在超快激光加工应用里,空间光调制器还有这么多种玩法
超快激光加工技术推动了激光制造从传统的宏加工向超精密加工发展。尽管凭借着强大优势,超快激光加工技术成为3C电子等领域中的新宠,但单焦点的超快激光直写加工技术仍然存在加工区域小、效率低的问题,不能同时满足大幅面和高精度加工需求。 空间光调制器的出现使得上述问题在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,配合一定光路设计就可以在材料加工区域得到任意的光场强度分布。下文将对空间光调制器的原理以及其在超快激光2D、3D加工领域中的应用进行详细的介绍。 什么是空间光调制器? 空间光调制器是一种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(DMD)以及调制相位的液晶空间光调制器(LC-SLM)。 1)DMD DMD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,其每个像素都是一个可以独立控制的微反射镜,通过切换每个微反射镜的方向可以单像素控制出射光的角度。DMD 具有切换速度快、易于控制的优点。目前DMD的工作波长范围已经涵盖紫外、可见光以及红外波段。 2)LC-SLM LC-SLM的每一个像素单元由液晶分子构成。液晶因为其双折射的特性而广泛应用于空间光调制器。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。根据液晶种类可分为铁电型和向列型两种,根据使用方式可分为反射式和透射式两种。 全息图的计算方法 全息图是通过空间光调制器加载到入射激光上的相位分布图,通过加载不同的全息图,可以生成多光束阵列、二维面光场强度分布、三维体光场强度分布等,从而满足不同的应用需要,由此探索出了多种全息图计算方法。 1)二维光场全息图生成算法 通过全息图技术可以在焦点处产生所需的二维光场强度分布。此类算法有多种,其中较为经典的是GS (Gerchberg Saxton)算法,后续的很多算法都是由GS算法演变而来,如图1所示。 ![]() 图1 GS迭代算法流程图 工业上比较常用的全息图迭代算法算法有:一种是在GS算法的基础上衍生的杨顾算法,另一种是ORA(Optimal Rotation Angle)算法。 此外,使用矢量德拜衍射理论也可以计算得到全息图,实现对不同矢量方向的光场强度分布的调制。另一种能在保证一定全息图质量的同时提高生成效率的非迭代的全息图算法,后来也被广泛应用。 2) 三维光场全息图生成算法 由于三维光场全息图生成算法能够进一步提升效率,加工出更加精细的结构,实现扫描加工无法实现的一次成型结构,因此有着广泛的应用需求。 计算三维光场所需全息图时可以分为两个过程:一个是快速傅里叶变换;另一个是菲涅耳衍射过程。为了改善三维GS算法得到的全息图质量不佳,且计算速度较慢的问题,斯威本科技大学顾敏课题组实现了三维多焦点阵列全息图的计算。 除了GS算法及其变种,一种非凸优化的全息图算法———NOVO-CGH( Non-Convex Optimizationfor Volumetric Computer-Generated Holography)算法也被提出,可用于三维光场的全息图计算。该方法比GS算法得到的结果更好,准确度提高近20%,效率提高近5%。此外,NOVO-CGH算法的一大优势是可以根据实际情况的不同,设计不同的成本函数,以满足不同的应用需求。 3)基于深度学习的全息图生成算法 近年来,基于深度学习技术生成用于空间传播的全息图算法得到了实现,可以很有效地解决全息图生成速度慢的问题。入射光经过空间光调制器的相位调制后传播一定距离之后,可得到目标光场的强度分布,其基本原理如图2所示。目前这种方法得到的全息图只适用于二维的空间传播光场生成,还不能运用于聚焦光场的全息图计算。 ![]() 图2 基于深度学习计算全息图的原理图 |