用于金屬薄膜刻蝕的激光束能量分布整形研究

楊建平，陳學(xué)康，吳　敢，王　瑞

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

用于金屬薄膜刻蝕的激光束能量分布整形研究

楊建平，陳學(xué)康，吳敢，王瑞

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料基底上的金屬薄膜圖形刻蝕需求，研究了一種基于光學(xué)波前衍射變換原理的能量/激光功率密度分布整形方法，并設(shè)計(jì)制作了衍射元件。利用基模（TEM00）和非基模輸出的紅外激光分別進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，用整形后的激光光束進(jìn)行刻蝕，金屬薄膜被完全去除，刻蝕邊界鋒銳整齊，基底沒有可見的損傷。衍射元件對(duì)于基模模式輸出激光的轉(zhuǎn)換效率為71%，對(duì)非基模模式的轉(zhuǎn)換效率為53%。

激光刻蝕；能量密度分布；衍射元件；光束整形

0　引言

激光刻蝕加工是利用短脈沖高峰值功率的激光，將材料表層迅速加熱至熔融、氣化，實(shí)現(xiàn)材料的局部精確去除。對(duì)于不同材料組合體系的刻蝕，如金屬薄膜/有機(jī)基底，其刻蝕的物理機(jī)制與基底材料的物性及薄膜/基底界面處的溫度場分布有關(guān)［1-2］，而金屬薄膜在激光脈沖作用下形成的溫度場分布與刻蝕激光光斑的能量/功率密度分布密切相關(guān)［3］。在實(shí)際研究中用功率密度呈高斯分布的激光光斑刻蝕出的圖形容易出現(xiàn)邊緣撕裂和卷曲等缺陷，嚴(yán)重影響刻蝕精度及圖形分辨率，因此改善刻蝕激光功率密度分布是提高刻蝕質(zhì)量的關(guān)鍵。基于光學(xué)衍射原理的衍射光學(xué)元件（DOE）理論上可以僅需要配套一個(gè)透鏡組合即可很方便地將激光光斑整形為任意所需的形狀和能量/功率密度分布［4］。但光學(xué)衍射元件能否直接應(yīng)用于高峰值功率的刻蝕激光還需考慮激光能量的衍射轉(zhuǎn)換效率、衍射元件的材料損傷、衍射元件工作面距離、景深以及刻蝕工藝等問題。

文章研究了一種基于波前衍射變換的激光能量分布整形方法。采用光束擴(kuò)束降低激光能量/功率密度的辦法避免了對(duì)光學(xué)元件的損傷，在衍射元件設(shè)計(jì)中考慮了衍射元件像平面工作的景深。對(duì)復(fù)合材料基底上金屬薄膜的刻蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，與設(shè)計(jì)預(yù)期吻合良好。

1　菲涅爾衍射模擬

在刻蝕激光的光學(xué)衍射變換系統(tǒng)中，光束的傳播過程用菲涅爾衍射來模擬。在每次迭代的正向傳輸中分為兩次菲涅爾衍射，如圖1所示，第一次是由透鏡f1的前表面（S0面，也是衍射元件DOE面）到透鏡f2的前表面（S1面），第二次是由S1面到待刻蝕的樣品表面（S2面）。設(shè)三個(gè)面上的復(fù)振幅分別為ui（xi，yi），um（xm，ym），uo（xo，yo）。對(duì)于這樣的光束整形問題，需要找到一個(gè)合適的透過率函數(shù)T（xi，yi）=exp·［iΦ（xi，yi）］（即DOE的位相分布）來對(duì)入射光的波陣面進(jìn)行調(diào)制。

將菲涅爾衍射公式轉(zhuǎn)化為復(fù)振幅和一個(gè)二次位相因子乘積的快速傅立葉變換來表示，推導(dǎo)步驟如下［5］。

圖1　衍射元件設(shè)計(jì)光路示意圖

設(shè)兩透鏡的二次位相因子變換作用為Φ1、Φ2，則由S0面?zhèn)鞑サ絊1面的過程中復(fù)振幅的變化由菲涅爾衍射公式（1）表示出。

將積分號(hào)內(nèi)展開得到公式（2）。

由于積分號(hào)前是常數(shù)，故在計(jì)算中S1面上的復(fù)振幅可表示為：

同理，目標(biāo)面S2上的復(fù)振幅可表示為：

使用IO算法來完成整個(gè)迭代過程［6-8］，結(jié)合上面對(duì)光路傳輸?shù)姆治觯^程如下：

對(duì)主瓣的突出光強(qiáng)進(jìn)行壓制以改善能量分布的均勻性，但衍射效率略有下降，為DE=0.908 32（表示輸出光束中，焦斑的能量占輸出計(jì)算窗口全部能量的百分比）。圓形焦斑設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

2　衍射元件設(shè)計(jì)與制作

設(shè)計(jì)制作波前衍射變換元件的目的是要對(duì)高峰值功率的刻蝕激光進(jìn)行能量密度剖面調(diào)控。設(shè)計(jì)的要求和初始條件為［5］：激光波長為1.064 μm時(shí)，入射光束為呈高斯分布的基模（TEM00模式）輸出直徑約2 mm的原始激光光束，經(jīng)過擴(kuò)束器擴(kuò)束成直徑為10 mm的入射光（降低功率密度，避免對(duì)衍射元件造成損傷），其能量分布如圖3所示。經(jīng)有效口徑為10 mm的衍射光學(xué)元件對(duì)其進(jìn)行位相調(diào)制，并結(jié)合已有的雙透鏡系統(tǒng)獲得能量呈平頂分布直徑0.5 mm的刻蝕光斑。蘭州空間技術(shù)物理研究所與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系協(xié)作完成了設(shè)計(jì)工作。

根據(jù)設(shè)計(jì)的位相圖形數(shù)據(jù)制作了衍射元件刻蝕掩模板（鉻板），4個(gè)掩模板分別對(duì)應(yīng)不同的刻蝕深度，其中的2個(gè)掩模板如圖4所示，將4個(gè)掩模板套疊后用曝光腐蝕的方法制作出離子束刻蝕模板，如圖5所示。最后用離子束刻蝕的方法，制作出最終的衍射元件來實(shí)現(xiàn)激光相位的調(diào)制達(dá)到光束整形的目的［9］。衍射元件的直徑為35 mm，厚度為3 mm，位相區(qū)域位于衍射元件中心，有效的工作區(qū)域?yàn)橹睆?0 mm的圓形區(qū)域，如圖5所示。

圖2　圓形焦斑設(shè)計(jì)結(jié)果中焦平面處激光能量分布示意圖

圖3　擴(kuò)束后的高斯分布的入射激光能量分布示意圖

圖4　制作的不同位相圖形掩模板

圖5　制作的光刻模板（鉻板）和衍射元件（中心區(qū)域?yàn)橛行У奈幌嘧儞Q圖形）

3　實(shí)驗(yàn)及討論

用波長為1.06 μm的半導(dǎo)體泵浦YAG連續(xù)激光作為光源，采用CCD接收和采集光斑觀察了衍射元件的整形效果。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖6所示，可以觀察到在CCD接收到的光斑范圍內(nèi)，激光功率密度分布實(shí)現(xiàn)了均勻化，與預(yù)期結(jié)果一致。平面圖（a）中圓形區(qū)域內(nèi)亮的部分表明激光功率密度比較高，而暗的部分功率密度較低，經(jīng)衰減后CCD感光器無法顯示，但不為零。

圖6　CCD感光器在焦面接收到的光斑整形結(jié)果

利用脈寬為10 ns的調(diào)Q固體YAG激光器作為光源，用相紙?jiān)诮蛊矫嫖恢蒙喜杉@得的光斑形狀，如圖7所示，（a）是激光器輸出的基模高斯光斑，（b）是經(jīng)過衍射元件整形后的圓形光斑，原始光斑的直徑尺寸約為2 mm，衍射整形后的光斑直徑約為0.5 mm。用激光能量計(jì)代替相紙分別測試激光器出光口和衍射元件焦平面處的激光能量值，測量數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果顯示衍射元件的轉(zhuǎn)換效率為71.88%。

將衍射元件與高峰值功率的脈沖刻蝕激光器配合對(duì)金屬薄膜/復(fù)合材料基底結(jié)構(gòu)體系上進(jìn)行了薄膜圖形的刻蝕，金屬Al薄膜的厚度為1.8 μm。高峰值功率刻蝕激光輸出為多階模式，整形前后的相紙接收光斑形狀與圖7類似。刻蝕對(duì)比結(jié)果如圖8所示，整形后的激光刻蝕邊界（b）比未整形的刻蝕邊界（a）整齊，說明金屬薄膜被去除干凈，而復(fù)合材料基底未出現(xiàn)可見的損傷，達(dá)到了預(yù)期的整形效果。用激光能量計(jì)測量衍射器件前后的激光功率分別為5.4 W和2.9 W，即針對(duì)基模模式輸出設(shè)計(jì)的衍射變換元件對(duì)于多階模式激光輸出的衍射轉(zhuǎn)換效率為53.77%。

圖7　相紙上采集到的激光光斑示意圖

圖8　整形前后對(duì)復(fù)合材料基金屬Al薄膜的激光刻蝕顯微照片對(duì)比圖

激光功率分布衍射整形的效率低是由于衍射過程本身造成的能量損失，這是不可避免的［4，10］。衍射元件的設(shè)計(jì)與實(shí)際光束功率分布的差異也是原因之一，同一元件對(duì)于多階模式激光衍射效率低正說明了這一點(diǎn)；同時(shí)，衍射元件兩個(gè)表面處的吸收和反射也會(huì)損失一部分能量；系統(tǒng)誤差，如衍射元件制作的精度、光路調(diào)整的不夠精確或儀器的靈敏度不夠等因素同樣會(huì)導(dǎo)致整形后效率下降。

4　結(jié)論

經(jīng)過波前光學(xué)衍射變換整形后，激光能量/功率密度分布及光斑形狀達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料基底上金屬薄膜圖形的高精度刻蝕。在能量利用率方面，針對(duì)基模輸出模式設(shè)計(jì)的激光能量分布整形器件的能量利用效率為71%，利用此衍射元件對(duì)多階模式輸出的激光仍然可以起到整形效果，但激光能量的利用率下降為53%。因此，如何進(jìn)行衍射元件針對(duì)實(shí)際激光輸出模式的專門設(shè)計(jì)，并且提高衍射元件的效率以減少能量損失，是這種基于衍射元件的激光能量分布整形技術(shù)達(dá)到實(shí)用水平的努力方向。

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STUDY ON LASER BEAM SHAPING FOR ABLATION OF METALLIC FILM

YANG Jian-ping，CHEN Xue-kang，WU Gan，WANG Rui
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

Laser ablation result is related to the distribution of laser power density，especially for metal film ablation. A method of shaping laser power density distribution based on wave front diffraction transform was described in this paper，and a Laser optical diffraction component was designed and fabricated using this method.Verification experiment of laser power shaping ability was carried out using initial phase（TEM00）and multi phase laser，and the result indicated that both of the original laser beams were transformed by employing diffractive optical component.Conversion efficiency of diffractive optical component is 71%for initial phase condition，and 53%for multi phase.

laser ablation；distribution of power density；diffraction optical component；laser beam shaping

O436

A

1006-7086（2015）01-0038-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.009

2014-10-29

國家重點(diǎn)自然科學(xué)基金NSFC（51135005）

楊建平（1974-），男，陜西寶雞人，博士，研究方向激光微納制造技術(shù)。E-mail：yangjp74@163.com。