空間光調制器在激光加工中的應用

來源：閱讀：399 發布(bu)時間：2022-02-10 10:18:53

01 空間光調制器

空間光調制器（SLM）是近代光信息處理系統中的器件，它可以對光束進行調整，并將信息加載于一維或者二維的光學數據場上，能有效的利用光的固有速度、并行性和互連能力，達到光波調制的目的，因此空間光調制器被廣泛應用于諸多光學領域。

將空間光調制器與激光加工技術結合起來，不但可以實現高效率、靈活的激光加工，還可以改善激光加工中存在的問題，如光斑質量以及焦深短等等。

02 激光加工

激光是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。它可以通過透鏡聚焦成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，該光斑具有高的能量密度（108~1010W/cm²）。當激光照射在工件表面時，光能被工件吸收并迅速轉化為熱能，光斑區的溫度可達10000℃以上，使材料熔化甚至氣化，這就是激光加工（LBM）。該技術是一種非接觸加工方式，主要應用于打孔、切割、打標、焊接以及表面處理等加工工藝方面。

激光加工示意圖

隨著科技的發展，激光加工逐漸發展為連續激光加工、納秒激光加工以及皮秒/飛秒加工。同時人們將其應用于微納加工領域，來實現微納米器件的加工。然而傳統的激光微納加工技術均采用逐點掃描的加工方式，加工效率無法滿足實際生產的高效率需求。空間光調制技術的提出，為解決該類問題提供了思路。空間光調制技術以具有靈活可靠的光場分布、可并行加工等優勢逐步應用于激光加工技術，大大提高了加工效率。

03 應用介紹

多光束并行加工：

為了解決激光加工效率低問題，人們引入了多光束并行加工技術。空間光調制器可將飛秒激光調制成復雜的二維圖案陣列，可實現對微光學元件和微光子晶體結構并行直寫的一種加工技術。通過計算全息和空間光調制，飛秒激光可被精確調制成預先設計的多焦點圖案陣列。利用這種多焦點并行直寫加工技術，可實現具有高尺寸精度、高表面質量和光學性能的微透鏡陣列的高效加工。在結構加工的過程中，焦點的數量和陣列分布可以實時靈活的控制，三維結構從而可以被靈活控制。

焦深延拓：

一般激光光束經透鏡聚焦后，焦點位置處于某一平面內，這在實際應用中仍然存在著許多技術瓶頸，因此，人們提出了長焦深的概念，同時研究長焦深的光學元件。目前，有多種方法能夠實現長焦深。其中受歡迎的是基于空間光調制器來實現焦深延拓的方法，液晶空間光調制器具有靈活的可編程特性，將其應用到長焦深光學元件的研究中，將賦予長焦深光學元件更多的靈活性和自主性，并在激光直寫、快速成形、激光雕刻、打孔、切割、焊接等工程領域具有廣闊的應用前景。

飛秒脈沖整形：

飛秒脈沖整形的基本原理是頻域和時域是互為傅里葉變換的，所需要的輸出波形可由濾波實現。下圖是脈沖整形的基本裝置，它是由衍射光柵、透鏡和脈沖整形模板組成的4f系統。超短激光脈沖照射到光柵和透鏡上被色散成各個光頻成份。在兩透鏡的中間位置上插入一塊空間模式的模板或可編程的空間光調制器，目的是調制空間色散的各光頻成份的振幅和相位，光柵和透鏡看作是零色散脈沖壓縮結構。超短脈沖中的各光頻成份由第一個衍射光柵角色散，然后在第一個透鏡的焦平面聚焦成一個小的、衍射有限的光斑。這里的各光頻成份在一維方向上空間分離，在光柵上從不同角度散開，在第一個透鏡的后焦平面上進行了空間分離，第一個透鏡實現了一次傅里葉變換。第二個透鏡和光柵把這些分離的所有頻率成份重新組合，這樣就得到了一個整形輸出脈沖，這個輸出脈沖的形狀由光譜面上模板的模式給出。