空间光调制器在激光加工中的应用
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发布时间：2022-02-10 10:18:53
01 空间光调制器
空间光调制器（SLM）是近代光信息处理系统中的器件，它可以对光束进行调整，并将信息加载于一维或者二维的光学数据场上，能有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力，达到光波调制的目的，因此空间光调制器被广泛应用于诸多光学领域。
将空间光调制器与激光加工技术结合起来，不但可以实现高效率、灵活的激光加工，还可以改善激光加工中存在的问题，如光斑质量以及焦深短等等。
激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。它可以通过透镜聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，该光斑具有高的能量密度（108~1010W/cm²）。当激光照射在工件表面时，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区的温度可达10000℃以上，使材料熔化甚至气化，这就是激光加工（LBM）。该技术是一种非接触加工方式，主要应用于打孔、切割、打标、焊接以及表面处理等加工工艺方面。
随着科技的发展，激光加工逐渐发展为连续激光加工、纳秒激光加工以及皮秒/飞秒加工。同时人们将其应用于微纳加工领域，来实现微纳米器件的加工。然而传统的激光微纳加工技术均采用逐点扫描的加工方式，加工效率无法满足实际生产的高效率需求。空间光调制技术的提出，为解决该类问题提供了思路。空间光调制技术以具有灵活可靠的光场分布、可并行加工等优势逐步应用于激光加工技术，大大提高了加工效率。
为了解决激光加工效率低问题，人们引入了多光束并行加工技术。空间光调制器可将飞秒激光调制成复杂的二维图案阵列，可实现对微光学元件和微光子晶体结构并行直写的一种加工技术。通过计算全息和空间光调制，飞秒激光可被精确调制成预先设计的多焦点图案阵列。利用这种多焦点并行直写加工技术，可实现具有高尺寸精度、高表面质量和光学性能的微透镜阵列的高效加工。在结构加工的过程中，焦点的数量和阵列分布可以实时灵活的控制，三维结构从而可以被灵活控制。
一般激光光束经透镜聚焦后，焦点位置处于某一平面内，这在实际应用中仍然存在着许多技术瓶颈，因此，人们提出了长焦深的概念，同时研究长焦深的光学元件。目前，有多种方法能够实现长焦深。其中受欢迎的是基于空间光调制器来实现焦深延拓的方法，液晶空间光调制器具有灵活的可编程特性，将其应用到长焦深光学元件的研究中，将赋予长焦深光学元件更多的灵活性和自主性，并在激光直写、快速成形、激光雕刻、打孔、切割、焊接等工程领域具有广阔的应用前景。
飞秒脉冲整形的基本原理是频域和时域是互为傅里叶变换的，所需要的输出波形可由滤波实现。下图是脉冲整形的基本装置，它是由衍射光栅、透镜和脉冲整形模板组成的4f系统。超短激光脉冲照射到光栅和透镜上被色散成各个光频成份。在两透镜的中间位置上插入一块空间模式的模板或可编程的空间光调制器，目的是调制空间色散的各光频成份的振幅和相位，光栅和透镜看作是零色散脉冲压缩结构。超短脉冲中的各光频成份由第一个衍射光栅角色散，然后在第一个透镜的焦平面聚焦成一个小的、衍射有限的光斑。这里的各光频成份在一维方向上空间分离，在光栅上从不同角度散开，在第一个透镜的后焦平面上进行了空间分离，第一个透镜实现了一次傅里叶变换。第二个透镜和光栅把这些分离的所有频率成份重新组合，这样就得到了一个整形输出脉冲，这个输出脉冲的形状由光谱面上模板的模式给出。
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