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激光加工中的“零级光妖怪”,如何智斗这位“不速之客”?——《黑神话:悟空》版

jf_64961214 来源:jf_64961214 作者:jf_64961214 2024-09-13 10:45 次阅读

你是否也曾幻想,自己化身孙悟空,手持如意金箍棒,斩妖除魔?在超快激光加工的世界里,我们正面临着一个隐藏在光路中的“小妖怪”——零级光。别看它个头不大,但它会悄悄影响加工精度,给你制造不少麻烦。今天,我们就以《黑神话:悟空》为灵感,来一场光学领域的除妖之战!

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01、零级光

零级光妖怪的来历

在激光加工的“天庭”里,空间光调制器(SLM)担任着掌控光线的“天将”角色。它负责对光束进行相位调制,将其转化为理想的光场。然而,事情并不总是那么顺利——由于SLM的“像素”之间存在空隙,有些光束无法被调制,它们反射出来,汇聚成了一个不请自来的小妖怪——零级光。

就像孙悟空修炼成神之前遇到的那些“小妖怪”一样,零级光虽然不起眼,但它随时可能跳出来捣乱,破坏加工效果。

如何逮住零级光?

我们先看一下空间光调制器基础加工光路:

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在设计加工光路时,SLM需要成像到光学系统的加工平面,通常位于聚焦物镜的前焦面。物镜的前后焦面具有傅里叶变换关系,SLM在前焦面加载相位信息,即可在后焦面生成所需光场。由于SLM与物镜的距离大于焦距,其相位/振幅分布会引发衍射导致光束畸变,因此需使用4f系统来真实重现SLM的相位和振幅。4f系统设计为SLM在第一个透镜前焦面,两个透镜相距2f,像平面位于第二透镜后焦面,物平面与像平面相距4f。

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经相机观察到经聚焦物镜聚焦到样品表面的光斑---“HPK”字样

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大家注意看,除了调制后的光斑外,还会出现一个亮点,即零级光。由于SLM的像素间存在间隔,入射到间隔部分的光未被调制,且玻璃表面有一部分光直接反射未被调制。这些未调制的光汇聚在透镜后焦点上,形成零级光。

02、应对方案

孙悟空的斗法——如何降服零级光妖怪

既然妖怪已经现身,那我们该如何借助孙悟空的智慧和战斗力来降服它?有几种战术可以让你从容应对,赶跑这位“妖孽”。

第一式:如意棒法——硬件出击,精准出手

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孙悟空的如意金箍棒能变大变小,随心所欲。而在激光加工中,硬件的优化就像悟空的棒法一样灵活强大。首先要保证入射的激光是纯净的水平偏振光,因为滨松的相位型SLM只对水平偏振光进行调制。如果入射光偏振不对,零级光妖怪会更嚣张。

你可以通过半波片+PBS组合,确保偏振方向完美无误。许多“天命人”(用户)初次使用SLM时,零级光非常明显,往往就是因为偏振没有调节好,就像悟空的棒法还不够纯熟。记得,如果使用绿光激光,人眼对绿光特别敏感,这时不妨借助“火眼金睛”——相机来观察零级光的强弱。

第二式:金箍棒三段击——软件法术,降妖伏魔

就像孙悟空对付妖怪时不仅依赖金箍棒,还善于施展各种法术,我们也可以通过不同的软件算法来“施法”,驱逐零级光。

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下面我们一一详细介绍这几种方法:

1. “腾云驾雾”之菲涅尔相位法

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通过在SLM上叠加菲涅尔透镜相位,你可以将衍射图像“腾云驾雾”般在光轴上移动,而零级光妖怪依然困在原地。叠加相位后,衍射图像会沿光轴前后移动,而零级光因未被SLM调制,最强的位置仍保持在透镜的后焦点。通过叠加菲涅尔透镜相位,可以在z方向上将衍射图像与零级光分离开。这一招很简单,但并不能完全消灭它,只能暂时把它“困住”——就像悟空一棒将妖怪打飞,却未彻底除掉。

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2. “分身术”之闪耀光栅法

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这一招可厉害了!借助闪耀光栅相位,你可以将衍射图像横向移动,就像悟空的分身术,将图像与零级光妖怪分开。对于使用了4F系统的空间光调制器系统,可以在4f系统的中央焦点位置放置一个光挡,就可以彻底的挡住零级光,使其再也无法作祟。这一招威力强大,能彻底解决零级光,但光路设计稍复杂,就像悟空的分身术需要精准掌控。

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3. “戳棍”之干涉消除法

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还有一种方法,类似于孙悟空用金箍棒戳妖怪。这是在设计相位图时,主动在零级光的位置生成一个与其对立的衍射光点,两者相互干涉,进而抵消掉零级光。这招虽然看似简单,但要精准戳中,找到合适的强度和相位来彻底消除零级光,还需要时间和耐心,就像悟空用金箍棒戳住妖怪,慢慢将其制服。

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如下为叠加菲涅尔透镜相位的方式降低零级光影响,调制后的光与零级光的z方向上分离,调节加工平台的高度位置,找到已经与零级光分离开的光斑:

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悟空的智慧结晶

在超快激光加工的“西游之路”上,零级光妖怪虽然烦人,但通过硬件的精准调控和软件的妙法组合,终能将其降服。无论是借助如意棒的刚猛之力,还是依靠法术的巧妙调度,零级光注定无法在光路中肆虐。

下次在激光加工中遇到零级光时,别慌!像孙悟空一样,从容应战,用你的智慧和技能,除掉这个“小妖怪”吧!

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新品推荐!700W蓝宝石SLM

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推荐光束直径 (1/e2) 为8mm或以上。

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铝镜型利用了 CMOS 芯片上铝电极的反射,具有较宽的反射波段,因此适用于较广的波长范围。

●介电多层镜型 (-02/-03/-05/-12/-13/-15/-16/-19)

介电多层镜型的 CMOS 芯片表面上具有专门设计的介电多层膜,可支持各种波长的激光光源。与铝镜型相比,介质镜实现的反射率越高,内部吸收率就越低。可实现高光利用率。

●水冷型(-02L/-02R/-03L/-03R/-03BL/-03BR/-12L/-12R/-15L/-15R/-16L/-16R/-19L/-19R)

介电多层镜型的灯头具有内置水冷散热器,可抑制激光辐照引起的升温,并实现高功率处理能力。

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除了水冷散热器外,蓝宝石玻璃还用于玻璃基板。因此,散热效率得以改进,功率处理能力超过700W。

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审核编辑 黄宇

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