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在超快激光加工应用里,空间光调制器还有这么多种玩法
来源: | 作者:huaraylaser | 发布时间 :2020-08-17 | 951 次浏览: | 分享到:
  作者简介
  
  刘思垣、张静宇:华中科技大学武汉光电国家研究中心、华中科技大学信息存储系统教育部重点实验室
  
  超快激光加工技术推动了激光制造从传统的宏加工向超精密加工发展。尽管凭借着强大优势,超快激光加工技术成为3C电子等领域中的新宠,但单焦点的超快激光直写加工技术仍然存在加工区域小、效率低的问题,不能同时满足大幅面和高精度加工需求。
  
  空间光调制器的出现使得上述问题在很大程度上得以解决,空间光调制器可以对超快激光光束的振幅、相位或者偏振等光学参数进行调控,配合一定光路设计就可以在材料加工区域得到任意的光场强度分布。下文将对空间光调制器的原理以及其在超快激光2D、3D加工领域中的应用进行详细的介绍。
  
  什么是空间光调制器?
  
  空间光调制器是一种可以在外部信号的控制下改变入射光振幅、偏振以及相位的动态元器件,有着易操控、易集成、低损耗、刷新频率高的特点。在超快激光并行加工应用中,常见的空间光调制器有调整振幅的数字微镜器件(DMD)以及调制相位的液晶空间光调制器(LC-SLM)。
  
  1)DMD
  
  DMD是一种被广泛使用的对入射光的振幅进行调制的空间光调制器,其每个像素都是一个可以独立控制的微反射镜,通过切换每个微反射镜的方向可以单像素控制出射光的角度。DMD 具有切换速度快、易于控制的优点。目前DMD的工作波长范围已经涵盖紫外、可见光以及红外波段。
  
  2)LC-SLM
  
  LC-SLM的每一个像素单元由液晶分子构成。液晶因为其双折射的特性而广泛应用于空间光调制器。如今,已经有大量适用于可见光和近红外波段的液晶空间光调制器。根据液晶种类可分为铁电型和向列型两种,根据使用方式可分为反射式和透射式两种。
  
  全息图的计算方法
  
  全息图是通过空间光调制器加载到入射激光上的相位分布图,通过加载不同的全息图,可以生成多光束阵列、二维面光场强度分布、三维体光场强度分布等,从而满足不同的应用需要,由此探索出了多种全息图计算方法。
  
  1)二维光场全息图生成算法
  
  通过全息图技术可以在焦点处产生所需的二维光场强度分布。此类算法有多种,其中较为经典的是GS (Gerchberg Saxton)算法,后续的很多算法都是由GS算法演变而来,如图1所示。
  
  图1 GS迭代算法流程图
  
  工业上比较常用的全息图迭代算法算法有:一种是在GS算法的基础上衍生的杨顾算法,另一种是ORA(Optimal Rotation Angle)算法。
  
  此外,使用矢量德拜衍射理论也可以计算得到全息图,实现对不同矢量方向的光场强度分布的调制。另一种能在保证一定全息图质量的同时提高生成效率的非迭代的全息图算法,后来也被广泛应用。
  
  2) 三维光场全息图生成算法
  
  由于三维光场全息图生成算法能够进一步提升效率,加工出更加精细的结构,实现扫描加工无法实现的一次成型结构,因此有着广泛的应用需求。
  
  计算三维光场所需全息图时可以分为两个过程:一个是快速傅里叶变换;另一个是菲涅耳衍射过程。为了改善三维GS算法得到的全息图质量不佳,且计算速度较慢的问题,斯威本科技大学顾敏课题组实现了三维多焦点阵列全息图的计算。
  
  除了GS算法及其变种,一种非凸优化的全息图算法———NOVO-CGH( Non-Convex Optimizationfor Volumetric Computer-Generated Holography)算法也被提出,可用于三维光场的全息图计算。该方法比GS算法得到的结果更好,准确度提高近20%,效率提高近5%。此外,NOVO-CGH算法的一大优势是可以根据实际情况的不同,设计不同的成本函数,以满足不同的应用需求。
  
  3)基于深度学习的全息图生成算法
  
  近年来,基于深度学习技术生成用于空间传播的全息图算法得到了实现,可以很有效地解决全息图生成速度慢的问题。入射光经过空间光调制器的相位调制后传播一定距离之后,可得到目标光场的强度分布,其基本原理如图2所示。目前这种方法得到的全息图只适用于二维的空间传播光场生成,还不能运用于聚焦光场的全息图计算。
  
  图2 基于深度学习计算全息图的原理图
  
  计算全息图的算法有多种,除了上述算法外还有 MRAF(Mixed Region Amplitude Freedom)算法、RM(Random Mask)算法等,每个算法有着自己的优势和不足,不同激光加工应用场景需要选择最合适的算法或者对已有算法进行改进。
  
  空间光调制器+光场调控=玩转超快激光加工应用
  
  空间光调制器可以方便、快捷地对激光光场进行调制,因此在超快激光加工领域得到了广泛的应用。根据不同的实验目的,空间光调制器有着不同的使用方法,光路系统也不局限于脉冲时域整形技术即4f系统。
  
  1)像差校正
  
  像差的存在会使得聚焦光场的强度分布和目标光场强度分布产生偏差,影响加工时光场的三维分布,降低加工精度,提高加工阈值,甚至无法加工出目标结构。通过全息图,结合空间光调制器的相位调制功能可以快速、便捷地对像差进行校正,提升超快激光加工的精度和质量。
  
  例如,利用像差校正技术,可以在金刚石和熔融石英内部加工出三维螺旋点阵列的结构,如图3。此外,在多维度光存储、超快激光写入光波导等应用中,可以利用空间光调制器对像差进行校正。除了对单个界面进行像差校正,还可以利用空间光调制器对多个折射层的像差进行校正,如超快激光透过石英玻璃对LBGO玻璃进行无像差加工。
  
  图3 基于SLM的像差校正
  
  2)多焦点并行加工
  
  在样品的不同二维或三维位置进行多焦点并行加工,可以成倍地提升加工效率,但其制备较为复杂,且使用不灵活。空间光调制器可以很好地解决这些问题,利用全息图技术对入射光进行相位调制,可以快速地生成各种目标光场以进行多焦点加工,并且通过切换全息图来实时调制目标光场,进行二维、三维结构的快速加工。
  
  图4 基于空间光调制器的超快激光并行加工系统
  
  基于4f系统,搭建一套利用空间光调制器、全息图可变的并行加工系统,如上图4,这套系统是基于空间光调制器的超快激光并行加工应用中最常见的光路。通过此系统可实现用超快激光在玻璃表面快速打印不同字母点阵(如图5),还可加工出弯曲、非对称的二维结构以及不同形状的三维结构。
  
  图5 基于SLM 的多焦点并行加工
  
  多焦点的双光子聚合技术还可用于人体组织工程支架、微针阵列、细胞培养基等功能性生物、医疗微器件的制备,大幅提升了加工效率、精度。超快激光多焦点并行加工技术也可用于提升多维度光存储的写入速度(如图6),以及对硅和不锈钢等材料进行并行加工。

  
  图6 基于SLM多焦点并行加工的多维光存储应用
  
  除了使用多焦点并行加工,还可以通过对激光的波前进行调制,将聚焦光束调制成目标图案直接进行加工。例如,用两个空间光调制器实现多目标图案的平行加工,第一个空间光调制器可通过对振幅进行调制,得到需要加工的形状;第二个空间光调制器则是用来生成多光束以进行超快激光并行加工,实现二维图案的阵列打印。
  
  3)聚焦体积内三维光场调制
  
  对于三维结构,可以运用三维光场调控技术,使用杨顾算法并在迭代过程中加入强度调制,实现复杂的三维结构加工(如图7)。
  
  图7 单次曝光或扫描加工出的三维结构
  
  4)脉冲时空整形
  
  空间光调制器可以用于时空同步聚焦系统。使用这套系统可以摆脱传统时空聚焦系统轴向位置单一的约束,使得时空同步聚焦技术的使用更加方便灵活;还可克服相邻焦点间的互相干扰问题,降低点间距,实现超快激光的四维(空间三维和时域维度)并行加工,如图8。
  
  另外,结合DMD的高刷新频率可以实现纳米级精度的快速3D打印,通过单次聚焦即可在毫秒时间量级内制造出复杂的三维结构,这些结构是传统超快激光直写扫描系统难以加工得到的。
  
  图8 超快激光时空同步聚焦并行加工
  
  除此之外,还可对脉冲进行时域整形。利用4f系统可以对超快激光脉冲进行调制,形成特定脉冲形状的超快激光,对不同形状的脉冲进行编码和解码,可以运用于光通信领域。
  
  5)结构光场的产生及应用
  
  使用空间光调制器可以方便快捷地产生特殊相位、偏振的结构光场,其在超快激光加工领域有着广泛的应用。使用空间光调制器产生带有轨道角动量的涡旋光束、多种矢量光束和一些有特殊性质的光场以及高阶矢量光场、不同偏振矢量的多光斑阵列(图9),进一步丰富了超快激光并行加工技术的使用场景。
  
  图9 使用SLM生成的结构光场
  
  利用结构光场特殊的性质可以加工出一些普通光场难以加工出的复杂结构,如再聚合物中并行加工出开口环结构阵列、一次成型加工出复杂的三维微管结构、制备三维手性微结构等。
  
  利用空间光调制器还可以生成贝塞尔光束和马蒂厄光束,通过切换不同的全息图可以快速改变加工光束的类型,通过纵向扫描的方式对聚合物进行加工,得到三维微笼结构,用于捕获微小的物体。
  
  结 语
  
  空间光调制器为超快激光加工带来了极大的便利,通过不同的全息图算法可以得到不同的二维、三维目标光场,从而快速、高精度地加工得到所需结构。利用空间光调制器进行多焦点阵列的并行加工极大地提升了加工效率,更可贵的是该技术可以同多种光场调制技术相结合,如像差校正、时空同步聚焦、结构光场等,实现多种特殊应用场景下的超快激光并行加工。
  
  空间光调制器的使用方式灵活多变,还有很多潜在的应用场景有待挖掘。然而利用空间光调制器进行超快激光加工受到了空间光调制器本身,如刷新频率、分辨率、相位灰阶数、像素个数、填充因子等参数的限制,并且全息图的计算速度以及生成光场的质量仍有提升的空间。
  
  向列型液晶空间光调制器拥有较多的相位调制灰阶、较高的分辨率,可以生成复杂的相位全息图,引入水冷模块后可以承受高功率的飞秒激光照射,但是刷新频率较低阻碍了其在工业上的应用。
  
  而基于MEMS的DMD有着更高的刷新频率,在工业中应用更为广泛,如何将两者的优势结合起来,生产出高质量、高刷新频率、高阈值的空间光调制器用于超快激光加工是一个有待解决的问题。
  
  本文改编自:刘思垣,张静宇。基于空间光调制器的超快激光加工原理及应用[J].激光与光电子学进展,2020,57(11):111431