空間光調(diào)制器在激光加工中的應(yīng)用

01 空間光調(diào)制器

空間光調(diào)制器（SLM）是近代光信息處理系統(tǒng)中的器件，它可以對光束進(jìn)行調(diào)整，并將信息加載于一維或者二維的光學(xué)數(shù)據(jù)場上，能有效的利用光的固有速度、并行性和互連能力，達(dá)到光波調(diào)制的目的，因此空間光調(diào)制器被廣泛應(yīng)用于諸多光學(xué)領(lǐng)域。

將空間光調(diào)制器與激光加工技術(shù)結(jié)合起來，不但可以實(shí)現(xiàn)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(zhì)量以及焦深短等等。

02 激光加工

激光是一種強(qiáng)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，該光斑具有極高的能量密度（108~1010W/cm2）。當(dāng)激光照射在工件表面時，光能被工件吸收并迅速轉(zhuǎn)化為熱能，光斑區(qū)的溫度可達(dá)10000℃以上，使材料熔化甚至氣化，這就是激光加工（LBM）。該技術(shù)是一種非接觸加工方式，主要應(yīng)用于打孔、切割、打標(biāo)、焊接以及表面處理等加工工藝方面。

隨著科技的發(fā)展，激光加工逐漸發(fā)展為連續(xù)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(yīng)用于微納加工領(lǐng)域，來實(shí)現(xiàn)微納米器件的加工。然而傳統(tǒng)的激光微納加工技術(shù)均采用逐點(diǎn)掃描的加工方式，加工效率無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的高效率需求?？臻g光調(diào)制技術(shù)的提出，為解決該類問題提供了思路?？臻g光調(diào)制技術(shù)以具有靈活可靠的光場分布、可并行加工等優(yōu)勢逐步應(yīng)用于激光加工技術(shù)，大大提高了加工效率。

03 應(yīng)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(shù)。空間光調(diào)制器可將飛秒激光調(diào)制成復(fù)雜的二維圖案陣列，可實(shí)現(xiàn)對微光學(xué)元件和微光子晶體結(jié)構(gòu)并行直寫的一種加工技術(shù)。通過計算全息和空間光調(diào)制，飛秒激光可被精確調(diào)制成預(yù)先設(shè)計的多焦點(diǎn)圖案陣列。利用這種多焦點(diǎn)并行直寫加工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)具有高尺寸精度、高表面質(zhì)量和光學(xué)性能的微透鏡陣列的高效加工。在結(jié)構(gòu)加工的過程中，焦點(diǎn)的數(shù)量和陣列分布可以實(shí)時靈活的控制，三維結(jié)構(gòu)從而可以被靈活控制。

焦深延拓：

一般激光光束經(jīng)透鏡聚焦后，焦點(diǎn)位置處于某一平面內(nèi)，這在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在著許多技術(shù)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(xué)元件。目前，有多種方法能夠?qū)崿F(xiàn)長焦深。其中最受歡迎的是基于空間光調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)焦深延拓的方法，液晶空間光調(diào)制器具有靈活的可編程特性，將其應(yīng)用到長焦深光學(xué)元件的研究中，將賦予長焦深光學(xué)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(shí)現(xiàn)。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(tǒng)。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(diào)制器，目的是調(diào)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(jié)構(gòu)。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(jìn)行了空間分離，第一個透鏡實(shí)現(xiàn)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。

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