基于空間光調(diào)制技術(shù)的飛秒激光制造：當(dāng)前的發(fā)展與挑戰(zhàn)

近日，吉林大學(xué)王磊等人在Science China Technological Sciences發(fā)表了題為"Spatial light modulation for femtosecond laser manufacturing: current developments and challenges"(基于空間光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)的飛秒激光制造：當(dāng)前的發(fā)展與挑戰(zhàn))的綜述文章，文章概括了近二十年間，基于空間光場(chǎng)調(diào)制的飛秒激光加工制造及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

飛秒激光具有極短的脈沖寬度和高峰值強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)超快速和精確的能量在材料中的沉積。這種獨(dú)特的加工能力抑制了熱影響區(qū)的形成，實(shí)現(xiàn)了靈活的自由形態(tài)加工。迄今為止，飛秒激光制造已經(jīng)成為微/納加工三維、硬、脆和透明材料領(lǐng)域的一項(xiàng)有前途的技術(shù)。但是傳統(tǒng)的飛秒激光加工方式是逐點(diǎn)掃描的方式，這種方式意味著飛秒激光制造面臨著無(wú)法突破的效率問(wèn)題。但是如果激光的空間光場(chǎng)是隨意調(diào)控的呢?這意味著將省去大量的加工時(shí)間，面對(duì)不同的加工要求可以將光場(chǎng)調(diào)制成任意的形狀。例如，飛秒貝塞爾光束具有如同細(xì)長(zhǎng)的線一樣的光強(qiáng)分布，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和透明材料鉆孔與切割的;想要在材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)亞一百納米的寫(xiě)入，必須通過(guò)一定的波前校正以抑制折射率失配引起的光學(xué)像差;此外，將激光分束或者焦場(chǎng)整形是提高飛秒激光制造和使其成為競(jìng)爭(zhēng)力高效制造技術(shù)的有效解決方案。為了實(shí)現(xiàn)這些目的，基于空間光調(diào)制的飛秒激光制造技術(shù)由于其巨大的靈活性和功能性而應(yīng)運(yùn)而生。因此，為了應(yīng)對(duì)不同的加工場(chǎng)景，改變光場(chǎng)的多樣性以形成獨(dú)特的加工策略是必要的。

圖1 (a)像差校正 (b)并行加工 (c)偏振控制 (d)焦場(chǎng)工程

在這篇綜述中介紹了(1)超快激光制造的發(fā)展歷史，并強(qiáng)調(diào)了空間光調(diào)制的重要性。(2)介紹了空間光調(diào)制的一般方法，例如從高斯光束到貝塞爾光束、高階貝塞爾光束和艾里光束的光學(xué)轉(zhuǎn)換等。(3)介紹了基于空間光調(diào)制超快激光加工的代表性應(yīng)用。為了減少折射率不匹配引起的光學(xué)像差，全息圖算法實(shí)現(xiàn)不同材料之間的折射率匹配和不同深度之間的快速切換，如圖1(a)所示。為了實(shí)現(xiàn)高效率，采用了激光分束的并行處理技術(shù)。如圖1(b)所示。通過(guò)開(kāi)發(fā)3D光場(chǎng)分布，空間光調(diào)制可以運(yùn)用在快速的3D打印加工中，如圖1(d)所示;空間光調(diào)制還用于偏振控制，這在非線性超快激光加工中是必要的，如圖1(c)所示。(4)介紹了空間光面臨的挑戰(zhàn)。第一是空間光調(diào)制器的限制，其中刷新率和功率上限需要改進(jìn)。第二是需要高速和高精度的算法。機(jī)器學(xué)習(xí)和其他自適應(yīng)算法有潛力開(kāi)發(fā)出新技術(shù)。

審核編輯 黃宇