束接近疊加后光強(qiáng)分布

圖9 投影圖形

從圖9可以明顯看出此時(shí)兩個(gè)半圓光斑的距離為05。這樣的投影上得出，邊緣相對(duì)平緩，即達(dá)到要求的效果。比較圖10和圖11可以明顯看出，經(jīng)過(guò)勻光系統(tǒng)最終從聚焦鏡出來(lái)的光斑邊緣能量相對(duì)均勻，通過(guò)對(duì)比實(shí)際加工樣品的效果，此勻光系統(tǒng)具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

3 光束整型技術(shù)的介紹

勻光系統(tǒng)是利用幾何光學(xué)的原理，將一束光平均分成兩束，而后在空間聚焦最終達(dá)到使得激光能量分布均勻。目前在激光加工方面已經(jīng)有成熟的光束整形技術(shù)，最常用的光束整形技術(shù)是激光束勻滑技術(shù)，即將激光束的強(qiáng)度整形為均勻分布[6]，StockerYale公司的平頂光束生成器是一種光束整形模塊，它可以把高斯光束轉(zhuǎn)化為聚焦、準(zhǔn)直或發(fā)散成平頂能量分布的光束，即使經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離也可以保持光束能量和強(qiáng)度的高度均勻[7]。LIMO公司針對(duì)工作模式為單橫模的確定高斯光束，利用相移光學(xué)器件來(lái)將高斯分布轉(zhuǎn)化為 “高帽”式分布[8]。

圖10 未經(jīng)勻光系統(tǒng)的刻蝕效果

圖11 勻光系統(tǒng)的刻蝕效果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)ITO薄膜激光刻蝕設(shè)備中自行研制的勻光系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、光路分析、以及Matlab仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)介紹。并且通過(guò)對(duì)比實(shí)際兩種加工樣品形象地說(shuō)明了該勻光系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相比較于已經(jīng)成熟市場(chǎng)化的光束整形器件，成本較低的勻光系統(tǒng)是ITO薄膜激光刻蝕設(shè)備中解決由于高斯能量分布而引起的問(wèn)題的最佳途徑。

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