CN103399406A - 将高斯光束整形为平顶光束的衍射光学元件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种新的实现高斯转平顶的衍射光学元件，简称DOE，并提供了所述DOE的制备方法。在石英基片中心处制备不同形状、不同尺寸的凹槽或台阶，而后将DOE置于光路中的不同位置，与扩束准直镜以及聚焦透镜配合，实现平顶光束。本发明所涉及DOE具有以下几个突出优点：能量透过率高，对入射激光模式变化较不敏感，安装使用简单、灵活。
Description
技术领域
本发明涉及激光光束整形技术领域，特指一种将高斯光束整形为平顶光束的衍射光学元件及其制备方法。
背景技术
目前，激光加工产业尤其是激光打孔设备、激光焊接设备以及激光显示设备的发展对光束质量提出了越来越高的要求，一方面，精细加工要求激光的光斑越来越小，目前激光打孔设备已经能够实现直径数十微米的打孔。另一方面，精细加工要求激光的光斑为平顶分布，而不是高斯分布。所谓平顶分布是指在光斑内部激光能量均匀。高斯分布的特点则是中心能量高，边缘能量小。高斯光束用于打孔会出现中心打孔速度快、边缘打孔速度慢等问题；用于激光焊接则会出现中心焊接充分而边缘焊接不充分等问题。激光显示行业也要求光斑为平顶型光斑。
目前实现高斯转平顶的方法主要有以下几种。
第一种，非曲面透镜。非曲面透镜不同于传统的凹凸透镜，其曲面有特殊的形貌要求。它的优点是能够实现接近百分之百的衍射效率。但加工难度极大，不易批量生产。此外，非曲面透镜只能得到圆形的平顶光斑，因此其应用范围大受限制。
第二种，微透镜阵列。微透镜阵列的原理比较简单。首先使用复眼结构的微透镜将入射光分为若干个分光束，而后使用另一个微透镜将分光束汇聚从而产生平顶光束。微透镜的优点在于可以批量生产，但对工艺要求极高，需要精确并均匀控制各个微透镜的曲率、直径等参数，此外，单个微透镜不能实现平顶光，必须两个结合使用。这对两个微透镜的对准提出了极高要求。
第三种，光阑法。光阑法的原理是使用孔径光阑将高斯光束的边缘部分“截掉”从而得到平顶光束。其优点是简单，缺点在于会损失较多能量。
第四种，衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)整形方法。衍射光学元件利用的是衍射原理，在元件表面制备一定深度的台阶，光束通过时产生不同的光程差，而后发生干涉从而产生平顶光斑。衍射元件实现高斯转平顶的优点在于灵活度高-最终光束的发散角、光斑形貌等等可以灵活控制，难点在于制备工艺复杂。
发明内容
本发明提出一种新的实现高斯转平顶的衍射光学元件，简称DOE。在石英基片中心处制备不同形状、不同尺寸的凹槽或台阶，而后将DOE置于光路中的不同位置，与扩束准直镜以及聚焦透镜配合，实现平顶光束。
本发明提供的技术方案如下：
一种将高斯光束整形为平顶光束的衍射光学元件，所述衍射光学元件简称DOE（结构如图1所示），所述DOE可以将圆形高斯光束整形为正方形或圆形平顶光束，其特征是，
实现正方形平顶光束的DOE结构为石英基片的中心区域有正方形凹槽或台阶；凹槽或台阶的边长根据应用要求确定；台阶或凹槽的高度或深度由公式决定：h=λ/2*(n-1)，其中，h为台阶高度或凹槽深度，λ为入射激光波长，n为基底折射率；
实现圆形平顶光束的DOE结构为石英基片的中心区域有圆柱形凹槽或台阶；凹槽或台阶的直径根据应用要求确定；台阶或凹槽的高度或深度由公式决定h=λ/2*(n-1)，其中，h为台阶高度或凹槽深度，λ为入射激光波长，n为基底折射率。
所述DOE的材料种类为石英玻璃、普通玻璃、ZnSe等。
一种将高斯光束整形为平顶光束的方法，利用所述的DOE将高斯光束整形为平顶光束，包括以下几种方式：
第一种，首先使用扩束准直透镜将激光扩束准直，而后穿过DOE，在整形器件后方放置聚焦透镜并得到平顶光斑；
第二种，将DOE放置在扩束装置之前，在扩束装置后放置聚焦透镜并得到平顶光斑；
第三种，将DOE放到聚焦透镜之前得到平顶光斑；
第四种，将DOE放到扩束准直***内部，而后放到聚焦透镜之前得到平顶光斑。
所述的的衍射光学元件的制备方法，包括：
1）根据最终出射光束参数以及入射光束参数进行DOE的设计，生成版图文件以及光刻掩膜版；
2）在石英基片表面旋涂光刻胶，而后利用光刻掩膜版进行光刻，生成光刻胶图形；对于凹槽型DOE，光刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处无光刻胶而其它区域有光刻胶；对于台阶行DOE，刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处有光刻胶而其它区域无光刻胶；
3）利用光刻胶图形为刻蚀掩膜，使用干法刻蚀方法将光刻胶图形转移到石英基片上；
4）将残余的光刻胶去除。
所述的的衍射光学元件的制备方法，包括：
1)根据入射光的参数以及最终需要得到的平顶光斑的参数要求进行衍射整形元件的设计，经过设计后输出设计文件；将设计文件转换为GDS文件，用GDS文件生成光刻掩膜版文件；
2)在石英基片上旋涂光刻胶；
3)利用光刻掩膜版文件制备光刻掩膜版，使用光刻掩膜版对石英基片上的光刻胶进行曝光、显影、定影操作，从而在石英基片上留下与设计图形一致的光刻胶；该光刻胶将作为后续工艺的掩膜；对于凹槽型DOE，光刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处无光刻胶而其它区域有光刻胶；对于台阶行DOE，刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处有光刻胶而其它区域无光刻胶；也可以使用金属铬、镍、铝作为后续刻蚀工艺的掩膜；
4)使用刻蚀工艺将光刻胶图形转移到石英基片上，在石英基片上形成与设计图形一致的图案；所述刻蚀工艺为干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺；其中干法刻蚀工艺包括反应离子束刻蚀、离子束刻蚀、电感耦合等离子反应离子束刻蚀；湿法刻蚀工艺包括氢氟酸刻蚀、缓冲氢氟酸刻蚀；
5)将刻蚀掩膜去除。光刻胶掩膜的去除使用丙酮；金属掩膜的去除使用无机酸或者硫酸双氧水溶液。
本发明所涉及DOE具有以下几个突出优点：
1.能量透过率高。在未蒸镀增透膜的情况下能量透过率可以到达92-93%。双面蒸镀增透膜的情况下可以达到近100%。
2.对入射激光模式变化较不敏感。实际测试实验表明入射激光的模式变化对最终平顶光斑质量影响较小。
3.安装使用简单。传统的多阶DOE对安装及使用的要求极高，光路上各个光学元件的位置、尺寸、相对位置都要精确控制。本发明所述的DOE则相对宽松。
4.使用灵活方面。本发明所述的DOE可以使用在光路中不同的位置。传统DOE一般只能放在扩束准直镜之后聚焦透镜之前。
附图说明
图1本发明元件的基本结构。其中，101-台阶；102-基片；103-凹槽。
图2本发明的实际整形效果示意图。
图3发明的四种使用方式：
图3a第一种使用方式：DOE位于聚焦透镜之前，经聚焦后得到平顶光斑。
图3b第二种使用方式：DOE位于扩束准直镜后聚焦透镜之前，经聚焦后得到平顶光斑。
图3c第三种使用方式：DOE位于扩束准直镜以及聚焦透镜之前，经聚焦后得到平顶光斑。
图3d第四种使用方式：DOE位于扩束准直镜中间以及聚焦透镜之前，经聚焦后得到平顶光斑。
具体实施方式
本发明所述的DOE应与其他光学元件配合方能得到最终所需要的平顶光斑。其它光学元件是指：扩束准直镜，用于将原始入射光束扩束并准直，准直后的光束束腰直径应大于DOE的有源区尺寸。例如，对于正方形台阶或凹槽样品，准直后的光束束腰直径应该完全覆盖正方形台阶或凹槽全部区域。对于圆形台阶或凹槽样品，准直后的光束束腰直径应该大于圆形台阶或凹槽的直径至少2mm以上。聚焦透镜，用于将DOE整形后的光斑会聚并产生最终平顶光束。
具体的实施方式包括：
1、根据入射光的参数（包括波长、束腰直径、发散角）以及最终需要得到的平顶光斑的参数（包括光斑尺寸、工作距离等）要求进行衍射整形元件的设计。经过设计后输出设计文件。设计文件可以转换为GDS文件，GDS文件可以生成光刻掩膜版文件；
2、在石英基片上旋涂光刻胶，光刻胶的种类可以是4620,9912,6130及其它光刻胶；
3、利用光刻掩膜版文件制备光刻掩膜版，使用光刻掩膜版对石英基片上的光刻胶进行曝光、显影、定影操作，从而在石英基片上留下与设计图形一致的光刻胶；该光刻胶将作为后续工艺的掩膜；同时，也可以使用其他材料作为后续刻蚀工艺的掩膜，例如金属铬、镍、铝以及其它金属；
4、使用半导体加工工艺中的刻蚀工艺将光刻胶图形转移到石英基片上，在石英基片上形成与设计图形一致的图案。其中干法刻蚀工艺包括但不限于反应离子束刻蚀、离子束刻蚀、电感耦合等离子反应离子束刻蚀等方法，湿法刻蚀工艺包括但不限于氢氟酸、缓冲氢氟酸等湿法刻蚀工艺。
5、将刻蚀掩膜去除。光刻胶掩膜的去除使用丙酮，金属掩膜的去除使用无机酸或者硫酸双氧水溶液。
下面用实施例对本发明进行进一步的说明：
实施例1：实现正方形平顶光斑的DOE（凹槽型）
有一激光入射光光源，其波长为532nm，光斑直径为2mm。经过DOE要求在施加焦距为200mm的聚焦镜下得到边长为200um的正方形平顶光斑。为了得到最佳的整形效果，需要将入射光源首先扩束准直到直径为6mm左右。
实现步骤如下：
第一步，根据上述要求进行理论模拟设计，并生成GDS文件，GDS文件中正方形凹槽的边长为4mm；
第二步，在蒸镀有金属铬的光刻掩膜版上旋涂光刻胶，而后使用掩膜版制备设备按照GDS文件对光刻胶进行曝光；
第三步，对曝光后的光刻掩膜版进行显影定影工艺，最终在光刻掩膜版上生成与GDS文件一致的图形；
第四步，使用铬的腐蚀液或者干法刻蚀工艺将没有光刻胶掩蔽的铬去除；
第五步，将光刻胶使用丙酮或者等离子体去胶机去除；
第六步，在石英基片上旋涂光刻胶，石英基片可以是直径25mm的圆片或者其它尺寸的基片；
第七步，使用制备好的光刻掩膜版对石英基片上的光刻胶进行曝光、显影以及定影操作，从而在石英基片上得到与设计好的GDS文件一致的光刻胶图形；
第八步，使用使用半导体加工工艺中的刻蚀工艺将光刻胶图形转移到石英基片上，在石英基片上形成与设计图形一致的正方形凹槽，正方形凹槽的边长为4mm，其中干法刻蚀工艺包括但不限于反应离子束刻蚀、离子束刻蚀、电感耦合等离子反应离子束刻蚀等方法，湿法刻蚀工艺包括但不限于氢氟酸、缓冲氢氟酸等湿法刻蚀工艺；石英的刻蚀深度由公式h=λ/2*(n-1)决定，本例中，波长为532nm，石英基底在532nm下的折射率约为1.45，因此刻蚀深度为532/2*(1.45-1)=591nm；
第九步，将石英基片上参与的光刻胶使用丙酮或等离子体去胶机去除；
第十步，至此，DOE元件制备完毕；
第十一步，DOE制备完成后，进行实际光路的搭建，完成最终平顶光斑的获得。激光器出光后首先经过扩束准直镜将其扩束到直径6mm，扩束准直后的光束入射到DOE表面。需要注意的是，扩束准直后的光束中心要与正方形凹槽的中心完全重合。经过DOE的光束再入射到焦距200mm的聚焦镜表面，而后在聚焦镜焦点附近将得到直径为200um的方形平顶光斑。
实施例2：实现正方形平顶光斑的DOE（台阶型）
有一激光入射光光源，其波长为532nm，光斑直径为2mm。经过DOE要求在施加焦距为200mm的聚焦镜下得到边长为200um的正方形平顶光斑。为了得到最佳的整形效果，需要将入射光源首先扩束准直到直径为6mm左右。
实现步骤参实施例1，不同之处在于：
第一步，根据上述要求进行理论模拟设计，并生成GDS文件，GDS文件中正方形台阶的边长为4mm；
第七步，使用制备好的光刻掩膜版对石英基片上的光刻胶进行曝光、显影以及定影操作，从而在石英基片上得到与设计好的GDS文件一致的光刻胶图形；
第八步，如实施例1所述，所不同处在于得到的是边长为4mm的正方形台阶；
其余步骤与实施例1相同。
实施例3实现圆形平顶光斑的DOE（凹槽型）：
有一激光入射光光源，其波长为532nm，光斑直径为2mm。经过DOE要求在施加焦距为200mm的聚焦镜下得到直径为200um的圆形平顶光斑。为了得到最佳的整形效果，需要将入射光源首先扩束准直到直径为6mm左右。
实现步骤参实施例1，不同之处在于：
第一步，根据上述要求进行理论模拟设计，并生成GDS文件，GDS文件中圆形的直径为4mm；
第八步，如实施例1所述，所不同处在于得到的是直径为4mm的圆形凹槽；
其余步骤与实施例1相同。
实施例4实现圆形平顶光斑的DOE（台阶型）：
有一激光入射光光源，其波长为532nm，光斑直径为2mm。经过DOE要求在施加焦距为200mm的聚焦镜下得到直径为200um的圆形平顶光斑。为了得到最佳的整形效果，需要将入射光源首先扩束准直到直径为6mm左右。
实现步骤参实施例1，不同之处在于：
第一步，根据上述要求进行理论模拟设计，并生成GDS文件，GDS文件中圆形的直径为4mm；
第八步，如实施例1所述，所不同处在于得到的是直径为4mm的圆形台阶；
其余步骤与实施例1相同。
本发明的实际整形效果如图2所示。
本发明的实际使用方式如图3所示，共有4中可能的使用方式：
图3a本发明的第一种使用方式：DOE位于聚焦透镜之前，经聚焦后得到平顶光斑。
图3b本发明的第二种使用方式：DOE位于扩束准直镜后聚焦透镜之前，经聚焦后得到平顶光斑。
图3c本发明的第三种使用方式：DOE位于扩束准直镜以及聚焦透镜之前，经聚焦后得到平顶光斑。
图3d本发明的第四种使用方式：DOE位于扩束准直镜中间以及聚焦透镜之前，经聚焦后得到平顶光斑。
Claims (10)
1.一种将高斯光束整形为平顶光束的衍射光学元件，所述衍射光学元件简称DOE，所述DOE可以将圆形高斯光束整形为正方形或圆形平顶光束，其特征是，
实现正方形平顶光束的DOE结构为石英基片的中心区域有正方形凹槽或台阶；凹槽或台阶的边长根据应用要求确定；台阶或凹槽的高度或深度由公式决定：h=λ/2*(n-1)，其中，h为台阶高度或凹槽深度，λ为入射激光波长，n为基底折射率；
实现圆形平顶光束的DOE结构为石英基片的中心区域有圆柱形凹槽或台阶；凹槽或台阶的直径根据应用要求确定；台阶或凹槽的高度或深度由公式决定h=λ/2*(n-1)，其中，h为台阶高度或凹槽深度，λ为入射激光波长，n为基底折射率。
2.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征是，所述DOE的材料种类为石英玻璃、普通玻璃、ZnSe。
3.一种将高斯光束整形为平顶光束的方法，其特征是，利用权利要求1所述的DOE将高斯光束整形为平顶光束，包括以下几种方式：
第一种，首先使用扩束准直透镜将激光扩束准直，而后穿过DOE，在整形器件后方放置聚焦透镜并得到平顶光斑；
第二种，将DOE放置在扩束装置之前，在扩束装置后放置聚焦透镜并得到平顶光斑；
第三种，将DOE放到聚焦透镜之前得到平顶光斑；
第四种，将DOE放到扩束准直***内部，而后放到聚焦透镜之前得到平顶光斑。
4.权利要求1所述的的衍射光学元件的制备方法，包括：
1）根据最终出射光束参数以及入射光束参数进行DOE的设计，生成版图文件以及光刻掩膜版；
2）在石英基片表面旋涂光刻胶，而后利用光刻掩膜版进行光刻，生成光刻胶图形；对于凹槽型DOE，光刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处无光刻胶而其它区域有光刻胶；对于台阶行DOE，刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处有光刻胶而其它区域无光刻胶；
3）利用光刻胶图形为刻蚀掩膜，使用干法刻蚀方法将光刻胶图形转移到石英基片上；
4）将残余的光刻胶去除。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征是，步骤1）中所述的出射光束参数包括：光斑尺寸、工作距离。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征是，步骤1）中所述的入射光束参数包括波长、 束腰直径、发散角。
7.权利要求1所述的的衍射光学元件的制备方法，包括：
1)根据入射光的参数以及最终需要得到的平顶光斑的参数要求进行衍射整形元件的设计，经过设计后输出设计文件；将设计文件转换为GDS文件，用GDS文件生成光刻掩膜版文件；
2)在石英基片上旋涂光刻胶；
3)利用光刻掩膜版文件制备光刻掩膜版，使用光刻掩膜版对石英基片上的光刻胶进行曝光、显影、定影操作，从而在石英基片上留下与设计图形一致的光刻胶；该光刻胶将作为后续工艺的掩膜；对于凹槽型DOE，光刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处无光刻胶而其它区域有光刻胶；对于台阶行DOE，刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处有光刻胶而其它区域无光刻胶；
4)使用刻蚀工艺将光刻胶图形转移到石英基片上，在石英基片上形成与设计图形一致的图案；
5)将刻蚀掩膜去除。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征是，步骤3）中，使用金属铬、镍、铝作为后续刻蚀工艺的掩膜。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征是，步骤4）中，所述刻蚀工艺为干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺；其中干法刻蚀工艺包括反应离子束刻蚀、离子束刻蚀、电感耦合等离子反应离子束刻蚀；湿法刻蚀工艺包括氢氟酸刻蚀、缓冲氢氟酸刻蚀。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征是，步骤5）中，光刻胶掩膜的去除使用丙酮；金属掩膜的去除使用无机酸或者硫酸双氧水溶液。
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