基于全息图设计和反馈回路的飞秒激光多光束自适应调制

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Adaptive Modulation of Femtosecond Laser Multi-Beams based on Hologram Design and Feedback Loop

飞秒激光多束光场调控方法研究中，通过优化超表面 hologram 权重叠加和实时反馈系统，有效解决了单束激光能量分布不均及多束系统相位畸变问题，实验实现四束均匀调制，加工效率提升四倍，能量均匀性因子达0.965，标准差0.4%。

　　在现代精密制造领域，飞秒激光因其独特的微纳加工能力而受到广泛关注。相较于传统的长脉冲和连续波激光，飞秒激光具备极短的脉冲宽度、超高峰值功率以及较低的热影响区（HAZ）等优点，使得其在高精度、低损伤的微纳结构加工中展现出巨大潜力。例如，在加工100微米厚的钢箔时，飞秒激光能够生成边缘锐利、侧壁陡峭的微孔，几乎不产生热影响区域。在陶瓷微孔加工中，传统方法难以实现高度均匀的结构，而飞秒激光则能够制造直径一致、边缘整洁的微孔。此外，在消费电子行业常用的薄、硬、脆玻璃材料切割过程中，机械加工常导致材料裂纹，而飞秒激光加工则能实现无裂纹的清洁去除。这些优势使得飞秒激光在工业和科研中得到了广泛应用。

然而，尽管飞秒激光在加工精度方面表现出色，其单束配置的固有高斯光束特性却在一定程度上限制了加工效率和处理区域的大小。高斯光束的强度分布呈现中心高、边缘低的特点，导致在进行大面积处理时，难以实现均匀的能量分布，从而影响加工质量。为了解决这一问题，研究人员尝试通过多束光技术提高加工效率，例如利用液晶空间光调制器（LC-SLM）将光场调制为多束结构，以实现并行加工。然而，多束光方法也面临新的挑战，如由于光路中的相位畸变和光学像差导致的能量分布不均。因此，如何在提升加工效率的同时，确保多束光的能量均匀性，成为当前研究的重点。

为应对上述问题，本文提出了一种基于全息设计和实时反馈回路的多束光能量均匀性增强方法。该方法通过优化叠加全息图的权重，设计出具有均匀能量分布的多束光系统，同时结合实时反馈机制，对光源变形和硬件缺陷带来的光束质量影响进行动态补偿。实验结果显示，仅采用全息设计方法时，四束光的能量均匀性因子达到0.831，强度比的标准偏差为2.3%。当全息设计与反馈回路相结合时，能量均匀性因子进一步提升至0.965，强度比的标准偏差降低至0.4%。在实际加工过程中，激光烧蚀宽度的均匀性达到了6.10 ± 0.426微米，显著优于传统方法。这一成果不仅提升了飞秒激光的加工效率，还改善了加工质量，为飞秒激光在工业领域的应用提供了新的技术路径。

在实际应用中，多束光系统的均匀性对于微结构的加工质量至关重要。多束光的能量分布如果不均，会导致加工区域出现局部过热或能量不足的现象，进而影响最终产品的性能和一致性。因此，设计出能够实现高能量均匀性的多束光系统，成为提升飞秒激光加工效率的关键。目前，研究人员普遍采用全息设计方法来优化多束光的能量分布。全息设计的核心在于通过调整全息图的相位分布，使光束在空间中形成多个均匀分布的焦点。例如，有研究通过条带分割相位方法设计全息图，实现了高度均匀和灵活的多焦点分布，其能量均匀性因子达到了95%以上。此外，数字全息技术和相位恢复算法也被用于生成特定的多束光全息图，使光束在轴向和横向均能实现高均匀性分布，其能量均匀性因子甚至可以达到99.99%。这些方法在实际应用中表现出色，特别是在对高精度要求的材料加工过程中，如石英玻璃的内部切割，不仅提高了切割效率，还有效消除了裂纹和微裂纹等缺陷。

然而，尽管全息设计方法在实现多束光能量均匀性方面取得了显著进展，但在实际应用中仍然面临一些挑战。例如，光路中的硬件缺陷，如液晶空间光调制器（LC-SLM）表面不平整、污染、对准误差、光学元件老化等，都会影响光束的质量和能量分布。此外，光源在运行过程中可能因热漂移而产生波前畸变，导致光束形状发生变化。这些因素都会对多束光系统的性能造成不利影响，限制了其在工业中的广泛应用。为了解决这些问题，研究者们开始引入反馈控制技术，通过实时监测和调整光束参数，提高多束光系统的稳定性和一致性。例如，Silvennoinen提出了一种基于摄像头反馈的全息图修正方法，利用迭代傅里叶变换算法（IFTA）生成全息图，通过传感器检测光束信息并反馈给算法，实现对光束的动态优化。这种方法在多束光分割过程中显著提升了精度和一致性。Zhang等人进一步拓展了反馈控制技术，将其应用于三维光场调控，使得多束光系统能够适应更复杂的加工需求。Jiang等人则构建了类似的反馈系统，并将其应用于激光隐身切割，有效提升了切割质量。这些研究表明，反馈机制能够在一定程度上补偿硬件缺陷，提高多束光系统的整体性能。

尽管反馈控制技术在提升多束光系统性能方面展现出良好的应用前景，但其实施过程仍然存在一定的局限性。例如，反馈控制通常需要与相位恢复算法相结合，增加了系统的复杂性，也对硬件配置提出了更高的要求。此外，反馈控制系统的实时性、稳定性和成本等因素，也限制了其在某些应用场景中的推广。因此，如何在不依赖复杂算法的情况下，实现高效、稳定的多束光能量均匀性控制，成为当前研究的一个重要方向。

本文提出的方法在不依赖复杂相位恢复算法的前提下，通过全息设计和反馈回路的结合，实现了多束光的能量均匀性优化。首先，通过调整多个全息图的叠加权重，设计出具有均匀能量分布的多束光系统。这一设计方法能够在一定程度上克服传统多束光系统中由于相位畸变和光学像差导致的能量分布不均问题。其次，通过引入反馈回路系统，对光源变形和硬件缺陷的影响进行动态补偿。该系统能够实时监测光束质量，并根据检测结果自动调整全息图参数，从而确保多束光的能量分布始终保持在最佳状态。实验结果表明，该方法不仅能够实现四束光的均匀调制，还能够在实际加工过程中保持大面积微结构的均匀性，显著提升了加工效率和质量。

该方法的优势在于其结构相对简单，易于实现和控制。通过优化全息图的叠加权重，可以在设计阶段就确保多束光的能量分布较为均匀，减少了对实时反馈系统的依赖。同时，反馈回路的引入使得系统能够适应实际加工过程中可能出现的光束变形和硬件误差，从而提高系统的鲁棒性和稳定性。此外，该方法还能够在不增加额外硬件成本的情况下，通过软件算法实现对光束的动态调整，使得多束光系统更加灵活和高效。

在实际应用中，该方法可以广泛用于各种高精度材料加工场景，如半导体制造、精密光学元件加工、微电子器件制造等。特别是在需要大面积处理的工业应用中，如玻璃切割、陶瓷微孔加工、金属微结构加工等，该方法能够显著提高加工效率，同时确保加工质量的一致性。此外，该方法还能够与其他先进的激光加工技术相结合，如激光微加工、激光增材制造、激光焊接等，进一步拓展其应用范围。

在实验验证方面，本文通过搭建反馈回路多束光控制系统，对四束光的能量分布进行了测试。结果显示，仅使用全息设计方法时，四束光的能量均匀性因子为0.831，强度比的标准偏差为2.3%。这表明，尽管全息设计能够在一定程度上改善多束光的能量分布，但仍然存在一定的不均匀性。当引入反馈回路系统后，能量均匀性因子提升至0.965，强度比的标准偏差降低至0.4%。这一结果表明，反馈机制能够有效补偿硬件缺陷和光源变形，从而显著提升多束光系统的能量均匀性。在实际加工过程中，烧蚀宽度的均匀性达到了6.10 ± 0.426微米，说明该方法不仅能够实现能量均匀性，还能够确保加工区域的均匀性，为高质量微结构加工提供了可靠的技术支持。

综上所述，本文提出的方法为飞秒激光多束光系统的能量均匀性控制提供了一种新的解决方案。通过结合全息设计和反馈回路技术，该方法能够在设计阶段优化多束光的能量分布，并在实际加工过程中动态补偿硬件缺陷和光源变形，从而实现高效、稳定的多束光加工。这一成果不仅有助于提升飞秒激光在工业中的应用价值，还为未来多束光系统的进一步优化和拓展提供了理论依据和技术支持。随着相关技术的不断发展和完善，相信该方法将在更多领域中得到广泛应用，推动飞秒激光加工技术向更高精度、更高效的方向发展。