9、超快激光微加工的先进光束整形技术

超快激光微加工的先进光束整形技术

1. 引言

近年来，超短脉冲（脉冲长度 <10 皮秒）激光微加工领域的研究活动日益增多。超短脉冲激光能与工件材料相互作用，且热损伤极小，还能制造出亚微米分辨率的特征结构。许多工艺都受益于这项技术，比如燃油喷射喷嘴的钻孔、硅晶圆的切割，以及生物医学功能表面的纳米纹理加工等。

不过，早期超短脉冲激光微加工系统存在速度慢和灵活性差的问题，这阻碍了其在工业领域的广泛应用。若能在不降低加工质量的前提下提高加工效率，将进一步拓展这些工艺的应用范围。

矢量光束是指电场方向和/或振幅随空间变化的激光束，包括具有径向或方位偏振的光束，以及携带轨道角动量（即具有光学涡旋场）的光束。近期研究探索了矢量光束在短脉冲激光微加工中的应用，如表面结构化、钻孔和切割等。这些早期研究结果表明，矢量光束在提高超快激光加工效率和速度的同时，还能保证加工质量，具有巨大的潜力。

然而，这些早期研究的范围有限，主要比较了纯径向和方位偏振（即无轨道角动量）的光束。对于具有更复杂场分布、可能对特定超快工艺有益的高阶矢量光束，尚未进行深入研究。因此，本文采用工业皮秒脉冲激光加工系统，结合空间光调制器（SLM）和偏振光学元件，产生了多种矢量光束，包括有或无轨道角动量的径向和方位偏振光束。详细分析了每种矢量光束的低数值孔径（NA）聚焦特性，并将这些光束用于不锈钢和硅基板的螺旋钻孔加工，比较了加工质量和效率。

2. 实验细节

2.1 实验装置

实验装置如图 1 所示。激光源为 High - Q 皮秒脉冲激光系统，其脉冲宽度为 10 皮秒，波长为 1064 纳米，M² < 1.3，最大平均功率为 2 瓦，最大重复频率为