液晶空間光調(diào)制器的原理和應(yīng)用

空間光調(diào)制器原理

空間光調(diào)制器(簡稱SLM)基于硅基液晶(LCoS)技術(shù)。Thorlabs EXULUS?空間光調(diào)制器使用反射式面板，基本的層級結(jié)構(gòu)如下圖所示。

保護(hù)玻璃位于最頂層，一般鍍有增透膜。玻璃底部是透明電極層，而上下對準(zhǔn)層之間填充液晶，為液晶分子提供相同的初始方向。分子在未施加電壓時(shí)是水平的。面板底部具有相似的特性。兩導(dǎo)電層的區(qū)別是底層具有圖案化的微小獨(dú)立像素，所以每個(gè)電極能被單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，形成SLM的獨(dú)立像素。

底部的對準(zhǔn)層和電極層之間有時(shí)還有介質(zhì)層，用于提高特定波長的反射率和功率承受能力。由于面板源自硅基工藝，因此最后一層是硅背板。

施加電壓時(shí)，電場反作用于對準(zhǔn)層預(yù)設(shè)的對準(zhǔn)方向，使液晶分子旋轉(zhuǎn)。電壓持續(xù)增加時(shí)將變成主導(dǎo)力，最終把所有分子拉到豎直方向。如果減小電壓，對準(zhǔn)層的錨定力再次開始作用，這時(shí)液晶分子往回旋轉(zhuǎn)，并在電壓降為零時(shí)回到水平方向。

施加電壓分子旋轉(zhuǎn)

從水平旋轉(zhuǎn)到豎直

SLM面板以像素陣列排布，而且每個(gè)像素都能被單獨(dú)控制。液晶相當(dāng)于延遲器，而分子方向?qū)?yīng)于延遲器的慢軸或相位延遲量。如果入射偏振平行于慢軸，分子方向也和光程相關(guān)。分子水平時(shí)光程最長，分子直立時(shí)光程為最短。因此，反射波前在分子直立區(qū)域的速度比分子水平區(qū)域更快。下圖展示了SLM改變平面波前的效果，此處相差約為一個(gè)波，相當(dāng)于1λ或2π。這也是很多應(yīng)用所需要的相位延遲范圍。

平面入射波前

反射波前和分子方向有關(guān)

EXULUS產(chǎn)品線

首先看EXULUS-HD1和4K1。 它們的外形和波長范圍相同(校準(zhǔn)波長633 nm)，主要區(qū)別是分辨率和像素間距不同，但液晶面板的整體尺寸是差不多的。另外，HD1還有幀率提升模式工作，可提供180幀/秒的幀率，而4K1提供觸發(fā)輸出信號，可用于同步其它設(shè)備。

HD1和4K1可在面板前安裝30 mm籠式系統(tǒng)，或者從設(shè)備底部或兩側(cè)安裝接桿。它們的頂部有兩個(gè)旋鈕，通過附帶的手?jǐn)Q螺絲可調(diào)節(jié)面板的俯仰和偏轉(zhuǎn)角度，調(diào)好角度后還可用鎖環(huán)鎖定。

其次看EXULUS-HD2、HD3和HD4。 它們具有相同的外形，而且比前面的版本小很多。主要差別是波長范圍，因此校準(zhǔn)波長也各不相同。以上型號都可安裝30 mm籠式系統(tǒng)和接桿，可以調(diào)節(jié)液晶面板的角度，并且提供觸發(fā)輸出信號。

最后是從HD2和HD3擴(kuò)展的HP版本 ，型號后綴分別為HD2HP和HD3HP，而HD4HP則需要定制。HP可以表示高性能或高功率。HP版本增加了液體冷卻功能，可用管子連接Thorlabs LK220等冷卻設(shè)備，從而為SLM面板散熱。因此HP版本不僅能承受更高的光功率，而且性能更穩(wěn)定。

液晶面板分離并連接LK220冷卻系統(tǒng)

SLM應(yīng)用：渦旋和艾里光束

由于SLM能夠改變相位，因此它能實(shí)現(xiàn)各種光束變換應(yīng)用，從基本的光柵衍射和菲涅爾透鏡聚焦到生成特殊的光束，比如渦旋和艾里光束。

渦旋相位 -> 拉蓋爾高斯光束

無衍射、自愈、自加速

下面是使用SLM生成渦旋光束或艾里光束的演示裝置。光源采用氦氖激光器，通過偏振片和半波片的組合控制偏振后由反射鏡打到SLM面板上。SLM輸出光束一部分進(jìn)入CCD光束分析儀，一部分投到觀察屏上。軟件操作也非常簡單，只需Pattern標(biāo)簽下單選好光束類型并設(shè)好波長和相關(guān)參數(shù)即可。

對于渦旋光束，它的輪廓就像甜甜圈，而階數(shù)越大，甜甜圈越大，中心的零光強(qiáng)區(qū)域也越大。生成渦旋光束的相位圖案是一種徑向圖案，中心有一個(gè)奇點(diǎn)。入射光束必須正對這個(gè)點(diǎn)才能變成渦旋光束，而且偏振方向必須對準(zhǔn)液晶的慢軸。

一階渦旋光束

十階渦旋光束

對于艾里光束，它需要立方相位圖案，為了在觀察屏或光束分析儀上看到明顯的效果，我們將Alpha值設(shè)定在10萬這么大的數(shù)值。

Alpha=10萬的立方相位

實(shí)際艾里光束

SLM應(yīng)用：一般描述

將SLM面板上的相位圖案投影到遠(yuǎn)場，本質(zhì)上這就是傅里葉光學(xué)。只要處理好圖像及其傅里葉變換的關(guān)系就幾乎能投射任何圖像，至少原理上是可行的。這是SLM操控光束最一般的方式，實(shí)際上只通過相位處理，我們稱之為計(jì)算機(jī)生成全息圖(CGH)。

EXULUS軟件提供CGH功能。輸入圖像必須是方形的，這是由傅里葉變換決定的。它能處理的圖像長寬比取決于像素形狀而不是面板的長寬比，而我們的像素都是方形的，即使面板是高清或16:9比例。裁剪和改變輸入圖像大小后實(shí)施傅立葉變換并提取相位信息，然后按照圖像的灰度生成最終的CGH圖像，將其發(fā)送到SLM面板。

CGH投影基本步驟

我們也可以對結(jié)果做逆傅里葉變換與初始圖像對比，然后通過迭代改善結(jié)果，一般只需要幾次迭代就能得到最佳輸出。除了使用EXULUS軟件，用戶也可以將現(xiàn)成的CGH圖像發(fā)送到軟件進(jìn)行投影。

下面是CGH投影演示裝置。這里使直徑更寬的激光照明更多像素，通過反射鏡打到SLM面板后直接投到觀察屏上。操作軟件時(shí)，選擇CGH標(biāo)簽后載入圖像，如果需要可使用圖像縮放選項(xiàng)，設(shè)好波長和焦距后就能在屏幕上看到小狗圖案了。

由于SLM面板的像素填充因子不是百分之百，因此投影圖像中心出現(xiàn)了一個(gè)亮斑，它叫做零級光斑。減弱零級光斑的一種方法是減小焦距的設(shè)定值，并在SLM前加一組成像透鏡，使零級光斑散焦，而小狗圖像仍在屏幕上正確成像。

由于波前操控功能，SLM有非常廣泛的應(yīng)用，比如多光子激發(fā)、自適應(yīng)光學(xué)、光束整形、脈沖整形和成像等等，比如前面提到的渦旋光束就是受激發(fā)射損耗(STED)超分辨成像的基本要素。高功率SLM還能滿足更多工業(yè)應(yīng)用要求，比如多光束操控、光刻和激光直寫等等。