基于空间光调制技术的飞秒激光制造：当前的发展与挑战

飞秒激光具有极短的脉冲宽度和高峰值强度，可实现超快速和精确的能量在材料中的沉积。这种独特的加工能力抑制了热影响区的形成，实现了灵活的自由形态加工。迄今为止，飞秒激光制造已经成为微/纳加工三维、硬、脆和透明材料领域的一项有前途的技术。但是传统的飞秒激光加工方式是逐点扫描的方式，这种方式意味着飞秒激光制造面临着无法突破的效率问题。但是如果激光的空间光场是随意调控的呢？这意味着将省去大量的加工时间，面对不同的加工要求可以将光场调制成任意的形状。例如，飞秒贝塞尔光束具有如同细长的线一样的光强分布，广泛应用于半导体和透明材料钻孔与切割的；想要在材料内部实现亚一百纳米的写入，必须通过一定的波前校正以抑制折射率失配引起的光学像差；此外，将激光分束或者焦场整形是提高飞秒激光制造和使其成为竞争力高效制造技术的有效解决方案。为了实现这些目的，基于空间光调制的飞秒激光制造技术由于其巨大的灵活性和功能性而应运而生。因此，为了应对不同的加工场景，改变光场的多样性以形成独特的加工策略是必要的。

图1 (a)像差校正 (b)并行加工 (c)偏振控制 (d)焦场工程

在这篇综述中介绍了(1)超快激光制造的发展历史，并强调了空间光调制的重要性。(2)介绍了空间光调制的一般方法，例如从高斯光束到贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束和艾里光束的光学转换等。(3)介绍了基于空间光调制超快激光加工的代表性应用。为了减少折射率不匹配引起的光学像差，全息图算法实现不同材料之间的折射率匹配和不同深度之间的快速切换，如图1(a)所示。为了实现高效率，采用了激光分束的并行处理技术。如图1(b)所示。通过开发3D光场分布，空间光调制可以运用在快速的3D打印加工中，如图1(d)所示；空间光调制还用于偏振控制，这在非线性超快激光加工中是必要的，如图1(c)所示。(4)介绍了空间光面临的挑战。第一是空间光调制器的限制，其中刷新率和功率上限需要改进。第二是需要高速和高精度的算法。机器学习和其他自适应算法有潜力开发出新技术。