摘(zhai)要

      超快激光(guang)具(ju)有能量密度高(gao)，方向性強，相干(gan)性高(gao)等特點，飛(fei)秒(miao)激光(guang)微(wei)(wei)納加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)在復雜(za)的(de)三維微(wei)(wei)納功能器件的(de)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)領域具(ju)有*的(de)優(you)勢(shi)。目前傳統的(de)激光(guang)微(wei)(wei)納加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技術均為逐點掃(sao)描的(de)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)方式(shi)，加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)效率無法滿足(zu)實際生(sheng)產的(de)率需求。基于(yu)空間(jian)光(guang)調(diao)(diao)制(zhi)器的(de)計算(suan)全息技術可以實現(xian)靈活可控的(de)光(guang)場分布，飛(fei)秒(miao)激光(guang)可以被的(de)調(diao)(diao)制(zhi)成預設的(de)多焦(jiao)點圖案陣(zhen)列，從(cong)而實現(xian)的(de)并行加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)，可以大大的(de)提高(gao)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)效率。同時利用空間(jian)光(guang)調(diao)(diao)制(zhi)器可以方便的(de)生(sheng)成貝(bei)塞爾(er)光(guang)束(shu)，可以實現(xian)微(wei)(wei)環形(xing)結構(gou)的(de)單次曝光(guang)式(shi)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)。

關鍵(jian)詞

      空間光調制器 超快激光微納加工(gong) 微納加工 激光加工(gong)

介(jie)紹：

     空(kong)間光(guang)(guang)調(diao)制(zhi)器(qi)(SLM)可(ke)(ke)以(yi)(yi)將信息(xi)加(jia)(jia)(jia)載(zai)到二維(wei)光(guang)(guang)學數據場(chang)中，是一(yi)種對光(guang)(guang)束進行調(diao)整的(de)(de)(de)(de)器(qi)件。通(tong)過控(kong)(kong)制(zhi)加(jia)(jia)(jia)載(zai)到SLM上的(de)(de)(de)(de)灰度(du)圖，SLM可(ke)(ke)以(yi)(yi)調(diao)控(kong)(kong)空(kong)間光(guang)(guang)場(chang)的(de)(de)(de)(de)相位、振幅、偏振等，或者實現光(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)非相干性到相干性的(de)(de)(de)(de)轉變。將SLM同(tong)(tong)超快激(ji)光(guang)(guang)微納加(jia)(jia)(jia)工(gong)技術結合起來，發揮二者的(de)(de)(de)(de)優勢(shi)，可(ke)(ke)大大提高(gao)激(ji)光(guang)(guang)微納加(jia)(jia)(jia)工(gong)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)率和靈(ling)活性。如：利用SLM生(sheng)產(chan)多焦點(dian)的(de)(de)(de)(de)陣列（e.g. 30x30）, 從1個點(dian)變成900個點(dian)，加(jia)(jia)(jia)工(gong)效(xiao)率提高(gao)900倍。同(tong)(tong)時通(tong)過控(kong)(kong)制(zhi)各個點(dian)的(de)(de)(de)(de)位置，可(ke)(ke)以(yi)(yi)實現不同(tong)(tong)線寬不同(tong)(tong)焦深的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)。SLM還可(ke)(ke)以(yi)(yi)通(tong)過加(jia)(jia)(jia)載(zai)計算全(quan)息(xi)圖，可(ke)(ke)實現圖案結構的(de)(de)(de)(de)一(yi)次性曝(pu)光(guang)(guang)加(jia)(jia)(jia)工(gong)。

圖1 利用SLM生成多焦點(dian)陣列及并(bing)行加工圖案

圖(tu)2 市(shi)面(mian)上的空(kong)間光調制器(qi)(SLM)產品(pin)示例

      SLM除(chu)了可以調(diao)整激光生成二(er)維多焦(jiao)點(dian)配合(he)移動臺(tai)或(huo)振鏡進行逐層掃描來(lai)實現(xian)三維加工(gong)外，SLM還可將(jiang)飛秒激光調(diao)制成空(kong)間特(te)定分(fen)布(bu)的點(dian)陣(zhen)、線型(xing)光場(chang)(chang)、面(mian)型(xing)光場(chang)(chang)、實現(xian)以點(dian)、線、面(mian)為基(ji)本加工(gong)單元的加工(gong)。除(chu)二(er)維光場(chang)(chang)分(fen)布(bu)外，SLM可以進行三維光場(chang)(chang)調(diao)制。

     上(shang)海昊量光(guang)(guang)(guang)電(dian)設(she)備(bei)有限公(gong)司(si)的技(ji)術工程(cheng)師運用美國Meadowlark Optics 公(gong)司(si)的液晶純相位型P1920-400-800-HDMI空間光(guang)(guang)(guang)調(diao)制器產生了2x2, 2x3, 2x4的空間高斯光(guang)(guang)(guang)斑點(dian)陣及空間貝塞爾(er)光(guang)(guang)(guang)斑點(dian)陣。

實驗光路如下：

實驗(yan)結果如下(xia)：

圖3  2x2, 2x3, 2x4的空間高(gao)斯(si)光斑點陣結果(guo)

圖4  2x2, 2x3, 2x4的空(kong)間(jian)貝塞爾光斑點陣結果

超(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)微(wei)納加工對空間光(guang)調制器的(de)要求

1.SLM的損傷閾值

      因(yin)為SLM將入射照(zhao)明分為多個(ge)(ge)焦(jiao)點(dian)。隨著焦(jiao)點(dian)數(shu)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)，每(mei)個(ge)(ge)焦(jiao)點(dian)的(de)功率下(xia)降。為了增(zeng)加(jia)焦(jiao)點(dian)的(de)數(shu)量(liang)，同時(shi)保持(chi)每(mei)個(ge)(ge)焦(jiao)點(dian)的(de)功率滿足微(wei)納加(jia)工的(de)要求，SLM的(de)損傷閾(yu)值得至關(guan)重要。多個(ge)(ge)因(yin)素影(ying)響SLM的(de)損傷閾(yu)值。：1、增(zeng)加(jia)SLM的(de)通光尺寸(cun)允許照(zhao)明分布在更大(da)的(de)區域；2、SLM的(de)電(dian)極(ji)涂(tu)層可以優(you)化以限制吸收，提高反射率；3、主動和被(bei)動冷卻系統可以用于緩解(jie)熱效應(ying)，保證相位(wei)調制量(liang)的(de)穩定(ding)性。

      目前市面上的SLM主要品牌像德國Holoeye，美國Thorlabs,中國臺灣JDC，以及一些國產的SLM，其損傷閾值均為2W/cm2,無水冷降溫模塊。

      美國(guo)Meadowlark Optics公(gong)司的1920x1152（P1920）系列空間光調制器的(de)損傷閾值(zhi)可達200W/cm2，配(pei)備水冷模(mo)塊(kuai)，保證液晶的(de)溫度恒定，相位調制深度恒定。

2. SLM的(de)響應時(shi)間（刷新速度）

液(ye)晶(jing)響應時間取決于多個(ge)因(yin)素，包(bao)括液(ye)晶(jing)層(ceng)的(de)厚(hou)度，其(qi)被(bei)優化后在(zai)長工作波(bo)長處(chu)提(ti)供一個(ge)相位行程波(bo)，驅動器的(de)電壓和液(ye)晶(jing)材料(liao)特性。 對于光遺傳學，大多(duo)數(shu)研(yan)究人員將(jiang)SLM與雙光子(zi)、三光子(zi)顯(xian)微鏡結合，并(bing)且工(gong)作在(zai)900 nm至1300 nm的波長范(fan)圍(wei)內。美國Meadowlark Optics公司是提供高速SLM的供應商，HSP1920-1064-HSP8型液晶(jing)空間(jian)光調制器在1064 nm，能夠達到300 Hz的液晶(jing)響應速度(從0 - 2pi轉換)和845Hz的幀頻（灰度圖片同電腦傳輸到SLM速度）。

      在(zai)1064 nm處(chu)，液晶從10%到90%范圍內上升和(he)下降時間小于3 ms。將焦點通過(guo)觸發(fa)打開和(he)觸發(fa)關閉進(jin)行(xing)檢測。 （左）由(you)軟(ruan)件定時驅動的液(ye)晶開關。 焦點被打開和關閉(bi)探測器（顯示為黃色）。 當SLM上的圖(tu)像發生變化時，硬件會產生一個(ge)輸出脈沖（以(yi)紫色顯示(shi)），表示(shi)新圖(tu)像將在1.18 ms內開始在SLM上加載。 （右）由外部硬件觸(chu)發驅動的液晶(jing)開關。 當外部觸發器的下降沿(yan)到(dao)達(da)（以藍色顯示(shi)）時，硬件將啟動SLM上的圖像更新。 產生輸出脈沖(chong)以確(que)認(ren)接收到(dao)觸發（以紫色顯示）。 在產生輸出(chu)脈(mo)沖后的1.18面試內，圖像將(jiang)在SLM上更新（以黃色顯示，焦點移(yi)入和移(yi)出(chu)檢測(ce)器(qi)）。

     目(mu)前(qian)市面(mian)上的SLM主要(yao)品牌(pai)像德國Holoeye，日(ri)本濱松，美國Thorlabs,中國臺(tai)灣JDC，以及一些國產(chan)的SLM，其液晶響(xiang)應時間在1064nm在80ms(12.5Hz)左(zuo)右，控(kong)制器的幀頻均(jun)為60Hz。

3. 相(xiang)位穩定(ding)性

為了確保各焦點(dian)在超(chao)快激光(guang)微納加(jia)工分(fen)配時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)一致性(xing)，SLM的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)間特(te)性(xing)變得重(zhong)要。 Meadowlark Optics公司的(de)(de)(de)(de)(de)SLM使(shi)用(yong)兩(liang)種策略來(lai)大化相位穩定(ding)性(xing)。種策略是使(shi)用(yong)直接模擬(ni)(ni)尋址，而(er)不是模擬(ni)(ni)使(shi)用(yong)二(er)進制尋址與時(shi)序抖動相結合的(de)(de)(de)(de)(de)模擬(ni)(ni)調制。第二(er)種策略是使(shi)用(yong)能夠以(yi)844Hz的(de)(de)(de)(de)(de)速率(lv)刷新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)定(ding)制背板(ban)。高(gao)速背板(ban)刷新(xin)對于(yu)減輕像(xiang)素電(dian)容(rong)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)損失是必要的(de)(de)(de)(de)(de)。如果背板(ban)刷新(xin)較慢，則像(xiang)素處的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)下降使(shi)液(ye)晶分(fen)子松弛(chi)(chi)，從而(er)改變LC的(de)(de)(de)(de)(de)折射率(lv)。如果背板(ban)電(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)刷新(xin)速度明顯快于(yu)LC弛(chi)(chi)豫(yu)時(shi)間，那么SLM將具有較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)相位穩定(ding)性(xing)。

通過向SLM寫入重復相位(wei)(wei)斜(xie)坡(po)并(bing)測量一(yi)階(jie)(jie)強度(du)來量化相穩(wen)定(ding)性(xing)。 LC分(fen)(fen)子松弛的(de)(de)(de)不穩(wen)定(ding)性(xing)會(hui)導致一(yi)階(jie)(jie)焦(jiao)點(dian)的(de)(de)(de)強度(du)隨時間而變(bian)化。相穩(wen)定(ding)性(xing)被定(ding)義為峰到(dao)一(yi)階(jie)(jie)焦(jiao)點(dian)強度(du)的(de)(de)(de)峰值與(yu)平均(jun)焦(jiao)點(dian)強度(du)的(de)(de)(de)比值。對于需要更高相位(wei)(wei)穩(wen)定(ding)性(xing)和高分(fen)(fen)辨率的(de)(de)(de)研(yan)究，標(biao)準(zhun)的(de)(de)(de)1920 x 1152像素SLM可(ke)提供低至0.20％的(de)(de)(de)相位(wei)(wei)紋波。

4. 波前質量（波前畸變）

      單光子(zi)激發(fa)(fa)相比，雙光子(zi)激發(fa)(fa)具有更(geng)好(hao)的(de)(de)限制，因為(wei)由兩個光子(zi)同時激發(fa)(fa)的(de)(de)可(ke)(ke)能性(xing)與光強度的(de)(de)平方成正比。因此，雙光子(zi)激發(fa)(fa)以焦點(dian)(dian)距離的(de)(de)四次(ci)冪(mi)衰減[8]。然而，這種低激發(fa)(fa)的(de)(de)可(ke)(ke)能性(xing)使得操作模式對改變焦點(dian)(dian)的(de)(de)PSF的(de)(de)像差(cha)敏(min)感。為(wei)了確(que)保在大體積上的(de)(de)一致激發(fa)(fa)，校正顯微鏡中SLM和其余(yu)光學元(yuan)件的(de)(de)像差(cha)是很(hen)重要的(de)(de)。

     許多(duo)用(yong)于(yu)表征和校(xiao)正像差(cha)的(de)(de)算法都基于(yu)Zernike多(duo)項式。然而，對圓形孔(kong)徑的(de)(de)依(yi)賴不適(shi)用(yong)于(yu)描(miao)述正方(fang)形或矩形陣列的(de)(de)像差(cha)。已經開發(fa)了(le)基于(yu)SLM的(de)(de)干涉子孔(kong)徑的(de)(de)替代策略[9]，以(yi)確保SLM的(de)(de)有(you)效區(qu)域上(shang)的(de)(de)像差(cha)可(ke)以(yi)被(bei)校(xiao)正到λ/ 40或更好。如圖7所(suo)示(shi)，由于(yu)使用(yong)了(le)制造工藝，MLO SLM的(de)(de)本身的(de)(de)波前像差(cha)很低(di)。

（a）原始的1920 x 1152像素SLM波前（λ/ 7 RMS）

（b）應(ying)用(yong)了像差校正的波前（λ/ 20 RMS）

（c）未應用校(xiao)正的像差曲面圖。 

（d）應(ying)用校(xiao)正(zheng)后的像差(cha)曲面圖。

5. 計(ji)算(suan)全息算(suan)法優化

美(mei)國Meadowlark Optics公(gong)司與(yu)美(mei)國霍華德休(xiu)斯敦學院的研究(jiu)人員合作開發了新(xin)的計算全息優化算法，并且嵌入(ru)到(dao)SLM的控制(zhi)軟件中，客戶可(ke)以正確(que)、靈(ling)活的更(geng)方便的產生想要的光斑模式。同時用戶可(ke)根據自己(ji)的需求控制(zhi)每個焦(jiao)點的光強。