文/张少波，武耀霞，高宇；西安中科微星光电科技有限公司

激光加工技术已经渗透到科学研究和工业生产的各个领域中，特别是超快激光加工由于其超短脉冲、极高的峰值功率和冷加工等特性，已经大幅提升了加工质量并拓宽了加工领域。当前超快激光加工已成为精密加工中最为重要的部分，被广泛应用到微孔加工、隐形切割、超表面结构制造及电子制造等领域。

尽管拥有这些优势，但是单焦点的超快激光加工技术存在着加工区域小、效率低的问题，也无法适用于材料的大面积加工、体加工、结构一次成型加工、矢量光加工等应用场景。为了提高超快激光微加工过程中的加工效率，采用多光束多焦点并行加工的方法来提高超快激光微加工的效率，已经成为一个重要的研究方向。

目前，市场上存在的多光束产生方法有：多激光器法、分束镜法、衍射光学元件法等，并且得到了一定的应用。但这些技术多为静态分束，存在分束的数量有限、无法对单一光束进行独立控制、缺乏控制灵活性、结构复杂、加工成本高等不足，因此难以实现灵活可控的高效、高精度多光束并行加工。

空间光调制器（SLM）的出现，使得上述问题在很大程度上得以解决。SLM可以对激光光束的振幅、相位或偏振等光学参数进行调控，配合一定光路设计，即可在材料加工区域得到任意的光场强度分布。近年来，随着高损伤阈值SLM的出现及超快激光器的发展，将SLM与超快激光结合来实现高效、高精度且灵活可控的并行加工技术，已逐步成熟。

基于SLM的并行加工原理

基于SLM的并行加工原理如图1所示：激光束入射到SLM的光学表面后，光束各处的相位因SLM上加载不同灰度而发生改变，随后在自由空间发生衍射，再经过其后的傅里叶透镜，在透镜的焦平面处便可实现期望的光学要求。

图1：基于SLM的并行加工原理图。

即：超快激光加工应用=空间光调制器+光场调控。SLM还能对分束后多光束焦点的间距、分布、数量和能量进行调控，从而实现微纳结构的可控、高效、高精度加工。

中科微星的并行加工系统

针对当前超快激光微加工效率低、精度低及并行加工存在灵活性差、结构复杂等不足，西安中科微星光电科技有限公司基于空间光调制器（SLM）开发的超快激光并行加工系统，能以快速、高精度、灵活可控的方式，实现多焦点阵列的并行加工、光束整形等多种激光精微加工应用，有望促进超快激光应用领域的高效、高品质加工应用的出现。

中科微星的并行加工系统如图2所示，该系统包括：控制软件与加工头模块两部分。  

图2：激光并行加工系统。

（1）加工头功能

该并行加工系统的加工头提供如下功能：

• 多焦点并行加工，有效提高加工效率；
• 高斯光整形平顶光，改善加工质量；
• 快捷的像差校正，提升加工精度和质量；
• 三维光场调制（如三维结构加工、曲面加工）；
• 产生结构光场（如涡旋光束、多种矢量光束）；
• 脉冲时空整形（如时空同步聚焦并行加工、激光脉冲时域整形）。

（2）控制软件及特点

该并行加工系统的控制软件具有如下特点：

• 算法速度快、精度高；
• 具有像差校正功能；
• 分束光数量、位置及能量可实时调整；
• 独立开发，集成度高，操作简单。

图3：软件操作界面。

（3）并行加工系统性能指标

该并行加工系统的主要性能指标如表1所示。

表1：并行加工系统的主要性能指标

此外，还可通过给系统加载不同的全息图算法，得到不同的二维、三维目标光场，如光束整形、结构光场、脉冲时空整形等，从而实现多种特殊应用场景下的超快激光加工。

应用案例

（1）平面并行打孔（微孔阵列的并行加工）

平面并行打孔，也即微孔阵列的并行加工。超快激光具有超快、超强、冷加工等特性，在微孔加工中具有独特优势，尤其在高品质、大深径比、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单焦点的加工方式，加工用时与结构尺寸的三次方成正比，效率极低。

基于SLM的超快激光并行打孔技术，通过设计焦点之间的间距和分布，预先制作计算全息图，并将计算全息图载入SLM中，即可实现任意排布的周期结构制备。该加工方法不仅提高了超快激光打孔的加工效率，还提高了对孔间距和排布进行调控的灵活性。

并行加工微孔作为一项新兴的超快激光应用工艺，在激光微孔加工领域存在巨大的发展前景。图4是使用中科微星并行加工头进行超快激光并行微孔加工实现的2×2、3×3的微孔阵列，孔径为100μm。

 图4：分束光场及打孔图。

测试结果表明，基于SLM的激光加工头实现了2×2、3×3阵列的激光分束，并完成孔径为100μm的并行分束微孔加工。微孔阵列一次加工成型、效率高，且孔的数量、排布、间距灵活可控。

（2）平面并行打点阵/微二维码

近年来，随着二维码本身和识读技术以及激光技术的发展，由激光标刻技术生成的二维码，作为物品本体标识的主要信息载体，获得了越来越多的认可，在汽车、航空航天、电子、医药及军工等领域具有广泛的应用前景，是直接物标溯源技术未来重要的发展趋势。

超快激光器由于其窄脉宽、高峰值功率及加工材料广等特点，使其能在透明材料上标记肉眼不可见的微型二维码，可应用于各种玻璃材质及多种材质的元器件标记，从而为产品的制造过程管理、溯源、防伪、监管标识，提供有效快捷的标识手段。

基于SLM的加工头，通过设置相息图，可以灵活地实现各种阵列激光分束点的分布，此功能可以极大提升点阵二维码的加工效率，且二维码的信息快速可变。图5为使用中科微星并行加工头加工的点阵列及点阵形二维码。        

图5：分束点阵光场及打点点阵/二维码图。

测试表明，每一点阵/二维码均是一次成型，速度快、精度高；此加工技术可对生产线上运动的物体进行快速标刻；并且还适合在非金属材料如玻璃、硅片等材料上进行激光标刻。

（3）用于隐形切割中的轴向光场调制

超快激光加工因其对材料的广泛适用性，已成为特种材料加工的重要技术。超快激光隐形切割，是将激光束聚焦在工件材料内部，焦点处高能量密度的光斑使材料形成一个分割用的改质层（SD层），再对材料（如晶圆片）施以外力将其分割的切割技术。该技术由于加工过程具有表面无污染、不产生崩边及激光热效应等特性，越来越受到广泛的关注与重视。

但是，在晶圆的隐形切割中，由于是将激光透过晶圆表面聚焦在晶圆内部，这就对光束的品质要求非常高。当前在超快激光非线性聚焦加工及调控等方面，还存在着一些亟待解决的问题和改进之处。因此，开发促进隐形切割的激光加工头具有重要的前景及意义。

本超快激光加工头通过软硬件结合，可以对隐形切割中所需的轴向多焦点数量、间隔、能量、焦深及像差校正进行灵活调制，可有效提升隐形切割的加工品质及效率。图6为基于本加工模块进行的轴向双焦点光场图及隐形切割图。   

图6：隐形切割中的光场调制及效果图。 

从图6可以看出，本加工头模块可实现隐形切割中的轴向双焦点调制，并基于此进行了实际测试，实现了隐形切割效果。本加工头可用于硅、碳化硅、玻璃等材料的隐形切割。

（4）产生结构光场

结构光场有着特殊的相位、偏振特性，表现出独特的光学性质，在多个领域有着广泛应用。使用基于SLM的加工头，并通过加载涡旋相位，可以产生带有轨道角动量的涡旋光束，利用光路和其他光学元器件，可以实现多种矢量光束和一些有特殊性质的光场。图7为产生的结构光场中的涡旋光束及测试图示例。

图7：涡旋光场及测试图。

使用SLM可以方便、快捷地产生这些有着特殊相位、偏振的结构光场，其在超快激光加工领域也有着特殊应用。此外，SLM在三维光场调制、脉冲时空整形、自适应光学等方面也有着较广泛的应用。

小结

基于SLM的加工系统由于其可灵活调制相位的特性，可将入射其上的一束激光经相位调制后改变成分束的多光束输出，从而能实现多焦点同时加工（即并行加工）。光束的数量、位置、间距等都可以利用计算全息图CGH进行灵活控制，且SLM还可对光束进行像差校正，从而实现灵活可控的高效、高精度加工。

当前，基于SLM的光学系统已被广泛应用于光束空间整形、时域脉冲整形、全息光镊、结构光等多个科学前沿领域。