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

齐昕（qx@hamamatsu.com.cn）

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