激光加工中的“零級光妖怪”，如何智斗這位“不速之客”？——《黑神話：悟空》版

你是否也曾幻想，自己化身孫悟空，手持如意金箍棒，斬妖除魔?在超快激光加工的世界里，我們正面臨著一個隱藏在光路中的“小妖怪”——零級光。別看它個頭不大，但它會悄悄影響加工精度，給你制造不少麻煩。今天，我們就以《黑神話：悟空》為靈感，來一場光學領域的除妖之戰(zhàn)!

01、零級光

零級光妖怪的來歷

在激光加工的“天庭”里，空間光調(diào)制器(SLM)擔任著掌控光線的“天將”角色。它負責對光束進行相位調(diào)制，將其轉(zhuǎn)化為理想的光場。然而，事情并不總是那么順利——由于SLM的“像素”之間存在空隙，有些光束無法被調(diào)制，它們反射出來，匯聚成了一個不請自來的小妖怪——零級光。

就像孫悟空修煉成神之前遇到的那些“小妖怪”一樣，零級光雖然不起眼，但它隨時可能跳出來搗亂，破壞加工效果。

如何逮住零級光?

我們先看一下空間光調(diào)制器基礎加工光路：

在設計加工光路時，SLM需要成像到光學系統(tǒng)的加工平面，通常位于聚焦物鏡的前焦面。物鏡的前后焦面具有傅里葉變換關系，SLM在前焦面加載相位信息，即可在后焦面生成所需光場。由于SLM與物鏡的距離大于焦距，其相位/振幅分布會引發(fā)衍射導致光束畸變，因此需使用4f系統(tǒng)來真實重現(xiàn)SLM的相位和振幅。4f系統(tǒng)設計為SLM在第一個透鏡前焦面，兩個透鏡相距2f，像平面位于第二透鏡后焦面，物平面與像平面相距4f。

經(jīng)相機觀察到經(jīng)聚焦物鏡聚焦到樣品表面的光斑---“HPK”字樣

大家注意看，除了調(diào)制后的光斑外，還會出現(xiàn)一個亮點，即零級光。由于SLM的像素間存在間隔，入射到間隔部分的光未被調(diào)制，且玻璃表面有一部分光直接反射未被調(diào)制。這些未調(diào)制的光匯聚在透鏡后焦點上，形成零級光。

02、應對方案

孫悟空的斗法——如何降服零級光妖怪

既然妖怪已經(jīng)現(xiàn)身，那我們該如何借助孫悟空的智慧和戰(zhàn)斗力來降服它?有幾種戰(zhàn)術可以讓你從容應對，趕跑這位“妖孽”。

第一式：如意棒法——硬件出擊，精準出手

孫悟空的如意金箍棒能變大變小，隨心所欲。而在激光加工中，硬件的優(yōu)化就像悟空的棒法一樣靈活強大。首先要保證入射的激光是純凈的水平偏振光，因為濱松的相位型SLM只對水平偏振光進行調(diào)制。如果入射光偏振不對，零級光妖怪會更囂張。

你可以通過半波片+PBS組合，確保偏振方向完美無誤。許多“天命人”(用戶)初次使用SLM時，零級光非常明顯，往往就是因為偏振沒有調(diào)節(jié)好，就像悟空的棒法還不夠純熟。記得，如果使用綠光激光，人眼對綠光特別敏感，這時不妨借助“火眼金睛”——相機來觀察零級光的強弱。

第二式：金箍棒三段擊——軟件法術，降妖伏魔

就像孫悟空對付妖怪時不僅依賴金箍棒，還善于施展各種法術，我們也可以通過不同的軟件算法來“施法”，驅(qū)逐零級光。

下面我們一一詳細介紹這幾種方法：

1. “騰云駕霧”之菲涅爾相位法

通過在SLM上疊加菲涅爾透鏡相位，你可以將衍射圖像“騰云駕霧”般在光軸上移動，而零級光妖怪依然困在原地。疊加相位后，衍射圖像會沿光軸前后移動，而零級光因未被SLM調(diào)制，最強的位置仍保持在透鏡的后焦點。通過疊加菲涅爾透鏡相位，可以在z方向上將衍射圖像與零級光分離開。這一招很簡單，但并不能完全消滅它，只能暫時把它“困住”——就像悟空一棒將妖怪打飛，卻未徹底除掉。

2. “分身術”之閃耀光柵法

這一招可厲害了!借助閃耀光柵相位，你可以將衍射圖像橫向移動，就像悟空的分身術，將圖像與零級光妖怪分開。對于使用了4F系統(tǒng)的空間光調(diào)制器系統(tǒng)，可以在4f系統(tǒng)的中央焦點位置放置一個光擋，就可以徹底的擋住零級光，使其再也無法作祟。這一招威力強大，能徹底解決零級光，但光路設計稍復雜，就像悟空的分身術需要精準掌控。

3. “戳棍”之干涉消除法

還有一種方法，類似于孫悟空用金箍棒戳妖怪。這是在設計相位圖時，主動在零級光的位置生成一個與其對立的衍射光點，兩者相互干涉，進而抵消掉零級光。這招雖然看似簡單，但要精準戳中，找到合適的強度和相位來徹底消除零級光，還需要時間和耐心，就像悟空用金箍棒戳住妖怪，慢慢將其制服。

如下為疊加菲涅爾透鏡相位的方式降低零級光影響，調(diào)制后的光與零級光的z方向上分離，調(diào)節(jié)加工平臺的高度位置，找到已經(jīng)與零級光分離開的光斑：

悟空的智慧結晶

在超快激光加工的“西游之路”上，零級光妖怪雖然煩人，但通過硬件的精準調(diào)控和軟件的妙法組合，終能將其降服。無論是借助如意棒的剛猛之力，還是依靠法術的巧妙調(diào)度，零級光注定無法在光路中肆虐。

下次在激光加工中遇到零級光時，別慌!像孫悟空一樣，從容應戰(zhàn)，用你的智慧和技能，除掉這個“小妖怪”吧!

新品推薦!700W藍寶石SLM

濱松引入了新型號700W藍寶石SLM，通過獨特的散熱技術和藍寶石加持，將LCOS的平均功率閾值從業(yè)界最高的200W以上一舉飆升到了700W以上。實測功率密度超過3127W/cm2。搭載了這一技術的X15213-03CL在金屬加工領域?qū)崿F(xiàn)了LCOS的又一重大突破。

LCOS-SLM(空間光調(diào)制器)X15213 系列產(chǎn)品一覽：

X15213系列提供廣泛的產(chǎn)品陣容，以滿足各種波長的需求。所有類型都配備一個具有抗反射涂層的玻璃基板和一個帶有振鏡的CMOS芯片。

推薦光束直徑 (1/e2) 為8mm或以上。

●鋁鏡型 (-01/-07/-08)

鋁鏡型利用了 CMOS 芯片上鋁電極的反射，具有較寬的反射波段，因此適用于較廣的波長范圍。

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介電多層鏡型的 CMOS 芯片表面上具有專門設計的介電多層膜，可支持各種波長的激光光源。與鋁鏡型相比，介質(zhì)鏡實現(xiàn)的反射率越高，內(nèi)部吸收率就越低?？蓪崿F(xiàn)高光利用率。

●水冷型(-02L/-02R/-03L/-03R/-03BL/-03BR/-12L/-12R/-15L/-15R/-16L/-16R/-19L/-19R)

介電多層鏡型的燈頭具有內(nèi)置水冷散熱器，可抑制激光輻照引起的升溫，并實現(xiàn)高功率處理能力。

●藍寶石型 (-03CR/-03CL)

除了水冷散熱器外，藍寶石玻璃還用于玻璃基板。因此，散熱效率得以改進，功率處理能力超過700W。

審核編輯 黃宇