ITO薄膜激光刻蝕設備勻光系統的Matlab實現

觸摸屏的廣泛應用，ITO導電薄膜受到人們的重視。而紫外激光的波長短、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、進行精密切割和對接等微加工領域具有廣泛的應用。

ITO薄膜激光刻蝕設備正是利用紫外激光器的高能量特性來對ITO薄膜進行冷加工處理，在薄膜表面制作微細的通道，完成圖形的制備。與傳統的濕法光刻技術不同，它不需要事先在薄膜上用光刻膠形成掩模，既簡化了工藝流程也不會造成環境污染。本系統刻蝕的線寬在幾十微米，屬于激光微細加工技術的范疇。在加工過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三角形，影響了ITO導電薄膜的性能，進而制約了液晶顯示行業的發展。本加工設備中自行研制了一套激光微細加工的勻光系統，使激光能量分布均勻，呈現類似的平頂分布，很好地解決了上述問題。與市場上已經成熟的光束整形器件相比，勻光系統有相對的優勢。

1 勻光系統介紹

這里所用的激光器提供波長為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；激光束首先經過擴束鏡準直，使得光束的束腰直徑增大，發散角減小。擴束后的激光束垂直照射到勻光系統的人射面，經勻光系統分光后，激光束由進入前截面為圓形的一束激光束變為截面為半圓形的兩束激光，并且這兩束激光束平行射出；被分光后的兩束激光經聚焦鏡聚焦后各自的光斑相互接近，此時兩個光斑的能量發生重疊形成心得光斑，隨著兩個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。


1.1?勻光系統結構設計

本系統主要依據幾何光學的成像原理設計而成，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半圓形光斑，兩個鏡片夾具a和b分別將反射鏡a和b固定到一維調整架b和c上去。一維調整架b實現對平面反射鏡a和b沿同一軸線的旋轉調節，并且該軸線與一維調整架位移調節方向平行；一維調整架c實現對平面反射鏡b的旋轉調節。最終使得入射光束以45°入射到兩個平面反射鏡上，從而可以有兩束光從垂直于整個分光系統入射面出來。一維調整架a使得兩個鏡片可以做鏡面平行方向的運動，保證入射到鏡片后的為兩個等分的半圓。這兩個半圓的光斑最終經聚焦鏡聚焦互相接近，在工作平臺上，得到能量分布均勻的類平頂光，如圖2所示。


1.2?勻光系統光學分析

通過光路圖(見圖3)可以更加直觀地描述該系統的原理。


2 Matlab實現光強能量的均勻分布

利用Matlab對上述勻光系統進行仿真，驗證光路設計的可行性。等式(1)是高斯光束波面上振幅A與其截面半徑r的函數關系。根據本系統所用激光器A0=1，光腰半徑w0=0.5 mm。



用簡單的Matlab語句實現高斯光束強度的空間分布(見圖4)情況：
???

在Matlab中對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，隨著光斑半徑的增大能量逐漸衰弱，表現為振幅減小，能量與光斑半徑呈高斯分布。



當垂直進入勻光系統后，上述光強分布的高斯光束能量分布如圖6所示，此時由于該光學系統中兩片反射鏡片a和b之間間隙的存在，使圓形的光斑被平均分為兩個半圓，如圖7所示。





另一半的程序只需將其中的θ范圍改在[π，2π]即可實現。兩束半圓形的光斑在經過聚焦鏡后位置逐漸接近(見圖8)，當恰為光腰半徑w0時，可以得到類似的平頂光分布。??



從圖9可以明顯看出此時兩個半圓光斑的距離為0.5。這樣的投影上得出，邊緣相對平緩，即達到要求的效果。比較圖10和圖11可以明顯看出，經過勻光系統最終從聚焦鏡出來的光斑邊緣能量相對均勻，通過對比實際加工樣品的效果，此勻光系統具有相對優勢。

3光束整型技術的介紹

勻光系統是利用幾何光學的原理，將一束光平均分成兩束，而后在空間聚焦最終達到使得激光能量分布均勻。目前在激光加工方面已經有成熟的光束整形技術，最常用的光束整形技術是激光束勻滑技術，即將激光束的強度整形為均勻分布，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化為聚焦、準直或發散成平頂能量分布的光束，即使經過較長距離也可以保持光束能量和強度的高度均勻。LIMO公司針對工作模式為單橫模的確定高斯光束，利用相移光學器件來將高斯分布轉化為“高帽”式分布。



4 結? 語

本文對ITO薄膜激光刻蝕設備中自行研制的勻光系統的原理、結構、光路分析、以及Matlab仿真結果進行詳細介紹。并且通過對比實際兩種加工樣品形象地說明了該勻光系統的優勢所在。該系統結構簡單，相比較于已經成熟市場化的光束整形器件，成本較低的勻光系統是ITO薄膜激光刻蝕設備中解決由于高斯能量分布而引起的問題的最佳途徑。