超快激光加工应用实例:滨松空间光调制器LCOS-SLM高光强阈值性能体现

2025-01-20

液晶-硅基空间光调制器(LCOS-SLM)一直以来以高精度和易操控性,被用于各种光斑整型、光场调控的应用中。比如通过在0-2π范围内改变光的相位,产生三维多焦点、贝塞尔光、艾里光、HG模光、LG模光等等,而广泛应用于光通信、生物医学、材料学、全息等众多领域。

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现代激光加工,以超快激光加工为主,即使用高强度的超快激光进行材料加工。具有峰值功率高、热熔区域小、加工速度快和重复精度高的特点。

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空间光调制器可进行多种光斑的整形

液晶-硅基空间光调制器(LCOS-SLM)以其高精度的三维多点整形(通常使用CGH算法调制相位)功能;产生"长焦深"的贝塞尔光用于激光切割(下图)功能;以及可实时矫正像差、实时通过软件改变加工激光的聚焦深度和形状的特性,可作为超快激光加工的理想光束整形器件。

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贝塞尔光在激光切割中的应用:用贝塞尔光能够在切割材料上形成一个更长的"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。

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贝塞尔光用于深孔的加工及算法的优化:研究者们还开发了在贝塞尔光基础上的优化算法,消除周边圆环,提高深槽质量。上海光机所储蔚老师(程亚团队)曾在会议报告中讲到的Tailoring femtosecond 1.5-μm Bessel beams for manufacturing high-aspect-ratio through-silicon via2,其中实验则使用了锥棱镜加相位板。此项也可使用滨松SLM来实现。

滨松LCOS-SLM高光强阈值性能及研究案例

由于材料和设计的限制,器件的抗强光特性还不完善(光强阈值低),截止到2017年,空间光调制器最高也只能承受几十瓦/cm2的激光功率密度。所以一直以来,其并未被大范围应用,仅用在了一些特定的激光加工材料上(往往是所需激光能量较低的被加工件),如塑料焊接,晶圆或玻璃切割(滨松专利的SDE激光隐形切割引擎,就是以空间光调制器为内核的)。

随着产品技术的不断进步,以及更广泛的行业测试数据的支持,如今滨松的LCOS-SLM被证实可完全承受255W/cm2的平均功率、几百兆瓦/cm2的皮秒激光器峰值功率、以及几十G瓦/cm2的飞秒激光器峰值功率。以下为三个实际案例(以下研究,均使用滨松LCOS-SLM完成):

1.用LCOS-SLM产生自适应的多光束激光进行薄钢板切割

芬兰VTT技术研究中心研究者利用200W红外CW激光器成功应用LCOS-SLM作为自适应CGH(Computer Generated Hologram,计算全息),切割0.5毫米厚的普通结构钢板。

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2.使用数字工具进行超短脉冲激光烧蚀的新概念

使用高精度的LCOS-SLM可以使生成的点阵能量分布更准确(更均匀;或者按照研究者需要的加权实现不同能量的分布,更准确)。

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高质量的多点并行加工并消除零级光 (中心亮斑,详解见下图)

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3.用于高平均功率皮秒激光(材料加工应用)曝光的LCOS-SLM的热和光学性能研究

该研究者专门研究了SLM的热承受能力,最高使用了220W的1064nm皮秒激光器进行了测试。研究者还提到: "我们使用滨松X10468系列反射式LCOS-SLM十多年了,经过多年的连续运行,我们用了峰值功率密度大于10 GW /cm2,平均功率大约12 W的能量,在无冷却情况下照射SLM,没有检测到仪器有任何性质改变。这的确令人印象深刻。"

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