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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 | 4919 次浏览 | 分享到:
使用空间光调制器通过加入涡旋相位可以产生带有轨道角动量的涡旋光束，利用光路和其他光学元器件可以实现多种矢量光束和一些有特殊性质的光场。将单个空间光调制器分为两个区域放置不同的全息图，激光先后经过这两个区域进行两次调制后，可以生成高阶的矢量光场（图11 （a））[71]，利用单个空间光调制器及4f系统可以产生任意矢量光束[72]，还可以用单个空间光调制器和相干叠加光路实现不同偏振矢量的多光斑阵列（图11 （b））[73]。以上光路都可以用于超快激光加工，使用空间光调制器进行相位和偏振调制，可以生成多个结构光场光斑进行并行加工，在金属表面生成各向异性的周期性结构[13]。
图11 （a）通过在空间光调制器不同区域反射两次，生成了16种不同的结构光场[71]；
（b）利用空间光调制器得到16个不同矢量分布的光束阵列[73]
 Fig. 11 (a) 16 different structured light beams generated by a single SLM double reflection arrangement[71]; 
(b) a 16-vector-Bessel-beam-array generated by using SLM[73] 

结构光场可以应用在基于STED（Stimulated Emission Depletion）光路的超快激光超分辨光激发-光抑制SPIN（Superresolution Photoinduction-inhibited Nanolithography）加工系统中，用高斯光作加工光引发双光子聚合，用空心结构光作抑制光激发光抑制剂阻断树脂聚合，当两束光合在一起加工时即可以达到超衍射极限加工的效果[74]。这样的超分辨加工技术可以同并行加工技术相结合，利用两个空间光调制器分别生成高斯光束阵列和涡旋光束阵列，实现超分辨的三维多焦点阵列的并行加工（图12 （a））[75]。利用结构光场特殊的性质可以加工出一些普通光场难以加工出的复杂结构。例如通过涡旋光束相位叠加，在聚合物中并行加工出开口环结构阵列（图12 （b））[76]。通过改变加载在光学涡旋上的相位因子，可以一次成型加工出复杂的三维微管结构（图12 （c））[77]，在此基础上利用平面波和涡旋光的同轴干涉可以生成三维带手性的光场，利用这种光场对各向同性的介质进行加工，可以制备三维手性微结构[78]。利用空间光调制器还可以生成贝塞尔（Bessel）光束和马蒂厄（Mathieu）光束，通过切换不同的全息图可以快速改变加工光束的类型，通过纵向扫描的方式对聚合物进行加工，得到三维微笼结构，可用来捕获微小的物体（图12 （d））[79]。

图12 （a）利用空间光调制器进行超衍射并行存储原理图[75]；
（b）利用双涡旋光束叠加得到的缺口环结构[76]；
（c）对涡旋光的相位因子进行调控得到的不同的微结构[77]；
（d）利用贝塞尔光束和马蒂厄光束加工出的微笼结构[79]Fig. 12
(a) Super-resolved multifocal parallel data recording based on SLMs[75]; 
(b) split- ring structure array fabricated by a superpositioned two circularly polarized vortex beams[76];
(c) microstructures fabricated by single exposure of femtosecond optical vortices with different fold number and modulation depth[77]; 
(d) microcages fabricated by Bessel and Mathieu beams[79]

使用空间光调制器及全息图技术可以快速地产生一些特殊的结构光场，利用这些结构光场进行超快激光加工可以快速、高分辨、高质量的生成复杂的二维、三维结构。但是利用结构光场加工具有一定的局限性，无法加工得到任意结构，相关的全息图生成技术还有继续发展的空间。

5   结束语
空间光调制器为超快激光加工带来了极大的便利，通过不同的全息图算法可以得到不同的二维、三维的目标光场，从而快速、高精度的加工得到所需结构。利用空间光调制器进行多焦点阵列的并行加工极大地提升了加工效率，更可贵的是该技术可以同多种光场调制技术相结合，如像差矫正、时空同步聚焦、结构光场等，实现多种特殊应用场景下的超快激光并行加工。通过全息图对聚焦体积内的二维、三维、甚至四维光场进行操控，实现了对各种复杂结构的并行加工、扫描加工、一次曝光成型、超分辨加工等。结合色散系统，空间光调制器也可实现超快激光时空同步聚焦加工和脉冲时域整形加工。通过空间光调制器可以产生任意涡旋光、矢量光束，进一步丰富了超快激光并行加工技术的使用场景。空间光调制器的使用方式灵活多变，还有很多潜在的应用场景有待挖掘。然而利用空间光调制器进行超快激光加工受到了空间光调制器本身，如刷新频率、分辨率、相位灰阶数、像素个数、填充因子等参数的限制，并且全息图的计算速度以及生成光场的质量仍有提升的空间。向列型液晶空间光调制器拥有较多的相位调制灰阶，较高的分辨率，可以生成复杂的相位全息图，引入水冷模块后可以承受高功率的飞秒激光照射，但是刷新频率较低阻碍了其在工业上的应用。而基于MEMS的DMD有着更高的刷新频率，在工业中应用更为广泛，如何将两者的优势结合起来，生产出高质量、高刷新频率、高阈值的空间光调制器用于超快激光加工是一个有待解决的问题。根据不同的超快激光应用场景需要选择合适的算法、光学系统，希望本篇综述能够给从事相关领域的研究人员带来一些帮助，在实际应用时能够找到适合的算法，设计出理想的光学系统，收获一系列有鲜明特色的研究成果。

参考文献
[1]Couairon A, Sudrie L, Franco M ,et al. Filamentation and damage in fused silica induced by tightly focused femtosecond laser pulses[J]. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 2005, 71(12): 1–11.
[2]Tamaki T, Watanabe W, Nishii J ,et al. Welding of Transparent Materials Using Femtosecond Laser Pulses[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2005, 44(No. 22): L687–L689.