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空间光调制器，让飞秒激光光束整形so easy

光电汇OESHOW

2022-08-08

导读：就是这么精彩

孔德键，孙小燕，董卓林，胡友旺，段吉安

中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室

尽管飞秒激光直写法加工精度和灵活性高，但其效率低，难以在实际生产中应用。为了提高飞秒激光加工效率，目前主要有三种解决方法：微透镜阵列或衍射光学元件法、多光束干涉法和基于空间光调制器(SLM)的光束整形法。相比前两种方法，空间光调制器可以实现微纳结构的灵活加工，并能提高加工效率，因此在激光微纳加工领域具有潜在优势，可应用于光束整形、全息成像和光镊捕捉等领域。

空间光调制器可实现对激光振幅、相位和偏振态的调制，为飞秒激光加工领域注入新的活力。空间光调制器根据其结构可以分为液晶空间光调制器(LC-SLM)、数字微镜器件(DMD)、磁空间光调制器、多量子阱空间光调制器、电光空间光调制器和声光空间光调制器等。空间光调制器根据调制特性可以分为振幅型、相位型和混合型。振幅型SLM只调制入射光场的振幅，典型器件是DMD；相位型SLM只调制入射光场的相位，典型器件是LC-SLM。

三种加工方法，光束整形任我行

液晶因为其双折射的特性而广泛应用于空间光调制器。LC-SLM的加工方法主要包括多焦点并行加工、结构光场并行加工和矢量光场加工三种。

多焦点并行加工

与单焦点加工相比，多焦点并行加工可在保证原来的加工精度下提高加工效率。同时，该方法不但能够直接控制多焦点间距、数量、分布和能量比，还可以结合动态加载计算全息图的方法，实现对焦点的动态调控。目前，基于空间光调制器的光束整形技术应用集中于增材制造，以提高二维结构甚至是三维结构的加工效率。此外，还有激光烧蚀和激光改性。

1）增材制造

飞秒激光双光子聚合是基于近红外飞秒激光的立体打印方法。但是，飞秒激光双光子聚合加工目前主要是采用单焦点的加工方式，效率极低。为解决这个问题，研究人员通过空间光调制器将光束调制为多焦点，实现高效的并行加工。

通过将空间光束整形与运动平台相结合，可实现周期性结构的多焦点并行加工，在保证加工精度的同时提高了双光子聚合加工的效率。并且，通过预先设计全息图，能够对焦点的间距实现调整，提高加工的灵活性。多焦点并行加工可实现三角形、六边形和正方形分布微透镜阵列以及不同半径的非球面微透镜阵列制备。除此之外，还可实现微流体器件的高效制备。

2）激光烧蚀加工

除了增材加工，飞秒激光烧蚀加工也是研究热点之一。如通过空间光调制器可实现微孔阵列的制备，但由于光束质量问题，加工的微孔一致性较差。微孔阵列的并行加工，纳米结构的并行加工也逐渐引起了研究者的注意。

传统的加工方法有光刻法、聚焦电子束法和聚焦离子束法，但是这些加工方法复杂、成本高和效率低。飞秒激光直写法能够在材料表面上加工得到激光诱导的周期性空间结构(LIPSS)，但是LIPSS间距的控制和大面积的加工存在困难。为此，利用双焦点在金薄膜上制备纳米线的方法被提出（如图1），进一步还提出了图案化的纳米线加工方法。

图1 纳米线加工实验原理图

3）激光改性加工

飞秒激光结合空间光调制器的多焦点并行改性方法，可以进一步提高飞秒激光的加工效率。

飞秒激光改性区域大小与激光能量存在相关性。通过控制各个焦点的相对能量，可实现对改性区域大小的控制，在曲面微结构制备方面具有价值。如利用空间光调制器生成多焦点阵列，对蓝宝石或熔石英进行并改性行加工，可制备微凹透镜阵列、3D微透镜阵列（如图2）等。目前的研究集中于聚焦平面上的多焦点并行加工，而针对三维多焦点并行加工尚且较少。

图2 3D微透镜阵列

飞秒激光还能在玻璃内部诱导结晶，在光学器件的制备具有潜在的应用。结合多焦点并行加工的方法，在玻璃内部获得正方形的ZnO结晶区域，并可控制结晶区域的形状，但焦点之间的距离需要精确控制。

综合可见，加工效率通常取决于焦点的数量，并随着焦点数量的增加而提高。由于焦点数量存在上限，加工效率并不能无限的提高。当焦点数量过多时，每个焦点的能量将会降低，焦点能量低于材料加工阈值。尽管提高入射光场能量可以在保证各焦点能量大于材料加工阈值的同时，能够提高焦点数量上限，但是当入射光的功率密度高于SLM的损伤阈值时，SLM的温升过高，导致调制相位发生偏差，影响光场质量，甚至对空间光调制器造成不可逆的损伤。虽然SLM 能够对多焦点的间距、分布、数量和能量的控制，实现微纳结构的可控加工，但是加工质量仍然是需要考虑的问题，如微孔径向和轴向上的一致性问题。

结构光场并行加工

空间光调制器不仅能够将飞秒激光调制为多焦点阵列，还能够获得不同类型的光场，应用于特殊结构的加工，如直管道、斜管道、锥形管道、弯槽和手性结构等。目前，空间光调制器可以将光束调制为线形光场和面形光场，也可以调制为无衍射光束和涡旋光束。

1）线/面形光场

线/面形光场的平均能量大小和光场均匀性限制了双光子聚合的加工能力，降低了加工质量。线形光场在抛光等领域具有优势，但曲线光场的加工精度不高。面形光场可用于图案化加工，通过设置光场能量梯度，可实现对微纳结构的调控。但由于面形光场的边缘质量较差，需要优化光场质量，以提高加工精度。因此，线/面形光场的质量还有待提高

2）无衍射光束

无衍射光束的引入能够提高微纳结构加工的可控性和灵活性，只需要改变计算全息图，即可实现对无衍射光束的光场参数进行控制，而不需要改变光路。目前的研究仍然以贝塞尔光束加工为主，结合双光子聚合加工，高阶贝塞尔光束可应用于微管道加工、水凝胶支架加工（如图3）、双层细胞支架制备；应用C形贝塞尔光束可实现X形、三叶草形、花形和太极形图案加工，还能实现不同截面形状的三维管道加工和新型人工气管。

图3 贝塞尔光束加工水凝胶细胞支架

结合动态加载全息图的方法，引入不同类型的无衍射光束，可实现特殊微纳结构的加工。但空间光调制器刷新全息图的速度受限的，其刷新速度与其固有特性有关。另外，斜管道和变截面管道的表面粗糙度也是有待解决的问题。目前，基于SLM构建新型贝塞尔光束也是可控制备微纳结构的方法。如图4所示为利用贝塞尔光束加工3D斜管道和花状微管道阵列。

图4 利用贝塞尔光束加工3D斜管道和花状微管道阵列

除了贝塞尔光束之外，艾里光束和马丢光束等无衍射光束在微纳加工领域也具有潜在应用价值。目前艾里光束主要研究方向为光学性质和信息传输两方面，对艾里光束在微纳加工的研究较少。北京理工大学刘毅证实了艾里光束在弯槽加工的可行性，但对于艾里光束弯曲的控制还有待研究，例如精准控制艾里光束光斑的离焦量，此外还需要考虑到旁瓣烧蚀的影响。

3）涡旋光束

作为近年研究热点之一的涡旋光束主要应用于手性结构加工。手性微纳结构可使手性分子的信号得到增强，在产量受限药物的手性检测应用中能更加快捷准确地获得结果，可应用于光电材料和生物检测。手性结构可采用双光子聚合单点法制备，但该方法加工效率低，难以实现手性结构大面积制备。为此，基于空间光调制器生成的涡旋光束实现手性结构加工方法被提出，通过改变计算全息图参数，可实现对螺旋叶数和旋向进行控制。

矢量光场加工

激光加工常用的偏振态包括线偏振态、圆偏振态和椭圆偏振态。这三种偏振光在与其传播方向垂直的横截面空间上是均匀分布的，只是标量光场，与之相对的是矢量光场。

空间光调制器能够对飞秒激光的振幅、相位和偏振状态进行调制。由于激光的偏振态影响加工质量，因此利用空间光调制器对飞秒激光的偏振状态调制也是研究热点之一。结合空间光调制器，飞秒激光的偏振态可调制为径向偏振和角向偏振，这两种偏振光在激光微加工方面具有独特的优势，主要应用于微孔、切割。此外，SLM还能够将实现光束整形和偏振调制两种方法相结合，实现特定区域诱导周期性条纹，可用于各向异性纳米结构的制备。

目前，国内关于飞秒激光矢量光场的研究处于起步阶段，人们主要研究了这种加工方法在微孔或切割的应用。矢量光场可以结合多焦点和光束整形，可以实现微纳米复合结构的加工，例如结合线形光场和面形光场，通过加载不同的全息图可以实现纳米条纹的控制。该方法在摩擦控制、各向异性浸润性和减反射等领域具有潜在应用。

挑战与优势并重，砥砺前行

空间光调制器可实现对激光振幅、相位和偏振态的调制，为飞秒激光加工领域注入新的活力。但目前基于空间光调制器的飞秒激光加工有以下几方面问题还有待解决：

１）提高加工质量

结合空间光调制器，飞秒激光加工效率有了较大的提高，但是加工质量还需要进一步提高。在微孔阵列加工方面，微孔径向和轴向的均匀性以及微孔的锥度都是需要考虑的问题。尽管结合动态加载计算全息图的方法，提高了加工灵活性和可控性，但由于SLM的刷新频率存在上限，加工质量的提高受限。因此，未来的研究可以围绕基于空间光调制器的飞秒激光加工质量展开研究。

２）开发无衍射光束的应用

目前利用贝塞尔光束的加工技术研究较多，而对于艾里光束和马丢光束等无衍射光束研究较少。未来可以围绕艾里光束等无衍射光束，进一步开发无衍射光束的加工潜力。

３）深入矢量光场加工研究

矢量光场在微纳加工研究较少。在未来，一方面可以考虑将矢量光场应用于表面摩擦、浸润性调控等领域；另一方面，为了加工的灵活性，可以将矢量光场与光束整形、动态加载计算全息图相结合。

４）提高光场质量

通常光场均匀性和衍射效率不能同时提高，可通过算法的优化，进一步提高光场质量。此外，还可以开展灰度掩膜展开研究。

５）探索新型复合加工方法

目前，飞秒激光并行加工已与湿法腐蚀技术相结合，未来可以开展与飞秒激光其它辅助制造技术研究，如飞秒激光辅助干法刻蚀和不同氛围下的飞秒激光加工等，提高加工精度、效率和灵活性。

本文改写自《激光与光电子学进展》期刊上“飞秒激光空间光束整形加工技术研究进展”一文，点击“阅读原文”查看原文