文/張少波，武耀霞，高宇；西安中科微星光電科技有限公司

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)的各個領(lǐng)域中，特別是超快激光加工由于其超短脈沖、極高的峰值功率和冷加工等特性，已經(jīng)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、隱形切割、超表面結(jié)構(gòu)制造及電子制造等領(lǐng)域。

盡管擁有這些優(yōu)勢，但是單焦點的超快激光加工技術(shù)存在著加工區(qū)域小、效率低的問題，也無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)用場景。為了提高超快激光微加工過程中的加工效率，采用多光束多焦點并行加工的方法來提高超快激光微加工的效率，已經(jīng)成為一個重要的研究方向。

目前，市場上存在的多光束產(chǎn)生方法有：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、無法對單一光束進(jìn)行獨立控制、缺乏控制靈活性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工成本高等不足，因此難以實現(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)，使得上述問題在很大程度上得以解決。SLM可以對激光光束的振幅、相位或偏振等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，配合一定光路設(shè)計，即可在材料加工區(qū)域得到任意的光場強度分布。近年來，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)合來實現(xiàn)高效、高精度且靈活可控的并行加工技術(shù)，已逐步成熟。

基于SLM的并行加工原理

基于SLM的并行加工原理如圖1所示：激光束入射到SLM的光學(xué)表面后，光束各處的相位因SLM上加載不同灰度而發(fā)生改變，隨后在自由空間發(fā)生衍射，再經(jīng)過其后的傅里葉透鏡，在透鏡的焦平面處便可實現(xiàn)期望的光學(xué)要求。

圖1：基于SLM的并行加工原理圖。

即：超快激光加工應(yīng)用=空間光調(diào)制器+光場調(diào)控。SLM還能對分束后多光束焦點的間距、分布、數(shù)量和能量進(jìn)行調(diào)控，從而實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的可控、高效、高精度加工。

中科微星的并行加工系統(tǒng)

針對當(dāng)前超快激光微加工效率低、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)，能以快速、高精度、靈活可控的方式，實現(xiàn)多焦點陣列的并行加工、光束整形等多種激光精微加工應(yīng)用，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)。

中科微星的并行加工系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)包括：控制軟件與加工頭模塊兩部分。  

圖2：激光并行加工系統(tǒng)。

（1）加工頭功能

該并行加工系統(tǒng)的加工頭提供如下功能：

• 多焦點并行加工，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（如渦旋光束、多種矢量光束）；
• 脈沖時空整形（如時空同步聚焦并行加工、激光脈沖時域整形）。

（2）控制軟件及特點

該并行加工系統(tǒng)的控制軟件具有如下特點：

• 算法速度快、精度高；
• 具有像差校正功能；
• 分束光數(shù)量、位置及能量可實時調(diào)整；
• 獨立開發(fā)，集成度高，操作簡單。

圖3：軟件操作界面。

（3）并行加工系統(tǒng)性能指標(biāo)

該并行加工系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1：并行加工系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

此外，還可通過給系統(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，如光束整形、結(jié)構(gòu)光場、脈沖時空整形等，從而實現(xiàn)多種特殊應(yīng)用場景下的超快激光加工。

應(yīng)用案例

（1）平面并行打孔（微孔陣列的并行加工）

平面并行打孔，也即微孔陣列的并行加工。超快激光具有超快、超強、冷加工等特性，在微孔加工中具有獨特優(yōu)勢，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的加工方式，加工用時與結(jié)構(gòu)尺寸的三次方成正比，效率極低。

基于SLM的超快激光并行打孔技術(shù)，通過設(shè)計焦點之間的間距和分布，預(yù)先制作計算全息圖，并將計算全息圖載入SLM中，即可實現(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。圖4是使用中科微星并行加工頭進(jìn)行超快激光并行微孔加工實現(xiàn)的2×2、3×3的微孔陣列，孔徑為100μm。

 圖4：分束光場及打孔圖。

測試結(jié)果表明，基于SLM的激光加工頭實現(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，且孔的數(shù)量、排布、間距靈活可控。

（2）平面并行打點陣/微二維碼

近年來，隨著二維碼本身和識讀技術(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)識的主要信息載體，獲得了越來越多的認(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)未來重要的發(fā)展趨勢。

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，使其能在透明材料上標(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)品的制造過程管理、溯源、防偽、監(jiān)管標(biāo)識，提供有效快捷的標(biāo)識手段。

基于SLM的加工頭，通過設(shè)置相息圖，可以靈活地實現(xiàn)各種陣列激光分束點的分布，此功能可以極大提升點陣二維碼的加工效率，且二維碼的信息快速可變。圖5為使用中科微星并行加工頭加工的點陣列及點陣形二維碼。        

圖5：分束點陣光場及打點點陣/二維碼圖。

測試表明，每一點陣/二維碼均是一次成型，速度快、精度高；此加工技術(shù)可對生產(chǎn)線上運動的物體進(jìn)行快速標(biāo)刻；并且還適合在非金屬材料如玻璃、硅片等材料上進(jìn)行激光標(biāo)刻。

（3）用于隱形切割中的軸向光場調(diào)制

超快激光加工因其對材料的廣泛適用性，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，焦點處高能量密度的光斑使材料形成一個分割用的改質(zhì)層（SD層），再對材料（如晶圓片）施以外力將其分割的切割技術(shù)。該技術(shù)由于加工過程具有表面無污染、不產(chǎn)生崩邊及激光熱效應(yīng)等特性，越來越受到廣泛的關(guān)注與重視。

但是，在晶圓的隱形切割中，由于是將激光透過晶圓表面聚焦在晶圓內(nèi)部，這就對光束的品質(zhì)要求非常高。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的前景及意義。

本超快激光加工頭通過軟硬件結(jié)合，可以對隱形切割中所需的軸向多焦點數(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。圖6為基于本加工模塊進(jìn)行的軸向雙焦點光場圖及隱形切割圖。   

圖6：隱形切割中的光場調(diào)制及效果圖。 

從圖6可以看出，本加工頭模塊可實現(xiàn)隱形切割中的軸向雙焦點調(diào)制，并基于此進(jìn)行了實際測試，實現(xiàn)了隱形切割效果。本加工頭可用于硅、碳化硅、玻璃等材料的隱形切割。

（4）產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光場

結(jié)構(gòu)光場有著特殊的相位、偏振特性，表現(xiàn)出獨特的光學(xué)性質(zhì)，在多個領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。使用基于SLM的加工頭，并通過加載渦旋相位，可以產(chǎn)生帶有軌道角動量的渦旋光束，利用光路和其他光學(xué)元器件，可以實現(xiàn)多種矢量光束和一些有特殊性質(zhì)的光場。圖7為產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光場中的渦旋光束及測試圖示例。

圖7：渦旋光場及測試圖。

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，其在超快激光加工領(lǐng)域也有著特殊應(yīng)用。此外，SLM在三維光場調(diào)制、脈沖時空整形、自適應(yīng)光學(xué)等方面也有著較廣泛的應(yīng)用。

小結(jié)

基于SLM的加工系統(tǒng)由于其可靈活調(diào)制相位的特性，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，從而能實現(xiàn)多焦點同時加工（即并行加工）。光束的數(shù)量、位置、間距等都可以利用計算全息圖CGH進(jìn)行靈活控制，且SLM還可對光束進(jìn)行像差校正，從而實現(xiàn)靈活可控的高效、高精度加工。

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