利用SLM辅助纳秒激光技术制备铬薄膜上的杂化周期微结构

空间光调制器是一种可以在外部信号的控制下实时改变入射光的振幅、相位及偏振态的动态元器件。将空间光调制器应用在激光加工领域，可以实现动态光束整形，并且具有可编程、易操控、易集成、低损耗、刷新频率高等优势。并且随着空间光调制器损伤阈值的提升，激光加工的应用领域也不断扩大，例如超表面结构制造、微流体、3D打印、光存储、材料表面改性、量子点等领域。
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论文信息
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本文提出了一种利用空间光调制器（SLM）辅助1064nm纳秒激光器制备不同厚度铬（Cr）薄膜上的不同杂化周期结构的有效技术。对于1000nm的Cr薄膜，通过将SLM生成的周期调制光栅（MG）与激光诱导的周期表面结构（LIPSS）相结合，可以制备出规则的双尺度MG-LIPSS，其形态特征受激光通量、有效脉冲数和MG周期控制。由于MG和LIPSS的衍射效应，MG-LIPSS图案表面表现出生动的各向异性结构颜色。与MG-LIPSS相比，由于更薄的薄膜具有更显著的热应力，因此在200nm的Cr薄膜上形成了由MG和裂纹（MGC）组成的复杂的周期结构。虽然MGC的裂纹是随机分布的，但MGC具有一定透光率的长阶特性，可以作为具有衍射效应的[color=var(--weui-LINK)]透射光栅。这些结果表明，基于SLM的光场调制激光加工为在Cr薄膜上制备大面积周期结构提供了一种高效、经济、可控的方法。此外，薄膜厚度的变化可以用于探索具有特定性能的混合微观结构，从而用于不同的应用，如光学元件和防伪措施等。

部分实验过程及实验结果
光源采用商业纳秒激光器，提供1064nm、50ns的线偏振[color=var(--weui-LINK)]脉冲激光，实验时重频设置为3kHz，对应的激光器最大输出功率为0.45W。激光器出射的光通过4×扩束镜，从而使光斑充满液晶光阀靶面，实验中使用的是相位型空间光调制器（FSLM-2K70-VIS），像素大小为8um，分辨率为1920×1080。经空间光调制器调制后通过透镜作用在样品上，通过CCD实时监测加工过程，确保样品表面始终在加工平面。采用Gerchberg Saxton算法生成全息图。

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图1 (a)实验装置(相位型空间光调制器，型号：FSLM-2K70-VIS)；(b)原始光束和调光束。

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图2 1000nmCr薄膜随着激光通量的增加，MG-LIPSS在4个不同的调制周期Γ下形成的MG-LIPSS的SEM形貌。比例尺：5 μm。[attachment=129935]

图3 (a)-(c) 1000nmCr薄膜在不同有效脉冲数下形成的MG-LIPSS的扫描电镜形貌。比例尺：5 μm。

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图4 (a)0.27J/cm²和(e)0.32 J/cm²分别对应不同激光照射下MG-LIPSS结构的AFM测量。(b)和(f)分别对应于(a)和(e)的SEM图像的二维快速傅里叶变换。(c)和(d)对应于(a)的MG-LIPSS的LIPSS和MG横截面的二维图。(g)和(h)对应于(e)的MG-LIPSS的LIPSS和MG横截面的二维图。比例尺：5 μm。

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图5 (a-b)在不同位置的两个不同激光通量F下制备的MG-LIPSS的微拉曼光谱。(c-f)在不同激光通量F下制备的MG-LIPSS的EDS结果（收集点位于图中红色标记处）。比例尺：5 μm。

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图6 对于200nm的Cr薄膜，在不同加工条件下形成的MGC的扫描电镜形貌。(a) Γ₂=8 μm，F=0.16 J/cm²。(b) Γ₃=9 μm，F=0.16 J/ cm²。(c) Γ₄=13 μm，F=0.16 J/cm²。(d) Γ₄= 13 μm，F=0.30 J/cm²。比例尺：5 μm。

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图7 MG-LIPSS的彩虹结构颜色。(a)在1000nmCr薄膜上形成的MG-LIPSS混合周期结构的白光衍射示意图，由LIPSS和MG分别在两个正交方向上产生彩虹结构颜色。(b)“中山大学”的汉字图案用1000nm的Cr涂覆在直径为100 mm的玻璃晶片上。(c)处理后的样品。(d)和(e)分别对“中山大学”图案和龙图案进行着色。(f)和(g)MG-LIPSS“3″为对不同观察角度的彩虹色结构颜色的不同呈现。比例尺：5mm。

本实验中所采用空间光调制器的参数规格如下：

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型号 )Dq/fW	FSLM-2K70-P03 (*2kM\|	调制类型 L>EC^2\	相位型 %@Ty,d:;=
*液晶类型 6e 5T**	反射式	灰度等级	8位，256阶 & ]/Z~Vt
分辨率 v(tr:[V	1920×1080	像元大小	8μm
有效区域 U$(AZ\|0	B}y-zj;T 0.69" $w$4RQk3n 15.36mm×8.64mm	填充因子	87%
~?)ST?& 平整度（PV）	h0fbc;l 校准前：5λ 校准后：1λ	/P/S0 平整度（RMS）	c);(+b 校准前：1/3λ hVcV_ 校准后：1/10λ
[!E8C9Q#! 刷新频率	l1qWl 60Hz	M(2c{TT 响应时间	hD:$Sv/H ≤30ms t~0}Emgp<(
3%W R 光学利用率	c*g(R.! 75%@1064nm	!Z6GID})p 配向角	jci'q=Vpu 0°
A,T3%TE 相位范围	YbrsXp" 2π@1064nm zF[>K4 Max：2.1π@1064nm	v5 yOh5 光谱范围	FFNv'\) 450nm-1100nm
`"E\| Gamma校正	v?7.)2XcX 支持	\|'2E'?\/x 相位校正	%HJ_0qg 支持(808nm/1064nm)
v?\bvg\E 线性度	R9->.eE ≥99%	gn? ~y` 相位稳定度（RMS）	≤0.13π
Q b5AQf30 损伤阈值	l*]L=rC 连续: ≤20W/cm²(无水冷) Cp_YIcnEJ ≤100W/cm²(水冷)	$siiG\|)C1 衍射效率	1064nm g=;c*{ 60%@ L8 G!54 e 66%@ L16 }cll? 2 75%@ L32

为进一步延伸空间光调制器在工业方面的应用，特研制推出高损伤、方形大靶面空间光调制器：

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型号 ;&\|ja]r	FSLM-2K73-P03HP FxC@KZG	调制类型 pbivddi2	相位型 6\|05-x\|
液晶类型 oUm"qt_	反射式	灰度等级	8位，256阶 /0 ,#c2aq
分辨率 tLpDIA_8	n2R{$^JxO 2048×2048	像元大小	6.4μm
有效区域	Frt_X% YXJjqH3 0.73" <BQ4x.[ 13.1mm×13.1mm #nc{MR#R	laqW {sX^5 填充因子	-O_5OT4 93%
LD WFc_ 刷新频率	X;T(?,, 60 Hz（8bit）*	2Ni$ (`" 输入电源	Z-b^{uP 12V 3A
配向角	0° L^VG?J	16o3ER 数据接口	@7%nMTZ@&v HDMI
ocy fU=}X 相位范围	kzGD* 2π@1064nm VuFH >8n Max：3.5π@1064nm	`I<R0Qe 光谱范围*	1000nm-1100nm
rZZueYuXO 光学利用率	g!<@6\RB 95%±5%@1064nm	响应时间	)5Kzq6. ≤30ms B5!$5Qc
A%u-6" Gamma校正	X#(?V[F] 支持	$CO^dFf 相位校正	;*+jCL2F 支持(1064nm)
TC3xrE:U<m 线性度	j%b/1@I ≥99%	A[Juv]X 相位稳定度（RMS）	bxO8q57 ＜0.03π
APuG8 <R, 损伤阈值	jGd{*4{3+ 连续: ≤1000W/cm²(无水冷) uA:\|#mO 脉冲：峰值功率密度(10GW/cm²)	~d7!)c`z 衍射效率	<O>r e3s 1064nm o8RagSIo8 56%@ L8 ^!1mChf 72%@ L16 ld4QhZia 85%@ L32

写在最后随着激光加工技术的深入发展和对高精度、高效率加工指标需求的增加，空间光调制器作为一种关键的光学元器件，将发挥着重要作用。空间光调制器在激光加工中的应用并不局限于单一的技术领域，其广泛的应用前景涵盖了多个领域，例如工业制造、科学研究、光电子学等，为激光加工技术的进步和创新提供了强大的支持和推动力，有望推动激光加工技术向更高级、更复杂的方向发展。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2024.108216

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