飛秒激光以其超短脈沖、高峰值功率和極小的熱影響區(qū)等特性,在精密微加工、生物醫(yī)學(xué)、光存儲及微納光子器件制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。傳統(tǒng)的飛秒激光高斯光束在加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)和追求極限精度時(shí)存在局限。為此,空間整形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,通過主動(dòng)調(diào)制激光波前或光強(qiáng)分布,實(shí)現(xiàn)對加工過程的精細(xì)控制。本文將重點(diǎn)介紹三種在飛秒激光加工中發(fā)揮關(guān)鍵作用的空間整形技術(shù):光束分束與多焦點(diǎn)技術(shù)、渦旋光束整形技術(shù)以及計(jì)算機(jī)生成全息圖(CGH)光束整形技術(shù),并探討其具體應(yīng)用與前景。
一、 光束分束與多焦點(diǎn)技術(shù)
光束分束技術(shù)旨在將單一飛秒激光光束分割成多個(gè)獨(dú)立的子光束,形成陣列化的加工焦點(diǎn)。這通常通過衍射光學(xué)元件(DOE)或空間光調(diào)制器(SLM)實(shí)現(xiàn)。DOE基于微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生固定的衍射圖案,而SLM則能通過加載不同的相位圖實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、可編程的分束。
應(yīng)用實(shí)例:
二、 渦旋光束整形技術(shù)
渦旋光束是一種攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)的特殊光束,其波前呈螺旋狀,中心光強(qiáng)為零,形成光學(xué)“黑洞”。通過螺旋相位板或SLM加載叉形相位圖,可將高斯光束轉(zhuǎn)換為渦旋光束。
應(yīng)用實(shí)例:
三、 計(jì)算機(jī)生成全息圖(CGH)光束整形技術(shù)
CGH技術(shù)是空間光調(diào)制器(SLM)最核心的應(yīng)用之一。通過計(jì)算機(jī)算法(如GS迭代算法)計(jì)算出能夠?qū)⑷肷涓咚构馐D(zhuǎn)換為任意目標(biāo)光場分布的相位全息圖,并加載到SLM上,實(shí)現(xiàn)對光束振幅和相位的完全控制。
應(yīng)用實(shí)例:
展望與挑戰(zhàn):
空間整形技術(shù)將飛秒激光加工從簡單的“切割”與“鉆孔”,推向功能化、智能化制造的新高度。三種技術(shù)各具特色:分束技術(shù)側(cè)重效率,渦旋光束側(cè)重特殊結(jié)構(gòu),CGH技術(shù)則提供了終極的靈活性。未來的發(fā)展趨勢在于多種技術(shù)的融合(如多焦點(diǎn)渦旋光束)、與人工智能結(jié)合實(shí)現(xiàn)加工過程的在線優(yōu)化與閉環(huán)控制,以及開發(fā)更高效率、更高損傷閾值的整形器件以應(yīng)對更高功率的飛秒激光。隨著技術(shù)的不斷成熟與成本的降低,空間整形飛秒激光加工必將在高端制造和前沿科學(xué)研究中扮演越來越關(guān)鍵的角色。
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更新時(shí)間:2026-01-09 13:59:12