超快激光微納加工對(duì)空間光調(diào)制器的要求

摘要

超快激光具有能量密度高，方向性強(qiáng)，相干性高等特點(diǎn)，飛秒激光微納加工在復(fù)雜的三維微納功能器件的加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前傳統(tǒng)的激光微納加工技術(shù)均為逐點(diǎn)掃描的加工方式，加工效率無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)的高效率需求。基于空間光調(diào)制器的計(jì)算全息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)靈活可控的光場(chǎng)分布，飛秒激光可以被精確的調(diào)制成預(yù)設(shè)的多焦點(diǎn)圖案陣列，從而實(shí)現(xiàn)高效的并行加工，可以大大的提高加工效率。同時(shí)利用空間光調(diào)制器可以方便的生成貝塞爾光束，可以實(shí)現(xiàn)微環(huán)形結(jié)構(gòu)的單次曝光式加工。

介紹：

空間光調(diào)制器(SLM)可以將信息加載到二維光學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)中，是一種對(duì)光束進(jìn)行調(diào)整的器件。通過(guò)控制加載到SLM上的灰度圖，SLM可以調(diào)控空間光場(chǎng)的相位、振幅、偏振等，或者實(shí)現(xiàn)光的非相干性到相干性的轉(zhuǎn)變。將SLM同超快激光微納加工技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，可大大提高激光微納加工的效率和靈活性。如：利用SLM生產(chǎn)多焦點(diǎn)的陣列(e.g. 30x30), 從1個(gè)點(diǎn)變成900個(gè)點(diǎn)，加工效率提高900倍。同時(shí)通過(guò)控制各個(gè)點(diǎn)的位置，可以實(shí)現(xiàn)不同線寬不同焦深的控制。SLM還可以通過(guò)加載計(jì)算全息圖，可實(shí)現(xiàn)圖案結(jié)構(gòu)的一次性曝光加工。

圖1 利用SLM生成多焦點(diǎn)陣列及并行加工圖案

圖2 市面上的空間光調(diào)制器(SLM)產(chǎn)品示例

SLM除了可以調(diào)整激光生成二維多焦點(diǎn)配合移動(dòng)臺(tái)或振鏡進(jìn)行逐層掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)三維加工外，SLM還可將飛秒激光調(diào)制成空間特定分布的點(diǎn)陣、線型光場(chǎng)、面型光場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)、線、面為基本加工單元的高效加工。除二維光場(chǎng)分布外，SLM可以進(jìn)行三維光場(chǎng)調(diào)制。

上海昊量光電設(shè)備有限公司的技術(shù)工程師運(yùn)用美國(guó)Meadowlark Optics 公司的液晶純相位型P1920-400-800-HDMI空間光調(diào)制器產(chǎn)生了2x2, 2x3, 2x4的空間高斯光斑點(diǎn)陣及空間貝塞爾光斑點(diǎn)陣。

實(shí)驗(yàn)光路如下：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖3 2x2, 2x3, 2x4的空間高斯光斑點(diǎn)陣結(jié)果

圖4 2x2, 2x3, 2x4的空間貝塞爾光斑點(diǎn)陣結(jié)果

超快激光微納加工對(duì)空間光調(diào)制器的要求

1.SLM的損傷閾值

因?yàn)镾LM將入射照明分為多個(gè)焦點(diǎn)。隨著焦點(diǎn)數(shù)量的增加，每個(gè)焦點(diǎn)的功率下降。為了增加焦點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)保持每個(gè)焦點(diǎn)的功率滿足微納加工的要求，SLM的損傷閾值得至關(guān)重要。多個(gè)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(qū)域;2、SLM的電極涂層可以優(yōu)化以限制吸收，提高反射率;3、主動(dòng)和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)可以用于緩解熱效應(yīng)，保證相位調(diào)制量的穩(wěn)定性。

目前市面上的SLM主要品牌像德國(guó)Holoeye，美國(guó)Thorlabs,臺(tái)灣JDC，以及一些國(guó)產(chǎn)的SLM，其損傷閾值均為2W/cm2,無(wú)水冷降溫模塊。

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

2. SLM的響應(yīng)時(shí)間(刷新速度)

液晶響應(yīng)時(shí)間取決于多個(gè)因素，包括液晶層的厚度，其被優(yōu)化后在最長(zhǎng)工作波長(zhǎng)處提供一個(gè)相位行程波，驅(qū)動(dòng)器的電壓和液晶材料特性。 對(duì)于光遺傳學(xué)，大多數(shù)研究人員將SLM與雙光子、三光子顯微鏡結(jié)合，并且工作在900 nm至1300 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。美國(guó)Meadowlark Optics公司是唯一提供高速SLM的供應(yīng)商，HSP1920-1064-HSP8型液晶空間光調(diào)制器在1064 nm，能夠達(dá)到300 Hz的液晶響應(yīng)速度(從0 - 2pi轉(zhuǎn)換)和845Hz的幀頻(灰度圖片同電腦傳輸?shù)絊LM速度)。

在1064 nm處，液晶從10%到90%范圍內(nèi)上升和下降時(shí)間小于3 ms。將焦點(diǎn)通過(guò)觸發(fā)打開(kāi)和觸發(fā)關(guān)閉進(jìn)行檢測(cè)。 (左)由軟件定時(shí)驅(qū)動(dòng)的液晶開(kāi)關(guān)。 焦點(diǎn)被打開(kāi)和關(guān)閉探測(cè)器(顯示為黃色)。 當(dāng)SLM上的圖像發(fā)生變化時(shí)，硬件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖(以紫色顯示)，表示新圖像將在1.18 ms內(nèi)開(kāi)始在SLM上加載。 (右)由外部硬件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的液晶開(kāi)關(guān)。 當(dāng)外部觸發(fā)器的下降沿到達(dá)(以藍(lán)色顯示)時(shí)，硬件將啟動(dòng)SLM上的圖像更新。 產(chǎn)生輸出脈沖以確認(rèn)接收到觸發(fā)(以紫色顯示)。 在產(chǎn)生輸出脈沖后的1.18面試內(nèi)，圖像將在SLM上更新(以黃色顯示，焦點(diǎn)移入和移出檢測(cè)器)。

目前市面上的SLM主要品牌像德國(guó)Holoeye，日本濱松，美國(guó)Thorlabs,臺(tái)灣JDC，以及一些國(guó)產(chǎn)的SLM，其液晶響應(yīng)時(shí)間在1064nm在80ms(12.5Hz)左右，控制器的幀頻均為60Hz。

3. 相位穩(wěn)定性

為了確保各焦點(diǎn)在超快激光微納加工分配時(shí)的一致性，SLM的時(shí)間特性變得重要。 Meadowlark Optics公司的SLM使用兩種策略來(lái)最大化相位穩(wěn)定性。第一種策略是使用直接模擬尋址，而不是模擬使用二進(jìn)制尋址與時(shí)序抖動(dòng)相結(jié)合的模擬調(diào)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(duì)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(shí)間，那么SLM將具有較高的相位穩(wěn)定性。

通過(guò)向SLM寫(xiě)入重復(fù)相位斜坡并測(cè)量一階強(qiáng)度來(lái)量化相穩(wěn)定性。 LC分子松弛的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致一階焦點(diǎn)的強(qiáng)度隨時(shí)間而變化。相穩(wěn)定性被定義為峰到一階焦點(diǎn)強(qiáng)度的峰值與平均焦點(diǎn)強(qiáng)度的比值。對(duì)于需要更高相位穩(wěn)定性和高分辨率的研究，標(biāo)準(zhǔn)的1920 x 1152像素SLM可提供低至0.20%的相位紋波。

4. 波前質(zhì)量(波前畸變)

單光子激發(fā)相比，雙光子激發(fā)具有更好的限制，因?yàn)橛蓛蓚€(gè)光子同時(shí)激發(fā)的可能性與光強(qiáng)度的平方成正比。因此，雙光子激發(fā)以焦點(diǎn)距離的四次冪衰減[8]。然而，這種低激發(fā)的可能性使得操作模式對(duì)改變焦點(diǎn)的PSF的像差敏感。為了確保在大體積上的一致激發(fā)，校正顯微鏡中SLM和其余光學(xué)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(xiàng)式。然而，對(duì)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(jīng)開(kāi)發(fā)了基于SLM的干涉子孔徑的替代策略[9]，以確保SLM的有效區(qū)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(yīng)用了像差校正的波前(λ/ 20 RMS)

(c)未應(yīng)用校正的像差曲面圖。

(d)應(yīng)用校正后的像差曲面圖。

5. 計(jì)算全息算法優(yōu)化

美國(guó)Meadowlark Optics公司與美國(guó)霍華德休斯敦學(xué)院的研究人員合作開(kāi)發(fā)了最新的計(jì)算全息優(yōu)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(chǎn)生想要的光斑模式。同時(shí)用戶可根據(jù)自己的需求控制每個(gè)焦點(diǎn)的光強(qiáng)。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是國(guó)內(nèi)知名光電產(chǎn)品專業(yè)代理商，代理品牌均處于相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展前沿;

產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測(cè)量設(shè)備、精密光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國(guó)防及更細(xì)分的前沿市場(chǎng)如量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、精密加工、先進(jìn)激光制造等;可為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)集成等優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

審核編輯：湯梓紅