定制的焦点光束整形及其在激光加工中的应用

光束整形的方法是非常多样的，如非球面透镜组整形、微透镜阵列整形、衍射光学元件整形等等的整形镜片。在焦点区域产生定制的激光强度分布一直是一个热门的研究领域，目的是实现用户特定的材料加工需求、提高传统激光加工（如切割、钻孔和微烧蚀）效率、减少结构尺寸、提高加工的质量。在定制焦点强度分布上，为了获得聚焦的平顶强度分布，输入强度函数需要是傅里叶迭代变换，光学设计的任务便归结为光束整形，将具有高斯强度分布的准直光束转换为准直的Bessel-sinc形状的曲线。如图1所示，在其的光束整形系统的布局上，包括一个Airyshape发生器和一个聚焦透镜，基于操纵入射光束的径向相位分布，改变了整个焦点区域的干扰条件，也就是Airyshap光束，焦点强度分布随着工作距离的不同发生了明显的变化。

图1.光束整形系统的原理布局

对于焦点强度的分布变化，如图2中在焦平面附近±1.5毫米范围内沿Z方向的归一化光束轮廓的可视化，以及不同平面的相应光束轮廓可详细区分开来。沿传播方向形成了三个不同的顶帽轮廓，前两个显示了顶部强度的轻微波动，而最后一个（pos.4）是最平滑的均匀光斑，也就是说通过选择工作距离，这个甜甜圈光斑的轮廓形状可以被调整。

图2.在焦平面周围±1.5毫米范围内沿Z方向的归一化光束轮廓的可视化，以及不同平面的相应光束轮廓

如下为Asphericon所进行的激光加工实验：

在该实验中，一个二极管泵浦的Yb:KYW薄盘式飞秒激光系统（JenLas D2.fs，Jenoptik，德国）被用作光源。线性偏振输出光束的中心波长λ=1025 nm，脉冲持续时间τ=300 fs（FWHM），重复频率frep=100 kHz，脉冲能量E_imp≤40μJ。高斯输出光束（M² ∼ 1.08）被扩束器（5×）扩大，随后再通过光束整形元件（图3）。使用配备焦距为f_L=100毫米的F-theta物镜（JENar，Jenoptik，德国）的振镜扫描仪（IntelliScan14，Scanlab，德国），激光束被聚焦在样品表面。在束腰的光斑直径（pos.3）实验确定为2w_f∼34μm（1/e²强度）。沿着Z方向的焦点强度分布是由光束探测仪（SP928，Ophir）分析的。奥氏体不锈钢(X2CrNiMo17-12-2, Outokumpu, Germany)作为基材。用800、1200、2400目的SiC研磨纸和6、3、1微米的聚晶金刚石悬浮液，对样品表面进行手工研磨和抛光，使其平均表面粗糙度为Ra∼4nm。

图3.用于实际测试光束成形元件的实验装置，包括fs-激光系统、扩束器（5倍）、光束成形元件Airyshape和配备F-theta物镜（FL=100mm）的伽马扫描仪，用于扫描样品表面上的聚焦fs-激光束

激光处理后的样品表面在丙酮和异丙醇中进行了超声波清洗，随后通过扫描电子显微镜（SEM）（SigmaVP，卡尔蔡司，德国）在5KV的加速电压下利用二次电子信号对其形貌进行表征。在这种情况下，激光诱导周期性表面结构(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)的排列和空间周期被量化了。

图4.在不同的Z位置，由光束整形元件提供的规格光束的不锈钢表面的SEM显微照片

作为激光脉冲数N的函数（脉冲能量Eimp保持恒定在13μJ）

当材料表面被放置在激光扫描仪的焦点位置上，并根据各自的Z位置选择特定的强度参数（图2），通过图4的SEM照片的比较可看出产生定制焦点强度的能力和样品表面的分布与Z位置有关。甜甜圈形状的强度曲线（pos.1）导致了环形烧蚀的几何形状，在光束曲线的中心有一个明显的最小强度[图4（a）-4（c）]，该区域在最高脉冲数N=200的情况下，其材料表面也不会受到激光辐射的影响。用平顶模型得到的烧蚀点（pos.2）表现出轻微调制的表面形貌[图4（d）-4（f）]。在束腰位置（pos.3），SEM微图显示了熔体的形成[图4（g）和4（h）]和烧蚀坑中心的过度、不均匀的烧蚀，特别是在最大脉冲数N=200时可以观察到[图4（i）]。这两种现象都是由非常高的脉冲数造成的高斯光束曲线中心的强度伴随着热积累的现象。相反，平顶强度曲线（位置4）的无调制、平顶光斑导致光束截面上非常均匀的烧蚀[图4（j）-4（l）]。上述揭示了飞秒激光入射引起的烧蚀点中特征纳米结构的出现。它们指的是LIPSS，其特征在于空间周期约为 940 nm（即 Λ ∼ 0.9⋅λ）。

图5.使用线性偏振飞秒激光辐射对不锈钢表面进行LIPSS结构化的SEM显微照片

(a)   高斯光束图(2wf-) 34微米，Eimp = 2.6μJ，v = 0.67米/秒，以及Δx = 6微米）；（b）顶帽（2wf∼47微米，

Eimp =6 μJ, v = 0.67 m/s, and Δx =6 μm）；（c）顶帽（2wf∼47 μm，Eimp =6 μJ, v = 1.2 m/s, and Δx =6 μm）

图6.从白光照明中获得的（10×10）mm2的不锈钢样品上的结构颜色

对于LIPSS的表面最突出的特点，是在白光的照射下从不同的观察角度观察到的不同颜色的外观。图6说明了这些结构的颜色在不锈钢表面的结构与顶帽的焦点强度分布[图5（c）]。对于平顶状结构（pos.4），SEM照片在图5(c)表明，扫描速度可以增加一倍而达到v = 1.2 m/s，并无需进一步优化处理参数。由于计算出的傅里叶变换表面的图案质量几乎不变，处理时间却能减少了2倍（每小时约30秒），所以这对经济规模的扩大有很大的优势。

上述关于Asphericon的激光加工实验结果的各种定制强度分布的三种不同的平顶形状对比，其中Airyshape的一种平顶光斑（pos.4）被用来产生非常均匀的大面积LIPSS。它与聚焦高斯光束的传统方法相比，处理速度提高了一倍，可以在大约30秒内完成1平方厘米的表面结构。所以说，使用这种定制的焦点分布来进行确定性的微加工是很有优势的。