基于空间光调制器的超快激光加工原理及应用（下）

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基于空间光调制器的超快激光加工原理及应用（下）

来源: | 作者:topphotonics | 发布时间: 2020-09-21 | 4804 次浏览 | 分享到:

上述并行加工技术产生的都是二维平面上的多焦点，还可以利用基于德拜衍射理论的三维傅里叶变换得到全息图，生成三维空间的多焦点阵列，并且可以对因界面折射率不匹配、不同聚焦深度产生的像差进行补偿，实现三维光存储的多层并行写入（图8 （b））[35]。

图7 （a）利用并行加工技术加工的字母点阵图案光学显微镜图像[57]；
（b）利用多焦点扫描技术加工出的三维细胞培养基底的扫描电镜图像[59]
Fig. 7 (a) Optical microscope image of the character dots array fabricated with multi-foci technique[57] ;
(b) SEM images of the fabricated cell culture substrates by 4-foci scan (left) and 6-foci scan (right) parallel 3D printing[59]

图8 （a）利用多焦点阵列实现五维永久光存储数据的写入[61]；
（b）基于德拜衍射理论得到的,经像差矫正后的三维多焦点阵列[35]
Fig. 8 (a) Five-dimensional permanent optical data storage recording by multi-foci parallel writing[61];
(b) Experimental results of a volumetric multifocal array generated by a Debye-based 3D
Fourier transform algorithm together with aberration compensation[35]

除了使用多焦点进行并行加工，还可以通过对激光的波前进行调制，将聚焦光束调制成目标图案直接进行加工。例如用两个空间光调制器实现多目标图案的平行加工，第一个空间光调制器对振幅进行调制来得到需要加工的形状，第二个空间光调制器则是用来生成多光束进行超快激光并行加工，实现二维图案的阵列打印[63]。

4.3 聚焦体积内三维光场调制
对于三维结构，可以运用前文提到的三维光场调控技术，使用杨顾算法并在迭代过程中加入强度调制，通过单次曝光、单次扫描，或者两者相结合，即可加工光敏树脂得到复杂的三维结构（图9 （a））[12]，或在含有银离子的水溶液中加工出具有圆二向色性的三维双螺旋结构（图9 （b））[64]。

图9 （a）通过对焦点光场进行三维调控打印出的三维结构的SEM图：
通过单次曝光打印出的三维字母图案（左）、通过单次扫描打印出的三维长城结构（中）、利用单次曝光和单次扫描相结合制备的三维玫瑰花结构（右）[12]；
（b）利用空间光调制器单次曝光加工出的三维双螺旋结构[64]
Fig. 9 (a) SEM images of the 3D microstructures via single-exposure (left), 1D single-scan (middle) and single-exposure& single-scan combined (right) [12];
(b) 3D double-helix structures fabricated by single-exposure based on SLM holography[64]

4.4 脉冲时空整形
空间光调制器可以用于时空同步聚焦系统。在传统的超快激光时空同步聚焦系统中，超快激光不同频率成分经过色散器件后在空间上展开，再经过透镜将光进行聚焦，在焦平面上实现光斑空间尺寸的最小值，和脉冲宽度的最小值。在焦平面以外的地方不同频率的光在空间上分散且脉冲宽度长，导致峰值功率较低而不足以产生非线性吸收现象，使时空聚焦系统沿光传播方向有更高的分辨率。但因此，传统的光学系统无法实现三维的多焦点时空同步聚焦，只能在焦平面附近构建二维的目标光场。三维的时空同步聚焦技术可以通过两个空间光调制器来实现，分别控制垂直于光传播方向上目标光场的强度分布和时空同步聚焦沿着光传播方向的聚焦位置[65]。使用这套系统可以摆脱传统时空聚焦系统轴向位置单一的约束，使得时空同步聚焦技术的使用更加方便灵活。该系统还可以简化，仅使用一个空间光调制器，即可生成时空分离的三维点阵，相邻焦点在空间上紧邻，但在时域上分离，从而克服传统多焦点情况下相邻焦点间的互相干扰，降低了点间距，实现了超快激光的四维（空间三维和时域维度）并行加工（图10 （a）（b））[66]。另外，如果将DMD用作一个色散元器件，那么时空同步聚焦光路中常用的光栅也可以被省略，结合DMD的高刷新频率可以实现纳米级精度的快速3D打印，通过单次聚焦即可在毫秒时间量级内制造出复杂的三维结构，这些结构是传统超快激光直写扫描系统难以加工得到的（图10（c））[67]。

图10（a）超快激光时空同步聚焦并行加工的光路示意图[66]；

（b）该系统生成的三维多焦点阵列及其加工结果[66]；

（c）超快激光时空同步聚焦并行加工出的复杂三维结构[67]

Fig. 10 (a) Schematic of the experimental setup of multi-foci simultaneous spatial and temporal focusing(SSTF) laser material processing[66];

(b) single-exposure fabrication of 3D dots array by 11 spatiotemporal beam spots[66];

由于超快激光脉冲持续时间极短，较难在时域上直接对脉冲进行调制，在一些情况下可以利用透镜前后焦平面互为傅里叶变换的关系对脉冲进行时域整形。脉冲时域整形技术通常使用的系统为上文所提到的4f系统。利用这套系统可以对超快激光脉冲进行调制，形成特定脉冲形状的超快激光，对不同形状的脉冲进行编码和解码，可以运用于光通信领域[68]。对800nm的飞秒激光脉冲进行时域整形可以对光引发剂ITX（isopropyl thioxanthone）的双光子吸收和聚合实现相干控制，用这种技术制造出的微棒结构的尺寸可以达到衍射极限的1/25[69]。飞秒激光可以实现稀土离子的价态转换，但是通常转换效率较低，利用飞秒激光时域整形技术可以提高稀土离子的价态转换效率[70]。脉冲时域整形技术的应用范围很广，一直受到人们的广泛关注，有着巨大的发展潜力。

4.5 结构光场的产生及应用
由于结构光场有着特殊的相位、偏振特性，表现出独特的光学性质，在多个领域有着广泛的应用。使用空间光调制器可以方便快捷地产生这些有着特殊相位、偏振的结构光场，在超快激光加工领域有着广泛的应用，本节将对超快激光加工领域中利用空间光调制器引入结构光场的应用作介绍。