高速高損傷閾值空間光調制器在超快激光微納加工中的應用

摘要

      超快激光具有能量密度高，方向性強，相干性高等特點，飛秒激光微納加工在復雜的三維微納功能器件的加工領域具有*的優勢。目前傳統的激光微納加工技術均為逐點掃描的加工方式，加工效率無法滿足實際生產的率需求?；诳臻g光調制器的計算全息技術可以實現靈活可控的光場分布，飛秒激光可以被的調制成預設的多焦點圖案陣列，從而實現的并行加工，可以大大的提高加工效率。同時利用空間光調制器可以方便的生成貝塞爾光束，可以實現微環形結構的單次曝光式加工。

關鍵詞

      空間光調制器 超快激光微納加工 微納加工 激光加工

介紹：

     空間光調制器(SLM)可以將信息加載到二維光學數據場中，是一種對光束進行調整的器件。通過控制加載到SLM上的灰度圖，SLM可以調控空間光場的相位、振幅、偏振等，或者實現光的非相干性到相干性的轉變。將SLM同超快激光微納加工技術結合起來，發揮二者的優勢，可大大提高激光微納加工的效率和靈活性。如：利用SLM生產多焦點的陣列（e.g. 30x30）, 從1個點變成900個點，加工效率提高900倍。同時通過控制各個點的位置，可以實現不同線寬不同焦深的控制。SLM還可以通過加載計算全息圖，可實現圖案結構的一次性曝光加工。

圖1 利用SLM生成多焦點陣列及并行加工圖案

圖2 市面上的空間光調制器(SLM)產品示例

      SLM除了可以調整激光生成二維多焦點配合移動臺或振鏡進行逐層掃描來實現三維加工外，SLM還可將飛秒激光調制成空間特定分布的點陣、線型光場、面型光場、實現以點、線、面為基本加工單元的加工。除二維光場分布外，SLM可以進行三維光場調制。

     上海昊量光電設備有限公司的技術工程師運用美國Meadowlark Optics 公司的液晶純相位型P1920-400-800-HDMI空間光調制器產生了2x2, 2x3, 2x4的空間高斯光斑點陣及空間貝塞爾光斑點陣。

實驗光路如下：

實驗結果如下：

圖3  2x2, 2x3, 2x4的空間高斯光斑點陣結果

圖4  2x2, 2x3, 2x4的空間貝塞爾光斑點陣結果

超快激光微納加工對空間光調制器的要求

1.SLM的損傷閾值

      因為SLM將入射照明分為多個焦點。隨著焦點數量的增加，每個焦點的功率下降。為了增加焦點的數量，同時保持每個焦點的功率滿足微納加工的要求，SLM的損傷閾值得至關重要。多個因素影響SLM的損傷閾值。：1、增加SLM的通光尺寸允許照明分布在更大的區域；2、SLM的電極涂層可以優化以限制吸收，提高反射率；3、主動和被動冷卻系統可以用于緩解熱效應，保證相位調制量的穩定性。

      目前市面上的SLM主要品牌像德國Holoeye，美國Thorlabs,中國臺灣JDC，以及一些國產的SLM，其損傷閾值均為2W/cm2,無水冷降溫模塊。

      美國Meadowlark Optics公司的1920x1152（P1920）系列空間光調制器的損傷閾值可達200W/cm2，配備水冷模塊，保證液晶的溫度恒定，相位調制深度恒定。

2. SLM的響應時間（刷新速度）

液晶響應時間取決于多個因素，包括液晶層的厚度，其被優化后在長工作波長處提供一個相位行程波，驅動器的電壓和液晶材料特性。 對于光遺傳學，大多數研究人員將SLM與雙光子、三光子顯微鏡結合，并且工作在900 nm至1300 nm的波長范圍內。美國Meadowlark Optics公司是提供高速SLM的供應商，HSP1920-1064-HSP8型液晶空間光調制器在1064 nm，能夠達到300 Hz的液晶響應速度(從0 - 2pi轉換)和845Hz的幀頻（灰度圖片同電腦傳輸到SLM速度）。

      在1064 nm處，液晶從10%到90%范圍內上升和下降時間小于3 ms。將焦點通過觸發打開和觸發關閉進行檢測。 （左）由軟件定時驅動的液晶開關。 焦點被打開和關閉探測器（顯示為黃色）。 當SLM上的圖像發生變化時，硬件會產生一個輸出脈沖（以紫色顯示），表示新圖像將在1.18 ms內開始在SLM上加載。 （右）由外部硬件觸發驅動的液晶開關。 當外部觸發器的下降沿到達（以藍色顯示）時，硬件將啟動SLM上的圖像更新。 產生輸出脈沖以確認接收到觸發（以紫色顯示）。 在產生輸出脈沖后的1.18面試內，圖像將在SLM上更新（以黃色顯示，焦點移入和移出檢測器）。

     目前市面上的SLM主要品牌像德國Holoeye，日本濱松，美國Thorlabs,中國臺灣JDC，以及一些國產的SLM，其液晶響應時間在1064nm在80ms(12.5Hz)左右，控制器的幀頻均為60Hz。

3. 相位穩定性

為了確保各焦點在超快激光微納加工分配時的一致性，SLM的時間特性變得重要。 Meadowlark Optics公司的SLM使用兩種策略來大化相位穩定性。種策略是使用直接模擬尋址，而不是模擬使用二進制尋址與時序抖動相結合的模擬調制。第二種策略是使用能夠以844Hz的速率刷新的定制背板。高速背板刷新對于減輕像素電容的電壓損失是必要的。如果背板刷新較慢，則像素處的電壓下降使液晶分子松弛，從而改變LC的折射率。如果背板電壓的刷新速度明顯快于LC弛豫時間，那么SLM將具有較高的相位穩定性。

通過向SLM寫入重復相位斜坡并測量一階強度來量化相穩定性。 LC分子松弛的不穩定性會導致一階焦點的強度隨時間而變化。相穩定性被定義為峰到一階焦點強度的峰值與平均焦點強度的比值。對于需要更高相位穩定性和高分辨率的研究，標準的1920 x 1152像素SLM可提供低至0.20％的相位紋波。

4. 波前質量（波前畸變）

      單光子激發相比，雙光子激發具有更好的限制，因為由兩個光子同時激發的可能性與光強度的平方成正比。因此，雙光子激發以焦點距離的四次冪衰減[8]。然而，這種低激發的可能性使得操作模式對改變焦點的PSF的像差敏感。為了確保在大體積上的一致激發，校正顯微鏡中SLM和其余光學元件的像差是很重要的。

     許多用于表征和校正像差的算法都基于Zernike多項式。然而，對圓形孔徑的依賴不適用于描述正方形或矩形陣列的像差。已經開發了基于SLM的干涉子孔徑的替代策略[9]，以確保SLM的有效區域上的像差可以被校正到λ/ 40或更好。如圖7所示，由于使用了制造工藝，MLO SLM的本身的波前像差很低。

（a）原始的1920 x 1152像素SLM波前（λ/ 7 RMS）

（b）應用了像差校正的波前（λ/ 20 RMS）

（c）未應用校正的像差曲面圖。 

（d）應用校正后的像差曲面圖。

5. 計算全息算法優化

美國Meadowlark Optics公司與美國霍華德休斯敦學院的研究人員合作開發了新的計算全息優化算法，并且嵌入到SLM的控制軟件中，客戶可以正確、靈活的更方便的產生想要的光斑模式。同時用戶可根據自己的需求控制每個焦點的光強。