楊建平，陳學康，吳　敢，王　瑞

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，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，陳學康，吳敢，王瑞

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

針對碳纖維復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，并設計制作了衍射元件。利用基模（TEM00）和非基模輸出的紅外激光分別進行了驗證實驗，用整形后的激光光束進行刻蝕，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。衍射元件對于基模模式輸出激光的轉(zhuǎn)換效率為71%，對非基模模式的轉(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，實現(xiàn)材料的局部精確去除。對于不同材料組合體系的刻蝕，如金屬薄膜/有機基底，其刻蝕的物理機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［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［3］。在實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)量的關鍵?；诠鈱W衍射原理的衍射光學元件（DOE）理論上可以僅需要配套一個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］。但光學衍射元件能否直接應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。采用光束擴束降低激光能量/功率密度的辦法避免了對光學元件的損傷，在衍射元件設計中考慮了衍射元件像平面工作的景深。對復合材料基底上金屬薄膜的刻蝕試驗結(jié)果表明，與設計預期吻合良好。

1　菲涅爾衍射模擬

在刻蝕激光的光學衍射變換系統(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）。設三個面上的復振幅分別為ui（xi，yi），um（xm，ym），uo（xo，yo）。對于這樣的光束整形問題，需要找到一個合適的透過率函數(shù)T（xi，yi）=exp·［iΦ（xi，yi）］（即DOE的位相分布）來對入射光的波陣面進行調(diào)制。

將菲涅爾衍射公式轉(zhuǎn)化為復振幅和一個二次位相因子乘積的快速傅立葉變換來表示，推導步驟如下［5］。

圖1　衍射元件設計光路示意圖

設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面的過程中復振幅的變化由菲涅爾衍射公式（1）表示出。

將積分號內(nèi)展開得到公式（2）。

由于積分號前是常數(shù)，故在計算中S1面上的復振幅可表示為：

同理，目標面S2上的復振幅可表示為：

使用IO算法來完成整個迭代過程［6-8］，結(jié)合上面對光路傳輸?shù)姆治?，迭代過程如下：

對主瓣的突出光強進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算窗口全部能量的百分比）。圓形焦斑設計結(jié)果如圖2所示。

2　衍射元件設計與制作

設計制作波前衍射變換元件的目的是要對高峰值功率的刻蝕激光進行能量密度剖面調(diào)控。設計的要求和初始條件為［5］：激光波長為1.064 μm時，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)過擴束器擴束成直徑為10 mm的入射光（降低功率密度，避免對衍射元件造成損傷），其能量分布如圖3所示。經(jīng)有效口徑為10 mm的衍射光學元件對其進行位相調(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。蘭州空間技術物理研究所與中國科學技術大學物理系協(xié)作完成了設計工作。

根據(jù)設計的位相圖形數(shù)據(jù)制作了衍射元件刻蝕掩模板（鉻板），4個掩模板分別對應不同的刻蝕深度，其中的2個掩模板如圖4所示，將4個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現(xiàn)激光相位的調(diào)制達到光束整形的目的［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)域為直徑10 mm的圓形區(qū)域，如圖5所示。

圖2　圓形焦斑設計結(jié)果中焦平面處激光能量分布示意圖

圖3　擴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)域為有效的位相變換圖形）

3　實驗及討論

用波長為1.06 μm的半導體泵浦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。實驗測試結(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現(xiàn)了均勻化，與預期結(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，用相紙在焦平面位置上采集獲得的光斑形狀，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金屬薄膜/復合材料基底結(jié)構(gòu)體系上進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?？涛g對比結(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，而復合材料基底未出現(xiàn)可見的損傷，達到了預期的整形效果。用激光能量計測量衍射器件前后的激光功率分別為5.4 W和2.9 W，即針對基模模式輸出設計的衍射變換元件對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　整形前后對復合材料基金屬Al薄膜的激光刻蝕顯微照片對比圖

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］。衍射元件的設計與實際光束功率分布的差異也是原因之一，同一元件對于多階模式激光衍射效率低正說明了這一點；同時，衍射元件兩個表面處的吸收和反射也會損失一部分能量；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導致整形后效率下降。

4　結(jié)論

經(jīng)過波前光學衍射變換整形后，激光能量/功率密度分布及光斑形狀達到了理論設計要求，經(jīng)過實驗實現(xiàn)了對復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，針對基模輸出模式設計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，如何進行衍射元件針對實際激光輸出模式的專門設計，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達到實用水平的努力方向。

［1］Ivanov D S，Rethfeld B，Connor G M，et al.The mechanism of nanobump formation in femtosecond pulse laser nanostructuring of thin metal films［J］.Applied Physics A，2008，92（4）: 791-796.

［2］孫岳，黃海明，高鎖文.激光燒蝕機理研究進展［J］.失效分析與預防，2008，3（2）:58-63.

［3］翟輝，姜任秋，孫寶芝.高強度激光加熱薄層物料的數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學報，2004，25（4）：634-636.

［4］龐輝，應朝福，范長江，等.用于光束整形的衍射光學元件設計的混合算法［J］.光子學報，2010，39（6）:977-981.

［5］張廷蓉，呂百達.含介質(zhì)的單透鏡和雙透鏡分數(shù)傅里葉變換光學系統(tǒng)［J］.光子學報，2009，38（1）:74-77.

［6］李珂，石鵬，張曉波，等.雙透鏡系統(tǒng)光束整形元件的設計制作［J］.中國激光，2010，37（8）:1972-1977.

［7］李濤，付紹軍，王煒，等.一種用于均勻照明的衍射光學元件設計的混合算法［J］.計算物理，2002，19（1）：76-80.

［8］國承山，李傳濤，洪正平，等.光衍射數(shù)值模擬中不同抽樣方法的適用性分析［J］.光學學報，2008，28（3）：442-446.

［9］劉強，鄔融，張曉波.多臺階衍射光學元件的工藝優(yōu)化［J］.中國激光，2008，35（8）:1165-1168.

［10］金國藩，嚴瑛白，鄔敏賢，等.二元光學［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.

［11］鄭啟光，辜建輝.激光與物質(zhì)相互作用［M］.武漢：華中理工大學出版社，1996.

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

國家重點自然科學基金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。E-mail：yangjp74@163.com。