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

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對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，既簡化了工藝流程也不會造成環(huán)境污染。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)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(dǎo)電薄膜的性能，進(jìn)而制約了液晶顯示行業(yè)的發(fā)展。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)類似的平頂分布，很好地解決了上述問題。與市場上已經(jīng)成熟的光束整形器件相比，勻光系統(tǒng)有相對的優(yōu)勢。

1 勻光系統(tǒng)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(jīng)過擴(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)的人射面，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，此時兩個光斑的能量發(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要依據(jù)幾何光學(xué)的成像原理設(shè)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(diào)整架b和c上去。一維調(diào)整架b實(shí)現(xiàn)對平面反射鏡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°入射到兩個平面反射鏡上，從而可以有兩束光從垂直于整個分光系統(tǒng)入射面出來。一維調(diào)整架a使得兩個鏡片可以做鏡面平行方向的運(yùn)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(jīng)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(tǒng)光學(xué)分析

通過光路圖(見圖3)可以更加直觀地描述該系統(tǒng)的原理。


2 Matlab實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)能量的均勻分布

利用Matlab對上述勻光系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證光路設(shè)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(shù)關(guān)系。根據(jù)本系統(tǒng)所用激光器A0=1，光腰半徑w0=0.5 mm。



用簡單的Matlab語句實(shí)現(xiàn)高斯光束強(qiáng)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(xiàn)為振幅減小，能量與光斑半徑呈高斯分布。



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(shí)現(xiàn)。兩束半圓形的光斑在經(jīng)過聚焦鏡后位置逐漸接近(見圖8)，當(dāng)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(dá)到要求的效果。比較圖10和圖11可以明顯看出，經(jīng)過勻光系統(tǒng)最終從聚焦鏡出來的光斑邊緣能量相對均勻，通過對比實(shí)際加工樣品的效果，此勻光系統(tǒng)具有相對優(yōu)勢。

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，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)過較長距離也可以保持光束能量和強(qiáng)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(xué)器件來將高斯分布轉(zhuǎn)化為“高帽”式分布。



4 結(jié)? 語

本文對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。并且通過對比實(shí)際兩種加工樣品形象地說明了該勻光系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相比較于已經(jīng)成熟市場化的光束整形器件，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題的最佳途徑。