摘 要   近年来，空间光调制器被广泛应用到超快激光加工像差矫正、多焦点平行加工、二维面加工、三维体加工、脉冲时空整形、结构光加工等不同领域。本文对空间光调制器的原理进行了介绍，阐述了空间光调制器的全息图生成算法，并着重介绍了空间光调制器在超快激光加工领域中的应用。关键词  超快激光加工；空间光调制器；全息图
Principles and applications of ultrafast laser processing based on spatial light modulators

1  引  言
超快激光加工技术作为一种“冷”加工方式，其超短的脉冲宽度降低了热效应对加工区域的影响，大幅提升了加工质量；超快激光加工技术也是一种超“强”加工方式，聚焦后极高的峰值功率可以产生非线性光学现象，能够在几乎任意材料上实现加工；超快激光加工还是一种超“精”加工方式，利用高数值孔径物镜聚焦，通过多光子吸收效应可在亚微米尺度的焦点区域进行材料改性。因为这些特性，超快激光加工技术被广泛应用到激光切割[1]、激光焊接[2]、3D打印[3]、激光手术[4]、超表面结构制造[5]、微流体[6]、光存储[7]、材料表面改性[8]、量子点[9]等领域。尽管拥有这些优势，单焦点的超快激光直写加工技术仍存在加工区域小、效率低的问题，并不适用于材料大面积加工、体加工、结构一次成型加工、矢量光加工等应用场景。虽然引入扫描振镜系统可以满足部分应用场景，但当要实现高精度加工时，振镜的光学扫描范围受限于高数值孔径物镜较短的工作距离，使得超快激光加工陷入一个大幅面和高精度加工二选一的两难局面。空间光调制器的出现使得上述问题很大程度上得以解决，空间光调制器可以对超快激光光束的振幅、相位或者偏振等光学参数进行调控，配合一定光路设计即可以在材料加工区域得到任意的光场强度分布。例如，可以运用空间光调制器及全息图技术把单个焦点调制成强度近乎相同的多焦点进行并行加工，千倍提升加工效率[10]。也可以改变聚焦体积内的光场强度分布，从而实现并行面加工、体加工、一次成型加工，极大地提升了加工精度、缩短了加工时间[12,11]。此外还可以生成不同的结构光场，实现并行加工的同时引入基于矢量光的材料改性[13]。本篇综述先对空间光调制器的原理进行概述，对各种全息图生成算法进行介绍，最后对空间光调制器在超快激光二维和三维加工中的部分应用进行了介绍，希望能对相关领域的研究者有所帮助。

2  空间光调制器
空间光调制器是可以在外部信号的控制下改变入射光振幅、偏振以及相位的动态元器件，有着易操控、易集成、低损耗、刷新频率高的特点。在超快激光并行加工应用中常见的空间光调制器有调整振幅的数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)以及调制相位的液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial Light Modulator, LC-SLM)。本节将对这两种器件的原理进行介绍。

2.1  数字微镜器件
数字微镜器件是一种被广泛使用的对入射光的振幅进行调制的空间光调制器[15,14]。其每个像素都是一个可以独立控制的微反射镜，可处于开、关、静态三个状态，通过切换每个微反射镜的方向可以单像素的控制出射光的角度。如图1 （a）所示，两个不同像素的微反射镜偏转向不同方向，将入射光反射至不同方向，一个方向将光反射，对应于开的状态，另一个方向将光反射到吸收平面，对应于关的状态，从而实现对输出光振幅的调制[15]。DMD具有切换速度快，易于控制的优点。目前数字微镜器件的工作波长范围已经涵盖紫外、可见光以及红外波段，以DLP6500FYE型号为例，其阵列衍射效率可达86%，填充因子可达92%，像素间距为7.56微米。这种基于微机电系统（MEMS）的DMD响应时间仅需数十微秒，刷新频率可达数kHz；基于压电陶瓷的DMD响应时间为数个毫秒，刷新频率在百Hz量级。当微透镜处于“开”或“关”状态时，数字微透镜阵列就形成了两个不同方向的闪耀衍射光栅结构，有着较大的角色散，会对超快激光应用产生影响，往往需进行矫正，该特性在时空同步聚焦应用中则可被直接利用。

2.2  液晶空间光调制器
基于液晶的空间光调制器的每一个像素单元由液晶分子构成，根据液晶种类区分有铁电型和向列型两种，根据使用方式区分有反射式和透射式两种。液晶因为其双折射的特性而广泛应用于空间光调制器中，绝大多数液晶的光学特性类似于正单轴晶体，其分子长轴即为慢轴方向。在电控双折射效应情况下，向列型液晶分子的长轴统一平行y轴排列（图1 （b））[16]，由于电光效应，当电压处于Fréedericksz转变阈值与光学阈值之间时，随电场强度的改变，液晶分子的长轴会沿着电场方向进行不同角度的倾斜，从而引起介质折射率的改变，导致光程差发生改变，入射光经过各液晶像素后会产生不同的相位延迟，从而实现对入射光的相位调制（图1 （b））所示[17]。如今，已经有大量适用于可见光和近红外波段的液晶空间光调制器，填充因子通常在90%以上，像素间距可以达到4微米左右，相位调制范围覆盖0到2π，16相位步长下的一级衍射效率通常在85%以上。LC-SLM具有易于使用、操作灵活、分辨率高等诸多优势，但是其使用受到入射光波长、入射光偏振的影响，并且刷新频率相对较低。受限于向列液晶的松弛特性，LC-SLM的响应时间在10毫秒左右，该时间和液晶材料、液晶层厚度、温度以及控制电路相关，常见的刷新频率有60Hz和120Hz两种。为了克服向列液晶空间光调制器刷新频率低的使用缺陷，又出现了基于铁电液晶的空间光调制器，其响应时间仅需数个微秒，刷新频率可以达到上千赫兹[18]。