基于空間光調(diào)制器的超快激光并行加工系統(tǒng)

——在激光加工中的應(yīng)用

1 引言

激光加工技術(shù)已經(jīng)滲透到科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中，特別是超快激光加工由于其超短脈沖、極高峰值功率、冷加工等特性已大幅提升了加工質(zhì)量并拓寬了加工領(lǐng)域。當(dāng)前超快激光加工已成為精密加工中最為重要的部分，被廣泛應(yīng)用到微孔加工、超表面結(jié)構(gòu)制造、微流體、量子點(diǎn)及電子制造等領(lǐng)域。

盡管擁有這些優(yōu)勢(shì)，但單焦點(diǎn)的超快激光加工技術(shù)存在著加工區(qū)域小、效率低的問(wèn)題，也無(wú)法適用于材料的大面積加工、體加工、結(jié)構(gòu)一次成型加工、矢量光加工等應(yīng)用場(chǎng)景。

為了提高超快激光微加工過(guò)程中的加工效率，采用多光束并行加工的方法以提高超快激光微加工的效率已成為一個(gè)重要的研究方向。

目前，市場(chǎng)上存在的激光產(chǎn)生多光束的方法有：多激光器法，分束鏡法，衍射光學(xué)元件法等，并且得到了一定的應(yīng)用。但這些技術(shù)多為靜態(tài)分束，存在分束的數(shù)量有限，無(wú)法對(duì)單一光束進(jìn)行獨(dú)立控制，缺乏控制的靈活性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高等不足。因此，難以實(shí)現(xiàn)靈活可控的高效、高精度多光束并行加工。

空間光調(diào)制器（SLM）的出現(xiàn)使得上述問(wèn)題很大程度上得以解決，SLM可以對(duì)激光光束的振幅、相位或者偏振等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，配合一定光路設(shè)計(jì)即可以在材料加工區(qū)域得到任意的光場(chǎng)強(qiáng)度分布。近年來(lái)，隨著高損傷閾值SLM的出現(xiàn)及超快激光器的發(fā)展，將SLM與超快激光結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)高效、高精度且靈活可控的并行加工技術(shù)已逐步成熟。

2 基于SLM的并行加工基本原理

工作原理：激光束入射到SLM的光學(xué)表面后，光束各處的相位因SLM上的不同灰度而發(fā)生改變，隨后在自由空間發(fā)生衍射，再經(jīng)過(guò)其后的傅里葉透鏡，在透鏡的焦平面處便可實(shí)現(xiàn)期望的光學(xué)要求。

即：超快激光加工應(yīng)用=空間光調(diào)制器+光場(chǎng)調(diào)控。

SLM還能夠?qū)Ψ质蠖喙馐裹c(diǎn)的間距、分布、數(shù)量和能量進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的可控、高效高精度加工。

3 中科微星并行加工系統(tǒng)介紹

針對(duì)當(dāng)前超快激光微加工方面效率低、精度低及并行加工存在靈活性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等相關(guān)不足，西安中科微星光電科技有限公司基于空間光調(diào)制器（SLM）開發(fā)的超快激光并行加工系統(tǒng)可快速、高精度、靈活可控的實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)陣列的并行加工、光束整形等多種激光精微加工方面的應(yīng)用，該新型加工系統(tǒng)有望促進(jìn)超快激光應(yīng)用領(lǐng)域的高效高品質(zhì)加工應(yīng)用的出現(xiàn)。

本并行加工系統(tǒng)，包括控制軟件與加工頭模塊兩個(gè)部分。

01 加工頭功能

多焦點(diǎn)并行加工，有效提高加工效率；

高斯光整形平頂光，改善加工質(zhì)量；

快捷的像差校正，提升加工精度和質(zhì)量；

三維光場(chǎng)調(diào)制（如三維結(jié)構(gòu)加工、曲面加工）；

產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光場(chǎng)（如渦旋光束、多種矢量光束）；

脈沖時(shí)空整形（如時(shí)空同步聚焦并行加工、激光脈沖時(shí)域整形）。

02 控制軟件軟件及特點(diǎn)

算法速度快、精度高；

具有像差校正功能；

分束光數(shù)量、位置及能量可實(shí)時(shí)調(diào)整；

獨(dú)立開發(fā)，集成度高，操作簡(jiǎn)單。

3、并行加工系統(tǒng)性能指標(biāo)

此外，還可通過(guò)給系統(tǒng)加載不同的全息圖算法得到不同的二維、三維目標(biāo)光場(chǎng)，如光束整形、結(jié)構(gòu)光場(chǎng)、脈沖時(shí)空整形等，從而實(shí)現(xiàn)多種特殊應(yīng)用場(chǎng)景下的超快激光加工。

4、應(yīng)用案例

01 像平面二維多焦點(diǎn)并行加工

a.平面并行打孔（微孔陣列的并行加工）

超快激光具有超快、超強(qiáng)、冷加工等特性，在微孔加工中占據(jù)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其在高品質(zhì)、大深徑比、高一致性微孔加工中具有不可替代性。目前超快激光微孔加工主要是采用單焦點(diǎn)的加工方式，加工用時(shí)與結(jié)構(gòu)尺寸的三次方成正比，效率極低。

激光SLM的超快激光并行打孔技術(shù)，指通過(guò)設(shè)計(jì)焦點(diǎn)之間的間距和分布，預(yù)先制作計(jì)算全息圖，并將計(jì)算全息圖載入SLM中，即可實(shí)現(xiàn)任意排布的周期結(jié)構(gòu)制備；該加工方法不僅提高了超快激光打孔的加工效率，還提高了對(duì)孔間距和排布進(jìn)行調(diào)控的靈活性。

并行加工微孔作為一項(xiàng)新興的超快激光應(yīng)用工藝，在激光微孔加工領(lǐng)域存在巨大的發(fā)展前景。使用中科微星并行加工頭進(jìn)行的超快激光并行微孔加工實(shí)現(xiàn)的2×2、3×3陣列，孔徑為100μm的樣件。

測(cè)試結(jié)果表明：基于SLM的激光加工頭實(shí)現(xiàn)了2×2、3×3陣列的激光分束，并完成孔徑為100μm的并行分束微孔加工；微孔陣列一次加工成型、效率高，且孔數(shù)量、排布、間距靈活可控。

b.平面并行打點(diǎn)陣/微二維碼

近年來(lái)隨著二維碼本身和識(shí)讀技術(shù)以及激光技術(shù)的發(fā)展，由激光標(biāo)刻技術(shù)生成的二維碼作為物品本體標(biāo)識(shí)的主要信息載體獲得了越來(lái)越多的認(rèn)可，在汽車、航空航天、電子、醫(yī)藥及軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是直接物標(biāo)溯源技術(shù)未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

超快激光器由于其窄脈寬，高峰值功率及加工材料廣等特點(diǎn)，使其可在透明材料上標(biāo)記肉眼不可見的微型二維碼，可應(yīng)用于各種玻璃材質(zhì)及多種材質(zhì)的元器件標(biāo)記，從而為產(chǎn)品的制造過(guò)程管理、溯源、防偽、監(jiān)管標(biāo)識(shí)提供有效快捷的標(biāo)識(shí)手段。

基于SLM的加工頭通過(guò)設(shè)置相息圖可靈活的實(shí)現(xiàn)各種陣列激光分束點(diǎn)的分布，此功能可極大提升點(diǎn)陣二維碼的加工效率，且二維碼的信息快速可變。使用中科微星并行加工頭進(jìn)行的超快激光點(diǎn)陣列及點(diǎn)陣形二維碼。

測(cè)試表明，每一點(diǎn)陣/二維碼均是一次成型，速度快、精度高；此加工技術(shù)可對(duì)生產(chǎn)線上運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行快速標(biāo)刻；并且還適宜對(duì)非金屬材料如玻璃、硅片等材料上進(jìn)行激光標(biāo)刻。

02 高斯光束整形平頂光

在激光應(yīng)用中，無(wú)論是在激光照明、投影、美容方面，或是在激光焊接、打孔、熔覆、雕刻等精細(xì)加工領(lǐng)域，都有對(duì)激光光束要求均勻照射、特定形狀照射的應(yīng)用要求。因而，將高斯光束轉(zhuǎn)化為能量分布均勻的平頂光束的光束整形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

平頂光由于其光斑高均勻性能量分布極大改善了激光剝離、消融、刻槽，PCB鉆孔、TSV硅通孔等應(yīng)用中的加工效果；同時(shí)可有效的提高加工精度及加工時(shí)效。目前，將高斯光束整形為平頂光束的技術(shù)主要有非球面透鏡、雙折射透鏡組及微透鏡陣、衍射光學(xué)元件等，但這些方法均存在著整形單一、范圍小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性價(jià)比低等不足。

基于SLM的光束整形系統(tǒng)，指通過(guò)將目標(biāo)光場(chǎng)相位分布的相息圖加載于SLM的光學(xué)表面上來(lái)改變?nèi)肷淦渖系募す馐南辔环植迹瑥亩晒鈭?chǎng)強(qiáng)度分布均勻的高輪廓型平頂光。

可以看出，高斯形能量分布的光斑被調(diào)制成如圖6中右邊所示的能量分布均勻的平頂形光斑。該技術(shù)整形效果可靈活可控、效率高，可配合不同的應(yīng)用需求進(jìn)行快速改變，如方形平頂光、矩形平頂光等。

03 用于隱形切割中的軸向光場(chǎng)調(diào)制

超快激光加工因其對(duì)材料的廣泛適用性，已成為特種材料加工的重要技術(shù)。超快激光隱形切割是將激光束聚焦在工件材料內(nèi)部，焦點(diǎn)處高能量密度的光斑使材料形成一個(gè)分割用的改質(zhì)層 （SD層），再對(duì)晶圓片施以外力將其分割成小片芯片的切割技術(shù)。該技術(shù)由于其加工過(guò)程具有表面無(wú)污染、不產(chǎn)生崩邊及激光熱效應(yīng)等特性，越來(lái)越收到廣泛的關(guān)注與重視。

但由于隱形切割是將激光透過(guò)晶圓表面聚焦在晶圓內(nèi)部，導(dǎo)致對(duì)光束的品質(zhì)要求非常高，并且當(dāng)前在超快激光非線性聚焦加工及調(diào)控等方面還存在著一些亟待解決的問(wèn)題和改進(jìn)之處。因此，開發(fā)促進(jìn)隱形切割的激光加工頭具有重要前景及意義。

本超快激光加工頭通過(guò)軟硬件結(jié)合可對(duì)隱形切割中所需的軸向多焦點(diǎn)數(shù)量、間隔、能量，焦深及像差校正進(jìn)行靈活調(diào)制，可有效提升隱形切割的加工品質(zhì)及效率。

可以看出，本加工頭模塊可實(shí)現(xiàn)隱形切割中的軸向焦點(diǎn)調(diào)制、焦深拉伸、像差校正功能；并基于此進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試效果較校正之前有明顯改善。

04 產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光場(chǎng)

結(jié)構(gòu)光場(chǎng)有著特殊的相位、偏振特性，表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。使用基于SLM的加工頭并通過(guò)加載渦旋相位可以產(chǎn)生帶有軌道角動(dòng)量的渦旋光束，利用光路和其他光學(xué)元器件可以實(shí)現(xiàn)多種矢量光束和一些有特殊性質(zhì)的光場(chǎng)。

使用SLM可以方便、快捷地產(chǎn)生這些有著特殊相位、偏振的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，其在超快激光加工領(lǐng)域也有著特殊的應(yīng)用。此外，SLM在三維光場(chǎng)調(diào)制，脈沖時(shí)空整形，自適應(yīng)光學(xué)等方面也用較廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于SLM的加工頭由于其可靈活調(diào)制相位特性，可將入射其上的一束激光經(jīng)相位調(diào)制后改變成分束的多光束輸出，然后實(shí)現(xiàn)多個(gè)焦點(diǎn)的同時(shí)加工（即并行加工）。激光光束的數(shù)量、位置、間距等都可以利用計(jì)算全息圖CGH進(jìn)行靈活控制，且SLM還可對(duì)光束進(jìn)行相位校正，從而實(shí)現(xiàn)靈活可控的高效高精度加工。

當(dāng)前，基于SLM加工系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于光束空間整形、時(shí)域脈沖整形、全息光鑷，結(jié)構(gòu)光等多個(gè)科學(xué)前沿領(lǐng)域。

責(zé)任編輯：tzh