泰德混合算法，让可编程光束整形精益求精（上）

激光因高相干性、高亮度、高单色性和高方向性等特点，如今已被广泛应用于工业、医学、消费电子、半导体、交通运输和新能源等行业。同时，随着应用行业和加工材料的不同要求，让单一光束技术的瓶颈和局限性日益凸显，从而引发了行业对光束整形技术的需求。

 

近年来，由陆明博士带领的泰德激光研发团队成功开发了“泰德混合算法”（TETE Hybrid），在行业现有的多种算法基础上对其进行改进和优化，使其光束更适合半导体和工业领域。接下来，我们将分两期呈现相关内容，本期内容聚焦当前光束整形技术和行业趋势。

 

 

请介绍一下当前光束整形的技术发展？
泰德：目前，根据不同应用领域对光束形态的不同需求，多种光束整形方法应运而生，如基于几何光学的透射光学和折射光学，以及基于物理光学的衍射光学等。衍射光学元件（DOE）能够通过改变激光波前相位，得到所需光强分布并且能量利用率高，再加上体积小、重量轻的优点，成为光束整形的理想选择。

 

但行业在DOE制备上普遍采用蚀刻工艺或液晶相位固化工艺等，制作完成后对入射光以及光路系统有严格的要求如光束大小、偏振态等，且整形后的光束形态是固定的，无法调整或改变。而基于空间光调制器（SLM）的衍射器件，可通过对目标光斑形态进行相位设计和计算，实现对光束整形的动态调整，极大拓展了光束整形的应用范围和灵活性。相关相位的核心算法对基于SLM的光束整形来说，至关重要。

 

 

请介绍一下光束整形的主要方法有哪些？
泰德：光束整形就是将光强分布呈高斯分布的入射激光束变成所需的各种光强分布。该分布一般是在二维平面生成所需要的场强分布或者多焦点阵列，也包括在三维空间生成多焦点或者空间特殊形态的场强分布，最常见的就是整形是在一定范围内强度呈均匀分布的平顶光束、环形光束、点环光束以及多焦点阵列等。图1所示的是理想高斯光束整形，各种平顶光束和点阵的示意图。 

 

图1：常见的光束整形的目标形态

 

目前，光束整形技术主要是利用物理光学或者几何光学原理来实现。从光束整形机理来看，折射光学单元（ROE）、非球面透镜法（ABS）、双折射透镜组法、数字微镜器件（DMD）等主要是利用几何光学中的折射、反射或透射原理，因此属于几何光学的范畴。而微透镜阵列法、衍射光学元件法（DOE），以及液晶空间光调制器（SLM）整形法，主要利用的是衍射原理，通过调整波前相位实现光场重构，因此属于物理光学的范畴。 

 

对于光束整形的分类，基于使用过程中的可调节特性进行分类的有两种，一种是固定式光束整形元件，包括折射光学单元（ROE）、非球面透镜（或透镜组）以及微透镜阵列（Micro Lens Array）；另外一种是可编程光束整形技术，包括空间光调制器（SLM）和数字微镜器件（DMD）等，如图2所示。

 

图2：光束整形的分类

 

 

可编程光束整形在实际应用中有哪些显著优势？
泰德：可编程光束整形是在基于空间光调制基础上，对现有基于傅里叶变换迭代算法进行优化，对入射高斯光束进行整形，生成典型的光束形态如平顶光斑，同时也可以在空间生成多焦点阵列并对每个焦点的权重进行分配，较现有的GS算法、MRAF算法和WGS等算法，具有明显优势。泰德混合算法（TETE Hybrid）可以很好地平衡整形面的均匀度、能量利用率以及计算时间三者之间的关系。

 

可编程光束整形技术，可以极大提高激光材料加工测试效率，降低测试成本，在激光半导体晶圆隐形切、激光low-k开槽、激光钻微孔、激光微纳结构加工、激光制备超表面、双光子聚合、激光诱导近场增强、表面激元等方便具有广泛的应用。

 

 

基于几何光学和物理光学的光束整形机理有何不同？
泰德：液晶空间光调制器的简称为LC-SLM，利用液晶分子的电光特性以及电控双折射效应而制成的一类光学器件。LC-SLM可以对入射到其光学表面的光束进行调制，调制的参数包括相位、振幅以及偏振态等。

 

另外一种可编程振幅调制器件为数字微镜器件（DMD），一般是纯振幅调制。无论是振幅调制还是相位调制，都是希望在特定的平面位置得到所需要的光场分布，但两种调制方式有本质不同。基于DMD的振幅调制是将入射光强度（振幅）按照目标强度图进行选择性地通过或反射（由微反射镜的偏转角度决定）。

 

图3：基于振幅调制的DMD和基于相位调制的SLM的区别

 

如图3所示，图案中蓝色部分（没有光强部分）的光被遮挡或反射掉（反射到观察平面范围之外，转换成热能散掉），通过的光呈现出所需要的光强分布形态。但是由于图案之外的部分的光被遮挡或反射掉，因此，振幅调制的入射光能量利用率较低（取决于图案的大小和形态），一般只有个位百分数。

 

而基于LC-SLM纯相位调制的光束整形是基于物理光学原理，通过对每个像素的液晶偏转角度进行调控，来达到改变入射到该像素的光程的目的，以实现对入射光波前相位进行调制的目的。观察面所形成的目标图案中的每个像素，都是由LC-SLM中的所有像素共同参与的结果。因此，这种调制方式的能量利用率，远远高于基于几何光学的DMD调制，如图3所示。

 

当空间光调制器（SLM）对光束进行纯相位调制时，它就类似于一个衍射光学元件（DOE），或者说LC-SLM是一个可对每个像素单元进行独立控制的可编程的衍射光学元件（DOE）。

 

 

对于激光材料加工工艺测试，为什么说可编程光束整形的优势尤为突出？
泰德：传统的激光工艺测试需要对不同的光束形态和材料的相互作用进行测试，以确定合适的光斑形态和能量分布。在测试过程中，需要用到不同的衍射光学元件（DOE）。通常的做法是将所需的光束形态和能量分布等技术指标，提交给专业制作DOE的第三方公司进行DOE制作。第三方厂家根据要求进行DOE的设计、加工和检测，这一过程通常需要1-2个月的时间，最快可能也需要3周时间。

 

图4：可编程光速整形和衍射光学元件（DOE）的比较

 

用户在得到DOE后，经过测试可能发现DOE没有达到预期效果，这时就需要对DOE进行调整或重新设计DOE，因此每修改一次或重新制作都至少需要1个月的时间，如果整个过程需要10个DOE或进行了10次修改，至少需要半年才能完成测试实验。而可编程光束整形只需要一个LC-SLM模块，通过控制软件，敲击键盘就可以实时修改光束形态和能量分布，大大缩短了测试周期，两者的比较如图4所示。 

 

 

在精密微加工领域，可编程光束整形的优势体现在哪些方面？
泰德：在进行脆性材料切割或材料表面薄膜去除时，用户总是需要在质量和速度之间进行权衡。为了在较小或无热影响区的情况下获得良好的质量（无碎屑或裂纹），需要使用较低激光功率水平，因此材料去除率或切割速度较低，并且相对于可用功率的激光能力远未被利用，如图5.a）所示。

 

图5：a)材料加工阈值远远低于激光的能量，能量利用率低；b)通过光束整形产生多焦点，可以降低热影响区，提高激光能量利用率

 

为了解决这个问题，可编程光束整形可以在焦平面上生成多焦点点阵，将入射激光束分割成多个激光束，每个激光束具有较低的功率（但不影响去除质量），提高了激光能量利用率，如图5.b）所示。通过多焦点的排列可以使加工的线宽成倍增加，极大提高了加工效率和灵活性，多焦点阵列的每个焦点可以是高斯光，也可以是平顶方形光斑，而且多焦点阵列的焦点数量和点间距可以根据需要进行任意调整。

 

另外，通过对多焦点阵列（比如1X5多焦点阵列）和扫描方向的夹角进行调整，可以改变加工线条的宽度，具有很大的灵活性，如图6所示。使用多焦点技术可以实现加工质量和效率的平衡，确保最小热影响区和较高的质量，同时实现较高的产率。

 

 

可编程光束整形除了在焦平面形成多焦点外，还可以在沿着入射光传播方向上形成多焦点，这一优势对于切割脆性晶体材料尤为重要。对于硬质材料，比如碳化硅或蓝宝石等脆性晶体材料，常规的单焦点激光加工是将入射激光通过高NA物镜，聚焦在材料内部，对材料进行改质。由于焦点处所形成的改质深度一般为10μm-20μm左右，因此需要在材料内部不同的深度进行多次改质（5-8次）来完成具有一定厚度的隐形切割工艺。

 

图7：沿Z-轴方向多焦点示意图，a)同轴多焦点示意图；b)同轴多焦点实测图；c)非同轴多焦点示意图；d)非同轴多焦点实测图

 

可编程光束整形通过对相位图的编辑计算，将入射激光束衍射成不同焦距的出射光，在材料内部形成沿光传播方向生成多个焦点。多焦点之间的间距以及功率权重可以任意调整，如图7所示，多焦点可以是同轴多焦点（图7a、b），也可以是非同轴多焦点（图7c、d），不同焦距的激光束都会在材料内部形成改质层。这样比多次扫描工艺效率更高，由于加工持续时间更短，光束相互跟随，材料内部形成热梯度降低，减少了热影响区，可以大幅提升加工效率。