液晶空間光調(diào)制器及其應(yīng)用 王康俊 上海瞬渺光電技術(shù)有限公司，上海 201108 空間光調(diào)制器是一種對光波的光場分布進行調(diào)制的元件，廣泛地應(yīng)用于光信息處理 光束變換輸出顯示等諸多應(yīng)用領(lǐng)域液晶空間光調(diào)制器(SLM)以制作簡單，價格低，耗能 低，易控制，易制成二維器件，且易構(gòu)成并行光學(xué)信息處理器件等優(yōu)點，倍受國內(nèi)外研究 學(xué)者的關(guān)注液晶空間光調(diào)制器又稱光學(xué)快門陣列(OSAs) ,它將液晶層作為光調(diào)制材料, 液晶層采用向列型液晶的混合場效應(yīng)工作模式，在晶層上各區(qū)域施加不同的電場,可以引起 液晶分子排列方向和位置的變化,從而導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)的變化,實現(xiàn)對光信號的調(diào)制本文 簡要介紹了Holoeye的液晶空間光調(diào)制器，并列舉其目前在光鑷技術(shù)螺旋位相相襯成像 飛秒脈沖整形自適應(yīng)光學(xué)光學(xué)投影等方面的應(yīng)用 Holoeye的空間光調(diào)制器主要是基于透射或反射類型的液晶微顯示技術(shù)，通過液晶分子 的旋光偏振性和雙折射性來實現(xiàn)入射光束的波面振幅和相位的調(diào)制（如圖1），可作為動態(tài) 光學(xué)元件，實時地調(diào)制光強和相位的空間分布Holoeye SLM系列產(chǎn)品一般可分為相位 型振幅型和振幅相位復(fù)合型純相位型調(diào)制范圍都可達2以上，振幅型對比度典型值為 2500:1，LC-R 1080可達10000:1Holoeye SLM系列產(chǎn)品分辨率高，像素單元小，填充因 子高，衍射效率高，這樣，實際應(yīng)用中可獲得高精度的波前控制同時，幀頻可達到 180Hz，有利于實時控制Holoeye還提供了良好的軟件控制界面，通過灰度圖象控制SLM面 板像素單元對應(yīng)的相位或振幅目前，Holoeye的空間光調(diào)制器已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，下 面僅作一些簡單的介紹 圖1 相位調(diào)制特性測量示意圖 Locs即SLM,空間光調(diào)制器，P=起偏器 A=檢偏器 MO=顯微物鏡 L1,L2=透鏡 NDF=中性密度濾光片 Mask=掩模板 Laser=激光器 全息光鑷 光鑷技術(shù)是利用光的力學(xué)效應(yīng)實現(xiàn)對微觀粒子的操控，具有非接觸無損傷特性，在 分子生物學(xué)膠體科學(xué)實驗原子物理等領(lǐng)域中具有極其重要的作用，光鑷本身也不斷發(fā) 展并產(chǎn)生許多衍生光鑷技術(shù)利用全息元件或空間光調(diào)制器（SLM）所形成的全息光鑷，在 多粒子操控方面的優(yōu)勢，為光鑷技術(shù)走向?qū)嵱没?guī)模工業(yè)生產(chǎn)打開了新局面，是目前光 鑷家族極具活力的成員 利用空間光調(diào)制器，可以靈活地實現(xiàn)光束的變換，獲得所需的阱域分布所謂阱域， 就是具有高梯度光強分布的區(qū)域，該區(qū)域可形成對微粒的三維束縛（如圖2）Andreas.H 等的實驗裝置中1），采用了Holoeye HEO 1080P II SLM，其分辨率為1920×1080，像 元大小8um該實驗中，為解決一般光鑷系統(tǒng)高數(shù)值孔徑物鏡帶來的短工作距離問題，設(shè) 計出Twin雙光束技術(shù)，即另一部分光通過載波片的反射，形成與原會聚光對應(yīng)的反向會聚 光這樣，可以減小散射光的影響，提高軸向作用力，在低數(shù)值孔徑物鏡下也可形成光 阱另外，通過SLM可以產(chǎn)生多個阱域2，3），實現(xiàn)多粒子的操控，并且還可用于微粒間相 互作用力的測量值得一提的是，利用SLM可將基模Gaussian光束轉(zhuǎn)換成Laguerre- Gaussian光束，由于Laguerre-Gaussian具有軌道角動量，可以實現(xiàn)對微粒的旋轉(zhuǎn)操 控，該研究引起了廣泛的興趣4） 圖2 Twin光阱全息光鑷裝置 microscope objective=顯微物鏡 Object plane=物平面 螺旋位相相襯成像 在光學(xué)顯微鏡中，暗場或相襯方法常被用來提高物體成像的對比度實質(zhì)上，這些方 法都可看作是傅立葉平面上的光學(xué)濾波類似于微分干涉相差顯微技術(shù)，螺旋位相相襯法 也是利用對相移的敏感性來提高成像的清晰度，特別是邊緣由于光束的對稱性，還可以 對各向均勻介質(zhì)物體成像進行對比增強并且，較傳統(tǒng)相差顯微成像，邊緣對比度要提高 幾個量級如圖3，Severin.F等采用了Holoeye 3000反射型SLM，分辨率1920× 1080，像元大小10um通過它產(chǎn)生閃耀光柵執(zhí)行濾波處理5)這里，進行螺旋相位濾波 的全息光柵，ZX有一個分叉，對應(yīng)于位相不連續(xù)奇點 圖3 螺旋位相光束在成像中用于提高邊緣對比度的實驗裝置 Laser diode=激光二極管，Sample stage=樣品臺，Objective=物鏡，Mirror= 反射鏡， Microscope=顯微鏡，Relay lenses=中繼鏡，camera=相機 圖4 相位物體的對比增強A-C為明場成像，B-D為螺旋位相濾波成像 飛秒脈沖整形 飛秒脈沖整形的基本原理是頻域和時域是互為傅里葉變換的，所需要的輸出波形可由 濾波實現(xiàn)圖5是脈沖整形的基本裝置6)，它是由衍射光柵透鏡和脈沖整形模板組成的4f 系統(tǒng)超短激光脈沖照射到光柵和透鏡上被色散成各個光頻成份在兩透鏡的中間位置上 插入一塊空間模式的模板或可編程的空間光調(diào)制器，目的是調(diào)制空間色散的各光頻成份的 振幅和位相遙，光柵和透鏡看作是零色散脈沖壓縮結(jié)構(gòu)超短脈沖中的各光頻成份由** 個衍射光柵角色散，然后在**個透鏡的焦平面聚焦成一個小的衍射有限的光斑這里 的各光頻成份在一維方向上空間分離，在光柵上從不同角度散開，在**個透鏡的后焦平 面上進行了空間分離，**個透鏡實現(xiàn)了一次傅里葉變換第二個透鏡和光柵把這些分離 的所有頻率成份重新組合，這樣就得到了一個整形輸出脈沖，這個輸出脈沖的形狀由光譜 面上模板的模式給出 這里，E.Frumker 等只使用了一個透鏡和光柵進行脈沖整形其中，SLM 為Holoeye HEO 1080P，承受功率密度可大于2W/cm2在制冷的狀態(tài)下，可進一步提高光功率 圖5 飛秒脈沖整形實驗光路圖 FL=聚焦透鏡，M1,M2=反射鏡，G=光柵，SM=掃描鏡，L1,L2=透鏡 自適應(yīng)光學(xué) 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，是一種能夠?qū)崟r校正光學(xué)系統(tǒng)隨機誤差并使系統(tǒng)始終保持良好工作 性能的新技術(shù)，早期在天文觀測中是用來修復(fù)大氣湍流等因素對光波波前的扭曲，通過動 態(tài)地對波前誤差的實時探測-控制-校正，來改善成像質(zhì)量目前，在眼底視網(wǎng)膜成像大 視場顯微成像等方面也得到應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，關(guān)鍵部件是哈特曼波前傳感器與變 形鏡7)或空間光調(diào)制器（圖6） 另外，SLM還可用來模擬大氣擾動，為實驗室里研究大氣中光學(xué)成像提供有力支持 8) 圖6 光波前閉環(huán)控制示意圖 H.-S.波前探測器，set-up closed loop wave-front control 閉環(huán)波前控制 光學(xué)投影 光學(xué)投影，特別是三維成像，可以利用空間光調(diào)制器通過全息計算生成Alexander.J 認為物光的復(fù)振幅光場由兩個相位衍射模式P1,P2組成9)，分別處于4f系統(tǒng)中的兩個共軛平 面上，P1通過跌代優(yōu)化建立傅立葉平面上的振幅分布，P2用來建立所需要的相位分布函 數(shù)如圖7，P1，P2都是由Holoeye HEO 1080 SLM來完成，凹面反射鏡類似透鏡作用進 行傅立葉變換實驗上，建立了一個Logo圖象與一般衍射元件相比較，SLM可以對成像 方便地進行優(yōu)化處理 圖7 圖象的全息重建實驗示意圖 Collimated beam@1064nm=1064nm準直光束, Spherical mirror=球面反射鏡 液晶空間光調(diào)制器，由于具有線形度好分辨率高響應(yīng)速度快可編程性強等優(yōu) 點，不僅在上述領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，而且還可應(yīng)用于光相關(guān)處理10)光束空間整形11) 激光打標或掃描12)全息測量13)，并且，隨著加工工藝的提高和成本的降低，將會在更多 的領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢 參考文獻： 1） Andreas H, Holographic optical tweezers with real time hologram calculation using a phase-only modulating Lcos-Based SLM at 1064nm, Proc. 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