飛秒激光高效并行微孔加工技術探討范文

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［摘要］針對飛秒激光加工微孔過程中加工效率慢的問題，提出基于GSW算法的液晶空間光調制器的并行加工技術。利用液晶空間光調制器模擬光柵產生多光束的方法和迭代算法的原理，運用GSW算法計算10×10陣列和字符“H”“B”“U”“T”微孔群的多光束全息圖，將這些全息圖加載到SLM中，利用CCD相機觀察多光束效果，并在柔性電路板上進行加工實驗。實驗結果表明，本方法產生多光束數量可達100束，字符并行加工中光束均勻性超過0．73，加工微孔孔徑尺寸偏差為1．34μm，多光束均勻性超過0．89。因此，此微孔加工技術是一種高效的并行加工方式。

［關鍵詞］飛秒激光；多光束打孔；液晶空間光調制器；GSW算法

飛秒激光具有超短的脈寬，能夠在極短的時間尺度內與材料作用，而不產生燒蝕，屬于“冷加工”［1］，有著熱影響區域小、精度高等優點［2］。飛秒激光在金屬材料上打孔所需的單脈沖能量常為微焦級，而飛秒激光器輸出單脈沖能量遠遠高于所需的能量，若是用傳統單光束加工方式，激光器輸出能量大部分被浪費，導致加工效率低。因此，研究飛秒激光并行加工具有重要的研究價值和意義［3］。典型的并行加工方法有分束鏡法［4］、DOE（Dif－fractiveOpticalElements）法［5］、多光束干涉法［6］等，這些方法各有優缺點。分束鏡法產生多光束數量一般小于10束，且多光束數量越多，其成本越高；DOE法雖然能夠產生上千束光，但是缺乏靈活性，只能加工某一固定的圖案；多光束干涉法可產生上千束光，但目前無法單獨調節任一光束，靈活性差。上述方法均不能滿足多光束動態可控的要求，不適合飛秒激光柔性并行加工。液晶空間光調制器（SpatialLightModulator，SLM）是一種可以通過輸入的驅動信號，改變液晶分子的偏轉方向，進而對入射的激光進行調制。SLM能改變激光的振幅、相位、偏振態等［7］，通過算法產生全息圖可以靈活地控制多光束的位置以及數量，實現高效精密的并行加工。本文采用液晶空間光調制器的并行加工方法，通過Labview程序，運用GSW（WeightedGerch－berg－Saxton）算法［8］計算多光束對應的全息圖，將計算得到的全息圖加載到SLM中，即可產生能量分布均勻的多光束，用多光束在柔性電路板（Flexi－blePrintedCircuit，FPC）上并行打孔。此方法可極大地提高飛秒激光的加工效率。

1多光束原理及算法

1．1液晶空間光調制器產生多光束原理液晶是一種具有雙折射率的材料。激光射入液晶后，會分成垂直于光軸的光（o光）和平行于光軸的光（e光）。兩個方向的光折射率不同。在加載電壓后，液晶分子發生偏轉，導致液晶的雙折射系數發生改變，o光與e光產生可調制的相位差［6］。SLM加載的是一個8位二進制的數據，有256個色階，不同灰度的像素點對應的加載電壓不同，液晶偏轉的角度也就不同，相位變化與全息圖灰度是一個函數關系［9］。因此，加載不同的全息圖，可以模擬不同的相位衍射元器件［10］。

1．2計算全息圖的算法產生多光束的關鍵在于全息圖。產生全息圖的算法有很多種類，主要分成迭代算法和非迭代算法。非迭代算法有RM（RandomMaskencodingtech－niqe）算法、S（Superpositionofprismsandlenses）算法、SR（RandomSuperposition）算法、GL（Grat－ingandLense）算法［11］等。非迭代算法是一次性計算出全息圖，這種算法雖然運算速度快，但是衍射效率低，多光束均勻性差；迭代算法有GS（Gerchberg－Saxton）算法、GAA（GeneralizedAdaptiveAddi－tive）算法、DS（DirectSearch）算法、GSW算法［8］等。迭代算法主體思想如下：由于通常不能給出目標光場的確切解析式，故一次不能計算出所需的目標相位表達式，目標光場分布均勻性差。為了得到更為均勻的目標光場，產生全息圖的過程中需要迭代算法。

2實驗過程以及結果分析

多光束并行光路如圖3所示。激光從飛秒激光器（型號：CoherentLibra－HE，波長800nm，激光脈寬100fs）產生后，通過二分之一波片和一個偏振分光鏡后，以小于10°的入射角入射到液晶空間光調制器上，隨后通過光學4F系統。為了排除零階光對加工的影響，在透鏡1的焦點處，放置空間濾波器，擋掉零階光（其中透鏡1、透鏡2、透鏡3分別是F500，F500，F300的平凸透鏡）。將SLM（型號：HamamatsuX10468－02）產生的多光束成像到CCD相機（型號：Ophir－SpiriconSP620U）或加工面，實驗所用高倍物鏡是10倍，NA＝0．3，通光孔徑D＝12mm，實驗材料是以聚酰亞胺為基材單面電解銅式的柔性電路板，厚度是82μm。實驗前將實驗材料先用超聲波酒精清洗10min，再用去離子水清洗10min，晾干，實驗后再用上述方法清洗一次。

3結論

本文通過SLM結合GSW算法，提出了飛秒激光高效并行微孔加工的技術。運用此技術得到了10×10陣列多光束，在FPC上加工，得到了孔徑大小分布較為均勻的微孔群，驗證了本方法產生的多光束數量可達100束。最后在FPC表面加工出“H”“B”“U”“T”圖案，多光束均勻性良好，均勻性超過0．73，加工微孔孔徑尺寸偏差為1．34μm，多光束均勻性超過0．89。通過此實驗論證了此方法產生的多光束能量分布較好。該方法能夠在FPC上實現任意形狀的圖案加工，提高了飛秒激光微孔加工的效率。

作者：張駱1；翟中生1；呂清花2；陳波1；劉頓1 單位：1湖北工業大學機械工程學院，2.湖北工業大學理學院