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42年后浪来袭,看滨松SLM新品如何迭代前浪
来源: | 作者:topphotonics | 发布时间: 2023-02-10 | 651 次浏览 | 分享到:

空间光调制器(简称SLM),对于许多滨松公众号的读者来说是一个非常熟悉的tag了。其实空间光调制器这个东西,滨松早在1980年就已经开始了研发历程。本着探索人类未知未涉的精神,一代一代产品的更新换代,一代一代技术的推陈出新,到今年已经走过了42个年头。


▲滨松空间光调制器发展历程一览




新品!针对三种不同波段的介质镜型号


2022年,滨松又推出了新的产品——针对850 nm-1000 nm/1500 nm-1600 nm/1850 nm-2050 nm波段的新款介质镜型号。




介质镜的分层结构与原理


要想搞懂空间光调制器,首先得来理解一下何为介质镜?



我们从空间光调制器的结构来看一下。在液晶红色的线位置做一个横切面,把它放大来看的话,它一共有三层结构——我们顺着入射激光的方向来看:


首先,第一层透明保护玻璃;

其次,有一个透明的Ito电极;

最后,主要工作的区域就是液晶层,液晶层通过Ito电极和底下的CMOS电极对它加一个电压之后,会改变该像素的液晶分子的排列方向。

那么激光经过液晶层之后,在这个很关键的面——反射面上被反射(反射式LCOS的名称由来,相对于透射式的优势是光能损失小),新产品及部分老产品采用的材料是多层介质膜组成的介质镜,激光经过反射面之后就是被调制后的激光了。我们简单通过公式来看的话,光程等于折射率乘以这一段液晶的几何距离,那么我们通过改变液晶分子的方向,就改变了这一个像素上的液晶的折射率。折射率改变的话,几何距离不变的情况下,就改变了光程;改变了光程,从而就改变了相位。


介质镜型号的突出特点就是:高光利用率+可以抗强光。比如说激光中常用到的532 nm、633 nm、1064 nm等波段,以及本次推出的-12,-15,-19等型号,通过介质镜的设计都可以使它的光利用率达到了97%或以上,(光利用率也称为0级衍射效率)。大部分介质镜型号都有相应的水冷型号,在提高光阈值的峰值功率阈值的同时,通过水冷也将平均功率阈值大大提升。例如下图为不带水冷的型号(-03)与带水冷的型号的光阈值对比,可以看到水冷将平均功率提升了10倍甚至更多(-03BL测试数据最高达到——针对1030 nm激光, 光斑大小φ5.5 mm——平均功率密度210 W/cm2连续正常工作。)




利用空间光调制器相位调制的优势


空间光调制器的全称是Liquid Crystal On Silicon, 硅基液晶空间光调制器。它和DMD都是对光进行编程的元器件。前者更加专注于改变光的相位,而后者更加专注于改变光的强度分布。


与光相关的参量有很多,比如相位、角动量、速度、波长、脉冲、偏振、能量分布、传播方向等。在按需改变这些参量的时候,我们发现它们具有一定的内在联系,比如通过对相位的改变,我们可以间接地对角动量进行改变、对脉冲进行改变、改变它的偏振方向、改变这一束光的能量分布、改变光的传播方向等等。所以相位在这里面是一个连接的纽带,它可以实现振幅调制无法实现的一些复杂调制。


用一个公式来表示光,这里可以调制的参量有两个,一个是振幅,一个是相位。



振幅调制


实现振幅调制(例如DMD,一部分类型的SLM等)的方法是通过遮挡一部分光,来使需要实现的能量分布的那一部分光漏过去。这样的话就有一个问题:被遮挡住这部分光相当于被浪费掉了,这部分光没有得到利用,说明振幅调制来实现的方法能量利用率低。



相位调制


相位调制主要是通过相位调制使光强重新分布。忽略仪器本身所产生的噪声和误差,从原理上来讲,相位调制的能量利用率是100%。因此就可以看出通过相位对光进行调制,具有能量利用率高的优势。


另外,针对一些波长相关的应用,空间光调制器材料具有波长选择性,这也是DMD等调制器所没有的属性。从折射率和光程关系的公式来看,当波长下降的时候,折射率就会上升,这样的光程就增加,所以说相当于对不同的波长有不同的调制效果,这是它的一个原理。空间光调制器不同的波长对应着不同的LUT曲线,滨松每一台出厂的空间光调制器都有所有参数内波长的LUT数据,且优秀的硬件线性度使其无需标定。