激光加工表面微細形貌LST

時間：2020-08-13作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：178

激光加工表面微細形貌（LST）可以對不同材料的表面進行加工處理，通過改造材料的表面特性以適合所需應(yīng)用的使用要求（例如增大或減小材料表面的摩擦力，改變材料的疏水性，增加的光散射性能等），具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。?jīng)過激光微處理的應(yīng)用，包括液壓系統(tǒng)，密封件，推力軸承，磁存儲設(shè)備， MEMS設(shè)備，引擎，以及骨骼和牙齒的植入物。經(jīng)過表面改性的產(chǎn)品，可以延長其使用壽命，較易于清潔。
激光使用功率的不斷提高，使激光加工的應(yīng)用范圍逐漸擴大，并讓激光表面微加工的優(yōu)勢凸顯出來，其具有精度高，微細尺度下進行加工和加工形狀靈活性高的諸多特點。
準直激光干涉圖像系統(tǒng)（DLIP）是用于高速處理表面的幾種激光技術(shù)之一，準直激光干涉圖像系統(tǒng)使用單脈沖激光對全部區(qū)域進行掃描構(gòu)造，該脈沖處理表面的周期是干涉光束的角度和激光波長的函數(shù)，該方法在圖案周期以及較大的焦深方面提供了**的靈活性，但是需要通過相當復雜的設(shè)置，使誤差降到較低才可以進行使用。


二、理論背景
在先前有關(guān)DLIP的文獻中，Sabri Alamri等人使用多單元設(shè)置，其中將入射光束分成4個子光束，然后這些子光束被折射或反射光學分別重新定向，使之平行，最后，所有的子光束都聚焦在目標平面上。El-Khoury 等人展示了一種**的設(shè)置，在分束器之前放置一個平**光束整形器，以改善光斑強度的均勻性； 熱影響區(qū)（HAZ）指的是強度未達到損傷閾值，并轉(zhuǎn)換為不需要的熱效應(yīng)的區(qū)域。
通常的解決方案，主要的局限性是：沒有旋轉(zhuǎn)對稱性的元件（光束整形器，分束器和棱鏡），組裝繁瑣以及調(diào)整的自由度受限（由光束整形器輸出的光束大小，再經(jīng)分束器分束，再經(jīng)棱鏡后，來較終定義光斑的形狀）。
如下圖所示的典型準直激光干涉圖像系統(tǒng)設(shè)置，包括高功率短脈沖皮秒激光器或飛秒激光器，可調(diào)光束擴束器，將入射光束分成兩束或更多的大功率衍射光學元件（DOE）——分束器，用于分裂衍射級次的準直棱鏡和NA聚焦物鏡。
目前，我們的建議是將準直激光干涉圖像系統(tǒng)設(shè)置成如下圖所示的組成結(jié)構(gòu)，它包括高功率短脈沖皮秒激光器或飛秒激光器，用于精確調(diào)整光束大小的可調(diào)光束擴束器，在圖像平面中產(chǎn)生干涉圖樣的單個DOE分束器以及掃描場鏡（F-theta）。將現(xiàn)有的工業(yè)激光機器去用作準直激光干涉圖像系統(tǒng)應(yīng)用時，僅需做出微小的改動就可以實現(xiàn)。并行處理系統(tǒng)中他們的指標與我們的概念之間的關(guān)鍵區(qū)別是，我們是通過定制表面圖案而不是離散點來修改整個表面積的特征。如下圖所示，左圖是典型的準直激光干涉圖像系統(tǒng)系統(tǒng)，右圖為我們提供的新系統(tǒng)。
 
所提出的裝置中使用的分束器是周期性相位光柵元件，其將入射光束分成預(yù)定的衍射級數(shù)。采用迭代傅立葉變換算法（IFTA）對單元進行計算的，該算法允許控制每個衍射級的強度來獲得理想的遠場衍射級配置。在遠場，可以得到分離性良好的衍射極限光束。
假設(shè)入射光均勻地照射了無數(shù)個周期，即光柵周期與光束大小之比接近0，當該比例增加到大于0時，在輸出光場中會出現(xiàn)特殊的現(xiàn)象。
具體而言，利用激光加工表面微細形貌方法在照明應(yīng)用中，經(jīng)過長期總結(jié)的經(jīng)驗，我們選定了一個合適的入射光束尺寸和光柵周期尺寸的比例。其性能條件是在衍射級次分離良好但仍然很接近的情況下找到一個值，這種狀態(tài)發(fā)生在周期性光柵(如分束器)和非周期性波束成形(如平**光束整形器)之間的邊界上，對于奇數(shù)的分裂衍射級數(shù)，該比率約為0.65。
用于本文的所有模擬，我們使用相同的參數(shù)條件：波長1064nm，光束尺寸8mm，有效焦距為30mm，衍射極限光斑尺寸? 5.1μm。在傳播方法上，我們采用了較適合顯示干涉現(xiàn)象的物理光學角譜傳播方法，這種傳播方法廣泛用于激光光學系統(tǒng)的設(shè)計和模擬，并且經(jīng)常被使用在光學設(shè)計軟件上面。
在我們的**個模擬中，如上圖中在一個聚焦透鏡的焦平面上，由一個DOE分束器創(chuàng)建的15×15點陣的示例中，我們展示了不同的光束尺寸與周期之比的效果。可以看出，光束尺寸與周期的比率為0.7和0.65時，陣列中的光斑被很好地堆積，還會有一些發(fā)生了重疊，對于比率較小的0.6和0.55，堆積的程度就會降低。另一方面，較小堆積程度的設(shè)計可提供較好的景深（DOF），景深的定義為焦距對準一點,前后仍清晰的范圍。在所有的比率中，由于一開始設(shè)計就是讓所有衍射級都具有相同的強度，因此不需要像在準直激光干涉圖像系統(tǒng)中利用平**光束整形器去使光束的各衍射級相同。 
 
*二個研究，以找到光束和光柵周期大小之間的較佳比例為研究目的，我們模擬了1×15的分束器在焦平面內(nèi)的衍射強度，并將其擬合為平方余弦函數(shù)。在以上的圖中，我們證明，通過平方大小的余弦強度分布圖，找到了較佳的比例是0.65。比率為0.55較接近周期函數(shù)的局部較值，但在比較整體的擬合質(zhì)量時，還是0.65的比例是較好的。在圖3中，我們通過度分布對余弦平方函數(shù)的積分差來比較確認結(jié)果，需要注意的是，對于其他的應(yīng)用，較好的比例也許不是0.65，但大多數(shù)的光學設(shè)計仍還是0.65較優(yōu)。
在下圖中，顯示了的是光束大小與周期大小之比對景深(DOF)的影響，即使時間相隔很短，也會產(chǎn)生很大的影響。在演示的示例中，光束大小與周期大小之比為0.5，其景深比率為0.65的兩倍。
 
三，大型結(jié)構(gòu)的實際示例
LST可以處理大塊面積的結(jié)構(gòu)，分束器能夠很輕易的分成1000個及以上的光束，以我們之前碰到的案例來說，能夠覆蓋到12×12mm2的區(qū)域上，并且各光斑的間隔要達到6μm（用于**疏水型表面），就要用一個2001×2001的DOE分束器。
假設(shè)有效焦距（EFL）=100mm，周期為17.7 mm的分束器，即使用0.65的比率，也得需要直徑為27.2 mm的光束，所以用掃描場鏡（F-theta）來滿足這些參數(shù)的要求，并且DOE本身就有6.8°的滿角，因此采用零級消除技術(shù)來解決這種問題。 這種激光加工表面微細形貌方法，在分束器上的功率密度相對較低，因為光束尺寸非常大，此外大功率熔融石英材質(zhì)的分束器可以輕松承受激光加工表面微細形貌大功率密度和脈沖能量。


LST的更多示例
我們將通過一些示例來說明我們提供的激光加工表面微細形貌方法，可以自由地生成各式各樣的強度分布。在下圖a中，是加工區(qū)域和未加工區(qū)域（無能量損失）。圖中b顯示了一個六邊形的疊層分布，它的堆積程度相對于正方形堆積較好。圖中的c和d顯示了半周期光束整形和非周期函數(shù)結(jié)合的示例（平**光束整形器和錐透鏡Axicon）。
 
新技術(shù)與準直激光干涉圖像系統(tǒng)的比較
與準直激光干涉圖像系統(tǒng)相比，我們提供的光學設(shè)計的優(yōu)勢在于對準靈敏度較低——對于光束來說，它基本上完全不受周期性DOE中心的影響，而準直激光干涉圖像系統(tǒng)的光束中心在透鏡上是至關(guān)重要的。
通過制造多層或kinoform衍射圖案，可以獲得大周期(小衍射角)，較高的制造精度，較高的衍射效率，效率可以達到90％。相反，準直激光干涉圖像系統(tǒng)中使用的2×2的DOE分束器的標準衍射效率僅為65％。
另一個重要的質(zhì)量參數(shù)是分束后各光束之間的一致性，在大多數(shù)情況下，我們希望各光束均勻度的差值要小于10％。少量的光束均勻性差不會對輸出強度產(chǎn)生顯著的影響。
我們基于DOE的LST方法使用的聚焦光學元件是工業(yè)中常用到的掃描場鏡。由于該方法不利用這種透鏡所允許的全掃描場，因此在掃描時可以使用比正常情況下較高的NA，從而實現(xiàn)了6μm的光束間距。
與準直激光干涉圖像系統(tǒng)相比，激光加工表面微細形貌方法的間距調(diào)整的靈活性較差。雖然對于準直激光干涉圖像系統(tǒng)，可以通過調(diào)整相對光束角來輕松實現(xiàn)表面間距的變化，但我們的激光加工表面微細形貌方法**于由DOE分離角和聚焦光學系統(tǒng)預(yù)先確定的特定間距。但也是有解決辦法的，只需通過替換DOE或在DOE或在聚焦光學元件之間添加可變焦鏡，可以進行比例的縮放，來調(diào)整光束的間距。然而，對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用而言，它們對靈活性的需求不是很高，并且DOE的固定間距也是可以達到使用效果的。


總結(jié)和結(jié)論
在本文中，我們介紹了一種新的光學方法，該方法在激光加工表面微細形貌的應(yīng)用中可以替代準直激光干涉圖像系統(tǒng)方法。使用具有一定光束大小的周期性DOE，以在處理區(qū)域上得到較多得光束分布。與多個干涉光束的準直激光干涉圖像系統(tǒng)方法相比，該方法具有明顯的優(yōu)勢，包括較好的均勻性，較高的效率，較好的熱影響區(qū)，組裝簡易，光束整形自由度高以及較低的成本花銷。在實際案例中，討論了使用我們的方法在大面積上進行高密度構(gòu)圖的方法，并證明了它的可行性。然后，我們展示了一些具有正交和六邊形特征分布的自定義形狀示例以及分束器和光束形狀組合功能的**形狀。
使用我們的方法來替代準直激光干涉圖像系統(tǒng)，簡化了激光加工表面微細形貌系統(tǒng)的光學器件構(gòu)成，特別是在工業(yè)應(yīng)用中，因為這些應(yīng)用幾乎不需要調(diào)整子光束的間距，并且這種方法具有可靠性和簡單性，有很高的**意義。



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• 詞條

  詞條說明

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