——在激光加工中的應用

1 引言

激光加工技術(shù)已經(jīng)滲透到科學研究和工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中，特別是超快激光加工由于其超短脈沖、極高峰值功率、冷加工等特性已大幅提升了加工質(zhì)量并拓寬了加工領(lǐng)域。當前超快激光加工已成為精密加工中最為重要的部分，被廣泛應用到微孔加工、超表面結(jié)構(gòu)制造、微流體、量子點及電子制造等領(lǐng)域。

盡管擁有這些優(yōu)勢，但單焦點的超快激光加工技術(shù)存在著加工區(qū)域小、效率低的問題，也無法適用于材料的大面積加工、體加工、結(jié)構(gòu)一次成型加工、矢量光加工等應用場景。

為了提高超快激光微加工過程中的加工效率，采用多光束并行加工的方法以提高超快激光微加工的效率已成為一個重要的研究方向。

目前，市場上存在的激光產(chǎn)生多光束的方法有：多激光器法，分束鏡法，衍射光學元件法等，并且得到了一定的應用。但這些技術(shù)多為靜態(tài)分束，存在分束的數(shù)量有限，無法對單一光束進行獨立控制，缺乏控制的靈活性，結(jié)構(gòu)復雜，加工成本高等不足。因此，難以實現(xiàn)靈活可控的高效、高精度多光束并行加工。

空間光調(diào)制器（SLM）的出現(xiàn)使得上述問題很大程度上得以解決，SLM可以對激光光束的振幅、相位或者偏振等光學參數(shù)進行調(diào)控，配合一定光路設計即可以在材料加工區(qū)域得到任意的光場強度分布。近年來，隨著高損傷閾值SLM的出現(xiàn)及超快激光器的發(fā)展，將SLM與超快激光結(jié)合來實現(xiàn)高效、高精度且靈活可控的并行加工技術(shù)已逐步成熟。

2 基于SLM的并行加工基本原理

工作原理：激光束入射到SLM的光學表面后，光束各處的相位因SLM上的不同灰度而發(fā)生改變，隨后在自由空間發(fā)生衍射，再經(jīng)過其后的傅里葉透鏡，在透鏡的焦平面處便可實現(xiàn)期望的光學要求。

即：超快激光加工應用=空間光調(diào)制器+光場調(diào)控。

SLM還能夠?qū)Ψ质蠖喙馐裹c的間距、分布、數(shù)量和能量進行調(diào)控，從而實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的可控、高效高精度加工。

3 中科微星并行加工系統(tǒng)介紹

針對當前超快激光微加工方面效率低、精度低及并行加工存在靈活性差、結(jié)構(gòu)復雜等相關(guān)不足，西安中科微星光電科技有限公司基于空間光調(diào)制器（SLM）開發(fā)的超快激光并行加工系統(tǒng)可快速、高精度、靈活可控的實現(xiàn)多焦點陣列的并行加工、光束整形等多種激光精微加工方面的應用，該新型加工系統(tǒng)有望促進超快激光應用領(lǐng)域的高效高品質(zhì)加工應用的出現(xiàn)。

本并行加工系統(tǒng)，包括控制軟件與加工頭模塊兩個部分。

01 加工頭功能

多焦點并行加工，有效提高加工效率；

高斯光整形平頂光，改善加工質(zhì)量；

快捷的像差校正，提升加工精度和質(zhì)量；

三維光場調(diào)制（如三維結(jié)構(gòu)加工、曲面加工）；

產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光場（如渦旋光束、多種矢量光束）；

脈沖時空整形（如時空同步聚焦并行加工、激光脈沖時域整形）。

02 控制軟件軟件及特點

算法速度快、精度高；

具有像差校正功能；

分束光數(shù)量、位置及能量可實時調(diào)整；

獨立開發(fā)，集成度高，操作簡單。

3、并行加工系統(tǒng)性能指標

此外，還可通過給系統(tǒng)加載不同的全息圖算法得到不同的二維、三維目標光場，如光束整形、結(jié)構(gòu)光場、脈沖時空整形等，從而實現(xiàn)多種特殊應用場景下的超快激光加工。

4、應用案例

01 像平面二維多焦點并行加工

a.平面并行打孔（微孔陣列的并行加工）

超快激光具有超快、超強、冷加工等特性，在微孔加工中占據(jù)獨特優(yōu)勢，尤其在高品質(zhì)、大深徑比、高一致性微孔加工中具有不可替代性。目前超快激光微孔加工主要是采用單焦點的加工方式，加工用時與結(jié)構(gòu)尺寸的三次方成正比，效率極低。

激光SLM的超快激光并行打孔技術(shù)，指通過設計焦點之間的間距和分布，預先制作計算全息圖，并將計算全息圖載入SLM中，即可實現(xiàn)任意排布的周期結(jié)構(gòu)制備；該加工方法不僅提高了超快激光打孔的加工效率，還提高了對孔間距和排布進行調(diào)控的靈活性。

并行加工微孔作為一項新興的超快激光應用工藝，在激光微孔加工領(lǐng)域存在巨大的發(fā)展前景。使用中科微星并行加工頭進行的超快激光并行微孔加工實現(xiàn)的2×2、3×3陣列，孔徑為100μm的樣件。

測試結(jié)果表明：基于SLM的激光加工頭實現(xiàn)了2×2、3×3陣列的激光分束，并完成孔徑為100μm的并行分束微孔加工；微孔陣列一次加工成型、效率高，且孔數(shù)量、排布、間距靈活可控。

b.平面并行打點陣/微二維碼

近年來隨著二維碼本身和識讀技術(shù)以及激光技術(shù)的發(fā)展，由激光標刻技術(shù)生成的二維碼作為物品本體標識的主要信息載體獲得了越來越多的認可，在汽車、航空航天、電子、醫(yī)藥及軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，是直接物標溯源技術(shù)未來重要的發(fā)展趨勢。

超快激光器由于其窄脈寬，高峰值功率及加工材料廣等特點，使其可在透明材料上標記肉眼不可見的微型二維碼，可應用于各種玻璃材質(zhì)及多種材質(zhì)的元器件標記，從而為產(chǎn)品的制造過程管理、溯源、防偽、監(jiān)管標識提供有效快捷的標識手段。

基于SLM的加工頭通過設置相息圖可靈活的實現(xiàn)各種陣列激光分束點的分布，此功能可極大提升點陣二維碼的加工效率，且二維碼的信息快速可變。使用中科微星并行加工頭進行的超快激光點陣列及點陣形二維碼。

測試表明，每一點陣/二維碼均是一次成型，速度快、精度高；此加工技術(shù)可對生產(chǎn)線上運動的物體進行快速標刻；并且還適宜對非金屬材料如玻璃、硅片等材料上進行激光標刻。

02 高斯光束整形平頂光

在激光應用中，無論是在激光照明、投影、美容方面，或是在激光焊接、打孔、熔覆、雕刻等精細加工領(lǐng)域，都有對激光光束要求均勻照射、特定形狀照射的應用要求。因而，將高斯光束轉(zhuǎn)化為能量分布均勻的平頂光束的光束整形技術(shù)應運而生。

平頂光由于其光斑高均勻性能量分布極大改善了激光剝離、消融、刻槽，PCB鉆孔、TSV硅通孔等應用中的加工效果；同時可有效的提高加工精度及加工時效。目前，將高斯光束整形為平頂光束的技術(shù)主要有非球面透鏡、雙折射透鏡組及微透鏡陣、衍射光學元件等，但這些方法均存在著整形單一、范圍小，結(jié)構(gòu)復雜，性價比低等不足。

基于SLM的光束整形系統(tǒng)，指通過將目標光場相位分布的相息圖加載于SLM的光學表面上來改變?nèi)肷淦渖系募す馐南辔环植迹瑥亩晒鈭鰪姸确植季鶆虻母咻喞推巾敼狻?/p>

可以看出，高斯形能量分布的光斑被調(diào)制成如圖6中右邊所示的能量分布均勻的平頂形光斑。該技術(shù)整形效果可靈活可控、效率高，可配合不同的應用需求進行快速改變，如方形平頂光、矩形平頂光等。

03 用于隱形切割中的軸向光場調(diào)制

超快激光加工因其對材料的廣泛適用性，已成為特種材料加工的重要技術(shù)。超快激光隱形切割是將激光束聚焦在工件材料內(nèi)部，焦點處高能量密度的光斑使材料形成一個分割用的改質(zhì)層 （SD層），再對晶圓片施以外力將其分割成小片芯片的切割技術(shù)。該技術(shù)由于其加工過程具有表面無污染、不產(chǎn)生崩邊及激光熱效應等特性，越來越收到廣泛的關(guān)注與重視。

但由于隱形切割是將激光透過晶圓表面聚焦在晶圓內(nèi)部，導致對光束的品質(zhì)要求非常高，并且當前在超快激光非線性聚焦加工及調(diào)控等方面還存在著一些亟待解決的問題和改進之處。因此，開發(fā)促進隱形切割的激光加工頭具有重要前景及意義。

本超快激光加工頭通過軟硬件結(jié)合可對隱形切割中所需的軸向多焦點數(shù)量、間隔、能量，焦深及像差校正進行靈活調(diào)制，可有效提升隱形切割的加工品質(zhì)及效率。

可以看出，本加工頭模塊可實現(xiàn)隱形切割中的軸向焦點調(diào)制、焦深拉伸、像差校正功能；并基于此進行了實際測試，測試效果較校正之前有明顯改善。

04 產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光場

結(jié)構(gòu)光場有著特殊的相位、偏振特性，表現(xiàn)出獨特的光學性質(zhì)，在多個領(lǐng)域有著廣泛的應用。使用基于SLM的加工頭并通過加載渦旋相位可以產(chǎn)生帶有軌道角動量的渦旋光束，利用光路和其他光學元器件可以實現(xiàn)多種矢量光束和一些有特殊性質(zhì)的光場。

使用SLM可以方便、快捷地產(chǎn)生這些有著特殊相位、偏振的結(jié)構(gòu)光場，其在超快激光加工領(lǐng)域也有著特殊的應用。此外，SLM在三維光場調(diào)制，脈沖時空整形，自適應光學等方面也用較廣泛的應用。

3 結(jié)束語

基于SLM的加工頭由于其可靈活調(diào)制相位特性，可將入射其上的一束激光經(jīng)相位調(diào)制后改變成分束的多光束輸出，然后實現(xiàn)多個焦點的同時加工（即并行加工）。激光光束的數(shù)量、位置、間距等都可以利用計算全息圖CGH進行靈活控制，且SLM還可對光束進行相位校正，從而實現(xiàn)靈活可控的高效高精度加工。

當前，基于SLM加工系統(tǒng)已被廣泛應用于光束空間整形、時域脈沖整形、全息光鑷，結(jié)構(gòu)光等多個科學前沿領(lǐng)域。

責任編輯：tzh