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超快激光微納加工對空間光調(diào)制器的要求

昊量光電 ? 來源:昊量光電 ? 作者:昊量光電 ? 2022-04-21 14:22 ? 次閱讀
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摘要

超快激光具有能量密度高,方向性強,相干性高等特點,飛秒激光微納加工在復(fù)雜的三維微納功能器件的加工領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。目前傳統(tǒng)的激光微納加工技術(shù)均為逐點掃描的加工方式,加工效率無法滿足實際生產(chǎn)的高效率需求。基于空間光調(diào)制器的計算全息技術(shù)可以實現(xiàn)靈活可控的光場分布,飛秒激光可以被精確的調(diào)制成預(yù)設(shè)的多焦點圖案陣列,從而實現(xiàn)高效的并行加工,可以大大的提高加工效率。同時利用空間光調(diào)制器可以方便的生成貝塞爾光束,可以實現(xiàn)微環(huán)形結(jié)構(gòu)的單次曝光式加工。

介紹:

空間光調(diào)制器(SLM)可以將信息加載到二維光學(xué)數(shù)據(jù)場中,是一種對光束進行調(diào)整的器件。通過控制加載到SLM上的灰度圖,SLM可以調(diào)控空間光場的相位、振幅、偏振等,或者實現(xiàn)光的非相干性到相干性的轉(zhuǎn)變。將SLM同超快激光微納加工技術(shù)結(jié)合起來,發(fā)揮二者的優(yōu)勢,可大大提高激光微納加工的效率和靈活性。如:利用SLM生產(chǎn)多焦點的陣列(e.g. 30x30), 從1個點變成900個點,加工效率提高900倍。同時通過控制各個點的位置,可以實現(xiàn)不同線寬不同焦深的控制。SLM還可以通過加載計算全息圖,可實現(xiàn)圖案結(jié)構(gòu)的一次性曝光加工。

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圖1 利用SLM生成多焦點陣列及并行加工圖案

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圖2 市面上的空間光調(diào)制器(SLM)產(chǎn)品示例

SLM除了可以調(diào)整激光生成二維多焦點配合移動臺或振鏡進行逐層掃描來實現(xiàn)三維加工外,SLM還可將飛秒激光調(diào)制成空間特定分布的點陣、線型光場、面型光場、實現(xiàn)以點、線、面為基本加工單元的高效加工。除二維光場分布外,SLM可以進行三維光場調(diào)制。

上海昊量光電設(shè)備有限公司的技術(shù)工程師運用美國Meadowlark Optics 公司的液晶純相位型P1920-400-800-HDMI空間光調(diào)制器產(chǎn)生了2x2, 2x3, 2x4的空間高斯光斑點陣及空間貝塞爾光斑點陣。

實驗光路如下:

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實驗結(jié)果如下:

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圖3 2x2, 2x3, 2x4的空間高斯光斑點陣結(jié)果

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圖4 2x2, 2x3, 2x4的空間貝塞爾光斑點陣結(jié)果

超快激光微納加工對空間光調(diào)制器的要求

1.SLM的損傷閾值

因為SLM將入射照明分為多個焦點。隨著焦點數(shù)量的增加,每個焦點的功率下降。為了增加焦點的數(shù)量,同時保持每個焦點的功率滿足微納加工的要求,SLM的損傷閾值得至關(guān)重要。多個因素影響SLM的損傷閾值。:1、增加SLM的通光尺寸允許照明分布在更大的區(qū)域;2、SLM的電極涂層可以優(yōu)化以限制吸收,提高反射率;3、主動和被動冷卻系統(tǒng)可以用于緩解熱效應(yīng),保證相位調(diào)制量的穩(wěn)定性。

目前市面上的SLM主要品牌像德國Holoeye,美國Thorlabs,臺灣JDC,以及一些國產(chǎn)的SLM,其損傷閾值均為2W/cm2,無水冷降溫模塊。

美國Meadowlark Optics公司的1920x1152(P1920)系列空間光調(diào)制器的損傷閾值可達200W/cm2,配備水冷模塊,保證液晶的溫度恒定,相位調(diào)制深度恒定。

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2. SLM的響應(yīng)時間(刷新速度)

液晶響應(yīng)時間取決于多個因素,包括液晶層的厚度,其被優(yōu)化后在最長工作波長處提供一個相位行程波,驅(qū)動器的電壓和液晶材料特性。 對于光遺傳學(xué),大多數(shù)研究人員將SLM與雙光子、三光子顯微鏡結(jié)合,并且工作在900 nm至1300 nm的波長范圍內(nèi)。美國Meadowlark Optics公司是唯一提供高速SLM的供應(yīng)商,HSP1920-1064-HSP8型液晶空間光調(diào)制器在1064 nm,能夠達到300 Hz的液晶響應(yīng)速度(從0 - 2pi轉(zhuǎn)換)和845Hz的幀頻(灰度圖片同電腦傳輸?shù)絊LM速度)。

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在1064 nm處,液晶從10%到90%范圍內(nèi)上升和下降時間小于3 ms。將焦點通過觸發(fā)打開和觸發(fā)關(guān)閉進行檢測。 (左)由軟件定時驅(qū)動的液晶開關(guān)。 焦點被打開和關(guān)閉探測器(顯示為黃色)。 當(dāng)SLM上的圖像發(fā)生變化時,硬件會產(chǎn)生一個輸出脈沖(以紫色顯示),表示新圖像將在1.18 ms內(nèi)開始在SLM上加載。 (右)由外部硬件觸發(fā)驅(qū)動的液晶開關(guān)。 當(dāng)外部觸發(fā)器的下降沿到達(以藍色顯示)時,硬件將啟動SLM上的圖像更新。 產(chǎn)生輸出脈沖以確認接收到觸發(fā)(以紫色顯示)。 在產(chǎn)生輸出脈沖后的1.18面試內(nèi),圖像將在SLM上更新(以黃色顯示,焦點移入和移出檢測器)。

目前市面上的SLM主要品牌像德國Holoeye,日本濱松,美國Thorlabs,臺灣JDC,以及一些國產(chǎn)的SLM,其液晶響應(yīng)時間在1064nm在80ms(12.5Hz)左右,控制器的幀頻均為60Hz。

3. 相位穩(wěn)定性

為了確保各焦點在超快激光微納加工分配時的一致性,SLM的時間特性變得重要。 Meadowlark Optics公司的SLM使用兩種策略來最大化相位穩(wěn)定性。第一種策略是使用直接模擬尋址,而不是模擬使用二進制尋址與時序抖動相結(jié)合的模擬調(diào)制。第二種策略是使用能夠以844Hz的速率刷新的定制背板。高速背板刷新對于減輕像素電容的電壓損失是必要的。如果背板刷新較慢,則像素處的電壓下降使液晶分子松弛,從而改變LC的折射率。如果背板電壓的刷新速度明顯快于LC弛豫時間,那么SLM將具有較高的相位穩(wěn)定性。

通過向SLM寫入重復(fù)相位斜坡并測量一階強度來量化相穩(wěn)定性。 LC分子松弛的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致一階焦點的強度隨時間而變化。相穩(wěn)定性被定義為峰到一階焦點強度的峰值與平均焦點強度的比值。對于需要更高相位穩(wěn)定性和高分辨率的研究,標準的1920 x 1152像素SLM可提供低至0.20%的相位紋波。

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4. 波前質(zhì)量(波前畸變)

單光子激發(fā)相比,雙光子激發(fā)具有更好的限制,因為由兩個光子同時激發(fā)的可能性與光強度的平方成正比。因此,雙光子激發(fā)以焦點距離的四次冪衰減[8]。然而,這種低激發(fā)的可能性使得操作模式對改變焦點的PSF的像差敏感。為了確保在大體積上的一致激發(fā),校正顯微鏡中SLM和其余光學(xué)元件的像差是很重要的。

許多用于表征和校正像差的算法都基于Zernike多項式。然而,對圓形孔徑的依賴不適用于描述正方形或矩形陣列的像差。已經(jīng)開發(fā)了基于SLM的干涉子孔徑的替代策略[9],以確保SLM的有效區(qū)域上的像差可以被校正到λ/ 40或更好。如圖7所示,由于使用了制造工藝,MLO SLM的本身的波前像差很低。

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(a)原始的1920 x 1152像素SLM波前(λ/ 7 RMS)

(b)應(yīng)用了像差校正的波前(λ/ 20 RMS)

(c)未應(yīng)用校正的像差曲面圖。

(d)應(yīng)用校正后的像差曲面圖。

5. 計算全息算法優(yōu)化

美國Meadowlark Optics公司與美國霍華德休斯敦學(xué)院的研究人員合作開發(fā)了最新的計算全息優(yōu)化算法,并且嵌入到SLM的控制軟件中,客戶可以正確、靈活的更方便的產(chǎn)生想要的光斑模式。同時用戶可根據(jù)自己的需求控制每個焦點的光強。

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關(guān)于昊量光電:

上海昊量光電設(shè)備有限公司是國內(nèi)知名光電產(chǎn)品專業(yè)代理商,代理品牌均處于相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展前沿;

產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測量設(shè)備、精密光學(xué)元件等,涉及應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國防及更細分的前沿市場如量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、精密加工、先進激光制造等;可為客戶提供完整的設(shè)備安裝,培訓(xùn),硬件開發(fā),軟件開發(fā),系統(tǒng)集成等優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

審核編輯:湯梓紅

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