定制的焦點光束整形及其在激光加工中的應(yīng)用

光束整形的方法是非常多樣的，如非球面透鏡組整形、微透鏡陣列整形、衍射光學元件整形等等的整形鏡片。在焦點區(qū)域產(chǎn)生定制的激光強度分布一直是一個熱門的研究領(lǐng)域，目的是實現(xiàn)用戶特定的材料加工需求、提高傳統(tǒng)激光加工（如切割、鉆孔和微燒蝕）效率、減少結(jié)構(gòu)尺寸、提高加工的質(zhì)量。在定制焦點強度分布上，為了獲得聚焦的平頂強度分布，輸入強度函數(shù)需要是傅里葉迭代變換，光學設(shè)計的任務(wù)便歸結(jié)為光束整形，將具有高斯強度分布的準直光束轉(zhuǎn)換為準直的Bessel-sinc形狀的曲線。如圖1所示，在其的光束整形系統(tǒng)的布局上，包括一個Airyshape發(fā)生器和一個聚焦透鏡，基于操縱入射光束的徑向相位分布，改變了整個焦點區(qū)域的干擾條件，也就是Airyshap光束，焦點強度分布隨著工作距離的不同發(fā)生了明顯的變化。

圖1.光束整形系統(tǒng)的原理布局

對于焦點強度的分布變化，如圖2中在焦平面附近±1.5毫米范圍內(nèi)沿Z方向的歸一化光束輪廓的可視化，以及不同平面的相應(yīng)光束輪廓可詳細區(qū)分開來。沿傳播方向形成了三個不同的頂帽輪廓，前兩個顯示了頂部強度的輕微波動，而最后一個（pos.4）是最平滑的均勻光斑，也就是說通過選擇工作距離，這個甜甜圈光斑的輪廓形狀可以被調(diào)整。

圖2.在焦平面周圍±1.5毫米范圍內(nèi)沿Z方向的歸一化光束輪廓的可視化，以及不同平面的相應(yīng)光束輪廓

如下為Asphericon所進行的激光加工實驗：

在該實驗中，一個二極管泵浦的Yb:KYW薄盤式飛秒激光系統(tǒng)（JenLasD2.fs，Jenoptik，德國）被用作光源。線性偏振輸出光束的中心波長λ=1025 nm，脈沖持續(xù)時間τ=300 fs（FWHM），重復頻率frep=100 kHz，脈沖能量Eimp≤40μJ。高斯輸出光束（M2 ～ 1.08）被擴束器（5×）擴大，隨后再通過光束整形元件（圖3）。使用配備焦距為fL=100毫米的F-theta物鏡（JENar，Jenoptik，德國）的振鏡掃描儀（IntelliScan14，Scanlab，德國），激光束被聚焦在樣品表面。在束腰的光斑直徑（pos.3）實驗確定為2wf～34μm（1/e2強度）。沿著Z方向的焦點強度分布是由光束探測儀（SP928，Ophir）分析的。奧氏體不銹鋼(X2CrNiMo17-12-2, Outokumpu,Germany)作為基材。用800、1200、2400目的SiC研磨紙和6、3、1微米的聚晶金剛石懸浮液，對樣品表面進行手工研磨和拋光，使其平均表面粗糙度為Ra～4nm。

圖3.用于實際測試光束成形元件的實驗裝置，包括fs-激光系統(tǒng)、擴束器（5倍）、光束成形元件Airyshape和配備F-theta物鏡（FL=100mm）的伽馬掃描儀，用于掃描樣品表面上的聚焦fs-激光束

激光處理后的樣品表面在丙酮和異丙醇中進行了超聲波清洗，隨后通過掃描電子顯微鏡（SEM）（SigmaVP，卡爾蔡司，德國）在5KV的加速電壓下利用二次電子信號對其形貌進行表征。在這種情況下，激光誘導周期性表面結(jié)構(gòu)(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)的排列和空間周期被量化了。

圖4.在不同的Z位置，由光束整形元件提供的規(guī)格光束的不銹鋼表面的SEM顯微照片

作為激光脈沖數(shù)N的函數(shù)（脈沖能量Eimp保持恒定在13μJ）

當材料表面被放置在激光掃描儀的焦點位置上，并根據(jù)各自的Z位置選擇特定的強度參數(shù)（圖2），通過圖4的SEM照片的比較可看出產(chǎn)生定制焦點強度的能力和樣品表面的分布與Z位置有關(guān)。甜甜圈形狀的強度曲線（pos.1）導致了環(huán)形燒蝕的幾何形狀，在光束曲線的中心有一個明顯的最小強度[圖4（a）-4（c）]，該區(qū)域在最高脈沖數(shù)N=200的情況下，其材料表面也不會受到激光輻射的影響。用平頂模型得到的燒蝕點（pos.2）表現(xiàn)出輕微調(diào)制的表面形貌[圖4（d）-4（f）]。在束腰位置（pos.3），SEM微圖顯示了熔體的形成[圖4（g）和4（h）]和燒蝕坑中心的過度、不均勻的燒蝕，特別是在最大脈沖數(shù)N=200時可以觀察到[圖4（i）]。這兩種現(xiàn)象都是由非常高的脈沖數(shù)造成的高斯光束曲線中心的強度伴隨著熱積累的現(xiàn)象。相反，平頂強度曲線（位置4）的無調(diào)制、平頂光斑導致光束截面上非常均勻的燒蝕[圖4（j）-4（l）]。上述揭示了飛秒激光入射引起的燒蝕點中特征納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。它們指的是LIPSS，其特征在于空間周期約為 940 nm（即 Λ ～ 0.9?λ）。

圖5.使用線性偏振飛秒激光輻射對不銹鋼表面進行LIPSS結(jié)構(gòu)化的SEM顯微照片

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

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

圖6.從白光照明中獲得的（10×10）mm2的不銹鋼樣品上的結(jié)構(gòu)顏色

對于LIPSS的表面最突出的特點，是在白光的照射下從不同的觀察角度觀察到的不同顏色的外觀。圖6說明了這些結(jié)構(gòu)的顏色在不銹鋼表面的結(jié)構(gòu)與頂帽的焦點強度分布[圖5（c）]。對于平頂狀結(jié)構(gòu)（pos.4），SEM照片在圖5(c)表明，掃描速度可以增加一倍而達到v = 1.2 m/s，并無需進一步優(yōu)化處理參數(shù)。由于計算出的傅里葉變換表面的圖案質(zhì)量幾乎不變，處理時間卻能減少了2倍（每小時約30秒），所以這對經(jīng)濟規(guī)模的擴大有很大的優(yōu)勢。

上述關(guān)于Asphericon的激光加工實驗結(jié)果的各種定制強度分布的三種不同的平頂形狀對比，其中Airyshape的一種平頂光斑（pos.4）被用來產(chǎn)生非常均勻的大面積LIPSS。它與聚焦高斯光束的傳統(tǒng)方法相比，處理速度提高了一倍，可以在大約30秒內(nèi)完成1平方厘米的表面結(jié)構(gòu)。所以說，使用這種定制的焦點分布來進行確定性的微加工是很有優(yōu)勢的。