用于金属薄膜刻蚀的激光束能量分布整形研究
针对碳纤维复合材料基底上的金属薄膜图形刻蚀需求，研究了一种基于光学波前衍射变换原理的能量/激光功率密度分布整形方法，并设计制作了衍射元件。利用基模(TEM00)和非基模输出的红外激光分别进行了验证实验，用整形后的激光光束进行刻蚀，金属薄膜被完全去除，刻蚀边界锋锐整齐，基底没有可见的损伤。衍射元件对于基模模式输出激光的转换效率为71%，对非基模模式的转换效率为53%。
引言
激光刻蚀加工是利用短脉冲高峰值功率的激光，将材料表层迅速加热至熔融、气化，实现材料的局部精确去除。对于不同材料组合体系的刻蚀，如金属薄膜/有机基底，其刻蚀的物理机制与基底材料的物性及薄膜/基底界面处的温度场分布有关，而金属薄膜在激光脉冲作用下形成的温度场分布与刻蚀激光光斑的能量/功率密度分布密切相关。
在实际研究中用功率密度呈高斯分布的激光光斑刻蚀出的图形容易出现边缘撕裂和卷曲等缺陷，严重影响刻蚀精度及图形分辨率，因此改善刻蚀激光功率密度分布是提高刻蚀质量的关键。基于光学衍射原理的衍射光学元件(DOE)理论上可以仅需要配套一个透镜组合即可很方便地将激光光斑整形为任意所需的形状和能量/功率密度分布。但光学衍射元件能否直接应用于高峰值功率的刻蚀激光还需考虑激光能量的衍射转换效率、衍射元件的材料损伤、衍射元件工作面距离、景深以及刻蚀工艺等问题。
文章研究了一种基于波前衍射变换的激光能量分布整形方法。采用光束扩束降低激光能量/功率密度的办法避免了对光学元件的损伤，在衍射元件设计中考虑了衍射元件像平面工作的景深。对复合材料基底上金属薄膜的刻蚀试验结果表明，与设计预期吻合良好。
1、菲涅尔衍射模拟
在刻蚀激光的光学衍射变换系统中，光束的传播过程用菲涅尔衍射来模拟。在每次迭代的正向传输中分为两次菲涅尔衍射，如图1所示，第一次是由透镜f1的前表面(S0面，也是衍射元件DOE 面)到透镜f2的前表面(S1面)，第二次是由S1面到待刻蚀的样品表面(S2面)。设三个面上的复振幅分别为u(i xi，yi)，um(xm，ym)，uo(xo，yo)。对于这样的光束整形问题，需要找到一个合适的透过率函数T(xi，yi)=exp·[iΦ(xi，yi)](即DOE 的位相分布)来对入射光的波阵面进行调制。
将菲涅尔衍射公式转化为复振幅和一个二次位相因子乘积的快速傅立叶变换来表示，推导步骤如下。
图1 衍射元件设计光路示意图
4、结论
经过波前光学衍射变换整形后，激光能量/功率密度分布及光斑形状达到了理论设计要求，经过实验实现了对复合材料基底上金属薄膜图形的高精度刻蚀。在能量利用率方面，针对基模输出模式设计的激光能量分布整形器件的能量利用效率为71%，利用此衍射元件对多阶模式输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为53%。因此，如何进行衍射元件针对实际激光输出模式的专门设计，并且提高衍射元件的效率以减少能量损失，是这种基于衍射元件的激光能量分布整形技术达到实用水平的努力方向。
