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 ps）激光微加工领域的研究活动日益增多。超短脉冲激光能量与工件材料相互作用时，热损伤极小，能够制造出亚微米分辨率的特征。许多工艺都受益于这项技术，如燃料喷射喷嘴的钻孔、硅晶圆的切割，以及生物医学功能表面的纳米纹理加工等。

然而，早期超短脉冲激光微加工系统速度慢且缺乏灵活性，阻碍了其在工业中的应用。若能在不降低质量的前提下提高效率，将进一步拓展这些工艺的应用范围。

矢量光束是指具有空间变化的电场方向和/或振幅的激光束，包括径向或方位偏振光束以及携带轨道角动量的光束（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。这些早期结果显示，矢量光束在提高超快激光加工效率和速度的同时，不会降低加工质量。

不过，早期研究主要比较了纯径向和方位偏振光束（即无轨道角动量），对于可能对特定超快工艺有益的更复杂场的高阶矢量光束尚未进行研究。因此，本文使用带有空间光调制器（SLM）和偏振光学元件的工业皮秒脉冲激光加工系统，产生了多种矢量光束，包括带有和不带有轨道角动量的径向和方位偏振光束，并详细分析了每种矢量光束的低数值孔径（NA）聚焦特性。这些光束随后用于不锈钢和硅基板的螺旋钻孔，并对加工质量和效率进行了比较。

2. 实验细节

2.1 实验装置

实验装置如下图所示：

graph LR
    A[High - Q皮秒脉冲激光系统] --> B[SLM和波片]
    B --> C