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用于工业激光加工应用的SLM新产品

 

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。

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