CN112639421A - 自适应激光束整形 - Google Patents

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Abstract

一种用于对相干初级光束进行自适应分束的方法，该方法包括：通过用空间光调制器(SLM)对初级光束进行相位调制来产生期望的远场分布，引导初级相干光束以在空间光调制器的显示元件上反射，从而避免了任何移动元件对初级相干光束进行整形，在初级光束通过所述空间光调制器之后，从该初级光束提取监测光束和主光束，使用相机测量监测光束，将监测光束中的期望的远场分布引导到相机的传感器表面上。在第一选项中，该方法包括引导初级光束通过第一聚焦元件(L1)，该第一聚焦元件被配置为将远场分布聚焦到第一聚焦元件的聚焦平面上作为实输出分布，并且通过第一聚焦元件将监测光束中的远场分布聚焦到相机的传感器表面上。在第二选项中，该方法包括引导监测光束通过第二聚焦元件(L2)，该第二聚焦元件被配置为将远场分布聚焦在相机的传感器表面上。对于第一或第二选项，该方法还包括使用可变强度调节器来调节相机的动态范围，以根据远场分布来控制入射监测光束的强度，和配置闭环以使得能够进行空间光调制器的显示元件的相位计算，其中，将来自相机的输出信号输入所述闭环中，以进行控制器执行的相位计算算法的多次迭代，其中，在第一选项中，使用第一聚焦元件，而不包括第二聚焦元件，并且在第二选项中，使用第二聚焦元件，而不包括第一聚焦元件。

Description

自适应激光束整形
技术领域
本发明涉及相干或部分相干辐射的自适应光束整形的领域，着眼于并行直接结构化、微结构化和分束，以及用于加工材料的工业用途，其中，相位调制空间光调制器(SLM)用于光束整形。
背景技术
以下提供了多个出版物来描述本发明的背景。
仅在专业和科学文献中很少描述通过空间光调制器(SLM)进行激光辐射的自适应光束整形的方法。该领域最值得注意的出版物之一是Matti Silvennoinen于2014年发表的论文[SIL13]。其中描述的进行方法具有以下特性：
·使用超短辐射脉冲(脉冲宽度<500ps)；
·使用相位调制的SLM进行光束整形；
·通过映射聚焦在中间平面(傅立叶平面)中的多个部分光束的直接结构化；和
·闭环用于迭代地确定相位并将其显示在SLM显示器上，其中，将闭环(CL)算法配置为通过相机测量每个迭代周期的输出光束分布，并将其重新注入作为迭代相位计算算法的输入。这样的算法在本文中将以缩写“CL”来引用。
公开的进行方式要求在SLM显示器的位置处知道输出分布或主激光束轮廓。其测量至少需要时间上的补充工作和改变光路的光学设置，这对于生产是不利的。
所公开的装置缺乏整体特征，即，对于CL而言必不可少的部分提取光束供相机进行测量是最终光学组的一部分，并且发生在最后的倾斜反射镜处。出于这个原因，光学装置及其操作方式相当不灵活。自适应光束整形可能仅针对整个微结构化系统实现，而无法针对光束本身实现。不幸的是，对于工业用途而言，该特性是一个真正的问题，只有通过困难才能克服，因为系统的构思必须针对每个加工任务进行专门调节，并且在此期间生产被停止。
此外，该系统不利用任何变换透镜来产生中间分布，该中间分布又可以缩小的比例投射。中间分布是通过将球形相位项添加到SLM上再现的原始相位分布而获得的，并充当虚拟透镜。这样做的好处是，未衍射的光束分量不会以零级聚合，而是扩展在整个输出分布上，因此会变得不那么明亮-至少对于大多数强度分布而言情况就是如此。这种方法的缺点是在相位表示中可能会丢失一些信息；请参见[SIL13]中的图3A。发生这种情况的原因是，由于球形被加数，相位表示中的空间频率朝边界增加，直到它们变得高于SLM显示器的分辨率为止。这也为此类球形被加数的焦距设置了下限，对于20×20μm2像素大小，下限约为500mm。直到焦距的此下限，SLM显示器不包含任何有用的相位信息，从而增加了零级内容的输出。这就是为什么它与最初提到的优点相反的原因。此外，这种朝向边界的信息丢失还可以解释以下事实：发生激光辐射的无序衍射，从而使辐射在多个角度上衍射，这些角度不是由初始光栅周期引起的，并且不再可以被CL校正。
在[BEC11]中公开了进一步的发展，其还提出了一种基于CL实现分束的方法。该方法称为“改进的迭代傅立叶变换算法”(MIFTA)。该方法可以描述如下：
·光束的一部分在变换透镜之后通过低分束比的分束器提取，然后通过CCD相机进行测量，并用作MIFTA迭代周期的输入；
·使用的装置是整体式的，并允许实现将光束分成单独的子光束，这些子光束与激光装置本身无关；和
·所获得的光束轮廓以缩小的比例投射在基板表面上，以实现直接微结构化。
在提出的装置中，仅使用纳秒激光辐射。该出版物没有提及所公开的进行方式是否也适用于超短脉冲激光辐射。超短脉冲激光辐射(即皮秒和飞秒脉冲激光辐射)在光栅处的表现可能不同，这是因为在光栅处衍射期间相干的时间相关长度较短，并且带宽较大。
以二元方式控制所使用的SLM的显示，其后果是液晶围绕其旋转轴振荡，从而激光的相位位置在时间上变化，进而对加工结果具有影响。如在该出版物中提出的，该问题的解决方案包括进行多次曝光，并使曝光之间的相位位置垂直于激光束的传播方向移位。该解决方案将大大增加处理时间，因为SLM帧改变频率仅在几十Hz的范围内，因此由于结构化时间增加了几个数量级，从而强烈限制了工业适用性的环境，从而使得通过辐射进行结构化不可能。
由于只有一个变换透镜，因此提出的装置只能用于获得实中间分布。由于一个变换透镜，不可能对多个部分主光束中的每一个进行物理分离。如果去除该一个变换透镜，将无法再同时监测产生的输出分布。
现在参考[KUA08]、[KUA09]、[KUA09_2]和[JIN15]，与Zhen Kuang和WalterPerrie合作的研究人员提出了相位调制SLM对于并行微结构化的各种用途。在这些论文中，作者利用：
·超短脉冲激光进行微结构化；
·具有由模拟信号控制的像素的相位调制SLM；
·以缩小的比例对中间分布或远场分布进行投射的装置；
·分束相位光栅；和
·他们表明，这些技术可用于各种不同材料和辐射源，以进行表面修改和结构化。
所描述的示例始终利用产生小于1:200的分束比的相位光栅。这可能与以下事实有关：对于超短脉冲辐射，通过硅基液晶(LCoS)SLM获得的实输出分布中部分光束的功率分布与理论分布不同。这导致在并行加工的区域之间深度去除精度的损失。迄今为止，尚未研究这种行为的起源。人们怀疑在SLM显示器的像素之间可能存在相位信息的重叠或串扰，以及正在使用的激光辐射的特定相干行为。由于尚未完全了解这些误差，因此实际上在计算相位值时无法对其进行补偿。如果希望在光束之间具有更高的分离比例和更可靠的去除率，则必须使用控制回路，该控制回路利用测得的光束轮廓作为进行控制的输入值。
激光微加工
激光微加工可用于掩模、母版和特定表面修改的快速灵活加工。另外，可以通过皮秒和飞秒脉冲激光辐射，即所谓的超短脉冲辐射，实现对某些固体进行聚焦加工。超短脉冲的另一优点是可以加工的材料范围广。因此，可以生产微米和亚微米结构，特别是在玻璃、金属、准金属、硬质涂层和塑料中。
对于将要通过激光辐射结构化的最小的可能的非自组织结构，通常将使用具有较大发散的单个锐利聚焦的光束。在焦平面上产生的较高的峰强度允许以在nJ范围直至更低的μJ范围内的脉冲能量获得这样的结构。为了在工业相关的加工速度下使用该技术，通常的方法是提高光束导引系统的重复率和进给速度。替代地，可以应用自适应光束整形以利用高脉冲能量；SLM为此目的显示自己是高效的。应用于显示器的相位光栅将光束分成数百或数千个部分光束，因此允许进行并行加工([SIL13])。然而，已经表明有许多影响所产生的全息图的质量的因素超出了仅相位计算算法的质量。这例如是对于在使用fs激光时由高带宽造成的使用LCoS显示器进行光学投射中的色散和偏差的情况([KUA09]；[JES10]；[HAS07]；
[RON12])。同样，这对加工速度具有有限的影响，加工速度实际上可以实现并且取决于装置，还可以解释以下事实：可能无法利用激光脉冲的全部能量和/或并行加工可达到的精度与单焦点顺序加工相比要差。
此外，与用超短脉冲辐射进行微结构化有关的迄今为止未解决的问题
使用高脉冲能量增加面积率的一种可能性是使用掩模和均质的平顶光束轮廓，并以缩小的比例投射这种所得分布。但是，经常发生光束轮廓可能根本无法均质化或无法长期均质化的情况。为此，将需要具有需要稳定且确定的光束轮廓的光学均质器。但是，具有高脉冲能量的超短激光的实际光束轮廓会随时间推移而变得不稳定，并且经常会与理想的高斯轮廓发生太大的偏差。此外，掩模生产和在结构化过程中掩模的更换需要额外的时间。
SLM提供了一种加快掩模更换速度的简单可能性。相位调制SLM还提供了影响激光束轮廓的可能性。这使得可以使光束轮廓可编程，并且可以在几分之一秒内切换。但是，产生的输出分布通常与理论预测的不同。通过使用测量所产生的输出光束轮廓的控制回路，可以处理相位误差并产生可用于精确的并行微结构化的光束轮廓。
迄今已知的大多数此类设置对激光系统的功能都有强烈的限制作用，并且通常只能完成一种特定类型的加工。另外，仍然没有可商购的设备能够克服由错误的相位表示和低质量的初级激光束引起的输出分布中的误差。而且，在大多数情况下，有必要将光束的实际输入轮廓作为边界条件提供给这样的装置的计算方法，尽管事实表明这是不必要的。在这种优化设置中，如果输出分布中出现由错误的输入分布导致任何误差，则闭环算法将自动消除该误差。该事实可以考虑整体的黑盒装置，该装置可以对任何类型的初级光束实现各种分束/整形功能，并且独立于激光源。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种用于通过空间光调制器(SLM)对至少部分相干的初级光束进行自适应分束的方法。该方法包括通过准直激光束提供部分相干的初级光束，该准直激光束来自包括纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光的列表中的一个；通过用所述空间光调制器(SLM)对所述初级光束进行相位调制，产生与相干的初级光束的轮廓无关的期望的远场分布，相干的初级光束被引导以在所述空间光调制器的显示元件上反射，从而避免了任何移动元件对相干的初级光束进行整形；在初级光束通过所述空间光调制器之后，从该初级光束提取监测光束和主光束；将所述监测光束中由所述空间光调制器产生的远场分布引导到相机的传感器表面上，并使用该相机测量所述监测光束。在第一选项中，该方法包括引导初级光束通过第一聚焦元件，该第一聚焦元件被配置为：在第一聚焦元件的聚焦平面上生成所述主光束中的远场分布，作为实输出分布，以及通过第一聚焦元件将所述监测光束中的远场分布投射到所述传感器表面上。在第二选项中，该方法包括引导所述监测光束通过第二聚焦元件，该第二聚焦元件被配置为仅将远场分布投射到所述传感器表面上。对于第一选项或第二选项，该方法还包括通过使用可变强度调节器根据期望的远场分布、与所述主光束的平均功率无关地控制入射监测光束的强度，来匹配相机的动态范围，配置闭环以使得能够进行所述空间光调制器的显示元件的相位计算，其中，将来自相机的输出信号输入到所述闭环中，以进行控制器执行的相位计算算法的多次迭代。此外，在第一选项中，使用第一聚焦元件，而不包括第二聚焦元件，并且在第二选项中，使用第二聚焦元件，而不包括第一聚焦元件。
在一个优选实施例中，该方法还包括用所述主光束对固体表面进行结构化，以及通过设置所述空间光调制器以获得初级光束的确定的轮廓来控制所述结构化。
在另一优选实施例中，使用第一选项，该方法还包括：对于对固体表面进行结构化的步骤，调节所述第一聚焦元件的聚焦平面，使得该聚焦平面对应于固体表面。
在另一优选实施例中，使用第一选项，该方法还包括：将所述第一聚焦元件的聚焦平面调节到中间平面，和通过投射光学装置以缩小的比例将所述中间平面成像到固体表面上。
在另一优选的实施例中，使用第二选项，进行结构化的步骤包括应用所述远场分布，以通过借助于聚焦光学装置将所述远场分布投射到固体表面上而在固体表面上获得结构。
在另一优选实施例中，提取的步骤涉及分束元件。该方法还包括：将所述分束元件、所述第一聚焦元件和所述第二聚焦元件、所述空间光调制器、所述可变强度调节器和所述相机整合到单个紧凑型外壳中，其中，该单个紧凑型外壳被配置成将被放置在初级相干光束中的独有部件，通过控制器装置在所述第一选项和所述第二选项之间切换，以及通过所述控制器装置调节所述可变强度调节器。
在另一优选实施例中，使用第二选项，该方法还包括：通过所述空间光调制器将初级光束分成多个部分主光束，通过相位控制单独调节所述多个部分主光束的数量、在所述多个部分主光束离开所述空间光调制器的显示元件之后所述多个部分主光束中的每一个之间的分离角度、以及所述多个部分主光束中的每一个彼此之间的强度。所述多个部分主光束彼此之间的强度由控制器控制，所述控制器还被配置为控制所述多个部分主光束中的每一个的单独生成、所述空间光调制器和初级光束。该方法还包括用所述多个部分主光束对固体表面进行结构化。
在另一优选实施例中，所述固体表面包括包含金属、金刚石、蓝宝石、玻璃、塑料、复合材料、皮革的列表中的任何一个。
在另一优选实施例中，所述固体表面是作业工具的一部分。
在另一优选实施例中，所述作业工具是包括压花辊、压印装置、金属工具、手表部件、珠宝部件、包装部件的列表中的任何一个。
在第二方面，本发明提供了一种装置，该装置被配置为通过空间光调制器(SLM)对预期的至少部分相干的初级光束进行自适应分束，其中，该预期的部分相干的初级光束来自准直激光束，该准直激光束来自包括纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光的列表中的一个。该装置包括：空间光调制器，该空间光调制器被配置为通过对预期的初级光束的相位调制来产生与相干的初级光束的轮廓无关的期望的远场分布，其中，所述空间光调制器还被配置为从所述空间光调制器的显示元件获得初级光束，从而避免了任何移动元件对初级光束进行整形；分束元件，该分束元件在预期的初级光束通过所述空间光调制器之后位于预期的初级光束中，并被配置为从初级光束提取预期的监测光束和预期的主光束；相机，该相机位于预期的监测光束中，并且还包括传感器表面，该传感器表面被配置为测量监测光束中由空间光调制器产生的远场分布。在第一配置选项中，该装置包括第一聚焦元件，该第一聚焦元件被配置为将监测光束中由空间光调制器产生的远场分布投射到传感器表面，并还被配置为引导初级光束并在第一聚焦元件的聚焦平面上生成主光束中的远场分布，作为实输出分布。在第二配置选项中，该装置包括第二聚焦元件，该第二聚焦元件位于预期的监测光束中，并被配置为将由空间光调制器产生的远场分布仅投射到传感器表面上。对于第一配置选项或第二配置选项，该装置还包括：可变强度调节器，该可变强度调节器位于相机前方的预期的监测光束中，并被配置为通过根据期望的远场分布、与所述主光束的平均功率无关地控制入射的预期的监测光束的强度来匹配相机的动态范围；闭环装置，该闭环装置被配置为使得能够进行所述空间光调制器的显示元件的相位计算，该闭环装置包括控制器，该控制器连接至相机以接收输出信号，并且被配置为使用输出信号进行在控制器中执行的相位计算算法的多次迭代。该装置还包括切换装置，该切换装置被配置为在第一配置选项和第二配置选项之间切换。在第一配置选项中，使用第一聚焦元件，而不包括第二聚焦元件；在第二配置选项中，使用第二聚焦元件，而不包括第一聚焦元件。
在第三方面，本发明提供一种被配置为加工预期的固体表面的装置，该装置包括被配置为通过空间光调制器(SLM)对预期的至少部分相干的初级光束进行自适应分束的装置。所述装置被配置为加工预期的固体表面的装置还被配置为将预期的固体表面定位在主光束中，其中，所述加工预期的固体表面至少由将所述空间光调制器设置为产生初级光束的确定的轮廓的效果引起。
在另一优选实施例中，其中，被配置为进行自适应分束的装置被配置在第一配置选项中，并且进一步地其中，所述第一聚焦元件(L1)的聚焦平面被配置为对应于预期的固体表面。
在另一优选实施例中，其中，被配置为进行自适应分束的装置被配置在第一配置选项中，该装置还包括成像光学装置，所述第一聚焦元件被定位成使得其聚焦平面对应于中间平面，并且所述成像光学装置被配置为使得其以缩小的比例将中间平面成像到固体表面上。
在另一优选实施例中，其中，被配置为进行自适应分束的装置被配置在第二配置选项中，该装置还包括聚焦光学装置，并且所述聚焦光学装置被配置为使得其将主光束的期望的远场分布投射到固体表面上以进行加工。
在另一优选实施例中，该装置还包括单个紧凑式外壳，该单个紧凑式外壳被配置为整合所述分束元件、所述第一聚焦元件和第二聚焦元件、所述空间光调制器、所述可变强度调节器以及所述相机，其中，所述单个紧凑式外壳被配置成将被放置到初级光束中的独有部件；进一步地，其中，所述控制器被配置为控制所述切换装置，以在所述第一配置选项和所述第二配置选项之间切换，并且调节所述可变强度调节器。
在另一优选实施例中，所述空间光调制器能够将初级光束分成多个部分主光束，并通过相位控制单独地调节所述多个部分主光束的数量、在所述多个部分主光束离开所述空间光调制器的显示元件之后所述多个部分主光束中的每一个之间的分离角度、以及所述多个部分主光束中的每一个彼此之间的强度，其中，所述控制器还被配置为通过控制所述多个部分主光束中的每一个的空间物理性质来控制所述多个部分主光束中的每一个彼此之间的强度，其中，所述空间物理性质是相位和幅度中的至少一个，所述控制器还配置为控制所述空间光调制器和初级光束。该装置还被配置为将预期的固体表面定位在所述多个主光束中。
在另一优选实施例中，所述预期的固体表面是预期的压花辊的表面，并且所述控制器还被配置为将所述预期的压花辊的表面定位在主光束中。
在另一优选实施例中，所述预期的固体表面包括包含金属、金刚石、蓝宝石、玻璃、塑料、复合材料、皮革的列表中的任何一个。
在另一优选实施例中，所述预期的固体表面是预期的作业工具的一部分。
在另一优选实施例中，所述预期的作业工具是包括压花辊、压印装置、金属工具、手表部件、珠宝部件、包装部件的列表中的任何一个。
附图说明
通过对优选实施例的详细描述并参考附图，将更好地理解本发明，其中：
图1示出了根据本发明的示例实施例的SLM模块配置；
图2示出了根据本发明的示例实施例的另一SLM模块配置；
图3示出了根据本发明的示例实施例的其中使用反射镜的SLM模块的替代构造；
图4示出了根据本发明的示例实施例的SLM模块的另一替代构造，其中，聚焦元件位于SLM显示器的前方；
图5示出了根据本发明的示例实施例的SLM模块的另一替代构造，其中，聚焦元件位于SLM显示器的前面，并且仅包括一个反射镜；
图6示出了根据本发明的示例性实施例的SLM模块的另一替代构造，其中，聚焦元件位于半透明反射镜的后面；
图7示出了根据本发明的示例实施例的SLM模块的另一替代构造，其中，聚焦元件位于半透明反射镜的后面，并且仅包括一个反射镜；
图8示出了根据本发明的示例实施例的作为微结构化装置的部件的SLM模块；
图9示出了根据本发明的示例实施例的作为微结构化装置的部件的另一SLM模块；
图10示出了根据本发明的示例用途，其中，以较小的脉冲偏移进行凹槽的并行结构化；
图11示出了根据本发明的示例实施例的作为可控分束器的另一SLM模块；
图12示出了根据本发明的另一示例用途，其中，以较大的脉冲偏移进行凹槽的并行结构化；
图13示出了根据本发明的另一示例用途，其中，结构化了具有二维输出分布的轮廓；
图14a和14b示出了根据本发明的在利用倾斜的二维输出分布进行结构化期间用于垂直于传播方向的表面轮廓的另一示例用途；
图15a和15b示出了根据本发明的在用较小的脉冲偏移进行结构化时用于表面轮廓的另一示例用途；
图16a和16b示出了根据本发明的在用较大的脉冲偏移进行结构化时用于表面轮廓的另一示例用途；和
图17示出了被配置为加工压花辊的表面的装置的示例。
具体实施方式
发明目的
本发明的目的是使用户更容易获得光束整形，更特别地，获得激光辐射的分束。作为另一目的，本发明(在下文中被称为“SLM模块”)提供了一种可以整合在任何光路中的装置和方法，并且提供了较高的紧凑度和单独的功能性，而与使用地点无关。本发明的另一目的是允许以较高的精度分束任何类型的准直初级光束(激光源)，而与光束轮廓、相位位置、带宽/脉冲持续时间和激光功率无关。
从本发明得到的一个优点是，通过理解其核心元件即SLM显示器本身的特性，可以预期SLM模块的任何限制。另一优点在于，可以仅以很小的损耗实现分束。因此，入射辐射应当是纯相位调制的，尽管同时或单独的幅度调制也将产生这种类型的功能。另一优点是，本发明能够在透镜的焦平面中的实输出分布(即傅立叶平面和远场分布)即无限远处发生的衍射图像之间来回切换。另一优点是，可以在产生的输出分布以及从一个部分光束到另一部分光束的光束功率分布中实现较高的精度，因为本发明利用闭环方法来计算相位值，分别与输入轮廓或激光源的初级光束轮廓无关。
本发明的SLM模块通过使用多个光束实现并行微加工和固体表面的加工，还允许更有效地利用激光功率。这可以在工作站处通过共同使用的输出光学器件来实现，或者可以同时在多个系统处实现，其中，多个系统中的每个系统利用由所有加工系统共享的分离初级光束。并行加工可以减少用于加工较大表面和体积的过程的持续时间，与部分光束的数量成线性关系。当对所有部分光束使用共享的输出光学器件时，可以以提高的速度生产凹槽、光栅结构和其他高度重复的图案。根据本发明的SLM模块使得能够利用大量的部分光束，例如1000个光束或更多，实现同时且精确的加工。
基于上述目标和根据本发明的SLM模块的特性，可以在仍保持紧凑的占用面积和高度稳定的操作条件的同时，极大地提高激光微加工/结构化装置的生产性能。因此，这将允许工业上可应用于降低生产成本和交货时间。
迭代傅里叶变换算法(IFTA)-闭环(CL)模块的结构和功能
输入光束的要求
贯穿本发明使用的初级激光束必须响应许多标准，以实现SLM模块的功能。第一标准是SLM模块的输入处的初级光束是准直的或平行的。本领域技术人员知道以下事实：用于波光学元件和光栅的光束必须具有光栅周期量级的相干长度。因为在本发明的上下文中使用超短脉冲辐射，所以时间相关的相干长度也可能非常短，例如仅几微米。
本领域技术人员还应当意识到，当SLM模块的SLM显示器包括基于硅基液晶(LCoS)技术的元件时，输入辐射必须固有地服从相对于SLM显示器的取向的确定的偏振态。可以通过位于SLM模块前面的市售结构元件进行调节和处理。这就是为什么在本文中将不对此进行进一步讨论的原因。众所周知，LCoS技术具有很强的波长相关行为。
还众所周知的事实是，SLM模块的用户可以选择和调节光束直径、平均光功率或脉冲能量，只要用户保持低于在SLM模块中发现的任何部件的物理破坏极限即可。
SLM模块的结构
从以下描述中将显而易见，本发明的方法和装置使用户能够从满足上述标准的初级输入光束开始，将该初级输入光束分成任意数量的输出光束，该输出光束可以根据用户的选择使用。用户或控制过程可以以时间相关的方式控制输出光束的空间和强度分布。根据期望的加工任务，本发明还使得能够使用实中间分布(real intermediatedistribution)或仅使用角度分布。本发明能够实现这一点而无需初级输入光束的轮廓或其相干长度的任何精确知识。除了本文上面描述的那些之外，本发明不需要初级输入光束的其他要求。由于缺失信息而在输出主光束中出现的任何偏差都可以通过闭环算法进行补偿，该闭环算法用于优化输出分布。
本发明实现了所谓的“黑盒光学器件(Black-Box-Optics)”，其可以被整合到用于微加工的任何种类的光路中。
图1示出了根据本发明的示例实施例的SLM模块配置，该SLM模块配置允许实现本文如上所述的本发明的特征。反射镜M1以较狭小的角度将来自初级光束的辐射引导到反射SLM头101上，该主光束来自图1中未示出的激光源，但由附图标记100和图中的相应箭头表示。SLM头101被视为SLM模块的中心元件。SLM头101包括SLM显示器(未在图1中明确表示)，该SLM显示器用于将光束整形相位值施加于入射的初级激光束。SLM显示器可以例如实现为LCoS，在图1中也未明确表示。如本领域技术人员所知，LCoS显示器引起影响辐射偏振并从而影响衍射效率的效应。为了抵消这种效应，SLM模块包括放置在SLM显示器后面的附加偏振分束器102，其滤除错误偏振和/或非衍射辐射。SLM模块还包括半透明的提取反射镜M2。偏振分束器102安装在提取反射镜M2前方的光路中，从而确保在SLM显示器上反射后的分布在CCD相机104上以相同的方式出现，该CCD相机104位于通过半透明反射镜M2从初级光束耦合出的监测光束的光路中，并在实输出分布出现的傅立叶平面103中或无穷远处以相同的方式出现，视情况而定。半透明反射镜M2可以例如被实现为具有平面平行基板的介电反射涂覆的反射镜，其对于初级光束的波长是透明的。优选地，反射镜M2具有用于透明光学器件和玻璃表面的工业标准的表面质量。以这种方式，尽管在微加工环境中使用了较高的光束功率，但是在反射镜M2处提取/耦合出的监测可以用于光束分析，而没有过多的功率损耗。在CCD相机104前方的光路中，配置了可变强度调节器105，用于调节强度以匹配CCD相机104的动态范围，以便可以优化的方式使用它，而与初级光束的平均功率、输出分布和/或分束比无关。可变强度调节器105可以例如被实现为ND(中性密度)滤光器。
虽然在本详细描述中，SLM头101在其反射来自初级光束的辐射的模式下被使用，但是在另外的优选实施例中，可以具有用作初级光束的发射器的SLM头。
由CCD相机104记录的图像必须始终是输入分布的傅立叶变换。出于这个原因，CCD相机104的传感器表面(图1中未示出)必须位于聚焦光学元件(例如，第一聚焦元件L1和第二聚焦元件L2)的焦平面中。在图1的示例中，第一聚焦元件L1和第二聚焦元件L2从不一起即同时放置在SLM头101和CCD相机104之间的光路中。优选地，CCD相机104居中在由半透明反射镜M2提取的监测光束的光轴上。
CCD相机104能够获得输出分布的度量，该度量又可以用作基于迭代傅里叶变换算法(IFTA)的闭环控制的输入，以优化由SLM头101产生的相位分布。如前所述，这需要用CCD相机104测量输出分布，并进给(feed)在控制器CPU 106上执行的算法作为IFTA的边界条件的一部分。因为可以在现有技术的专门文献中找到IFTA算法，所以在此不对其进行更详细的讨论。随后将计算出的相位值应用于SLM显示器。
SLM模块的配置
SLM模块可以采用两种硬件配置中的任何一种，以实现角度分布和实中间分布之间的切换。这两种配置之间的切换以及改变可变强度调节器的滤光器设置可以手动地或通过自动切换装置来实现。
在本文中称为配置1的第一硬件配置中，并且如图1所示，第一聚焦元件L1被放置在光路中。L1将激光辐射聚焦在CCD相机104的传感器表面上，该传感器表面被放置在L1的焦距f(L1)的距离处并且在半透明反射镜M2的后面。此外，CCD相机104被放置在垂直于主输出光束的传播方向的主输出光束的平面中，即掩模平面中。在图1的示例中，第一聚焦元件L1位于偏振分束器102的前方。在图1中未示出的替代方案中，第一聚焦元件L1可以位于偏振分束器102的后面。在图1的配置中，具有焦距f(L2)的第二聚焦元件L2不位于任何光路中。由CCD相机104记录的分布是相同的并且与掩模平面相比是镜像的。配置1使得从反射镜M2反射的主光束聚焦在实中间分布中。
现在参见图2，它表示配置2，该配置在大多数方面与图1中的配置1相同，除了第二聚焦元件L2位于通过半透明反射镜M2提取的监测光束的光路中之外。CCD相机104的传感器表面(在图2中也未示出)现在被放置在第二聚焦元件L2的焦平面中，即，在聚焦元件L2的焦距f(L2)的距离处。因此，对于该配置2，L1不位于任何光路中。配置2使得在反射镜M2处反射的主输出光束不聚焦成中间分布。衍射光栅的目标分布在无穷远处形成为角度分布。初级输入光束被分成多个部分主光束。
替代构造
可以通过全部都提供相同功能的多种替代构造来实现本发明。该多种替代构造中的每一种都可以被认为具有与配置1和2相比的各种缺点和优点。
图3示出了一种替代构造，其中，仅使用一个介电反射镜M-这里未使用图1和图2的反射镜M1。介电反射镜M必须符合先前提出的所有要求。第一聚焦元件L1和第二聚焦元件L2的位置可以与在图1和图2的框架中所讨论的位置相同，即直接在介电反射镜M的前面或后面。本构造与图1的构造相比的一个优点是它固有地更紧凑。然而，施加了入射光束和出射光束之间的角度。图3的构造在与配置2相似的模式下，为便于阅读，我们将其称为配置2中。为了切换到配置1，必须将第一聚焦元件L1放置到光路中，并且必须将第二聚焦元件L2从光路上移除。元件L1和L2旁边的箭头对此进行了符号表示。
图4示出了配置1中的另一替代构造。在该替代构造中，第一聚焦元件L1位于SLM显示器前方的距离a处，并且与图1中相似，使用两个反射镜M1和M2。聚焦元件L1和L2都可移动，如元件旁边的箭头的符号表示。这种替代构造没有明显的优点。与图1中的相比，一个可能的差异是，在该图中表示为f(L1)＝a+b的第一聚焦元件L1的焦距必须比例如图1中要相对更大，这反过来会降低了输出分布的分辨率。
图5示出了与图4的构造相似的构造，但是在配置2的设置中，其中，再次仅使用一个反射镜M。与图3所述相同的特性在这里也适用：装置可以做得更紧凑，但在另一方面，它限制了将激光束耦合到SLM模块和从SLM模块解耦出的角度。
图6示出了配置2中的构造，其中，具有焦距f(L3)的第三聚焦元件L3(例如，透镜)位于半透明反射镜M2的后面。为了提高可读性，图6中未示出L1，因为在此设置中将其从光路移除。第二聚焦元件L2可以插入光路中，如第二聚焦元件L2旁边的箭头所符号表示的。一个优点是第二聚焦元件L2可以固定在光路中，即，当通过移动L3在配置之间切换时，不再需要移动第二聚焦元件L2。
图7示出了与图6的构造相似的构造，但是具有单个反射镜M以使装置更紧凑。
光路损耗
本发明的SLM模块的优点之一是实现几乎没有损耗的光束整形。因此，不需要使用吸收掩模或散射掩模来获得期望的输出分布。光束整形仅通过应用于SLM头的相位分布来完成。然而，本领域技术人员将认识到，对于实际的光路，激光束不可避免地会发生小的损耗。
当使用理想的光学元件时，在SLM的衍射光栅处将仅存在散射损耗，并且这仅对于较高的衍射级，因为所追求的目标分布仅位于衍射的第一级。
使用领域和应用可能性
并行微结构化/并行结构化
本发明的方法和装置可以被整合到任何光路中，只要有足够的物理空间来这样做并且满足激光束的上述条件即可。图8示出了这样的系统用于通过投射曝光进行微结构化的示例，其中，光路中的掩模平面由被配置在配置1中的SLM模块800的实输出分布103代替。SLM模块800在其输入处被进给从激光源802输出的初级激光束801。通过微加工头805的显微镜804将实输出分布103投射到工件803上，该微加工头805也称为用于并行微结构化的装置。工件803被安装在定位台806上，该定位台被配置为至少在垂直于投射光束的方向的平面X-Y中移动工件803。第二相机807被配置为监测投射到工件803上的主光束，并且还可以用作自动聚焦装置的一部分。本领域技术人员知道光学系统工作的方式及其用于投射成像的参数。本领域技术人员的这种知识基本上提供了适用的相位分布的参数，并且对SLM模块800没有任何限制作用。控制器CPU 106还被配置为控制聚焦元件L1和L”的定位，以及可变强度调节器105。
图9示出了将SLM模块800整合在用于聚焦加工的系统中的示例。在该特定情况下，SLM模块800被配置在配置2中。它允许可以增加能够用于激光加工的部分主光束的数量。理想地，对于要在这样的系统中使用的大多数光路和光学器件，SLM模块800应当放置在尽可能靠近最终光学器件的位置；在本示例中，这将是微加工头805，以避免由其孔径引起的任何限制。
增加的焦点数量具有这样的有益效果，即基于聚焦光束的激光加工的加工速度与部分主输出光束的数量成比例地增加。此外，它还允许更优化地利用激光功率。部分光束分布和焦点分布之间的切换可以以与SLM头101的显示刷新率对应的速度发生，并且根本不涉及移动部分。如本领域技术人员所知，相位调制还允许校正泽尔尼克(Zernike)模式，并且反过来，这将提高聚焦质量。如果还知道初级光束的错误相位位置，则可以通过SLM模块800提高所有部分主光束的光束质量。SLM模块800不影响成像缩放因子以及光束直径。
用于并行微加工的结构化示例
通过具有单独地可控的脉冲能量或光束功率的许多部分主光束的并行微结构化提供了与使用单独光束结构化的相似可能性。图10示意性地示出了被分为n×m个部分输出光束的脉冲初级光束的光束偏移dx。p1、p2、p3等表示时间上的脉冲序列。工件沿矩形分布的x轴移动，其中，在两个激光脉冲之间发生偏移dx。以这种方式，可以画出一组n条线，其中，每条线通常以略微重叠的方式被照射多次。所得的线轮廓沿在方向v上的线具有恒定深度，并且线组具有最大深度的分布f(x)，如图15b所示。
以这样的短脉冲偏移进行作业的另一可能性是所谓的表面去除，如图15a所示。在这种情况下，根据进给v1相对于激光以使被相邻的部分光束限制的表面被覆盖的方式来移动工件。以这种方式，就可以产生2.5D的表面形貌。
并行微结构化中的另一种潜在方法在于将部分光束间隔dx的距离，如图12所示。每个脉冲之间在时间上覆盖的距离将略大于dx，使得每个脉冲之间的有效距离将产生dn。在图12所示的特定示例中，将在以dx间隔的两个部分光束之间放置m＝5个脉冲。使用这种加工策略，可以减小每个脉冲之间的有效距离。通过使用dx、dn和m之间的优化比例，可以显著减少简单光栅的结构化时间。
再另一可能性是，与进给相比，将周期性输出光束分布倾斜角度α，如图13所示。通过这种方式，每个部分光束可以产生具有恒定去除深度或照明剂量的线，并且取决于角度α，各个被照明迹线还可以垂直于进给v2重叠。脉冲之间的视距dy’随着倾斜角α的增加而增加。通过分别用dx和dy在x和y方向上设计部分光束的空间分布，可以沿一维产生明显的强度分布。因此，就可以在单次通过中生成任何类型的截面轮廓f(x)-另请参见图14a和14b。如果输出分布中的所有线彼此之间都相同，则将同时生成n个相同的轮廓-见图14a。
利用脉冲光束进行作业，沿部分光束的结构化可以允许将周期函数f(x)归因于去除深度或照明强度。为此，供给、沿线的部分主光束的数量及其距离必须具有固定比率。图16a示出了在方向v3上沿左线的轮廓A，其在图16b中以截面图示出。沿这条线的部分光束的脉冲能量不断降低。
压花辊表面的结构化
图17示出了可用于在作业工具、更具体地为压花辊表面上结构化压花图案1700的示例装置。SLM模块800输入初级光束，即来自激光源802的准直且至少部分相干的光源，并在其输出处将主光束引导到压花辊的表面上。可以使用各种选项来调节SLM模块800和压花辊之间的相对位置。在示出的示例中，SLM模块800可以根据指示的x方向移动，但是压印辊也可以由电动机1701根据指示的圆形箭头旋转。控制器106还被配置为调节SLM模块800和压花辊之间的相对位置，从而适当地控制SLM模块800、激光源802和电动机1701，以用压花图案1700实现压花辊表面的结构化。
分束
图11示出了分束/分离功能的功能原理。配置2中的SLM模块800位于激光束源802的输出处。对于初级激光束801，前面提到的限制仍然适用。初级激光束801在相位光栅处衍射，该初级光束已如上所述被计算为m个部分主光束，然后被偏向m个不同地定向的反射镜M1-Mm。这些反射镜随后将相应的部分光束反射到m个不同的作业、曝光和/或测量站或光束收集器(单元1–单元m)。通过切换SLM头101处的相位值，可以随时间推移控制部分光束彼此之间的功率分布、数量和出射角。这允许更高效地使用激光功率，并且仅使用单个激光源进行不同的任务。另外，已经在上面描述的SLM模块800允许校正错误的泽尔尼克模式，并且因此可以有助于改善每个部分光束的光束质量。
文献
文献表
Figure BDA0002963780410000191
Figure BDA0002963780410000201

Claims (21)

1.一种用于通过空间光调制器(SLM)对至少部分相干的初级光束进行自适应分束的方法，该方法包括：
通过准直激光束提供部分相干的初级光束，该准直激光束来自包括纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光的列表中的一个，
通过用所述空间光调制器对所述初级光束进行相位调制，产生与相干的初级光束的轮廓无关的期望的远场分布，相干的初级光束被引导以在所述空间光调制器的显示元件上反射，从而避免了任何移动元件对相干的初级光束进行整形，
在初级光束通过所述空间光调制器之后，从该初级光束提取监测光束和主光束，
将所述监测光束中由所述空间光调制器产生的远场分布引导到相机的传感器表面上，并使用该相机测量所述监测光束，
其中，在第一选项中，所述方法包括：
引导初级光束通过第一聚焦元件(L1)，该第一聚焦元件被配置为：
在第一聚焦元件的聚焦平面上生成所述主光束中的远场分布，作为实输出分布，以及
通过第一聚焦元件(L1)将所述监测光束中的远场分布投射到所述传感器表面上，
并且在第二选项中，所述方法包括：
引导所述监测光束通过第二聚焦元件(L2)，该第二聚焦元件被配置为仅将远场分布投射到所述传感器表面上，
并且对于所述第一选项或所述第二选项，
通过使用可变强度调节器根据期望的远场分布、与所述主光束的平均功率无关地控制入射监测光束的强度，来匹配相机的动态范围，
配置闭环以使得能够进行所述空间光调制器的显示元件的相位计算，其中，将来自相机的输出信号输入到所述闭环中，以进行控制器执行的相位计算算法的多次迭代，
其中，
在第一选项中，使用所述第一聚焦元件，而不包括所述第二聚焦元件，而
在第二选项中，使用所述第二聚焦元件，而不包括所述第一聚焦元件。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
用所述主光束对固体表面进行结构化，以及
通过设置所述空间光调制器以获得初级光束的确定的轮廓来控制所述结构化。
3.根据权利要求2所述的方法，该方法使用所述第一选项，还包括：
对于对固体表面进行结构化的步骤，调节所述第一聚焦元件的聚焦平面，使得该聚焦平面对应于固体表面。
4.根据权利要求2所述的方法，该方法使用所述第一选项，还包括：
将所述第一聚焦元件的聚焦平面调节到中间平面，和通过投射光学装置以缩小的比例将所述中间平面成像到固体表面上。
5.根据权利要求2所述的方法，该方法使用所述第二选项，其中，
进行结构化的步骤包括应用所述远场分布，以通过借助于聚焦光学装置将所述远场分布投射到固体表面上而在固体表面上获得结构。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，
提取的步骤涉及分束元件，
该方法还包括：
将所述分束元件、所述第一聚焦元件和所述第二聚焦元件、所述空间光调制器、所述可变强度调节器和所述相机整合到单个紧凑型外壳中，其中，该单个紧凑型外壳被配置成将被放置在初级相干光束中的独有部件，
通过控制器装置在所述第一选项和所述第二选项之间切换，以及
通过所述控制器装置调节所述可变强度调节器。
7.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，该方法使用所述第二选项，还包括：
通过所述空间光调制器将初级光束分成多个部分主光束，
通过相位控制单独调节所述多个部分主光束的数量、在所述多个部分主光束离开所述空间光调制器的显示元件之后所述多个部分主光束中的每一个之间的分离角度、以及所述多个部分主光束中的每一个彼此之间的强度，其中，所述多个部分主光束彼此之间的强度由控制器控制，所述控制器还被配置为控制所述多个部分主光束中的每一个的单独生成、所述空间光调制器和初级光束，以及
用所述多个部分主光束对固体表面进行结构化。
8.根据权利要求2至5中的任一项所述的方法，其中，所述固体表面包括包含金属、金刚石、蓝宝石、玻璃、塑料、复合材料、皮革的列表中的任何一个。
9.根据权利要求2至5和8中的任一项所述的方法，其中，所述固体表面是作业工具的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述作业工具是包括压花辊、压印装置、金属工具、手表部件、珠宝部件、包装部件的列表中的任何一个。
11.一种装置，其被配置为通过空间光调制器(SLM)对预期的至少部分相干的初级光束进行自适应分束，其中，预期的部分相干的初级光束来自准直激光束，该准直激光束来自包括纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光的列表中的一个，该装置包括：
空间光调制器，该空间光调制器被配置为通过对预期的初级光束的相位调制来产生与相干的初级光束的轮廓无关的期望的远场分布，其中，所述空间光调制器还被配置为从所述空间光调制器的显示元件获得初级光束，从而避免了任何移动元件对初级光束进行整形；
分束元件，该分束元件在预期的初级光束通过所述空间光调制器之后位于预期的初级光束中，并被配置为从初级光束提取预期的监测光束和预期的主光束；
相机，该相机位于预期的监测光束中，并且还包括传感器表面，该传感器表面被配置为测量监测光束中由空间光调制器产生的远场分布，
其中，在第一配置选项中，该装置包括：
第一聚焦元件(L1)，该第一聚焦元件被配置为：
将监测光束中由空间光调制器产生的远场分布投射到传感器表面，并还被配置为
引导初级光束并在第一聚焦元件的聚焦平面上生成主光束中的远场分布，作为实输出分布；
并且在第二配置选项中，该装置包括：
第二聚焦元件(L2)，该第二聚焦元件位于预期的监测光束中，并被配置为将由空间光调制器产生的远场分布仅投射到传感器表面上，
并且对于所述第一配置选项或所述第二配置选项，该装置还包括：
可变强度调节器，该可变强度调节器位于相机前方的预期的监测光束中，并被配置为通过根据期望的远场分布、与所述主光束的平均功率无关地控制入射的预期的监测光束的强度来匹配相机的动态范围；
闭环装置，该闭环装置被配置为使得能够进行所述空间光调制器的显示元件的相位计算，所述闭环装置包括控制器，该控制器连接至相机以接收输出信号，并且被配置为使用输出信号进行在控制器中执行的相位计算算法的多次迭代，
所述装置还包括切换装置，该切换装置被配置为在所述第一配置选项和所述第二配置选项之间切换，其中，
在第一配置选项中，使用所述第一聚焦元件，而不包括所述第二聚焦元件，以及
在第二配置选项中，使用所述第二聚焦元件，但不包括所述第一聚焦元件。
12.一种被配置为加工预期的固体表面的装置，包括根据权利要求11所述的装置，被配置为加工预期的固体表面的装置还被配置为将预期的固体表面定位在主光束中，其中，所述加工预期的固体表面至少由将所述空间光调制器设置为产生初级光束的确定的轮廓的效果引起。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，根据权利要求11所述的装置被配置在所述第一配置选项中，并且进一步地其中，所述第一聚焦元件(L1)的聚焦平面被配置为对应于预期的固体表面。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，根据权利要求11所述的装置被配置在所述第一配置选项中，还包括成像光学装置，所述第一聚焦元件被定位成使得其聚焦平面对应于中间平面，并且所述成像光学装置被配置为使得其以缩小的比例将中间平面成像到固体表面上。
15.根据权利要求12所述的装置，其中，根据权利要求11所述的装置被配置在所述第二配置选项中，还包括聚焦光学装置，并且所述聚焦光学装置被配置为使得其将主光束的期望的远场分布投射到固体表面上以进行加工。
16.根据权利要求11至15中的任一项所述的装置，还包括单个紧凑式外壳，该单个紧凑式外壳被配置为整合所述分束元件、所述第一聚焦元件和第二聚焦元件、所述空间光调制器、所述可变强度调节器以及所述相机，其中，所述单个紧凑式外壳被配置成将被放置到初级光束中的独有部件；
进一步地，其中，所述控制器被配置为控制所述切换装置，以在所述第一配置选项和所述第二配置选项之间切换，并且调节所述可变强度调节器。
17.根据权利要求11和12中的任一项所述的装置，其中，
所述空间光调制器能够将初级光束分成多个部分主光束，并通过相位控制单独地调节所述多个部分主光束的数量、在所述多个部分主光束离开所述空间光调制器的显示元件之后所述多个部分主光束中的每一个之间的分离角度、以及所述多个部分主光束中的每一个彼此之间的强度，
其中，所述控制器还被配置为通过控制所述多个部分主光束中的每一个的空间物理性质来控制所述多个部分主光束中的每一个彼此之间的强度，其中，所述空间物理性质是相位和幅度中的至少一个，所述控制器还被配置为控制所述空间光调制器和初级光束，
所述装置还被配置为将预期的固体表面定位在所述多个主光束中。
18.根据权利要求11至17中的任一项所述的装置，其中，所述预期的固体表面是预期的压花辊的表面，并且所述控制器还被配置为将所述预期的压花辊的表面定位在主光束中。
19.根据权利要求12至15中的任一项所述的装置，其中，所述预期的固体表面包括包含金属、金刚石、蓝宝石、玻璃、塑料、复合材料、皮革的列表中的任何一个。
20.根据权利要求12至15和19中的任一项所述的装置，其中，所述预期的固体表面是预期的作业工具的一部分。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述预期的作业工具是包括压花辊、压印装置、金属工具、手表部件、珠宝部件、包装部件的列表中的任何一个。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018219190A1 (de) * 2018-11-09 2020-05-14 Thyssenkrupp Ag Vorrichtung und Verfahren zur Strukturierung einer Walzenoberfläche
CN111900597B (zh) * 2020-08-17 2021-03-30 武汉金顿激光科技有限公司 一种平面多光束激光参数调控方法及系统
EP3964355A1 (en) 2020-09-03 2022-03-09 Boegli-Gravures S.A. A method and system for manufacturing an embossing device
EP4091759A1 (en) * 2021-05-19 2022-11-23 Boegli-Gravures S.A. A device and a method for optical engraving of a diffraction grating on a workpiece
EP4201678A1 (en) * 2021-12-23 2023-06-28 Boegli-Gravures SA Method for obtaining engraving instructions to control a system comprising a spatial light modulator, to represent a pixelized image on a solid piece by means of an engraving beam

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3538335A (en) * 1968-11-27 1970-11-03 Gen Electric Light intensity controller for photosensitive pickup tubes
US20020057486A1 (en) * 2000-10-31 2002-05-16 Pioneer Corporation Spatial light modulator/demodulator and holographic recording/reproducing apparatus using the same
CN101614876A (zh) * 2009-07-29 2009-12-30 中国人民解放军国防科学技术大学 一种光束任意整形新方法及装置
CN101632949A (zh) * 2008-07-25 2010-01-27 霍夫曼-拉罗奇有限公司 用于操纵试样管支架的方法和实验室系统
WO2014196448A1 (ja) * 2013-06-06 2014-12-11 浜松ホトニクス株式会社 補償光学システムの調整方法、補償光学システム、及び補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体
CN105444878A (zh) * 2014-09-24 2016-03-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种高精度氧碘化学激光远场光束质量测量装置和方法
WO2016174063A1 (de) * 2015-04-28 2016-11-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und vorrichtung zur lokal definierten bearbeitung an oberflächen von werkstücken mittels laserlicht
WO2018073170A1 (de) * 2016-10-17 2018-04-26 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Vorrichtung zur strahlmanipulation für ein scanning-mikroskop und mikroskop
CN110139076A (zh) * 2019-05-15 2019-08-16 郑州佛光发电设备有限公司 一种方舱的自适应隐身方法及系统

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001091342A2 (en) * 2000-05-24 2001-11-29 Purdue Research Foundation Method and system for polarization control and polarization mode dispersion compensation for wideband optical signals
US7521651B2 (en) * 2003-09-12 2009-04-21 Orbotech Ltd Multiple beam micro-machining system and method
ATE514060T1 (de) * 2004-05-27 2011-07-15 Yeda Res & Dev Kohärent gesteuerte nichtlineare raman- spektroskopie
WO2007145702A2 (en) * 2006-04-10 2007-12-21 Board Of Trustees Of Michigan State University Laser material processing systems and methods with, in particular, use of a hollow waveguide for broadening the bandwidth of the pulse above 20 nm
EP2327503A1 (de) * 2009-11-25 2011-06-01 Boegli-Gravures S.A. Verfahren und Vorrichtung zur Strukturierung einer mit einer Hartstoff-Beschichtung versehenen Festkörper-Oberfläche mit einem Nanosekundenbereich-Pulslängen erzeugenden Laser und mit einem zweiten Piko- oder Femetosekundenbereich-Pulslängen erzeugenden Laser
DE102013008774B3 (de) * 2013-05-23 2014-09-04 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Analysevorrichtung zur kombinierten Strahl-/Prozessanalyse

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3538335A (en) * 1968-11-27 1970-11-03 Gen Electric Light intensity controller for photosensitive pickup tubes
US20020057486A1 (en) * 2000-10-31 2002-05-16 Pioneer Corporation Spatial light modulator/demodulator and holographic recording/reproducing apparatus using the same
CN101632949A (zh) * 2008-07-25 2010-01-27 霍夫曼-拉罗奇有限公司 用于操纵试样管支架的方法和实验室系统
CN101614876A (zh) * 2009-07-29 2009-12-30 中国人民解放军国防科学技术大学 一种光束任意整形新方法及装置
WO2014196448A1 (ja) * 2013-06-06 2014-12-11 浜松ホトニクス株式会社 補償光学システムの調整方法、補償光学システム、及び補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体
CN105444878A (zh) * 2014-09-24 2016-03-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种高精度氧碘化学激光远场光束质量测量装置和方法
WO2016174063A1 (de) * 2015-04-28 2016-11-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und vorrichtung zur lokal definierten bearbeitung an oberflächen von werkstücken mittels laserlicht
WO2018073170A1 (de) * 2016-10-17 2018-04-26 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Vorrichtung zur strahlmanipulation für ein scanning-mikroskop und mikroskop
CN110139076A (zh) * 2019-05-15 2019-08-16 郑州佛光发电设备有限公司 一种方舱的自适应隐身方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
马剑强;李艳;喻奇志;杨宗峰;: "基于单压电变形镜的可控环形焦斑整形", 光学精密工程, no. 06, 15 June 2018 (2018-06-15) *

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