飞秒激光高效并行微孔加工技术探讨范文

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［摘要］针对飞秒激光加工微孔过程中加工效率慢的问题，提出基于GSW算法的液晶空间光调制器的并行加工技术。利用液晶空间光调制器模拟光栅产生多光束的方法和迭代算法的原理，运用GSW算法计算10×10阵列和字符“H”“B”“U”“T”微孔群的多光束全息图，将这些全息图加载到SLM中，利用CCD相机观察多光束效果，并在柔性电路板上进行加工实验。实验结果表明，本方法产生多光束数量可达100束，字符并行加工中光束均匀性超过0．73，加工微孔孔径尺寸偏差为1．34μm，多光束均匀性超过0．89。因此，此微孔加工技术是一种高效的并行加工方式。

［关键词］飞秒激光；多光束打孔；液晶空间光调制器；GSW算法

飞秒激光具有超短的脉宽，能够在极短的时间尺度内与材料作用，而不产生烧蚀，属于“冷加工”［1］，有着热影响区域小、精度高等优点［2］。飞秒激光在金属材料上打孔所需的单脉冲能量常为微焦级，而飞秒激光器输出单脉冲能量远远高于所需的能量，若是用传统单光束加工方式，激光器输出能量大部分被浪费，导致加工效率低。因此，研究飞秒激光并行加工具有重要的研究价值和意义［3］。典型的并行加工方法有分束镜法［4］、DOE（Dif－fractiveOpticalElements）法［5］、多光束干涉法［6］等，这些方法各有优缺点。分束镜法产生多光束数量一般小于10束，且多光束数量越多，其成本越高；DOE法虽然能够产生上千束光，但是缺乏灵活性，只能加工某一固定的图案；多光束干涉法可产生上千束光，但目前无法单独调节任一光束，灵活性差。上述方法均不能满足多光束动态可控的要求，不适合飞秒激光柔性并行加工。液晶空间光调制器（SpatialLightModulator，SLM）是一种可以通过输入的驱动信号，改变液晶分子的偏转方向，进而对入射的激光进行调制。SLM能改变激光的振幅、相位、偏振态等［7］，通过算法产生全息图可以灵活地控制多光束的位置以及数量，实现高效精密的并行加工。本文采用液晶空间光调制器的并行加工方法，通过Labview程序，运用GSW（WeightedGerch－berg－Saxton）算法［8］计算多光束对应的全息图，将计算得到的全息图加载到SLM中，即可产生能量分布均匀的多光束，用多光束在柔性电路板（Flexi－blePrintedCircuit，FPC）上并行打孔。此方法可极大地提高飞秒激光的加工效率。

1多光束原理及算法

1．1液晶空间光调制器产生多光束原理液晶是一种具有双折射率的材料。激光射入液晶后，会分成垂直于光轴的光（o光）和平行于光轴的光（e光）。两个方向的光折射率不同。在加载电压后，液晶分子发生偏转，导致液晶的双折射系数发生改变，o光与e光产生可调制的相位差［6］。SLM加载的是一个8位二进制的数据，有256个色阶，不同灰度的像素点对应的加载电压不同，液晶偏转的角度也就不同，相位变化与全息图灰度是一个函数关系［9］。因此，加载不同的全息图，可以模拟不同的相位衍射元器件［10］。

1．2计算全息图的算法产生多光束的关键在于全息图。产生全息图的算法有很多种类，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计算出全息图，这种算法虽然运算速度快，但是衍射效率低，多光束均匀性差；迭代算法有GS（Gerchberg－Saxton）算法、GAA（GeneralizedAdaptiveAddi－tive）算法、DS（DirectSearch）算法、GSW算法［8］等。迭代算法主体思想如下：由于通常不能给出目标光场的确切解析式，故一次不能计算出所需的目标相位表达式，目标光场分布均匀性差。为了得到更为均匀的目标光场，产生全息图的过程中需要迭代算法。

2实验过程以及结果分析

多光束并行光路如图3所示。激光从飞秒激光器（型号：CoherentLibra－HE，波长800nm，激光脉宽100fs）产生后，通过二分之一波片和一个偏振分光镜后，以小于10°的入射角入射到液晶空间光调制器上，随后通过光学4F系统。为了排除零阶光对加工的影响，在透镜1的焦点处，放置空间滤波器，挡掉零阶光（其中透镜1、透镜2、透镜3分别是F500，F500，F300的平凸透镜）。将SLM（型号：HamamatsuX10468－02）产生的多光束成像到CCD相机（型号：Ophir－SpiriconSP620U）或加工面，实验所用高倍物镜是10倍，NA＝0．3，通光孔径D＝12mm，实验材料是以聚酰亚胺为基材单面电解铜式的柔性电路板，厚度是82μm。实验前将实验材料先用超声波酒精清洗10min，再用去离子水清洗10min，晾干，实验后再用上述方法清洗一次。

3结论

本文通过SLM结合GSW算法，提出了飞秒激光高效并行微孔加工的技术。运用此技术得到了10×10阵列多光束，在FPC上加工，得到了孔径大小分布较为均匀的微孔群，验证了本方法产生的多光束数量可达100束。最后在FPC表面加工出“H”“B”“U”“T”图案，多光束均匀性良好，均匀性超过0．73，加工微孔孔径尺寸偏差为1．34μm，多光束均匀性超过0．89。通过此实验论证了此方法产生的多光束能量分布较好。该方法能够在FPC上实现任意形状的图案加工，提高了飞秒激光微孔加工的效率。

作者：张骆1；翟中生1；吕清花2；陈波1；刘顿1 单位：1湖北工业大学机械工程学院，2.湖北工业大学理学院