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換效率為71%，對非基模模式的轉換效率為53%。

　　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，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。

　　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量的關鍵。基于光學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。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u(i 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制。

　　將菲涅爾衍射公式轉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。

圖1 衍射元件設計光路示意圖

　　4、結論

　　經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，經過實驗實現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。