液晶-硅基空间光调制器(lcos-slm)一直以来以高精度和易操控性,被用于各种光斑整型、光场调控的应用中。比如通过在0-2π范围内改变光的相位,产生三维多焦点、贝塞尔光、艾里光、hg模光、lg模光等等,而广泛应用于光通信、生物医学、材料学、全息等众多领域。
滨松空间光调制器
空间光调制器可进行多种光斑的整形
左图:andrew forbes / csir
现代激光加工,以超快激光加工为主,即使用高强度的超快激光进行材料加工。具有峰值功率高、热熔区域小、加工速度快和重复精度高的特点。
液晶-硅基空间光调制器(lcos-slm)以其高精度的三维多点整形(通常使用cgh算法调制相位)功能;产生“长焦深”的贝塞尔光用于激光切割(下图)功能;以及可实时矫正像差、实时通过软件改变加工激光的聚焦深度和形状的特性,可作为超快激光加工的理想光束整形器件。
贝塞尔光在激光切割中的应用:用贝塞尔光能够在切割材料上形成一个更长的“焦深”,相当于对材料有一个较深的切割深度,同时在切割深度上能量分布大体均匀,这样就容易得到较好的切割效果。
贝塞尔光用于深孔的加工及算法的优化:研究者们还开发了在贝塞尔光基础上的优化算法,消除周边圆环,提高深槽质量。上海光机所储蔚老师(程亚团队)曾在会议报告中讲到的tailoring femtosecond 1.5-μm bessel beams for manufacturing high-aspect-ratio through-silicon via,其中实验则使用了锥棱镜加相位板。此项也可使用滨松slm来实现。
#滨松lcos-slm高光强阈值性能及研究案例
由于材料和设计的限制,器件的抗强光特性还不完善(光强阈值低),截止到2017年,空间光调制器最高也只能承受几十瓦/cm2的激光功率密度。所以一直以来,其并未被大范围应用,仅用在了一些特定的激光加工材料上(往往是所需激光能量较低的被加工件),如塑料焊接,晶圆或玻璃切割(滨松专利的sde激光隐形切割引擎,就是以空间光调制器为内核的)。
随着产品技术的不断进步,以及更广泛的行业测试数据的支持,如今滨松的lcos-slm被证实可完全承受255w/cm2的平均功率、几百兆瓦/cm2的皮秒激光器峰值功率、以及几十g瓦/cm2的飞秒激光器峰值功率。以下为三个实际案例(以下研究,均使用滨松lcos-slm完成):
1.用lcos-slm产生自适应的多光束激光进行薄钢板切割
芬兰vtt技术研究中心研究者利用200w红外cw激光器成功应用lcos-slm作为自适应cgh(computer generated hologram,计算全息),切割0.5毫米厚的普通结构钢板。
adaptive multibeam laser cutting of thin steel sheets with fiber laser using spatial light modulator,jarno kaakkunen (corresponding author), petri laakso, veli kujanp,ba2405 advanced manufacturing technologies
2.使用数字工具进行超短脉冲激光烧蚀的新概念
使用高精度的lcos-slm可以使生成的点阵能量分布更准确(更均匀;或者按照研究者需要的加权实现不同能量的分布,更准确)。
高质量的多点并行加工并消除零级光
(中心亮斑,详解见下图)
high-quality generation of a multispot pattern using a spatial light modulator with adaptive feedback, naoya matsumoto, takashi inoue, taro ando, yu takiguchi, yoshiyuki ohtake, and haruyoshi toyoda, optics letters vol. 37, issue 15, pp. 3135-3137 (2012)4
3.用于高平均功率皮秒激光(材料加工应用)曝光的lcos-slm的热和光学性能研究
该研究者专门研究了slm的热承受能力,最高使用了220w的1064nm皮秒激光器进行了测试。研究者还提到:
“我们使用滨松x10468系列反射式lcos-slm十多年了,经过多年的连续运行,我们用了峰值功率密度大于10 gw /cm2,平均功率大约12 w的能量,在无冷却情况下照射slm,没有检测到仪器有任何性质改变。这的确令人印象深刻。”
investigation of the thermal and optical performance of a spatial light modulator with high average power picosecond laser exposure for materials processing applications, g zhu, d whitehead, w perrie, o j allegre, v olle, q li, y tang, k dawson, y jin, s p edwardson, journal of physics d: applied physics, volume 51, number 9.
更多皮秒激光器测试数据:
更多飞秒激光器测试数据:
更多水冷型平均功率测试数据:
# lcos-slm如何降低高功率激光的强光损伤
一般来讲,空间光调制器受强光损伤的原理有三类:
1、激光能量被slm吸收,温度持续上升,产生相位偏移。
此类损伤阈值是由激光的平均功率所决定的,制冷是提高阈值的最佳办法。通过添加heatsink水冷的制冷方法,滨松lcos-slm已将平均功率阈值从几十瓦提高到上百瓦。
通过合作伙伴们对lcos-slm在不同使用环境,不同功率阈值的测试。最后的数据表明,水冷技术加持下,滨松lcos-slm最高可承受255w/cm2的高功率。目前还在不断地进行更高功率的测试。
2.对于脉冲激光来说,由于单个脉冲的瞬间能量极高,slm对激光的非线性吸收,会导致其温度的急速上升和液晶层的损坏。
此类损伤阈值,是由峰值功率决定的,可以通过加介质镜来提高。以具有专利技术的介质镜为lcos-slm的反射层,代替了传统的铝材料。提高反射率的同时,材料对光能的非线性吸收也有所减少,从而保证了器件可承受高功率阈值。
滨松介质镜涵盖的波段有390nm-410nm,460nm-560nm,600nm-700nm,750nm-850nm,1000nm-1100nm,532nm&1064nm,1500nm-1600nm。由于lcos-slm芯片完全自主研发,介质镜也可实现定制化。如今,滨松lcos-slm已被用于各类玻璃、蓝宝石、金属材料的激光加工应用中,提高了加工速度和精度,使复杂结构的加工成为可能。
3.激光中的紫外线可能会对slm造成物理损伤。
此类损伤,是由材料的耐紫程度来决定的。寻找耐紫外的新材料,也是滨松lcos-slm技术研究人员的课题之一。目前也已开发出毫瓦级的355nm紫外材料,眼下正致力于实现“大于3w”的目标。
面对超快激光加工应用市场的需求,滨松的工程师们未来还将研发千瓦级的lcos-slm芯片,不断将性能向极限推进。