《基于空间光调制器的光场调控技术》主要利用空间光调制器的可编程特性，分析其模拟光栅、透镜、轴锥镜等光学器件的原理，并利用这些器件实现灵活的光场调控。《基于空间光调制器的光场调控技术》介绍的光场调控技术主要有：将单光束变为能量、数量、位置可控的二维和三维空间多光束；将光束聚焦成轴向光强可控的线光束；将圆形高斯光束整形为高均匀性、高能量利用率的多形状光束和自加速光束；将线偏振光变换为多偏振态光和涡旋光等。这些技术的应用主要有：半导体晶圆切割、多截面成像、二维码的高效加工、不同偏振态在材料中的加工等。

目录
前言
第1章 概述 1
1.1 光场调控的意义 1
1.2 光场调控对激光加工的影响 1
1.3 超快激光加工中需要的光场调控技术 3
参考文献 5
第2章 空间光调制器特性分析 7
2.1 空间光调制器的结构 7
2.2 相位调制原理 8
2.2.1 动态散射效应 9
2.2.2 电控双折射效应 9
2.2.3 相变效应 10
2.3 液晶空间光调制器相位误差 11
2.3.1 像素间串扰误差 13
2.3.2 空间非均匀相位误差 13
2.3.3 时域波动误差 13
2.4 基于泽尼克多项式的波像差校正 13
参考文献 15
第3章 利用空间光调制器模拟光学器件 16
3.1 透镜 16
3.2 一维光栅 17
3.2.1 二元光栅 17
3.2.2 闪耀光栅 19
3.2.3 正弦光栅 22
3.3 二维光栅 23
3.3.1 等占空比的正交光栅 23
3.3.2 占空比变化的正交光栅 32
3.3.3 棋盘光栅 40
3.4 轴锥镜 42
3.4.1 用CGH模拟正轴锥镜 43
3.4.2 用CGH模拟负轴锥镜 46
3.4.3 轴锥镜模拟结果分析 47
3.4.4 用空间光调制器模拟负轴锥镜 49
3.5 菲涅耳镜 50
3.6 数字复用透镜 51
参考文献 53
第4章 轴向光强调控技术 55
4.1 零阶贝塞尔光束的基本性质 55
4.2 轴锥镜生成贝塞尔光束轴向光强分布理论分析 57
4.2.1 平行光入射轴锥镜生成贝塞尔光束 57
4.2.2 高斯光入射轴锥镜生成贝塞尔光束 60
4.3 *面轴锥镜对轴向光强的调控分析 61
4.3.1 *面透镜调控轴向光强原理 61
4.3.2 振幅透过率函数理论 62
4.3.3 非直线轴锥镜的实验结果分析 65
4.4 基于高次*面的轴向光强调控方法 68
4.4.1 理论分析 68
4.4.2 仿真结果 71
4.4.3 实验设计与实验装置 76
4.4.4 实验结果与分析 76
4.5 角度偏转控制方法 78
4.5.1 理论分析 78
4.5.2 仿真结果 83
4.5.3 实验设计与实验装置 85
4.5.4 实验结果与分析 85
4.6 贝塞尔阵列控制方法 87
4.6.1 贝塞尔阵列生成 87
4.6.2 贝塞尔阵列数值仿真 94
4.6.3 贝塞尔阵列实验 98
4.6.4 多贝塞尔轴向光强的进一步调控 101
4.7 高阶贝塞尔光束的调控方法 102
4.7.1 高阶贝塞尔光束的特性 103
4.7.2 螺旋相位板和轴锥镜组合 105
4.7.3 螺旋相位和锥面相位叠加 106
参考文献 108
第5章 空间多焦点调控技术 110
5.1 常用多焦点的调控方法 110
5.1.1 GL算法 110
5.1.2 GS算法 111
5.1.3 GSW算法 113
5.1.4 算法的优化及存在的理论问题 114
5.2 基于图像反馈的二维多焦点调控方法 115
5.2.1 基于图像反馈的二维多焦点调控原理 115
5.2.2 多光束数量实验 117
5.3 三维空间多焦点调控方法 122
5.3.1 基于图像反馈的3D-GS算法原理 122
5.3.2 空间三维多焦点调控实验 126
5.4 焦线与多焦点共光路设计 132
5.5 多焦点球差校正 133
参考文献 135
第6章 光束整形方法 137
6.1 光束整形方法概述 137
6.1.1 折射整形方法 138
6.1.2 衍射整形方法 139
6.1.3 光束整形方法总结 142
6.2 光束整形质量评价指标 142
6.3 几何稳相法光束整形 143
6.3.1 几何稳相法光束整形原理 143
6.3.2 几何稳相法求解调制相位 144
6.3.3 编码相位全息图 147
6.3.4 仿真模拟 148
6.3.5 影响几何稳相法光束整形质量的因素分析 151
6.4 光栅掩膜法光束整形 153
6.4.1 光栅掩膜法光束整形原理 153
6.4.2 整形光束的成像范围 156
6.4.3 高质量整形光束的动态转换 157
6.4.4 不同光栅对整形光束质量的影响 159
6.5 组合光栅掩膜法光束整形 161
6.5.1 组合光栅掩膜法实验分析 161
6.5.2 外部光栅的影响 162
6.5.3 内部光栅的影响 164
6.5.4 实验结果与分析 166
6.6 不同方法整形质量的比较 169
6.6.1 几何稳相法和组合光栅掩膜法整形结果 169
6.6.2 几何稳相法和组合光栅掩膜法与传统光束整形方法对比 170
参考文献 172
第7章 光束偏振态控制方法 176
7.1 光束偏振态的基本理论 176
7.1.1 理论分析 176
7.1.2 光束的四种偏振态 177
7.1.3 基于空间光调制器的光束偏振态控制方法 178
7.2 不同偏振态在飞秒激光柔性电路板打孔的实验分析 185
7.2.1 柔性电路板单脉冲飞秒激光损伤阈值实验结果与分析 187
7.2.2 不同偏振光能量对孔径大小的影响 188
7.2.3 不同偏振光对烧蚀程度的影响 189

第1章 概述
　　1.1 光场调控的意义
　　光作为电磁波的一部分，拥有多个维度的信息，如振幅、相位、波长、偏振态等，振幅用于衡量光波能量的大小，相位表示光振动的状态，偏振态是光的横波性的体现。这些信息与物体的相互作用可以反演出物体的形状、距离、姿态和结构等诸多重要目标特征，人类可利用这些信息感知并归纳自然界的现象、变化及规律。
　　随着激光和光学技术的不断发展，常规的光场已经无法满足科技日益增长的需求，光场调控技术应运而生。光场调控是通过特殊光学器件改变输出光束的时间特性和空间特性，调控的参数包含光束的频率、振幅、相位和偏振态等。通过调控光束的振幅、相位和偏振态等信息实现光场的空域调控，得到非均匀分布的新颖空间结构光场，能够极大地增加光在传播中携带的信息或与物质作用的功能。这些优异的特点使得光场调控技术广泛应用于光学显微、光学微操纵、激光加工、光信息存储、光通信、全息显示等领域。
　　光场调控器件和编码方法是空间光场调控技术的关键。常用的空间光场调控器件主要有衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)、数字微镜器件(digital micro-mirror device，DMD)、空间光调制器(spatial light modulator，SLM)、变形镜(deformable mirror，DM)和超构表面(superstructure surface，SS)等。
　　1.2 光场调控对激光加工的影响
　　激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。激光具有能量密度高、方向性好、相干性高、热影响区小等优点，在工业加工领域中备受青睐。激光*一无二的特性使之成为微加工的理想工具，广泛应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。
　　激光精密加工的加工质量实际上是加工过程中激光工艺参数(如功率、频率、速度等)与材料固有属性(如吸收率、比热容、晶格方向、折射率等)的集中体现。由于传统机械加工设备需要接触加工，在许多材料加工中存在一些不足，如在超硬材料和脆性材料上主要表现为砂轮或者钻头磨损严重，材料成品率低。激光加工有着传统加工方式无法比拟的优势：①激光加工属于非接触加工，因此无磨损、形变，无原材料浪费；②激光能量集中，功率密度和峰值功率极高，因此其热影响区小，对非加工部位影响很小；③激光能量密度高，加工速度快，生产效率高；④激光加工方法灵活，配合振镜或者切割头可以完成复杂图形的加工。
　　由于激光加工是一种非接触式的加工方式，具有功率大、加工精度高、加工速度快、无机械损伤等特点，适用于多种材料的加工。超快激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小，因此其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。
　　近年来在许多精密加工领域，激光加工逐渐取代了机械加工。采用激光切割更有利于提高芯片切割的成品率和进行大规模生产，而机械切割效率低下，边缘崩边大，刀轮、切割液等耗材费用极高，机器保养成本高昂。激光切割为非接触式加工，具有很多机械加工无法比拟的优势，激光加工具有环保、效率高、崩边小等优势，如图1.1所示(图片来源于滨松光子网站)。
　　图1.1 激光隐形切割与机械切割晶圆加工效果图
　　超快激光加工技术因超快激光具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率，在其与物质相互作用时足以使材料发生电离形成改性区等特性，可以实现对半导体行业薄硅片、碳化硅、蓝宝石等基片、晶圆和显示面板行业超薄玻璃的高质量、高效率精密加工。在全球半导体集成电路产业、智能手机、物联网传感器产业等市场驱动下，工业发达国家极力推出超快激光加工系列产品。超快激光微纳加工技术成为诸多行业不可或缺的利器[1，2]。
　　超快激光在金属、半导体、电介质、生物组织等各种材料都有应用，在加工区域周围有非常小的热影响区，同时激光加工具有高适应性的特点，可以有效地解决现有技术的加工缺陷。国内外对二代半导体脆性材料(如Si晶圆等)的超快激光微纳加工研究已经超过十年，对三代半导体材料(如SiC晶圆等)的超快激光微纳加工研究刚刚起步，但是技术路线主要集中在单高斯聚焦光束。半导体行业精密化的发展，对加工精度、效率质量要求愈发提高，传统单高斯聚焦光束由于其能量分布特性，加工质量与加工效率无法满足要求，因此半导体硬脆材料激光加工对光束整形、多光束并行等光场调控手段需求迫切[3，4]。
　　然而，对于一些特殊材料的加工(如玻璃切割、晶圆切割、柔性电路板打孔等)，尤其以3C产业为代表的加工领域，目前商用的超快激光在加工时的能量利用率非常低，从而加工效率低下，加工时间过长，成本过高。超快激光是加工半导体硬脆材料的理想手段，而弄清楚半导体硬脆材料激光精密加工机理是构建激光性能参数与加工质量约束关系的前提，是实现高质量高精密加工的关键，采用合适的激光参数在半导体硬脆材料内部产生可控的改制区和裂纹是提高激光加工质量的理想