ITO薄膜激光刻蚀设备匀光系统的Matlab实现

摘 要:在简要分析目前激光微细加工系统中存在问题的基础上,设计一种能将能量呈高斯分布的激光束转变为类平顶光束的匀光系统。介绍匀光系统的机械结构和光学原理,重点利用Matlab图形绘制功能,设计合理参数对匀光系统进行仿真,从而验证设计的合理性。最后简述了目前已经成熟的光束整形技术,该匀光系统原理简单、功能卓越、使用简洁,在激光微细加工领域有很好的应用前景。

关键词:ITO薄膜激光刻蚀设备;匀光系统;Matlab仿真;光束整形

中图分类号:TP29 文献标识码:A

文章编号: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

随着触摸屏的广泛应用,ITO导电薄膜受到人们的重视。而紫外激光的波长短、能量集中、分辨率高,因此在去除焊料外壳、在电子线路板上钻微孔、在薄膜或薄片材料中制作微通道、进行精密切割和对接等微加工领域具有广泛的应用。ITO薄膜激光刻蚀设备正是利用紫外激光器的高能量特性来对ITO薄膜进行冷加工处理,在薄膜表面制作微细的通道,完成图形的制备。与传统的湿法光刻技术不同,它不需要事先在薄膜上用光刻胶形成掩模,既简化了工艺流程也不会造成环境污染[1]。本系统刻蚀的线宽在几十微米,属于激光微细加工技术[2]的范畴。在加工过程中由于激光能量的高斯分布特性,在物件划槽截面形状为椭圆或类三角形,影响了ITO导电薄膜的性能,进而制约了液晶显示行业的发展[3]。本加工设备中自行研制了一套激光微细加工的匀光系统,使激光能量分布均匀,呈现类似的平顶分布,很好地解决了上述问题。与市场上已经成熟的光束整形器件相比,匀光系统有相对的优势。

1 匀光系统介绍

这里所用的激光器提供波长为355 nm的紫外光源,该光源保证单模(TEM00)输出并且截面能量呈高斯分布;激光束首先经过扩束镜准直,使得光束的束腰直径增大,发散角减小。扩束后的激光束垂直照射到匀光系统的入射面,经匀光系统分光后,激光束由进入前截面为圆形的一束激光束变为截面为半圆形的两束激光,并且这两束激光束平行射出;被分光后的两束激光经聚焦镜聚焦后各自的光斑相互接近,此时两个光斑的能量发生重叠形成心得光斑,随着两个光斑之间距离的接近,沿垂直半圆光斑直径的中心,叠加后的能量分布近似为平顶,如图1所示。

图1 类平顶光能量分布

1.1 匀光系统结构设计

本系统主要依据几何光学的成像原理设计而成,两片有一定间距的反射镜a和b,把入射的圆形光斑均匀分成两个半圆形光斑,两个镜片夹具a和b分别将反射镜a和b固定到一维调整架b和c上去。 一维调整架b实现对平面反射镜a和b沿同一轴线的旋转调节,并且该轴线与一维调整架位移调节方向平行;一维调整架c实现对平面反射镜b的旋转调节。最终使得入射光束以45°入射到两个平面反射镜上,从而可以有两束光从垂直于整个分光系统入射面出来。一维调整架a使得两个镜片可以做镜面平行方向的运动,保证入射到镜片后的为两个等分的半圆。这两个半圆的光斑最终经聚焦镜聚焦互相接近,在工作平台上,得到能量分布均匀的类平顶光,如图2所示。

图2 匀光系统结构图

1.2 匀光系统光学分析

通过光路图(见图3)可以更加直观地描述该系统的原理。

图3 匀光系统光路示意图

2 Matlab实现光强能量的均匀分布

利用Matlab对上述匀光系统进行仿真,验证光路设计的可行性。等式(1)是高斯光束波面上振幅A与其截面半径r的函数关系[4]。根据本系统所用激光器A0=1,光腰半径w0=0.5 mm。

A=A0e-r2/w2

(1)

用简单的Matlab语句实现高斯光束强度的空间分布(见图4)情况[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中对上述空间图形取投影面,如图5所示,可知高斯光束在空间传播时,随着光斑半径的增大能量逐渐衰弱,表现为振幅减小,能量与光斑半径呈高斯分布。

图4 高斯光束空间分布

图5 投影图形

当垂直进入匀光系统后,上述光强分布的高斯光束能量分布如图6所示,此时由于该光学系统中两片反射镜片a和b之间间隙的存在,使圆形的光斑被平均分为两个半圆,如图7所示。

图6 半圆光斑能量分布

图7 投影图形

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]);

另一半的程序只需将其中的θ范围改在[π,2π]即可实现。两束半圆形的光斑在经过聚焦镜后位置逐渐接近(见图8),当恰为光腰半径w0时,可以得到类似的平顶光分布。

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]);

图8 高斯光束接近叠加后光强分布

图9 投影图形

从图9可以明显看出此时两个半圆光斑的距离为05。这样的投影上得出,边缘相对平缓,即达到要求的效果。比较图10和图11可以明显看出,经过匀光系统最终从聚焦镜出来的光斑边缘能量相对均匀,通过对比实际加工样品的效果,此匀光系统具有相对优势。

3 光束整型技术的介绍

匀光系统是利用几何光学的原理,将一束光平均分成两束,而后在空间聚焦最终达到使得激光能量分布均匀。目前在激光加工方面已经有成熟的光束整形技术,最常用的光束整形技术是激光束匀滑技术,即将激光束的强度整形为均匀分布[6],StockerYale公司的平顶光束生成器是一种光束整形模块,它可以把高斯光束转化为聚焦、准直或发散成平顶能量分布的光束,即使经过较长距离也可以保持光束能量和强度的高度均匀[7]。LIMO公司针对工作模式为单横模的确定高斯光束,利用相移光学器件来将高斯分布转化为 “高帽”式分布[8]。

图10 未经匀光系统的刻蚀效果

图11 匀光系统的刻蚀效果

4 结 语

本文对ITO薄膜激光刻蚀设备中自行研制的匀光系统的原理、结构、光路分析、以及Matlab仿真结果进行详细介绍。并且通过对比实际两种加工样品形象地说明了该匀光系统的优势所在。该系统结构简单,相比较于已经成熟市场化的光束整形器件,成本较低的匀光系统是ITO薄膜激光刻蚀设备中解决由于高斯能量分布而引起的问题的最佳途径。

参考文献

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