CN109590604A - 一种提高激光图案化加工均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高激光图案化加工均匀性的方法，属于激光应用技术领域。本发明通过采用隔行拆分的方法，将待加工图案拆解成一系列的子图案，依据傅里叶迭代算法计算每张子图案的相位图，而后通过将相位图依次载入空间光调制器获得整形光场，利用整形光场在材料上加工出各个整形光场所对应的子图案，这些子图案最终组合成完整的加工图案。以此解决采用单张相位图进行激光空间光场整形加工时，由于光场的斑点噪声所带来的能量沉积不均的问题，从而达到提高激光图案化加工均匀性的目的。该方法原理简单，显著提高了加工结果的均匀性，具有很强的实用性，通过隔行拆分待加工图案来提高能量沉积均匀性的方法能够在基于空间光调制器的激光空间光场整形图案化加工中起到重要作用。

Description

一种提高激光图案化加工均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种提高激光图案化加工均匀性的方法，属于激光应用技术领域。

技术背景

相位型液晶空间光调制器作为一种光场整形元件被广泛运用于激光图案化加工中。利用相位型液晶空间光调制器对激光光束进行整形的前提是通过迭代算法计算整形光场的全息相位图。但是由于在计算生成的相位图中，邻近像素点间的相位往往不连续，使得实际整形光场的邻近光点间由于相位不同而发生无规则干涉。在发生干涉相消处，整形光场将出现暗点(光强较弱的点)，形成斑点噪声。斑点噪声的存在降低了整形光场的光强均匀性和完整性，进而影响加工材料上的激光能量沉积，使得整形激光加工的图案内部存在许多材料残留，严重制约了整形激光在复杂微细图案加工中的应用。

目前减少斑点噪声的方法主要是采取基于同一目标整形光场，通过设定不同的初始相位多次计算(Amako J,Miura H,Sonehara T.Speckle-noise reduction on kinoformreconstruction using a phase-only spatial light modulator[J].Applied Optics,1995,34(17):3165-71.)或者对单张相位图进行平移(Golan L,Shoham S.Speckleelimination using shift-averaging in high-rate holographic display[J].OpticsExpress,2009,17(3):1330-1339.)来获得多张全息相位图，利用相位图的统计独立性来均化邻近光点间相位的差异，从而减少斑点噪声，提高整形光场的均匀性。但是该方法一方面对加工结果的均匀性提高有限，另一方面在加工时需要对每张相位全息图进行曝光，使得加工区域每一点的曝光时间变长。经前期曝光加工出来的结构会对后续光场分布产生影响，在图案边缘或图案细节处容易出现光场局域增强现象，使得光场局域处的加工结果由于激光能量沉积变大，出现过烧蚀、重铸层变厚、表面质量变差等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述整形光场存在斑点噪声，影响激光加工图案均匀性的问题，提供了一种提高激光图案化加工均匀性的方法。该方法采取隔行拆分目标整形光场(待加工图案)，使原先完整的光场按一定规则拆分成由分离的光点阵列构成的子光场，通过调整邻近分离光点之间的距离以减弱光点间的干涉作用，达到减少斑点噪声，提高整形激光加工均匀性的目的。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种提高激光图案化加工均匀性的方法，具体步骤如下：

步骤一、根据加工精度的需求或者图案的复杂程度，将目标整形光场(待加工图案)像素化成矩阵A⁰，所述矩阵A⁰由M×M个元素(像素单元)构成，A⁰中的元素由表示；其中光强为零的点对应的矩阵元素取值为0。然后根据加工均匀度的需求选取间隔数N，对目标整形光场采用隔行取值拆分的方式，将目标整形光场拆分成N²个子光场A^p,q(p＝1,2…N；q＝1,2…N)，每个子光场矩阵A^p,q同样由M×M个元素构成，子光场A^p,q中的元素取值为:

其中，p,q为子光场矩阵A^p,q中第一个取值来自目标光场矩阵(即)的元素所对应的行、列序号(初始行列序号1,1位于光场矩阵的左上角)，k、l为整数，r、s分别为k、l的最大值，满足p+N×r≤M、q+N×s≤M。子光场A^p,q中的元素值除了取自拆分目标整形光场时分配得到的对应行列位置处的值之外，其余元素的值都为0，即对应点的光强为零。

步骤二、以步骤一得到的每个子光场为目标子光场，分别计算N²个子光场对应的全息相位图。

步骤三、将步骤二得到的N²张全息相位图依次载入相位型液晶空间光调制器，控制每张相位图显示的时间，即每个子光场的曝光加工时长。由于N²个子光场在空间上的叠加构成完整的图案，因此在N²张全息相位图加载完毕后，整形激光最终在材料上加工出边缘规整、均匀性良好的完整图案。

上述技术方案中拆分间隔数N值的选取与对加工图案均匀度的要求有关。N值越大，子光场邻近光点的间距越大，子光场邻近光点之间发生的干涉作用越弱，斑点噪声也越少，对应拼接后的光场及加工图案的均匀性越高。但是当N值超过一定数值后，光点之间由于间距过大，几乎不再发生干涉作用，拼接后的光场均匀度将达到饱和。此时，增加N值将不会提高光场的均匀性。此外，N值越大，对应子光场的数目N²越大，需要计算及加载的全息相位图数量也越多，致使加工效率降低。因此在实际操作中需根据图案复杂度和加工均匀度的要求选取合适的N值。

有益效果

1、本发明通过将目标整形光场(待加工图案)隔行拆分成由离散点阵列构成的子光场，利用空间光调制器的动态加载特性在材料上分别加工子光场对应的图案，最终拼接形成完整的加工图案。由于离散点阵列减少了斑点噪声，使得通过拼接加工得到图案质量相比未拆分的方式获得了明显提高。

2、本发明根据拆分间隔N，将目标整形光场拆分成N²个子光场，分别计算N²个子光场的全息相位图。虽然在加工时也需要对N²张全息相位图进行曝光，但是加工区域每一点的曝光时间和未进行光场优化，仅加载基于目标整形光场计算得到单张相位图时的情况是相同的。因此本发明能有效减弱由于激光作用时间过长，已加工的结构对后续激光光场进行重整而导致的光场局域增强现象，进一步提高激光图案化加工的均匀性和表面质量。

3、本发明根据拆分间隔N，将目标整形光场拆分成N²个子光场。在加工图案尺寸大小一致、输入激光能量不变的情况下，由于拆分后的子光场由离散的光点点阵构成，每个光点位置处的能量是原先完整目标光场相同位置处能量的N²倍。在减少斑点噪声的同时也可以在一定程度上避免激光图案化加工中由于光场尺寸过大，使得激光通量小于材料加工阈值，进而造成图案加工深度过浅、图案边缘模糊等问题。

附图说明

图1为隔行拆分法示意图(目标整形光场为字母“B”，间隔数N＝2)；

图2为传统加载单张全息相位图法与采用隔行拆分，加载多张相位图法的加工结果对比；

图3为拼接后整形光场(材料上能量沉积)的均匀性U随间隔数N的变化关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

被整形的加工光源可以为任意的相干激光，包括连续激光、纳秒/皮秒/飞秒激光等脉冲激光，本实例采用飞秒激光作为被整形加工光源。如附图1所示，该实例的具体步骤如下：

(1)将目标整形光场字母“B”像素化成由50×50个元素构成的矩阵A⁰，然后选取间隔数N＝2，按隔行拆分的方法将目标整形光场拆分成4个子光场A^1,1、A^1,2、A^2,1、A^2,2(在附图1中，为图片展示清晰性，4个子光场分别用序号1、2、3、4表示)。

(2)采用基于菲尼尔衍射的傅里叶迭代算法，以每个子光场为目标光场，分别计算4个子光场对应的全息相位图。

(3)将4张全息相位图依次载入相位型液晶空间光调制器，根据加工需求控制每张相位图显示的时间，即每个子光场的曝光加工时长，使加工每个子图案的飞秒激光脉冲个数相同。由于4个子光场在空间上的叠加构成完整的字母“B”图案，因此在4张全息相位图加载完毕后，整形激光最终在材料上加工出完整的字母“B”。

附图2(a)为传统使用完整图案为目标整形光场，加载单张全息相位图，在以熔融石英为基底，厚度为40nm的金膜上加工字母“B”图案的结果；图2(b)为采用上述隔行拆分法在同一材料上的加工结果。为了加工结果对比的可信度，保证两种加工方式在材料上沉积能量的一致性，由于后者加载的全息相位图数量是前者的4倍，对应所用飞秒激光脉冲总数(总曝光时间)也为前者的4倍，因此后者采用的加工能量为前者的可以明显看出采用本发明提供的方法所加工的图案边缘更加整齐，图案内部不存在因斑点噪音而造成材料残留的情况。

此外，由于斑点噪声主要来源于邻近光点的干涉相消作用，在一定范围内，光点的间距越大，这种干涉相消现象就越弱。因此可以通过增加间隔数N来增加光点间的距离，进一步提高光场的均匀性。附图3为整形光场(材料上能量沉积)的均匀性U随间隔数N的变化关系模拟曲线图，整形光场的均匀性U定义为：

其中I_max为整形光场中光点能量的最大值，I_min为整形光场中光点能量的最小值。从模拟曲线图可以看到起初随着间隔数N的增加，光场均匀性U逐渐提高，当间隔数N大于6时，光场均匀性趋向于饱和。由于选取的间隔数N越大，对应子光场的拆分个数越多，全息相位图的计算量及后续图案加工所需的时间也越多。因此在实际运用中需要依据图案均匀度和加工效率的要求，选取合适的拆分间隔数N。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种提高激光图案化加工均匀性的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、根据加工精度的需求或者图案的复杂程度，将目标整形光场，即待加工图案，像素化成矩阵A⁰，所述矩阵A⁰由M×M个元素构成，A⁰中的元素由表示；其中光强为零的点对应的矩阵元素取值为0；然后根据加工均匀度的需求选取间隔数N，对目标整形光场采用隔行取值拆分的方式，将目标整形光场拆分成N²个子光场A^p,q(p＝1,2…N；q＝1,2…N)，每个子光场矩阵A^p,q同样由M×M个元素构成，子光场A^p,q中的元素取值为:

其中，p,q为子光场矩阵A^p,q中第一个取值来自目标光场矩阵的元素所对应的行、列序号；k、l为整数，r、s分别为k、l的最大值，满足p+N×r≤M、q+N×s≤M；子光场A^p,q中的元素值除了取自拆分目标整形光场时分配得到的对应行列位置处的值之外，其余元素的值都为0，即对应点的光强为零；

步骤二、以步骤一得到的每个子光场为目标子光场，分别计算N²个子光场对应的相位全息图；

步骤三、将步骤二得到的N²张相位全息图依次载入相位型液晶空间光调制器，控制每张全息图显示的时间，即每个子光场的曝光加工时长；由于N²个子光场在空间上的叠加构成完整的图案，因此在N²张全息相位图加载完毕后，整形激光最终在材料上加工出边缘规整、均匀性良好的完整图案。

2.如权利要求1所述的一种提高激光图案化加工均匀性的方法，其特征在于：对于待加工图案的大小为50×50像素的情况下，所述拆分间隔数N大于6时，光场的均匀性趋向于饱和，因此N取值为1～6范围内的整数。