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 flat-

tops, 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.

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

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,

info@blz.org www.blz.org

Konrad-Zuse-Str. 2-6, D-91052 Erlangen

Tel.: +49 / (0)9131 / 97790-0 Fax: +49 / (0)9131 / 97790-11

a) b)

c) d)

a) b)

c) d)250 mm

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 Optik-

Simulationssoftware 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.

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

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

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Tel.: +49 / (0)9131 / 97790-0 Fax: +49 / (0)9131 / 97790-11

a) b)

c) d)

a) b)

c) d)