4 空间光调制器在超快激光加工中的应用
由于空间光调制器可以方便快捷地对激光光场进行调制，因此在超快激光加工领域得到了广泛的应用。本节将对空间光调制器在超快激光加工中的应用进行介绍，根据不同的实验目的，空间光调制器有着不同的使用方法，光路系统也不局限于4f系统。
4.1 像差矫正
像差的主要来源是激光加工过程中激光通过介质表面时由于折射率发生变化而导致的折射率不匹配。像差的存在会使得聚焦光场的强度分布和目标光场强度分布产生偏差，影响加工时光场的三维分布、降低加工精度、提高加工阈值，甚至无法加工出目标结构[46,45]。折射率不匹配所引入的球差与聚焦物镜的数值孔径、介质折射率、以及材料的加工深度等参数有关。如图4 （a）所示，由于界面两侧材料的折射率不同，激光在穿过介质表面时会发生折射，当使用物镜聚焦时，不同位置的激光入射角度不一样使得折射的角度不同，导致接近中心的光线与接近边缘的光线不再聚焦于同一点，而是沿着光的传播方向有所拉伸产生球差，这将对激光加工产生不利影响[47]。尤其是当使用高数值孔径的物镜进行加工时，由于边缘光线的入射角较大，球差的影响更加明显。
此外，当激光焦点靠近样品边缘时，除了有上述的球差，部分激光会从样品侧面入射到样品内部而并不是从上表面，这种情况会引入较大的像差，且焦点距离样品边缘越近，像差越大（图4 （b））[48]。
图4 激光加工时产生像差的示意图。
（a）激光聚焦到样品内部引入球差的示意图[47]；（b）激光靠近样品边缘时引入像差的示意图[48]
Fig. 4 Schematics of aberrations induced during laser fabrication. (a) Spherical aberration[47];
(b) ray trace diagrams indicating aberrations due to material edge[48]
超快激光加工过程中像差产生的主要因素是介质折射率不匹配，可以通过几何光学对其进行计算[49,48,47]，并利用空间光调制器的相位调制功能在激光加工时进行矫正。例如，利用像差矫正技术，可以在金刚石和熔融石英内部加工出三维螺旋点阵列的结构（图5 （a））[47]。此外，在多维度光存储应用中需要在介质不同的深度进行数据的写入和读取，因此会受到球差的影响，使用预测像差的方法可以利用空间光调制器对象差进行矫正[50]。结合反向光线追迹方法和使用预失真相位图，不同加工深度所引入的像差可以通过迭代算法生成的全息图得以矫正，使光斑失真程度达到最小[51]。类似于激光从样品边缘入射的情况，利用空间光调制器可以对圆柱形界面进行像差补偿，利用超快激光加工实现了在光纤截面任意一点的精确加工，制造了一种对偏振不敏感的光纤布拉格光栅（图5 （b））[52]。在超快激光写入光波导应用中，利用空间光调制器可以对像差进行矫正，构造三维多层光通路，在铌酸锂晶体中加工出偏振无关的光波导结构（图5 （d））[53]。除了对单个界面进行像差矫正，还可以利用空间光调制器对多个折射层的像差进行矫正，实现了超快激光透过石英玻璃对LBGO玻璃进行无像差的加工（图5 （c））[54]。
