0 引  言

隨著觸摸屏的廣泛應用，ITO導電薄膜受到人們(men) 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、在電子線路板上鑽微孔、在薄膜或薄片材料中製作微通道、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，在薄膜表麵製作微細的通道，完成圖形的製備。與(yu) 傳(chuan) 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(hui) 造成環境汙染。本係統刻蝕的線寬在幾十微米，屬於(yu) 激光微細加工技術的範疇。在加工過程中由於(yu) 激光能量的高斯分布特性，在物件劃槽截麵形狀為(wei) 橢圓或類三角形，影響了ITO導電薄膜的性能，進而製約了液晶顯示行業(ye) 的發展。本加工設備中自行研製了一套激光微細加工的勻光係統，使激光能量分布均勻，呈現類似的平頂分布，很好地解決(jue) 了上述問題。與(yu) 市場上已經成熟的光束整形器件相比，勻光係統有相對的優(you) 勢。

1 勻光係統介紹

這裏所用的激光器提供波長為(wei) 355 nm的紫外光源，該光源保證單模(TEM00)輸出並且截麵能量呈高斯分布；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。擴束後的激光束垂直照射到勻光係統的人射麵，經勻光係統分光後，激光束由進入前截麵為(wei) 圓形的一束激光束變為(wei) 截麵為(wei) 半圓形的兩(liang) 束激光，並且這兩(liang) 束激光束平行射出；被分光後的兩(liang) 束激光經聚焦鏡聚焦後各自的光斑相互接近，此時兩(liang) 個(ge) 光斑的能量發生重疊形成心得光斑，隨著兩(liang) 個(ge) 光斑之間距離的接近，沿垂直半圓光斑直徑的中心，疊加後的能量分布近似為(wei) 平頂，如圖1所示。


1.1 勻光係統結構設計

本係統主要依據幾何光學的成像原理設計而成，兩(liang) 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(liang) 個(ge) 半圓形光斑，兩(liang) 個(ge) 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實現對平麵反射鏡a和b沿同一軸線的旋轉調節，並且該軸線與(yu) 一維調整架位移調節方向平行；一維調整架c實現對平麵反射鏡b的旋轉調節。最終使得入射光束以45°入射到兩(liang) 個(ge) 平麵反射鏡上，從(cong) 而可以有兩(liang) 束光從(cong) 垂直於(yu) 整個(ge) 分光係統入射麵出來。一維調整架a使得兩(liang) 個(ge) 鏡片可以做鏡麵平行方向的運動，保證入射到鏡片後的為(wei) 兩(liang) 個(ge) 等分的半圓。這兩(liang) 個(ge) 半圓的光斑最終經聚焦鏡聚焦互相接近，在工作平台上，得到能量分布均勻的類平頂光，如圖2所示。


1.2 勻光係統光學分析

通過光路圖(見圖3)可以更加直觀地描述該係統的原理。


2 Matlab實現光強能量的均勻分布

利用Matlab對上述勻光係統進行仿真，驗證光路設計的可行性。等式(1)是高斯光束波麵上振幅A與(yu) 其截麵半徑r的函數關(guan) 係。根據本係統所用激光器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麵，如圖5所示，可知高斯光束在空間傳(chuan) 播時，隨著光斑半徑的增大能量逐漸衰弱，表現為(wei) 振幅減小，能量與(yu) 光斑半徑呈高斯分布。



當垂直進入勻光係統後，上述光強分布的高斯光束能量分布如圖6所示，此時由於(yu) 該光學係統中兩(liang) 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(wei) 兩(liang) 個(ge) 半圓，如圖7所示。





另一半的程序隻需將其中的θ範圍改在[π，2π]即可實現。兩(liang) 束半圓形的光斑在經過聚焦鏡後位置逐漸接近(見圖8)，當恰為(wei) 光腰半徑w0時，可以得到類似的平頂光分布。  



從(cong) 圖9可以明顯看出此時兩(liang) 個(ge) 半圓光斑的距離為(wei) 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，經過勻光係統最終從(cong) 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，此勻光係統具有相對優(you) 勢。

3光束整型技術的介紹

勻光係統是利用幾何光學的原理，將一束光平均分成兩(liang) 束，而後在空間聚焦最終達到使得激光能量分布均勻。目前在激光加工方麵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(wei) 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(wei) 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(wei) 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(wei) “高帽”式分布。



4 結  語

本文對ITO薄膜激光刻蝕設備中自行研製的勻光係統的原理、結構、光路分析、以及Matlab仿真結果進行詳細介紹。並且通過對比實際兩(liang) 種加工樣品形象地說明了該勻光係統的優(you) 勢所在。該係統結構簡單，相比較於(yu) 已經成熟市場化的光束整形器件，成本較低的勻光係統是ITO薄膜激光刻蝕設備中解決(jue) 由於(yu) 高斯能量分布而引起的問題的最佳途徑。