基于空间光调制器的飞秒激光光束整形技术

发布时间：2020-05-17 03:45

【摘要】：激光加工是一种非接触式的加工方法,具有能量密度高,加工精度高,热影响区小的优点。飞秒激光具有超短脉宽与超高峰值功率的独特优势,被广泛地应用于多领域多材料的微加工过程。然而激光光场强度通常服从高斯分布,这种分布限制了激光技术在面对复杂加工情况时的适应能力,因此光束整形技术应运而生。本文主要研究了使用空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)对焦点区域光场强度分布进行整形的多种方案,以适应于特定的加工场景。首先,本文介绍了相关的理论基础,包括高斯光束的理论模型,经相位调制的高斯光束聚焦的仿真原理,光栅的衍射理论以及空间光调制器的工作原理。然后,根据实验要求,设计并搭建了实验系统,依次对三种整形方案进行研究,并获得了如下的结论:其一,实现了环形光斑的整形。通过改变衍射轴锥镜相位全息图的周期以及单脉冲能量,实现了对环形光斑直径以及宽度的控制。加工得到了半径由5.40μm至26.34μm,宽度由2.53μm至5.18μm的环形光斑,与理论计算结果基本保持一致。此外,将原全息图与棱镜或菲涅尔透镜的相位全息图进行叠加,实现了对零阶光的去除。其二,实现了长焦深的整形。通过分析界面折射以及高倍物镜校正环对焦点的离散作用,设计了一种基于衍射轴锥镜的变周期相位全息图。焦点轴向强度分布以加工于聚酰亚胺薄膜(PI)表面微孔的形式表示,其分布与仿真结果一致。使用0.6NA的40倍镜进行散焦加工,当环形闪耀光栅最小环周期为200μm,并由内向外以400μm递增时,可获得50.90μm的均匀焦深,是直接使用高倍物镜聚焦进行加工所获得的6.15μm均匀焦深的8.28倍。此外还通过SLM与校正环进行复合散焦加工,进一步均匀化了整个焦深区域。其三,实现了椭圆光束整形,能够写入具有圆形截面的波导。分析了不同NA值的高倍物镜的焦深及其所带校正环对在透明材料内部直写波导截面的影响,结果显示用小NA值的物镜加工以及界面折射引起的像差都会增大写入波导截面的横纵比。使用中心周期为2mm的菲涅尔柱面镜相位全息图进行试验,成功地在熔融石英内部写入具有近圆形截面的波导,将横纵比由直接使用高倍物镜进行加工的0.182提升到0.875。
【图文】：

图 1.1 衍射型微透镜阵系统结构图深整形系统，技术不成熟，理论支撑不足，，长焦深系统往往通过较小数值果便是系统分辨率过低。1954 年 Mcleod 提出了一种圆锥形状的经过透镜锥面后会产生相移，形成锥面波且传输一段距离，且生衍射[22]。图 1.2 轴锥镜示意图

媛使

本文编号：2667874