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基于DOE的激光表面微加工技术,可替代准直激光干涉图像系统DLIP

作者: 时间:2020-07-16


激光加工表面微细形貌(LST)可以对不同材料的表面进行加工处理,通过改造材料的表面特性以适合所需应用的使用要求(例如增大或减小材料表面的摩擦力,改变材料的疏水性,增加的光散射性能等),具有巨大的发展潜力。经过激光微处理的应用,包括液压系统,密封件,推力轴承,磁存储设备, MEMS设备,引擎,以及骨骼和牙齿的植入物。经过表面改性的产品,可以延长其使用寿命,更易于清洁。

激光使用功率的不断提高,使激光加工的应用范围逐渐扩大,并让激光表面微加工的优势凸显出来,其具有精度高,微细尺度下进行加工和加工形状灵活性高的诸多特点。

准直激光干涉图像系统(DLIP)是用于高速处理表面的几种激光技术之一,准直激光干涉图像系统使用单脉冲激光对全部区域进行扫描构造,该脉冲处理表面的周期是干涉光束的角度和激光波长的函数,该方法在图案周期以及较大的焦深方面提供了无与伦比的灵活性,但是需要通过相当复杂的设置,使误差降到最低才可以进行使用。


二、理论背景

在先前有关DLIP的文献中,Sabri Alamri等人使用多单元设置,其中将入射光束分成4个子光束,然后这些子光束被折射或反射光学分别重新定向,使之平行,最后,所有的子光束都聚焦在目标平面上。El-Khoury 等人展示了一种高级的设置,在分束器之前放置一个平顶光束整形器,以改善光斑强度的均匀性; 热影响区(HAZ)指的是强度未达到损伤阈值,并转换为不需要的热效应的区域。

通常的解决方案,主要的局限性是:没有旋转对称性的元件(光束整形器,分束器和棱镜),组装繁琐以及调整的自由度受限(由光束整形器输出的光束大小,再经分束器分束,再经棱镜后,来最终定义光斑的形状)。

如下图所示的典型准直激光干涉图像系统设置,包括高功率短脉冲皮秒激光器或飞秒激光器,可调光束扩束器,将入射光束分成两束或更多的大功率衍射光学元件(DOE)——分束器,用于分裂衍射级次的准直棱镜和NA聚焦物镜。

目前,我们的建议是将准直激光干涉图像系统设置成如下图所示的组成结构,它包括高功率短脉冲皮秒激光器或飞秒激光器,用于精确调整光束大小的可调光束扩束器,在图像平面中产生干涉图样的单个DOE分束器以及扫描场镜(F-theta)。将现有的工业激光机器去用作准直激光干涉图像系统应用时,仅需做出微小的改动就可以实现。并行处理系统中他们的指标与我们的概念之间的关键区别是,我们是通过定制表面图案而不是离散点来修改整个表面积的特征。如下图所示,左图是典型的准直激光干涉图像系统系统,右图为我们提供的新系统。


所提出的装置中使用的分束器是周期性相位光栅元件,其将入射光束分成预定的衍射级数。采用迭代傅立叶变换算法(IFTA)对单元进行计算的,该算法允许控制每个衍射级的强度来获得理想的远场衍射级配置。在远场,可以得到分离性良好的衍射极限光束。

假设入射光均匀地照射了无数个周期,即光栅周期与光束大小之比接近0,当该比例增加到大于0时,在输出光场中会出现特殊的现象。

具体而言,利用激光加工表面微细形貌方法在照明应用中,经过长期总结的经验,我们选定了一个合适的入射光束尺寸和光栅周期尺寸的比例。其性能条件是在衍射级次分离良好但仍然很接近的情况下找到一个值,这种状态发生在周期性光栅(如分束器)和非周期性波束成形(如平顶光束整形器)之间的边界上,对于奇数的分裂衍射级数,该比率约为0.65

用于本文的所有模拟,我们使用相同的参数条件:波长1064nm,光束尺寸8mm,有效焦距为30mm,衍射极限光斑尺寸  5.1μm。在传播方法上,我们采用了最适合显示干涉现象的物理光学角谱传播方法,这种传播方法广泛用于激光光学系统的设计和模拟,并且经常被使用在光学设计软件上面。

在我们的第一个模拟中,如上图中在一个聚焦透镜的焦平面上,由一个DOE分束器创建的15×15点阵的示例中,我们展示了不同的光束尺寸与周期之比的效果。可以看出,光束尺寸与周期的比率为0.70.65时,阵列中的光斑被很好地堆积,还会有一些发生了重叠,对于比率较小的0.60.55,堆积的程度就会降低。另一方面,较小堆积程度的设计可提供更好的景深(DOF),景深的定义为焦距对准一点,前后仍清晰的范围。在所有的比率中,由于一开始设计就是让所有衍射级都具有相同的强度,因此不需要像在准直激光干涉图像系统中利用平顶光束整形器去使光束的各衍射级相同。

第二个研究,以找到光束和光栅周期大小之间的最佳比例为研究目的,我们模拟了1×15的分束器在焦平面内的衍射强度,并将其拟合为平方余弦函数。在以上的图中,我们证明,通过平方大小的余弦强度分布图,找到了最佳的比例是0.65。比率为0.55更接近周期函数的局部极值,但在比较整体的拟合质量时,还是0.65的比例是最好的。在图3,我们通过度分布对余弦平方函数的积分差来比较确认结果,需要注意的是,对于其他的应用,较好的比例也许不是0.65,但大多数的光学设计仍还是0.65较优。

下图,显示了的是光束大小与周期大小之比对景深(DOF)的影响,即使时间相隔很短,也会产生很大的影响。在演示的示例中,光束大小与周期大小之比为0.5,其景深比率为0.65的两倍。

三,大型结构的实际示例

LST可以处理大块面积的结构,分束器能够很轻易的分成1000个及以上的光束,以我们之前碰到的案例来说,能够覆盖到12×12mm2的区域上,并且各光斑的间隔要达到6μm(用于超疏水型表面),就要用一个2001×2001DOE分束器。

假设有效焦距(EFL=100mm,周期为17.7 mm的分束器,即使用0.65的比率,也得需要直径为27.2 mm的光束,所以用扫描场镜(F-theta)来满足这些参数的要求,并且DOE本身就有6.8°的满角,因此采用零级消除技术来解决这种问题。 这种激光加工表面微细形貌方法,在分束器上的功率密度相对较低,因为光束尺寸非常大,此外大功率熔融石英材质的分束器可以轻松承受激光加工表面微细形貌大功率密度和脉冲能量。


LST的更多示例

我们将通过一些示例来说明我们提供的激光加工表面微细形貌方法,可以自由地生成各式各样的强度分布。在下图a,是加工区域和未加工区域(无能量损失)。图中b显示了一个六边形的叠层分布,它的堆积程度相对于正方形堆积更好。图中的cd显示了半周期光束整形和非周期函数结合的示例(平顶光束整形器和锥透镜Axicon)。

新技术与准直激光干涉图像系统的比较

与准直激光干涉图像系统相比,我们提供的光学设计的优势在于对准灵敏度较低——对于光束来说,它基本上完全不受周期性DOE中心的影响,而准直激光干涉图像系统的光束中心在透镜上是至关重要的。

通过制造多层或kinoform衍射图案,可以获得大周期(小衍射角),更高的制造精度,更高的衍射效率,效率可以达到90%。相反,准直激光干涉图像系统中使用的2×2DOE分束器的标准衍射效率仅为65%。

另一个重要的质量参数是分束后各光束之间的一致性,在大多数情况下,我们希望各光束均匀度的差值要小于10%。少量的光束均匀性差不会对输出强度产生显著的影响。

我们基于DOELST方法使用的聚焦光学元件是工业中常用到的扫描场镜。由于该方法不利用这种透镜所允许的全扫描场,因此在扫描时可以使用比正常情况下更高的NA,从而实现了6μm的光束间距。

与准直激光干涉图像系统相比,激光加工表面微细形貌方法的间距调整的灵活性较差。虽然对于准直激光干涉图像系统,可以通过调整相对光束角来轻松实现表面间距的变化,但我们的激光加工表面微细形貌方法仅限于由DOE分离角和聚焦光学系统预先确定的特定间距。但也是有解决办法的,只需通过替换DOE或在DOE或在聚焦光学元件之间添加可变焦镜,可以进行比例的缩放,来调整光束的间距。然而,对于大多数工业应用而言,它们对灵活性的需求不是很高,并且DOE的固定间距也是可以达到使用效果的。

总结和结论

在本文中,我们介绍了一种新的光学方法,该方法在激光加工表面微细形貌的应用中可以替代准直激光干涉图像系统方法。使用具有一定光束大小的周期性DOE,以在处理区域上得到较多得光束分布。与多个干涉光束的准直激光干涉图像系统方法相比,该方法具有明显的优势,包括更好的均匀性,更高的效率,更好的热影响区,组装简易,光束整形自由度高以及更低的成本花销。在实际案例中,讨论了使用我们的方法在大面积上进行高密度构图的方法,并证明了它的可行性。然后,我们展示了一些具有正交和六边形特征分布的自定义形状示例以及分束器和光束形状组合功能的高级形状。

使用我们的方法来替代准直激光干涉图像系统,简化了激光加工表面微细形貌系统的光学器件构成,特别是在工业应用中,因为这些应用几乎不需要调整子光束的间距,并且这种方法具有可靠性和简单性,有很高的价值意义。


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