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滨松板级LCOS-SLM X15223及其工业激光加工应用

 

滨松正式推出X15223系列板级空间光调制器LCOS-SLM,该产品相较于原板级产品体积缩小一倍,并推出了新的波长范围可供选择,包括了三个波段的水冷型号,产品性能保持不变,并在保留DVI连接方式的同时新增了USB2.0连接方式。


 

宽光谱型号保留了满足绝大部分低功率应用所需的 400nm-700nm(-01), 620nm-1100nm(-07), 1000nm-1550nm(-08)三个型号;适应加工行业所用高功率激光的介质镜型号(低损耗、高阈值)除了原有的波长800nm±50nm(-02), 1050nm±50nm(-03),410nm±10nm(-05)之外,还增加了530nm-635nm(-13)和510±50nm(-16)两个型号,专为激光加工常用波长532nm, 633nm设计;-16,-02,和-03三种型号提供水冷选项(尾缀L/R代表水冷管的位置在左/右)。


 

新品滨松LCOS传承了老产品的优秀性能,最高可以承受超过255W/cm^2的平均功率、几百兆瓦每平方厘米的皮秒激光器峰值功率、以及几十G瓦每平方厘米的飞秒激光器峰值功率测试。以下是几个典型测试数据。


 


 


 


芯片使用滨松自主研发生产的X13139系列芯片,分辨率1272×1024,液晶单元尺寸12.5um×12.5um,有效区域面积15.9mm×12.8mm,填充因子96%. 


基础加工光路


激光加工中使用的SLM绝大多数为反射式,这样我们在设计光路的时候,通常使入射光和反射光(调制后的光)接近,但是稍微偏离法线(角度建议小于10°)。沿法线方向入射也是可以通过光路实现的,但是需要使用分光器件(Beamsplitter)和偏振器件,而这些器件的加入会导致光路更复杂,同时造成大量的光能损失。在设计加工光路时,需要将SLM成像到光学系统的加工平面上,通常是成像到聚焦物镜的瞳面上。由于SLM加载到加工光束上的相位/振幅分布会产生衍射,光束轮廓(作为传播距离的函数)就会产生畸变。因此需要使用4f系统在瞳面处真实重现SLM调制的相位和振幅。


 


SLM在激光加工应用中的举例


1. 像差校正

 

像差会导致聚焦畸变,从而导致分辨率降低和加工效率降低。 像差的空间变化会导致整个被加工件的不均匀性以及功能丧失。 激光加工中最严重的像差,与沿光路到激光焦点(尤其是在工件表面)的折射率变化有关。当通过平面界面在样品内部聚焦时,表面的折射会产生球差,其强度与透镜的数值孔径(NA)、表面的折射率差以及聚焦深度有关。


在一般的光学系统中,像差的确定可能非常复杂,但是对于激光加工应用,由于大多数情况下只有依赖深度的球差比较重要,因此可以简化矫正过程。 通过将来自焦点的光线映射回物镜的光瞳平面,可以得出与深度相关的球差的相位解析表达式。 因此,放置在与物镜光瞳共轭的平面中的SLM可以用于施加相反相位,从而提供预先像差校正,这在大多数情况下就够用了。 (如果需要更精确水平的像差校正,则必须使用聚焦反馈方法来优化校正相位,该技术包括聚焦强度分布的测量,实时相位成像,或通过模态方法发现最小化激光功率制造阈值的相位分布。)


2. 光束整形

 

通常,当光束聚焦时,它会显示高斯或艾里斑强度分布。 在某些应用中,激光需要加工均匀的横截面,因此空间光束整形需要产生具有平顶光强度分布的焦点,在加工区域显示出均匀的强度,并在边缘处迅速过渡到低强度。SLM带来的的灵活性可根据实验系统调整光束形状。平顶光在要求高均一性的大面积加工中非常重要,并且在纳米级应用中也有使用,例如纳米银线的受控制造。


SLM对光束进行整形的另一个应用是采用贝塞尔光束(Bessel beam)进行多种激光加工任务,SLM相较于锥棱镜(axicon)具有更高的灵活性和控制力。 该光分布的特征是中心点的直径小于等效NA的艾里焦点的直径,但可扩展的景深可以以均匀的轴向强度延伸数百微米,可用于晶片打孔(孔的纵横比超过100:1)或用于垂直边缘的切割。


 


图片内容:使用贝塞尔光能够在切割材料时形成一个更长的"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。


3. 并行加工

 

通过利用更多的激光功率,并行加工可以显著减少加工时间。SLM是用于并行加工的强大工具,可对制造激光束进行可调谐和可重新配置的拆分。产生并行加工所需的焦点阵列的常见方法是使用相位调制在SLM上显示衍射图样(全息图),例如使用Gerchberg-Saxton算法、直接二进制搜索或多重菲涅耳透镜等。


# 参考文献




通过模态方法发现最小化激光功率制造阈值的相位分布 Simmonds, R. D. et al. Three dimensional laser microfabrication in diamond using a dual adaptive optics system. Opt. Express 19, 24122–24128 (2011).



聚焦强度分布的测量 Hering, J., Waller, E. H. & von Freymann, G. Automated aberration correction of arbitrary laser modes in high numerical aperture systems. Opt. Express 24, 28500–28508 (2016).



实时相位成像 Mauclair, C. A. et al. Ultrafast laser writing of homogeneous longitudinal waveguides in glasses using dynamic wavefront correction. Opt. Express 16, 5481–5492 (2008).



聚焦反馈方法来优化校正相位 Jesacher, A. et al. Adaptive optics for direct laser writing with plasma emission aberration sensing. Opt. Express 18, 656–661 (2010).




# 相关工程师


 

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