高速高损伤阈值空间光调制器在超快激光微纳加工中的应用

摘要

      超快激光具有能量密度高，方向性强，相干性高等特点，飞秒激光微纳加工在复杂的三维微纳功能器件的加工领域具有*的优势。目前传统的激光微纳加工技术均为逐点扫描的加工方式，加工效率无法满足实际生产的率需求。基于空间光调制器的计算全息技术可以实现灵活可控的光场分布，飞秒激光可以被的调制成预设的多焦点图案阵列，从而实现的并行加工，可以大大的提高加工效率。同时利用空间光调制器可以方便的生成贝塞尔光束，可以实现微环形结构的单次曝光式加工。

关键词

      空间光调制器 超快激光微纳加工 微纳加工 激光加工

介绍：

     空间光调制器(SLM)可以将信息加载到二维光学数据场中，是一种对光束进行调整的器件。通过控制加载到SLM上的灰度图，SLM可以调控空间光场的相位、振幅、偏振等，或者实现光的非相干性到相干性的转变。将SLM同超快激光微纳加工技术结合起来，发挥二者的优势，可大大提高激光微纳加工的效率和灵活性。如：利用SLM生产多焦点的阵列（e.g. 30x30）, 从1个点变成900个点，加工效率提高900倍。同时通过控制各个点的位置，可以实现不同线宽不同焦深的控制。SLM还可以通过加载计算全息图，可实现图案结构的一次性曝光加工。

图1 利用SLM生成多焦点阵列及并行加工图案

图2 市面上的空间光调制器(SLM)产品示例

      SLM除了可以调整激光生成二维多焦点配合移动台或振镜进行逐层扫描来实现三维加工外，SLM还可将飞秒激光调制成空间特定分布的点阵、线型光场、面型光场、实现以点、线、面为基本加工单元的加工。除二维光场分布外，SLM可以进行三维光场调制。

     上海昊量光电设备有限公司的技术工程师运用美国Meadowlark Optics 公司的液晶纯相位型P1920-400-800-HDMI空间光调制器产生了2x2, 2x3, 2x4的空间高斯光斑点阵及空间贝塞尔光斑点阵。

实验光路如下：

实验结果如下：

图3  2x2, 2x3, 2x4的空间高斯光斑点阵结果

图4  2x2, 2x3, 2x4的空间贝塞尔光斑点阵结果

超快激光微纳加工对空间光调制器的要求

1.SLM的损伤阈值

      因为SLM将入射照明分为多个焦点。随着焦点数量的增加，每个焦点的功率下降。为了增加焦点的数量，同时保持每个焦点的功率满足微纳加工的要求，SLM的损伤阈值得至关重要。多个因素影响SLM的损伤阈值。：1、增加SLM的通光尺寸允许照明分布在更大的区域；2、SLM的电极涂层可以优化以限制吸收，提高反射率；3、主动和被动冷却系统可以用于缓解热效应，保证相位调制量的稳定性。

      目前市面上的SLM主要品牌像德国Holoeye，美国Thorlabs,中国台湾JDC，以及一些国产的SLM，其损伤阈值均为2W/cm2,无水冷降温模块。

      美国Meadowlark Optics公司的1920x1152（P1920）系列空间光调制器的损伤阈值可达200W/cm2，配备水冷模块，保证液晶的温度恒定，相位调制深度恒定。

2. SLM的响应时间（刷新速度）

液晶响应时间取决于多个因素，包括液晶层的厚度，其被优化后在长工作波长处提供一个相位行程波，驱动器的电压和液晶材料特性。 对于光遗传学，大多数研究人员将SLM与双光子、三光子显微镜结合，并且工作在900 nm至1300 nm的波长范围内。美国Meadowlark Optics公司是提供高速SLM的供应商，HSP1920-1064-HSP8型液晶空间光调制器在1064 nm，能够达到300 Hz的液晶响应速度(从0 - 2pi转换)和845Hz的帧频（灰度图片同电脑传输到SLM速度）。

      在1064 nm处，液晶从10%到90%范围内上升和下降时间小于3 ms。将焦点通过触发打开和触发关闭进行检测。 （左）由软件定时驱动的液晶开关。 焦点被打开和关闭探测器（显示为黄色）。 当SLM上的图像发生变化时，硬件会产生一个输出脉冲（以紫色显示），表示新图像将在1.18 ms内开始在SLM上加载。 （右）由外部硬件触发驱动的液晶开关。 当外部触发器的下降沿到达（以蓝色显示）时，硬件将启动SLM上的图像更新。 产生输出脉冲以确认接收到触发（以紫色显示）。 在产生输出脉冲后的1.18面试内，图像将在SLM上更新（以黄色显示，焦点移入和移出检测器）。

     目前市面上的SLM主要品牌像德国Holoeye，日本滨松，美国Thorlabs,中国台湾JDC，以及一些国产的SLM，其液晶响应时间在1064nm在80ms(12.5Hz)左右，控制器的帧频均为60Hz。

3. 相位稳定性

为了确保各焦点在超快激光微纳加工分配时的一致性，SLM的时间特性变得重要。 Meadowlark Optics公司的SLM使用两种策略来大化相位稳定性。种策略是使用直接模拟寻址，而不是模拟使用二进制寻址与时序抖动相结合的模拟调制。第二种策略是使用能够以844Hz的速率刷新的定制背板。高速背板刷新对于减轻像素电容的电压损失是必要的。如果背板刷新较慢，则像素处的电压下降使液晶分子松弛，从而改变LC的折射率。如果背板电压的刷新速度明显快于LC弛豫时间，那么SLM将具有较高的相位稳定性。

通过向SLM写入重复相位斜坡并测量一阶强度来量化相稳定性。 LC分子松弛的不稳定性会导致一阶焦点的强度随时间而变化。相稳定性被定义为峰到一阶焦点强度的峰值与平均焦点强度的比值。对于需要更高相位稳定性和高分辨率的研究，标准的1920 x 1152像素SLM可提供低至0.20％的相位纹波。

4. 波前质量（波前畸变）

      单光子激发相比，双光子激发具有更好的限制，因为由两个光子同时激发的可能性与光强度的平方成正比。因此，双光子激发以焦点距离的四次幂衰减[8]。然而，这种低激发的可能性使得操作模式对改变焦点的PSF的像差敏感。为了确保在大体积上的一致激发，校正显微镜中SLM和其余光学元件的像差是很重要的。

     许多用于表征和校正像差的算法都基于Zernike多项式。然而，对圆形孔径的依赖不适用于描述正方形或矩形阵列的像差。已经开发了基于SLM的干涉子孔径的替代策略[9]，以确保SLM的有效区域上的像差可以被校正到λ/ 40或更好。如图7所示，由于使用了制造工艺，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）应用了像差校正的波前（λ/ 20 RMS）

（c）未应用校正的像差曲面图。 

（d）应用校正后的像差曲面图。

5. 计算全息算法优化

美国Meadowlark Optics公司与美国霍华德休斯敦学院的研究人员合作开发了新的计算全息优化算法，并且嵌入到SLM的控制软件中，客户可以正确、灵活的更方便的产生想要的光斑模式。同时用户可根据自己的需求控制每个焦点的光强。