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超快激光加工应用实例:滨松空间光调制器LCOS-SLM高光强阈值性能体现

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 ;右图:Colour hologram projection with an SLM by exploiting its full phase modulation range, Jesacher A, Bernet S, Ritsch-Marte M., Opt Express. 2014 Aug 25;22(17):20530-411


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 via2,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 Kujanpää,BA2405 Advanced manufacturing technologies3


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 9.5


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。


# 参考文献



1.Colour hologram projection with an SLM by exploiting its full phase modulation range



2. Tailoring femtosecond 1.5-μm Bessel beams for manufacturing high-aspect-ratio through-silicon via



3. Adaptive multibeam laser cutting of thin steel sheets with fiber laser using spatial light modulator



4. High-quality generation of a multispot pattern using a spatial light modulator with adaptive feedback



5. Investigation of the thermal and optical performance of a spatial light modulator with high average power picosecond laser exposure for materials processing applications



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