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。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(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(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(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。
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平頂光,如圖2所示。
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。
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。根據(jù)本系統(tǒng)所用激光器A0=1,光腰半徑w0=0.5 mm。
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:
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。
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。
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w0時(shí),可以得到類似的平頂光分布。
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,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。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。
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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