液晶空间光调制器的原理和应用

空间光调制器原理

空间光调制器(简称SLM)基于硅基液晶(LCoS)技术。Thorlabs EXULUS®空间光调制器使用反射式面板，基本的层级结构如下图所示。

保护玻璃位于最顶层，一般镀有增透膜。玻璃底部是透明电极层，而上下对准层之间填充液晶，为液晶分子提供相同的初始方向。分子在未施加电压时是水平的。面板底部具有相似的特性。两导电层的区别是底层具有图案化的微小独立像素，所以每个电极能被单独驱动，形成SLM的独立像素。

底部的对准层和电极层之间有时还有介质层，用于提高特定波长的反射率和功率承受能力。由于面板源自硅基工艺，因此最后一层是硅背板。

施加电压时，电场反作用于对准层预设的对准方向，使液晶分子旋转。电压持续增加时将变成主导力，最终把所有分子拉到竖直方向。如果减小电压，对准层的锚定力再次开始作用，这时液晶分子往回旋转，并在电压降为零时回到水平方向。

施加电压分子旋转

从水平旋转到竖直

SLM面板以像素阵列排布，而且每个像素都能被单独控制。液晶相当于延迟器，而分子方向对应于延迟器的慢轴或相位延迟量。如果入射偏振平行于慢轴，分子方向也和光程相关。分子水平时光程最长，分子直立时光程为最短。因此，反射波前在分子直立区域的速度比分子水平区域更快。下图展示了SLM改变平面波前的效果，此处相差约为一个波，相当于1λ或2π。这也是很多应用所需要的相位延迟范围。

平面入射波前

反射波前和分子方向有关

EXULUS产品线

首先看EXULUS-HD1和4K1。 它们的外形和波长范围相同(校准波长633 nm)，主要区别是分辨率和像素间距不同，但液晶面板的整体尺寸是差不多的。另外，HD1还有帧率提升模式工作，可提供180帧/秒的帧率，而4K1提供触发输出信号，可用于同步其它设备。

HD1和4K1可在面板前安装30 mm笼式系统，或者从设备底部或两侧安装接杆。它们的顶部有两个旋钮，通过附带的手拧螺丝可调节面板的俯仰和偏转角度，调好角度后还可用锁环锁定。

其次看EXULUS-HD2、HD3和HD4。 它们具有相同的外形，而且比前面的版本小很多。主要差别是波长范围，因此校准波长也各不相同。以上型号都可安装30 mm笼式系统和接杆，可以调节液晶面板的角度，并且提供触发输出信号。

最后是从HD2和HD3扩展的HP版本 ，型号后缀分别为HD2HP和HD3HP，而HD4HP则需要定制。HP可以表示高性能或高功率。HP版本增加了液体冷却功能，可用管子连接Thorlabs LK220等冷却设备，从而为SLM面板散热。因此HP版本不仅能承受更高的光功率，而且性能更稳定。

液晶面板分离并连接LK220冷却系统

SLM应用：涡旋和艾里光束

由于SLM能够改变相位，因此它能实现各种光束变换应用，从基本的光栅衍射和菲涅尔透镜聚焦到生成特殊的光束，比如涡旋和艾里光束。

涡旋相位 -> 拉盖尔高斯光束

无衍射、自愈、自加速

下面是使用SLM生成涡旋光束或艾里光束的演示装置。光源采用氦氖激光器，通过偏振片和半波片的组合控制偏振后由反射镜打到SLM面板上。SLM输出光束一部分进入CCD光束分析仪，一部分投到观察屏上。软件操作也非常简单，只需Pattern标签下单选好光束类型并设好波长和相关参数即可。

对于涡旋光束，它的轮廓就像甜甜圈，而阶数越大，甜甜圈越大，中心的零光强区域也越大。生成涡旋光束的相位图案是一种径向图案，中心有一个奇点。入射光束必须正对这个点才能变成涡旋光束，而且偏振方向必须对准液晶的慢轴。

一阶涡旋光束

十阶涡旋光束

对于艾里光束，它需要立方相位图案，为了在观察屏或光束分析仪上看到明显的效果，我们将Alpha值设定在10万这么大的数值。

Alpha=10万的立方相位

实际艾里光束

SLM应用：一般描述

将SLM面板上的相位图案投影到远场，本质上这就是傅里叶光学。只要处理好图像及其傅里叶变换的关系就几乎能投射任何图像，至少原理上是可行的。这是SLM操控光束最一般的方式，实际上只通过相位处理，我们称之为计算机生成全息图(CGH)。

EXULUS软件提供CGH功能。输入图像必须是方形的，这是由傅里叶变换决定的。它能处理的图像长宽比取决于像素形状而不是面板的长宽比，而我们的像素都是方形的，即使面板是高清或16:9比例。裁剪和改变输入图像大小后实施傅立叶变换并提取相位信息，然后按照图像的灰度生成最终的CGH图像，将其发送到SLM面板。

CGH投影基本步骤

我们也可以对结果做逆傅里叶变换与初始图像对比，然后通过迭代改善结果，一般只需要几次迭代就能得到最佳输出。除了使用EXULUS软件，用户也可以将现成的CGH图像发送到软件进行投影。

下面是CGH投影演示装置。这里使直径更宽的激光照明更多像素，通过反射镜打到SLM面板后直接投到观察屏上。操作软件时，选择CGH标签后载入图像，如果需要可使用图像缩放选项，设好波长和焦距后就能在屏幕上看到小狗图案了。

由于SLM面板的像素填充因子不是百分之百，因此投影图像中心出现了一个亮斑，它叫做零级光斑。减弱零级光斑的一种方法是减小焦距的设定值，并在SLM前加一组成像透镜，使零级光斑散焦，而小狗图像仍在屏幕上正确成像。

由于波前操控功能，SLM有非常广泛的应用，比如多光子激发、自适应光学、光束整形、脉冲整形和成像等等，比如前面提到的涡旋光束就是受激发射损耗(STED)超分辨成像的基本要素。高功率SLM还能满足更多工业应用要求，比如多光束操控、光刻和激光直写等等。