Flexible laser beam shaping with spatial light modulators

Flexible laser beam shaping with spatial light modulators
Using liquid crystal light modulators, generally referred to as spatial light modulators (SLM), phase or
amplitude of a light wave can be modified by utilizing the electro-optical properties of a nematic liquid crystal
layer. The technological progress in SLM manufacturing has produced devices with a very high laser damage
threshold which are suitable for the use in high power laser environment. Another advantage is the small
response time of the liquid crystal molecules, which enable fast switching in the millisecond time domain. Thus
SLMs can be used for flexible beam shaping in short- and ultrashort pulse laser applications such as laser
material processing. Therefore the SLM displays a so called phase mask holding the information about the
phase- or amplitude modulation necessary to achieve the desired intensity distribution in the target plane. This
phase mask is computed using the numerical algorithms of special optics-simulation software tools.
The use of the SLM technology opens up new possibilities for flexible beamshaping like the generation of flattops, multi-spot-arrays or arbitrary intensity distributions which can be used in the micro material processing.
For investigations at the Bavarian Laser Center (blz) numerous phase masks were calculated for wavelength of
1064 and 532 nm wavelength and successfully tested with a picosecond laser system. Figure 1 shows the phase
distribution (figure 1 a), the simulated (figure 1 b) and measured intensity distribution (figure 1 c) in a picture
consisting of single spots. Figure 1 d shows the result of the material processing on stainless steel (1.4301)
achieved with this phase mask. Figure 2 shows examples for further intensity distributions which were
generated with different phase masks. This illustrates the versatility of the SLM for laser beam shaping in laser
material processing.
The software utilized for the phase mask optimization is well established at the Bavarian Laser Center and has
been used for years to design customized optical components such as diffractive elements, beam-shapers,
beam splitters or diffractive diffusers. The Bavarian Laser Center offers the optical design of customized phase
mask. Additionally the blz offers consulting and feasibility studies for the usage and software control of
customized SLM setups in laser material processing.
a)
b)
c)
d)
a)
250 mm
Figure 1: a) Phase mask; b) Simulated intensity distribution; c) Camera
image of an intensity distribution, magnification 10x; d) Material removal
in stainless steel, picosecond laser, focal length 75 mm, wavelength 532 nm,
100 pulses, pulse energy 10 µJ, repetition rate 200 kHz
c)
b)
d)
Figure 2: a) Spot-array 9 x 9 with zeroth order in the center;
b) Spot-array 3 x 5, zeroth order suppressed; c) Flat-Top diffusor
quadratic, zeroth order suppressed; d) Flat-top diffusor round with
zeroth order in the center
blz – Bayerisches Laserzentrum GmbH, Konrad-Zuse-Str. 2-6, D-91052 Erlangen
Tel.: +49 / (0)9131 / 97790-0 Fax: +49 / (0)9131 / 97790-11
[email protected] www.blz.org
Flexible Strahlformung mit Lichtmodulatoren
Mit Hilfe von Flüssigkristall-Lichtmodulatoren, die im Allgemeinen unter ihrem englischen Begriff „Spatial Light
Modulators (SLM)“ bekannt sind, lässt sich die Phase und/oder Amplitude einer Lichtwelle nach dem Prinzip
der elektrischen Kontrolle der optischen Eigenschaften einer nematischen Flüssigkristallschicht variieren.
Durch die technologischen Fortschritte bei der Herstellung von SLMs können Elemente zur Verfügung gestellt
werden, die eine sehr hohe Zerstörschwelle hinsichtlich der übertragenen optischen Leistung aufweisen. Ein
weiterer Vorteil ist die geringe Ansprechzeit der Flüssigkristalle, die ein schnelles Wechseln der
Intensitätsverteilung im Millisekundenbereich ermöglicht. Somit können SLMs in Kurzpuls- und
Ultrakurzpulslaseranwendungen, beispielsweise in der Materialbearbeitung, für die flexible Strahlformung
eingesetzt werden. Die Information für die Zielintensitätsverteilung wird in Matrixform in einer sogenannten
Phasenmaske gespeichert, die mittels spezieller Algorithmen beispielsweise mit einer OptikSimulationssoftware berechnet und optimiert wird.
Die am Bayerischen Laserzentrum seit Jahren im Bereich der wellenoptischen Simulation vorhandenen
Kenntnisse und Programme eignen sich neben der Auslegung von kundenspezifischen optischen
Komponenten, wie diffraktive Elemente, Beam-Shaper, Strahlteiler oder diffraktive Diffuser, auch für die
Berechnung von Phasenmasken für SLMs.
Durch einen SLM ergeben sich vielfältigste Möglichkeiten für die flexible Laserstrahlformung, beispielsweise
zur Erzeugung von Flat-Tops, Multi-Spot-Arrays oder arbiträren Intensitätsverteilungen, die in der
Mikromaterialbearbeitung eingesetzt werden können. Für Untersuchungen am blz wurden verschiedene
Phasenmasken für einen SLM berechnet, der für Wellenlängen von 1064 nm und 532 nm geeignet ist, und an
einer Pikosekundenlaseranlage erfolgreich erprobt. In Abbildung 1 sind die Phasenfunktion (Abbildung 1 a)
sowie die simulierte (Abbildung 1 b) und gemessene Intensitätsverteilung (Abbildung 1 c) einer aus Einzelspots
zusammengesetzten Grafik dargestellt. Abbildung 1 d) zeigt das Abtragsergebnis in Edelstahl (1.4301), das mit
dieser Phasenmaske realisiert wurde. In Abbildung 2 sind Beispiele für weitere Intensitätsverteilungen
dargestellt, die mit verschiedenen Phasenmasken erzeugt wurden. Die Abbildungen verdeutlichen die
vielfältige und flexible Einsetzbarkeit von SLMs für die Laserstrahlformung in der Lasermaterialbearbeitung.
a)
c)
b)
a)
d)
c)
Abb. 1: a) Phasenmaske; b) simulierte Intensitätsverteilung; c) mit einer
Strahlanalysekamera erfasste Intensitätsverteilung, Vergrößerung 10x; d)
Abtrag in Edelstahl mit einem Pikosekundenlaser, Brennweite 75 mm,
Wellenlänge 532 nm, 100 Pulse, Pulsenergie 10 µJ, Repetitionsrate 200 kHz
b)
d)
Abb. 2: a) Spot-Array 9 x 9 mit 0. Ordnung im Zentrum;
b) Spot-Array 3 x 5, 0. Ordnung unterdrückt; c) Flat-Top Diffusor
quadratisch, d) Flat-Top Diffusor rund
blz – Bayerisches Laserzentrum GmbH, Konrad-Zuse-Str. 2-6, D-91052 Erlangen
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