｜繞射光學元件－矽基液晶之雷射微加工

摘要：利用矽基液晶（Liquid crystal on silicon, LCOS）作為繞射式光學元件，可動態調制雷射光束傳遞特質，優點包括高開口率、畫素間距小、相位調變範圍大。雷射光入射到達畫素的反射電極，再折回原光路，藉由驅動層內含的液晶調制雷射光束波前的相位，矽基液晶可藉由輸入的驅動訊號產生任意的相位式繞射光學元件。此外，飛秒雷射（Femtosecond laser）的脈衝寬度極短，可在金屬或其它材料上，實現低熱效應之微米或奈米尺度加工。將矽基液晶應用於飛秒雷射光束整形，使得飛秒雷射加工應用領域更加擴大。加工應用時首重穩定性，文中針對飛秒雷射照射反射式矽基液晶時能承受的閥值與穩定度做測試。

Abstract: Liquid crystal on silicon (LCOS) is utilized as a dynamic diffractive optical element to dynamically manipulate laser beam propagation characteristics. It has the benefits of high fill rate, small pixel pitch, and high phase retardation. Laser beam goes through the pixels, and returns to the original light path via the liquid crystal layer. The phase of the laser beam is modulated by the liquid crystal layer. Depending on the driving signal, LCOS can be used as a range of dynamic phase diffractive optical element. The optical properties are examined in details here. Furthermore, due to the ultra-short pulse duration of the femtosecond laser, nano/micro scale machining on metals and many other materials can be achieved. By combining the capability of LCOS and the femtosecond laser pulses, an extensive field of femtosecond laser machining can be done. The stability performance of a component is one of the key indexes for industrial applications. The stability and damage threshold under femtosecond laser illumination are investigated as well.

關鍵詞：繞射光學元件、飛秒雷射、矽基液晶

Keywords：Diffractive optical elements, Femtosecond laser, Liquid crystal on silicon

前言
繞射光學元件（Diffractive optical elements, DOEs）可以調整入射光源的振幅與相位，藉著波動光學中的繞射與干涉，入射光束能量波前重新分配，產生各式圖像[1, 2, 3]。如圖1所示，繞射光學元件涵蓋有二元光學（Binary optics）元件、Kinoforms、全像光學元件以及電腦全像片等[4]。

（1）振幅式繞射光學元件：利用部分光遮蔽與部分光穿透的方式來產生所需的光場分佈圖案，即此繞射光學元件調制光波振幅在0至1之間的任意值，以產生不同繞射光強度分佈，而相位不會改變，但此方法有一缺點，在光輸出時會有約50 %的光強度損耗。

（2）相位式繞射光學元件：利用介質特性，如材料厚度變化或折射率變化的特殊結構來調制入射光波前，此繞射光學元件可調制光波相位至0~2 π之間的任意值，而振幅不會減弱。依光程差的不同，各相位互相干涉形成所要的光場分佈圖案，所以純相位光學元件的光強度損耗較低，且可承受較高功率，為目前雷射加工用繞射光學元件的主流。

矽基液晶（Liquid crystal on silicon, LCOS）簡介
目前矽基液晶應用於許多領域，如頭戴式顯示器（Head mounted display）、微型投影機（Pico projector）、全像術（Holography）…等等。矽基液晶顯像元件的基本設計，如圖2所示，是利用上層的玻璃板及下層的矽基板，將液晶包夾在其中的三明治結構。早期的IC背板對於做為一反射面而言，不夠平坦、反射率差，直到90年代中期，藉由CMP （Chemical mechanical polishing）製程的開發，能製作出高平坦度、高反射率的表層。與傳統穿透式LCD結構上的不同之處在於底層pixel電極是以金屬鏡（Metallic mirror）代替透明的ITO （Indium tin oxide），並且捨棄利用TFT作為各畫素開關電晶體，而將單晶CMOS transistors 做在Silicon chip內，與一般LCD結構最大的區別在於穿透式與反射式的差異。

如圖3所示，反射式設計是入射光到達畫素的反射電極就折回，電極下面的電晶體及其他線路不會干擾入射光或反射光，具有高開口率，面板的光利用效率得以大幅提昇，可以有高亮度輸出，並且畫素間距可以拉近，適合發展高解析度的顯示面板。藉由矽基板上微小電路的整合，提高了矽基液晶的驅動效率及可靠度，並且矽基板可在大型積體電路（Large scale integration，LSI）工廠大量生產，有助成本調降，因此低價格與高解析度的實現，是反射式矽基液晶最受產業界期待的兩大優勢。本文利用顯微鏡觀察反射式矽基液晶面板，結構如圖4所示，透明處為畫素所在位置，在每個畫素間的黑線為其驅動線路，每個區塊間透明區面積所佔的比例稱為開口率，此數值越高，代表光的利用效率越好。