4 空间光调制器在超快激光加工中的应用
由于空间光调制器可以方便快捷地对激光光场进行调制，因此在超快激光加工领域得到了广泛的应用。本节将对空间光调制器在超快激光加工中的应用进行介绍，根据不同的实验目的，空间光调制器有着不同的使用方法，光路系统也不局限于4f系统。
4.1 像差矫正
像差的主要来源是激光加工过程中激光通过介质表面时由于折射率发生变化而导致的折射率不匹配。像差的存在会使得聚焦光场的强度分布和目标光场强度分布产生偏差，影响加工时光场的三维分布、降低加工精度、提高加工阈值，甚至无法加工出目标结构[46,45]。折射率不匹配所引入的球差与聚焦物镜的数值孔径、介质折射率、以及材料的加工深度等参数有关。如图4 （a）所示，由于界面两侧材料的折射率不同，激光在穿过介质表面时会发生折射，当使用物镜聚焦时，不同位置的激光入射角度不一样使得折射的角度不同，导致接近中心的光线与接近边缘的光线不再聚焦于同一点，而是沿着光的传播方向有所拉伸产生球差，这将对激光加工产生不利影响[47]。尤其是当使用高数值孔径的物镜进行加工时，由于边缘光线的入射角较大，球差的影响更加明显。
此外，当激光焦点靠近样品边缘时，除了有上述的球差，部分激光会从样品侧面入射到样品内部而并不是从上表面，这种情况会引入较大的像差，且焦点距离样品边缘越近，像差越大（图4 （b））[48]。
图4 激光加工时产生像差的示意图。
（a）激光聚焦到样品内部引入球差的示意图[47]；（b）激光靠近样品边缘时引入像差的示意图[48]
Fig. 4 Schematics of aberrations induced during laser fabrication. (a) Spherical aberration[47];
(b) ray trace diagrams indicating aberrations due to material edge[48]
超快激光加工过程中像差产生的主要因素是介质折射率不匹配，可以通过几何光学对其进行计算[49,48,47]，并利用空间光调制器的相位调制功能在激光加工时进行矫正。例如，利用像差矫正技术，可以在金刚石和熔融石英内部加工出三维螺旋点阵列的结构（图5 （a））[47]。此外，在多维度光存储应用中需要在介质不同的深度进行数据的写入和读取，因此会受到球差的影响，使用预测像差的方法可以利用空间光调制器对象差进行矫正[50]。结合反向光线追迹方法和使用预失真相位图，不同加工深度所引入的像差可以通过迭代算法生成的全息图得以矫正，使光斑失真程度达到最小[51]。类似于激光从样品边缘入射的情况，利用空间光调制器可以对圆柱形界面进行像差补偿，利用超快激光加工实现了在光纤截面任意一点的精确加工，制造了一种对偏振不敏感的光纤布拉格光栅（图5 （b））[52]。在超快激光写入光波导应用中，利用空间光调制器可以对像差进行矫正，构造三维多层光通路，在铌酸锂晶体中加工出偏振无关的光波导结构（图5 （d））[53]。除了对单个界面进行像差矫正，还可以利用空间光调制器对多个折射层的像差进行矫正，实现了超快激光透过石英玻璃对LBGO玻璃进行无像差的加工（图5 （c））[54]。
图5 （a）在金刚石和熔融石英内部用螺旋状光斑点阵进行超快激光加工，像差矫正前后对比图[47]；
（b） 利用超快激光加工光纤像差矫正前后对比图，左边为矫正后结果，右边为未矫正结果[52]；
（c） 利用全息技术矫正前后不同深度处的结果，其中，每一列分别为不同深度处加工的结果（依次为0.5mm、1mm、经过石英玻璃后0.5mm、1mm表面以下），左边是为未矫正的结果右边是矫正后的结果[54]；
（d）像差矫正前后加工光波导对比图，左上图为未矫正像差时加工的结果，右上图为像差矫正后加工的结果，左下图为像差矫正后加工出的光波导横截面图，右下图为光波导在s偏振和p偏振光束下的近场模[53]Fig. 5
(a) Helical dots array fabricated in diamond and fused silica with and with aberration compensation [47];
(b) structures fabricated inside optical fiber with (left) and without (right) aberration compensation[52];
(c) structures fabricated 0.5mm, 1mm, 0.5mm(through a silica glass window),1mm(through a silica glass window) below the surface without (left) and with (right) aberration compensation[54];
(d) optical microscope images of fabricated structures without (top left) and with (top right) aberration compensation, fabricated waveguide with aberration compensation (down left), near-field mode profile of s-polarized and p-polarized beam in the fabricated waveguide (down right) [53]
当界面两侧折射率差别较大、加工深度较深、聚焦物镜数值孔径较大时，像差会对超快激光加工质量产生较大的不利影响，降低水平方向上的加工精度、增加纵向的结构长度。通过以上算法计算所需的全息图，结合空间光调制器可以快速便捷地对像差进行矫正，提升超快激光加工的精度和质量。
4.2 多焦点并行加工
同时产生多个焦点在样品的不同二维或三维位置进行并行加工，可以成倍地提升加工效率。多焦点并行加工可以通过使用微透镜阵列[55]、超表面结构[56]等方法实现，但是它们的制备较为复杂，并且往往只能生成固定的光斑阵列，使用起来不够灵活。空间光调制器可以很好地解决这些问题，利用全息图技术对入射光进行相位调制可以快速地生成各种目标光场进行多焦点加工，并且通过切换全息图来实时地调制目标光场进行二维、三维结构的快速加工，有着广泛的应用。
图6 基于空间光调制器的超快激光并行加工系统[57]Fig. 6
Schematic diagram of ultrafast laser parallel material processing system based on spatial light modulator[57]
基于4f系统，一套利用空间光调制器、全息图可变的并行加工系统可以被搭建（图6 ），使用GS算法生成不同光斑点阵分布所需的全息图，在加工的过程中将全息图更新到空间光调制器上，用超快激光在玻璃表面实现了不同字母点阵的快速打印（图7 （a））[57]。这套系统即是基于空间光调制器的超快激光并行加工应用中最常见的光路。利用该系统可以实现多焦点的双光子聚合加工，全息图的刷新频率可达20Hz，可加工出弯曲、非对称的二维结构，还可通过控制焦点的个数和位置，结合扫描的方法加工出不同形状的三维结构[58]。多焦点的双光子聚合技术还可用于人体组织工程支架、微针阵列、细胞培养基等功能性生物、医疗微器件的制备，大幅提升了加工效率、精度（图7 （b））[60,59]。超快激光多焦点并行加工技术也可用于提升多维度光存储的写入速度，通过多焦点阵列和半波片阵列可以动态改变单个焦点的强度及偏振状态，将多维数据快速地写入到熔融石英碟片中，实现数据的永久五维存储（图8 （a））[61]。多焦点超快激光加工系统可产生多达576个焦点的阵列对硅和不锈钢等材料进行并行加工[62]。甚至生成1500个焦点的阵列[10]，实际加工时阵列焦点个数受限于空间光调制器像素个数、加工激光功率、空间光调制器阈值、物镜通光孔径等因素。
