光学相干层析技术：线光斑飞秒激光开槽的在线监测

LightScienceApplications 2022-05-31 19:30 Posted on 吉林

撰稿 | 王然（中科院微电子所，副研究员）

在激光开槽精密加工过程中，对加工深度的控制至关重要。为了获得所要求的深度，需要根据目标材料的特性探索和优化激光加工参数。然而，由于缺乏系统的理论框架作为指导，对激光加工参数的摸索通常对多组参数进行反复迭代，过程繁琐且复杂。

目前通常采用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）来表征激光开槽的实验结果。然而，这两种方法只能等到激光加工过程完全结束才能进行表征，时间和经济成本极高；并且上述两种方法只能获得静态的图像，无法提供加工过程中的动态数据。

为了克服这些问题，日本宇都宫大学 SATOSHI HASEGAWA 和 Yoshio Hayasaki 教授首次利用扫频光源光学相干层析成像（SS-OCT）技术，对线光斑飞秒激光开槽的过程进行了在线监测。

该成果以“In-process monitoring in laser grooving with line-shaped femtosecond pulses using optical coherence tomography”为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。

  选择线光斑飞秒激光进行开槽的原因  

飞秒激光具有脉冲宽度窄、峰值功率高的特点，可以有效降低加工过程中的热影响区（HAZ）。利用空间光调制器（SLM）结合计算全息图（CGH），可以将激光器输出的高斯光斑整形成线光斑，从而有效提升加工效率。

  SS-OCT 的优势  

光学相干层析成像（OCT）技术可分为时域 OCT（TD-OCT）和傅里叶（频域） OCT（FD-OCT）。而频域 OCT，又可根据其采用的光源和检测方案的不同，分为光谱域OCT（SD-OCT）和扫频源 OCT（SS-OCT）两种。其中，SS-OCT 是最新一代的 OCT 成像技术，它兼具单点检测和快速成像的优点。

  SS-OCT 对线光斑飞秒激光开槽的在线监测  

SS-OCT 技术在线光斑飞秒激光开槽加工过程中，不仅可以实时监测到加工的深度，而且成功地监测到了加工槽型和残留物的分布。其深度方向的分辨率达到 15.8 μm，测量精度达到 ± 2.5 μm，测量范围达到 5.3 mm。

  该技术的应用场景  

本文所采用的在线表征方法获得的加工深度与激光共聚焦显微镜（LCM）的测量结果吻合较好。该方法在激光加工过程中提供在线监测，可以根据监测结果实时反馈调整激光加工工艺参数，十分有利于提升激光加工工艺优化的效率。

  论文信息  

Hasegawa et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:33

https://doi.org/10.37188/lam.2022.033