濱松空間光調(diào)制器LCOS-SLM高光強(qiáng)閾值性能體現(xiàn)

液晶-硅基空間光調(diào)制器（LCOS-SLM）一直以來以高精度和易操控性，被用于各種光斑整型、光場調(diào)控的應(yīng)用中。比如通過在0-2π范圍內(nèi)改變光的相位，產(chǎn)生三維多焦點(diǎn)、貝塞爾光、艾里光、HG模光、LG模光等等，而廣泛應(yīng)用于光通信、生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、全息等眾多領(lǐng)域。

濱松空間光調(diào)制器

空間光調(diào)制器可進(jìn)行多種光斑的整形

左圖：Andrew Forbes / CSIR ；右圖：Colour hologram projection with an SLM by exploiting its full phase modulation range, Jesacher A, Bernet S, Ritsch-Marte M., Opt Express. 2014 Aug 25;22(17):20530-411

現(xiàn)代激光加工，以超快激光加工為主，即使用高強(qiáng)度的超快激光進(jìn)行材料加工。具有峰值功率高、熱熔區(qū)域小、加工速度快和重復(fù)精度高的特點(diǎn)。

液晶-硅基空間光調(diào)制器（LCOS-SLM）以其高精度的三維多點(diǎn)整形（通常使用CGH算法調(diào)制相位）功能；產(chǎn)生"長焦深"的貝塞爾光用于激光切割（下圖）功能；以及可實(shí)時(shí)矯正像差、實(shí)時(shí)通過軟件改變加工激光的聚焦深度和形狀的特性，可作為超快激光加工的理想光束整形器件。

貝塞爾光在激光切割中的應(yīng)用：用貝塞爾光能夠在切割材料上形成一個(gè)更長的"焦深"，相當(dāng)于對(duì)材料有一個(gè)較深的切割深度，同時(shí)在切割深度上能量分布大體均勻，這樣就容易得到較好的切割效果。

貝塞爾光用于深孔的加工及算法的優(yōu)化：研究者們還開發(fā)了在貝塞爾光基礎(chǔ)上的優(yōu)化算法，消除周邊圓環(huán)，提高深槽質(zhì)量。上海光機(jī)所儲(chǔ)蔚老師（程亞團(tuán)隊(duì)）曾在會(huì)議報(bào)告中講到的Tailoring femtosecond 1.5-μm Bessel beams for manufacturing high-aspect-ratio through-silicon via2，其中實(shí)驗(yàn)則使用了錐棱鏡加相位板。此項(xiàng)也可使用濱松SLM來實(shí)現(xiàn)。

# 濱松LCOS-SLM高光強(qiáng)閾值性能及研究案例

由于材料和設(shè)計(jì)的限制，器件的抗強(qiáng)光特性還不完善（光強(qiáng)閾值低），截止到2017年，空間光調(diào)制器最高也只能承受幾十瓦/cm2的激光功率密度。所以一直以來，其并未被大范圍應(yīng)用，僅用在了一些特定的激光加工材料上（往往是所需激光能量較低的被加工件），如塑料焊接，晶圓或玻璃切割（濱松專利的SDE激光隱形切割引擎，就是以空間光調(diào)制器為內(nèi)核的）。

隨著產(chǎn)品技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及更廣泛的行業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)的支持，如今濱松的LCOS-SLM被證實(shí)可完全承受255W/cm2的平均功率、幾百兆瓦/cm2的皮秒激光器峰值功率、以及幾十G瓦/cm2的飛秒激光器峰值功率。以下為三個(gè)實(shí)際案例（以下研究，均使用濱松LCOS-SLM完成）：

1.用LCOS-SLM產(chǎn)生自適應(yīng)的多光束激光進(jìn)行薄鋼板切割

芬蘭VTT技術(shù)研究中心研究者利用200W紅外CW激光器成功應(yīng)用LCOS-SLM作為自適應(yīng)CGH（Computer Generated Hologram，計(jì)算全息），切割0.5毫米厚的普通結(jié)構(gòu)鋼板。

Adaptive multibeam laser cutting of thin steel sheets with fiber laser using spatial light modulator, Jarno Kaakkunen (Corresponding Author), Petri Laakso, Veli Kujanp??,BA2405 Advanced manufacturing technologies3

2.使用數(shù)字工具進(jìn)行超短脈沖激光燒蝕的新概念

使用高精度的LCOS-SLM可以使生成的點(diǎn)陣能量分布更準(zhǔn)確（更均勻；或者按照研究者需要的加權(quán)實(shí)現(xiàn)不同能量的分布，更準(zhǔn)確）。

高質(zhì)量的多點(diǎn)并行加工并消除零級(jí)光 （中心亮斑，詳解見下圖）

High-quality generation of a multispot pattern using a spatial light modulator with adaptive feedback, Naoya Matsumoto, Takashi Inoue, Taro Ando, Yu Takiguchi, Yoshiyuki Ohtake, and Haruyoshi Toyoda, Optics Letters Vol. 37, Issue 15, pp. 3135-3137 (2012) 4

3.用于高平均功率皮秒激光（材料加工應(yīng)用）曝光的LCOS-SLM的熱和光學(xué)性能研究

該研究者專門研究了SLM的熱承受能力，最高使用了220W的1064nm皮秒激光器進(jìn)行了測(cè)試。研究者還提到： "我們使用濱松X10468系列反射式LCOS-SLM十多年了，經(jīng)過多年的連續(xù)運(yùn)行，我們用了峰值功率密度大于10 GW /cm2，平均功率大約12 W的能量，在無冷卻情況下照射SLM，沒有檢測(cè)到儀器有任何性質(zhì)改變。這的確令人印象深刻。"

Investigation of the thermal and optical performance of a spatial light modulator with high average power picosecond laser exposure for materials processing applications, G Zhu, D Whitehead, W Perrie, O J Allegre, V Olle, Q Li, Y Tang, K Dawson, Y Jin, S P Edwardson, Journal of Physics D: Applied Physics, Volume 51, Number 9.5

更多皮秒激光器測(cè)試數(shù)據(jù)：

更多飛秒激光器測(cè)試數(shù)據(jù)：

更多水冷型平均功率測(cè)試數(shù)據(jù)：

# LCOS-SLM如何降低高功率激光的強(qiáng)光損傷

一般來講，空間光調(diào)制器受強(qiáng)光損傷的原理有三類：

1、激光能量被SLM吸收，溫度持續(xù)上升，產(chǎn)生相位偏移。

此類損傷閾值是由激光的平均功率所決定的，制冷是提高閾值的最佳辦法。通過添加Heatsink水冷的制冷方法，濱松LCOS-SLM已將平均功率閾值從幾十瓦提高到上百瓦。

通過合作伙伴們對(duì)LCOS-SLM在不同使用環(huán)境，不同功率閾值的測(cè)試。最后的數(shù)據(jù)表明，水冷技術(shù)加持下，濱松LCOS-SLM最高可承受255W/cm2的高功率。目前還在不斷地進(jìn)行更高功率的測(cè)試。

2. 對(duì)于脈沖激光來說，由于單個(gè)脈沖的瞬間能量極高，SLM對(duì)激光的非線性吸收，會(huì)導(dǎo)致其溫度的急速上升和液晶層的損壞。

此類損傷閾值，是由峰值功率決定的，可以通過加介質(zhì)鏡來提高。以具有專利技術(shù)的介質(zhì)鏡為LCOS-SLM的反射層，代替了傳統(tǒng)的鋁材料。提高反射率的同時(shí)，材料對(duì)光能的非線性吸收也有所減少，從而保證了器件可承受高功率閾值。

濱松介質(zhì)鏡涵蓋的波段有390nm-410nm，460nm-560nm，600nm-700nm，750nm-850nm，1000nm-1100nm，532nm&1064nm，1500nm-1600nm。由于LCOS-SLM芯片完全自主研發(fā)，介質(zhì)鏡也可實(shí)現(xiàn)定制化。如今，濱松LCOS-SLM已被用于各類玻璃、藍(lán)寶石、金屬材料的激光加工應(yīng)用中，提高了加工速度和精度，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工成為可能。

3. 激光中的紫外線可能會(huì)對(duì)SLM造成物理損傷。

此類損傷，是由材料的耐紫程度來決定的。尋找耐紫外的新材料，也是濱松LCOS-SLM技術(shù)研究人員的課題之一。目前也已開發(fā)出毫瓦級(jí)的355nm紫外材料，眼下正致力于實(shí)現(xiàn)"大于3W"的目標(biāo)。

面對(duì)超快激光加工應(yīng)用市場的需求，濱松的工程師們未來還將研發(fā)千瓦級(jí)的LCOS-SLM芯片，不斷將性能向極限推進(jìn)。

審核編輯黃宇