在超快雷射加工應用裡，空間光調製器還有這麼多種玩法

作者簡介

劉思垣、張靜宇：華中科技大學武漢光電國家研究中心、華中科技大學信息存儲系統教育部重點實驗室

超快雷射加工技術推動了雷射製造從傳統的宏加工向超精密加工發展。儘管憑藉著強大優勢，超快雷射加工技術成為3C電子等領域中的新寵，但單焦點的超快雷射直寫加工技術仍然存在加工區域小、效率低的問題，不能同時滿足大幅面和高精度加工需求。

空間光調製器的出現使得上述問題在很大程度上得以解決，空間光調製器可以對超快雷射光束的振幅、相位或者偏振等光學參數進行調控，配合一定光路設計就可以在材料加工區域得到任意的光場強度分布。下文將對空間光調製器的原理以及其在超快雷射2D、3D加工領域中的應用進行詳細的介紹。

什麼是空間光調製器？

空間光調製器是一種可以在外部信號的控制下改變入射光振幅、偏振以及相位的動態元器件,有著易操控、易集成、低損耗、刷新頻率高的特點。在超快雷射並行加工應用中，常見的空間光調製器有調整振幅的數字微鏡器件(DMD)以及調製相位的液晶空間光調製器(LC-SLM)。

1）DMD

DMD是一種被廣泛使用的對入射光的振幅進行調製的空間光調製器，其每個像素都是一個可以獨立控制的微反射鏡，通過切換每個微反射鏡的方向可以單像素控制出射光的角度。DMD 具有切換速度快、易於控制的優點。目前DMD的工作波長範圍已經涵蓋紫外、可見光以及紅外波段。

2）LC-SLM

LC-SLM的每一個像素單元由液晶分子構成。液晶因為其雙折射的特性而廣泛應用於空間光調製器。如今，已經有大量適用於可見光和近紅外波段的液晶空間光調製器。根據液晶種類可分為鐵電型和向列型兩種，根據使用方式可分為反射式和透射式兩種。

全息圖的計算方法

全息圖是通過空間光調製器加載到入射雷射上的相位分布圖，通過加載不同的全息圖，可以生成多光束陣列、二維面光場強度分布、三維體光場強度分布等，從而滿足不同的應用需要，由此探索出了多種全息圖計算方法。

1）二維光場全息圖生成算法

通過全息圖技術可以在焦點處產生所需的二維光場強度分布。此類算法有多種，其中較為經典的是GS (Gerchberg Saxton)算法，後續的很多算法都是由GS算法演變而來，如圖1所示。

圖1 GS迭代算法流程圖

工業上比較常用的全息圖迭代算法算法有：一種是在GS算法的基礎上衍生的楊顧算法，另一種是ORA(Optimal Rotation Angle)算法。

此外，使用矢量德拜衍射理論也可以計算得到全息圖，實現對不同矢量方向的光場強度分布的調製。另一種能在保證一定全息圖質量的同時提高生成效率的非迭代的全息圖算法，後來也被廣泛應用。

2） 三維光場全息圖生成算法

由於三維光場全息圖生成算法能夠進一步提升效率，加工出更加精細的結構，實現掃描加工無法實現的一次成型結構，因此有著廣泛的應用需求。

計算三維光場所需全息圖時可以分為兩個過程：一個是快速傅立葉變換；另一個是菲涅耳衍射過程。為了改善三維GS算法得到的全息圖質量不佳，且計算速度較慢的問題，斯威本科技大學顧敏課題組實現了三維多焦點陣列全息圖的計算。

除了GS算法及其變種，一種非凸優化的全息圖算法———NOVO-CGH( Non-Convex Optimizationfor Volumetric Computer-Generated Holography)算法也被提出，可用於三維光場的全息圖計算。該方法比GS算法得到的結果更好，準確度提高近20%，效率提高近5%。此外，NOVO-CGH算法的一大優勢是可以根據實際情況的不同，設計不同的成本函數，以滿足不同的應用需求。

3）基於深度學習的全息圖生成算法

近年來，基於深度學習技術生成用於空間傳播的全息圖算法得到了實現，可以很有效地解決全息圖生成速度慢的問題。入射光經過空間光調製器的相位調製後傳播一定距離之後，可得到目標光場的強度分布，其基本原理如圖2所示。目前這種方法得到的全息圖只適用於二維的空間傳播光場生成，還不能運用於聚焦光場的全息圖計算。

圖2 基於深度學習計算全息圖的原理圖

計算全息圖的算法有多種，除了上述算法外還有 MRAF(Mixed Region Amplitude Freedom)算法、RM(Random Mask)算法等，每個算法有著自己的優勢和不足,不同雷射加工應用場景需要選擇最合適的算法或者對已有算法進行改進。

空間光調製器+光場調控=玩轉超快雷射加工應用

空間光調製器可以方便、快捷地對雷射光場進行調製，因此在超快雷射加工領域得到了廣泛的應用。根據不同的實驗目的，空間光調製器有著不同的使用方法，光路系統也不局限於脈衝時域整形技術即4f系統。

1）像差校正

像差的存在會使得聚焦光場的強度分布和目標光場強度分布產生偏差，影響加工時光場的三維分布，降低加工精度，提高加工閾值，甚至無法加工出目標結構。通過全息圖,結合空間光調製器的相位調製功能可以快速、便捷地對像差進行校正，提升超快雷射加工的精度和質量。

例如,利用像差校正技術，可以在金剛石和熔融石英內部加工出三維螺旋點陣列的結構，如圖3。此外，在多維度光存儲、超快雷射寫入光波導等應用中，可以利用空間光調製器對像差進行校正。除了對單個界面進行像差校正，還可以利用空間光調製器對多個折射層的像差進行校正，如超快雷射透過石英玻璃對LBGO玻璃進行無像差加工。

圖3 基於SLM的像差校正

2）多焦點並行加工

在樣品的不同二維或三維位置進行多焦點並行加工，可以成倍地提升加工效率，但其製備較為複雜，且使用不靈活。空間光調製器可以很好地解決這些問題，利用全息圖技術對入射光進行相位調製，可以快速地生成各種目標光場以進行多焦點加工，並且通過切換全息圖來實時調製目標光場，進行二維、三維結構的快速加工。

圖4 基於空間光調製器的超快雷射並行加工系統

基於4f系統，搭建一套利用空間光調製器、全息圖可變的並行加工系統，如上圖4，這套系統是基於空間光調製器的超快雷射並行加工應用中最常見的光路。通過此系統可實現用超快雷射在玻璃表面快速列印不同字母點陣（如圖5），還可加工出彎曲、非對稱的二維結構以及不同形狀的三維結構。

圖5 基於SLM 的多焦點並行加工

多焦點的雙光子聚合技術還可用於人體組織工程支架、微針陣列、細胞培養基等功能性生物、醫療微器件的製備，大幅提升了加工效率、精度。超快雷射多焦點並行加工技術也可用於提升多維度光存儲的寫入速度（如圖6），以及對矽和不鏽鋼等材料進行並行加工。

圖6 基於SLM多焦點並行加工的多維光存儲應用

除了使用多焦點並行加工，還可以通過對雷射的波前進行調製，將聚焦光束調製成目標圖案直接進行加工。例如，用兩個空間光調製器實現多目標圖案的平行加工，第一個空間光調製器可通過對振幅進行調製，得到需要加工的形狀；第二個空間光調製器則是用來生成多光束以進行超快雷射並行加工，實現二維圖案的陣列列印。

3）聚焦體積內三維光場調製

對於三維結構，可以運用三維光場調控技術，使用楊顧算法並在迭代過程中加入強度調製，實現複雜的三維結構加工（如圖7）。

圖7 單次曝光或掃描加工出的三維結構

4）脈衝時空整形

空間光調製器可以用於時空同步聚焦系統。使用這套系統可以擺脫傳統時空聚焦系統軸向位置單一的約束，使得時空同步聚焦技術的使用更加方便靈活；還可克服相鄰焦點間的互相干擾問題，降低點間距，實現超快雷射的四維(空間三維和時域維度)並行加工，如圖8。

另外，結合DMD的高刷新頻率可以實現納米級精度的快速3D列印，通過單次聚焦即可在毫秒時間量級內製造出複雜的三維結構，這些結構是傳統超快雷射直寫掃描系統難以加工得到的。

圖8 超快雷射時空同步聚焦並行加工

除此之外，還可對脈衝進行時域整形。利用4f系統可以對超快雷射脈衝進行調製，形成特定脈衝形狀的超快雷射，對不同形狀的脈衝進行編碼和解碼，可以運用於光通信領域。

5）結構光場的產生及應用

使用空間光調製器可以方便快捷地產生特殊相位、偏振的結構光場,其在超快雷射加工領域有著廣泛的應用。使用空間光調製器產生帶有軌道角動量的渦旋光束、多種矢量光束和一些有特殊性質的光場以及高階矢量光場、不同偏振矢量的多光斑陣列（圖9），進一步豐富了超快雷射並行加工技術的使用場景。

圖9 使用SLM生成的結構光場

利用結構光場特殊的性質可以加工出一些普通光場難以加工出的複雜結構，如再聚合物中並行加工出開口環結構陣列、一次成型加工出複雜的三維微管結構、製備三維手性微結構等。

利用空間光調製器還可以生成貝塞爾光束和馬蒂厄光束，通過切換不同的全息圖可以快速改變加工光束的類型，通過縱向掃描的方式對聚合物進行加工，得到三維微籠結構，用於捕獲微小的物體。

結 語

空間光調製器為超快雷射加工帶來了極大的便利，通過不同的全息圖算法可以得到不同的二維、三維目標光場，從而快速、高精度地加工得到所需結構。利用空間光調製器進行多焦點陣列的並行加工極大地提升了加工效率，更可貴的是該技術可以同多種光場調製技術相結合，如像差校正、時空同步聚焦、結構光場等，實現多種特殊應用場景下的超快雷射並行加工。

空間光調製器的使用方式靈活多變，還有很多潛在的應用場景有待挖掘。然而利用空間光調製器進行超快雷射加工受到了空間光調製器本身，如刷新頻率、解析度、相位灰階數、像素個數、填充因子等參數的限制，並且全息圖的計算速度以及生成光場的質量仍有提升的空間。

向列型液晶空間光調製器擁有較多的相位調製灰階、較高的解析度，可以生成複雜的相位全息圖，引入水冷模塊後可以承受高功率的飛秒雷射照射，但是刷新頻率較低阻礙了其在工業上的應用。

而基於MEMS的DMD有著更高的刷新頻率，在工業中應用更為廣泛，如何將兩者的優勢結合起來，生產出高質量、高刷新頻率、高閾值的空間光調製器用於超快雷射加工是一個有待解決的問題。

本文改編自：劉思垣,張靜宇.基於空間光調製器的超快雷射加工原理及應用[J].雷射與光電子學進展,2020,57(11):111431

封面來源：nist

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