Расчет и изготовление дифракционных гомогенизаторов для преобразования распределения интенсивности лазерных пучков Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.42

РАСЧЕТ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДИФРАКЦИОННЫХ ГОМОГЕНИЗАТОРОВ

ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ

Виктор Павлович Корольков

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: [email protected]

Руслан Камильевич Насыров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: [email protected]

Вадим Владимирович Черкашин

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: [email protected]

Работа посвящена разработке дифракционного гомогенизатора для коррекции распределения интенсивности лазерных пучков. Рассчитаны и изготовлены методом проекционной фотолитографии с полутоновым растрированным шаблоном гомогенизаторы, исправляющее излучение эксимерного лазера с длиной волны 193.3 нм. В статье приведены экспериментальные результаты.

Ключевые слова: гомогенизатор, дифракционная оптика, дифракционная эффективность, полутоновая фотолитография.

DESIGN AND FABRICATION OF DIFFRACTIVE HOMOGENIZERS OF INTENSITY DISTRIBUTION OF LASER BEAMS

Victor P. Korolkov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., leading researcher, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Ruslan K. Nasyrov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, senior scientist, tel. (383)330-79-31, e-mail: [email protected]

Vadim V. Cherkashin

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, scientist, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

The paper is devoted to the development of a diffraction homogenizer for correcting the intensity distribution of laser beams. The homogenizers correcting the radiation of an excimer laser with a wavelength of 193.3 nm were calculated and manufactured using the method of projection lithography with a halftone mask. Experimental results are presented in the article.

Key words: homogenizer, diffractive optics, diffraction efficiency, half-tone lithography.

Полупроводниковые, эксимерные и CO2 лазеры широко используются во многих приложениях, где необходимо применение излучения высокой мощности. Проблема заключается в том, что исходное качество пучка для таких лазеров часто бывает плохим и необходима его коррекция, для формирования качественной сфокусированной точки. Особенно это актуально для таких задач как лазерная резка, офтальмология и лазерные измерения. Часто нужно сформировать пучок с заданным распределением интенсивности.

Одним из решений этой проблемы является использование гомогенизаторов [1-4]. Принцип действия таких систем основан на том, что оптический элемент преобразовывает исходное распределение в поле равномерной интенсивности. После этого, пучок фокусируется при помощи линзовой системы в область с заданным распределением интенсивности. В таких системах гомогенизация, как правило, делается при помощи двух микролинзовых растров. Недостатком этой схемы является то, что необходимо два растра, поэтому система достаточно дорога и ее непросто отъюстировать. Кроме того, на втором растре возникают «горячие точки» что приводит к его выгоранию при использовании мощного излучения.

В нашей работе был рассчитан, изготовлен и исследован дифракционный гомогенизатор. В этом случае, требуется только один элемент с микрорельефом, что уменьшает стоимость, упрощает настройку и увеличивает время использования системы. Кроме того, такой гомогенизатор позволяет формировать при необходимости распределение интенсивности более сложной формы, чем только равномерной.

1. Расчет дифракционной структуры гомогенизатора

Метод расчета гомогенизатора основан на итеративном алгоритме преобразования Фурье (IFTA) [5]. Суть использованного алгоритма заключается в том, что в плоскости элемента задается распределение интенсивности, соответствующее лазерному пучку и случайная фаза. При помощи быстрого преобразования Фурье вычисляется распределение и фаза в выходной плоскости. После этого, подставляется требуемое распределение интенсивности и при помощи быстрого обратного преобразования Фурье вычисляется интенсивность и фаза в плоскости оптического элемента. Затем подставляется снова исходное распределение интенсивность и цикл повторяется. Итерации повторяются до тех пор, пока решение не становится стабильным.

В нашей работе нам требовалось скорректировать излучение эксимерно-го лазера с длиной волны 193.3 нм, который используется для дерматологии. Форма исходного распределения приведена на рис. 1, а. Требовалось сформировать круглое пятно с равномерной интенсивностью. Карта рельефа рассчитанной дифракционной структуры приведена на рис. 1, б. Изменение фазы показано полутонами. Сверху и снизу основной структуры были изготовлены контрольные линейные дифракционные решетки с пилообразным профилем.

а) б)

Рис. 1. Исходное распределение интенсивности эксимерного лазера с длиной волны 193.3 нм (а), расчетная фазовая карта дифракционного гомогенизатора для формирования круглого пучка (б) с тестовыми решетками

2. Изготовление гомогенизатора методом проекционной фотолитографии

Гомогенизаторы были изготовлены методом проекционной фотолитографии с растрированным фотошаблоном. Фотошаблон был изготовлен по термохимической технологии на круговой лазерной записывающей системе CLWS-300IAE, разработанной и изготовленной в ИАиЭ СО РАН [6]. На кварцевой подложке диаметром 100 мм и толщиной 1 мм, покрытой пленкой фоторезиста AZ1813, печатались 20 голограмм с двумя тестовыми линейными решетками каждая. Период тестовых решеток составил 100 мкм. После формирования рельефа в фоторезисте, он переносился на поверхность кварцевой подложки с помощью реактивного ионного травления в установке Plasmalab 80+ (Oxford Instruments, Великобритания). Расчетная глубина рельефа была равна 344 нм. На рис. 2 показана форма рельефа участка гомогенизатора и тестовой решетки на поверхности кварцевой подложки.

а) б)

Рис. 2. Участок рельефа гомогенизатора (а), профиль тестовой решетки с периодом 100 мкм рядом с гомогенизатором (б)

4. Контроль гомогенизатора методом измерения дифракционной эффективности тестовых решеток

Существенной проблемой при изготовлении таких элементов является необходимость их контроля. Необходимо измерить их дифракционную эффективность и распределение интенсивности в пучке, который они формируют. Однако, как правило, доступ к лазеру, для которого был изготовлен гомогенизатор, затруднен или невозможен в силу удаленности заказчика. В лабораторных условиях использовать излучение с такой длиной волны также является проблемой, так как эти весьма дорогие лазеры, имеются только в специализированных лабораториях.

Для решения этой проблемы предложен метод на основе анализа тестовых линейных решеток с такой же глубиной рельефа, что и у гомогенизатора и конфигурации измерения на отражение с лазерным источником освещения, имеющим длину волны, равную удвоенной глубине микрорельефа с учетом наклонной геометрии падения пучка. На рис. 3 показана оптическая схема измерительной установки. Для измерений использовался лазерный модуль с длиной волны 691 нм.

а) б)

Рис. 3. Схема измерения дифракционной эффективности на отражение (а), автоматизированная измерительная система для контроля дифракционной

эффективности гомогенизаторов (б)

Для предотвращения интерференции с пучком, отраженным от обратной стороны подложки, на нее наносится слой глицерина и копировальная бумага с матовой поверхностью. Угол падения светового пучка на подложку а является подгоночным параметром и выбирается так, чтобы соблюдалось равенство:

ц - cos (а)I

где Нр - расчетная глубина рельефа гомогенизатора. Подстройка угла необходима в связи с тем, что лазерные модули могут иметь длину волн из небольшого стандартного ряда широкого применения.

По результатам измерений 40 элементов средняя дифракционная эффективность в первом порядке составила 93 % при максимальном значении 96 % и минимальном 84 %. Такой разброс был связан с плановой вариацией дозы экспозиции при проекционной печати. Средняя дифракционная эффективность нулевого порядка составила 0,7 %.

Была собрана автоматизированная измерительная система, которая сканировала тестовые решетки и измеряла интенсивность отраженного пучка в различных дифракционных порядках (рис. 3, б). Автоматизация процесса особенно актуальна, в связи с тем, что такие элементы, как правило, изготавливаются в большом количестве. При проведении измерений вручную на такую операцию требуется значительное время.

На рис. 4 показан пример распределения интенсивности лазерного излучения, сформированного гомогенизатором.

Разработан дифракционный гомогенизатор для коррекции распределения интенсивности пучка эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Методом проекционной фотолитографии с полутоновым шаблоном изготовлена серия гомогенизаторов, дифракционная эффективность которых, оцененная по тестовым линейным решеткам, лежит в пределах 84-96 %. Разработана установка для автоматизированного контроля изготовленных гомогенизаторов.

Авторы выражают благодарность инженерам-технологам А. И. Малышеву и С. К. Го-лубцову за изготовление гомогенизаторов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Rudnaya S., Misemer D., Santosa F. Rational design of a diffractive homogenizer for a laser beam // Journal of Engineering Mathematics. - 2002. - Vol. 43, N 2. - Р. 189-199.

2. Laser beam homogenization: Modeling and comparison with experimental results / E. T. Kana, S. Bollanti, P. Di Lazzaro, D. Murra, O. Bouba, M. B. Onana // Optics Communications. - 2006. - Vol. 264, N 1. - P. 187-192.

3. Voelkel R., Weible K. J. Laser Beam Homogenizing: Limitations and Constraints // Proc. SPIE 7102, Optical Fabrication, Testing, and Metrology III, 2008, 71020J.

4. Zhou A. F. UV Excimer laser beam homogenization for micromachining applications // Optics and Photonics Letters Vol. 4, No. 2 (2011) 75-81.

5. Ripoll O., Kettunen V., Herzig H. Review of iterative fourier-transform algorithms for beam shaping applications // Opt. Eng. 0001;43(11):2549-2556.

6. . http://www.iae.nsk.su/index.php/ru/collab-center/ckp-komplex-6.

© В. П. Корольков, Р. К. Насыров, В. В. Черкашин, 2017

Рис. 4. Распределение интенсивности в лазерном пучке после применения гомогенизатора