液晶空间光调制器及其应用

液晶空间光调制器及其应用
王康俊 上海瞬渺光电技术有限公司，上海 201108
空间光调制器是一种对光波的光场分布进行调制的元件，广泛地应用于光信息处理
光束变换输出显示等诸多应用领域液晶空间光调制器(SLM)以制作简单，价格低，耗能
低，易控制，易制成二维器件，且易构成并行光学信息处理器件等优点，倍受国内外研究
学者的关注液晶空间光调制器又称光学快门阵列(OSAs) ,它将液晶层作为光调制材料,
液晶层采用向列型液晶的混合场效应工作模式，在晶层上各区域施加不同的电场,可以引起
液晶分子排列方向和位置的变化,从而导致其光学性质的变化,实现对光信号的调制本文
简要介绍了Holoeye的液晶空间光调制器，并列举其目前在光镊技术螺旋位相相衬成像
飞秒脉冲整形自适应光学光学投影等方面的应用
Holoeye的空间光调制器主要是基于透射或反射类型的液晶微显示技术，通过液晶分子
的旋光偏振性和双折射性来实现入射光束的波面振幅和相位的调制（如图1），可作为动态
光学元件，实时地调制光强和相位的空间分布Holoeye SLM系列产品一般可分为相位
型振幅型和振幅相位复合型纯相位型调制范围都可达2以上，振幅型对比度典型值为
2500:1，LC-R 1080可达10000:1Holoeye SLM系列产品分辨率高，像素单元小，填充因
子高，衍射效率高，这样，实际应用中可获得高精度的波前控制同时，帧频可达到
180Hz，有利于实时控制Holoeye还提供了良好的软件控制界面，通过灰度图象控制SLM面
板像素单元对应的相位或振幅目前，Holoeye的空间光调制器已在许多领域得到应用，下
面仅作一些简单的介绍
图1 相位调制特性测量示意图
Locs即SLM,空间光调制器，P=起偏器 A=检偏器 MO=显微物镜 L1,L2=透镜 NDF=中性密度滤光片
Mask=掩模板 Laser=激光器
全息光镊
光镊技术是利用光的力学效应实现对微观粒子的操控，具有非接触无损伤特性，在
分子生物学胶体科学实验原子物理等领域中具有极其重要的作用，光镊本身也不断发
展并产生许多衍生光镊技术利用全息元件或空间光调制器（SLM）所形成的全息光镊，在
多粒子操控方面的优势，为光镊技术走向实用化规模工业生产打开了新局面，是目前光
镊家族极具活力的成员
利用空间光调制器，可以灵活地实现光束的变换，获得所需的阱域分布所谓阱域，
就是具有高梯度光强分布的区域，该区域可形成对微粒的三维束缚（如图2）Andreas.H
等的实验装置中1），采用了Holoeye HEO 1080P II SLM，其分辨率为1920×1080，像
元大小8um该实验中，为解决一般光镊系统高数值孔径物镜带来的短工作距离问题，设
计出Twin双光束技术，即另一部分光通过载波片的反射，形成与原会聚光对应的反向会聚
光这样，可以减小散射光的影响，提高轴向作用力，在低数值孔径物镜下也可形成光
阱另外，通过SLM可以产生多个阱域2，3），实现多粒子的操控，并且还可用于微粒间相
互作用力的测量值得一提的是，利用SLM可将基模Gaussian光束转换成Laguerre-
Gaussian光束，由于Laguerre-Gaussian具有轨道角动量，可以实现对微粒的旋转操
控，该研究引起了广泛的兴趣4）
图2 Twin光阱全息光镊装置
microscope objective=显微物镜 Object plane=物平面
螺旋位相相衬成像
在光学显微镜中，暗场或相衬方法常被用来提高物体成像的对比度实质上，这些方
法都可看作是傅立叶平面上的光学滤波类似于微分干涉相差显微技术，螺旋位相相衬法
也是利用对相移的敏感性来提高成像的清晰度，特别是边缘由于光束的对称性，还可以
对各向均匀介质物体成像进行对比增强并且，较传统相差显微成像，边缘对比度要提高
几个量级如图3，Severin.F等采用了Holoeye 3000反射型SLM，分辨率1920×
1080，像元大小10um通过它产生闪耀光栅执行滤波处理5)这里，进行螺旋相位滤波
的全息光栅，ZX有一个分叉，对应于位相不连续奇点
图3 螺旋位相光束在成像中用于提高边缘对比度的实验装置
Laser diode=激光二极管，Sample stage=样品台，Objective=物镜，Mirror= 反射镜，
Microscope=显微镜，Relay lenses=中继镜，camera=相机
图4 相位物体的对比增强A-C为明场成像，B-D为螺旋位相滤波成像
飞秒脉冲整形
飞秒脉冲整形的基本原理是频域和时域是互为傅里叶变换的，所需要的输出波形可由
滤波实现图5是脉冲整形的基本装置6)，它是由衍射光栅透镜和脉冲整形模板组成的4f
系统超短激光脉冲照射到光栅和透镜上被色散成各个光频成份在两透镜的中间位置上
插入一块空间模式的模板或可编程的空间光调制器，目的是调制空间色散的各光频成份的
振幅和位相遥，光栅和透镜看作是零色散脉冲压缩结构超短脉冲中的各光频成份由**
个衍射光栅角色散，然后在**个透镜的焦平面聚焦成一个小的衍射有限的光斑这里
的各光频成份在一维方向上空间分离，在光栅上从不同角度散开，在**个透镜的后焦平
面上进行了空间分离，**个透镜实现了一次傅里叶变换第二个透镜和光栅把这些分离
的所有频率成份重新组合，这样就得到了一个整形输出脉冲，这个输出脉冲的形状由光谱
面上模板的模式给出
这里，E.Frumker 等只使用了一个透镜和光栅进行脉冲整形其中，SLM 为Holoeye
HEO 1080P，承受功率密度可大于2W/cm2在制冷的状态下，可进一步提高光功率
图5 飞秒脉冲整形实验光路图
FL=聚焦透镜，M1,M2=反射镜，G=光栅，SM=扫描镜，L1,L2=透镜
自适应光学
自适应光学技术，是一种能够实时校正光学系统随机误差并使系统始终保持良好工作
性能的新技术，早期在天文观测中是用来修复大气湍流等因素对光波波前的扭曲，通过动
态地对波前误差的实时探测-控制-校正，来改善成像质量目前，在眼底视网膜成像大
视场显微成像等方面也得到应用自适应光学系统中，关键部件是哈特曼波前传感器与变
形镜7)或空间光调制器（图6）
另外，SLM还可用来模拟大气扰动，为实验室里研究大气中光学成像提供有力支持
8)
图6 光波前闭环控制示意图
H.-S.波前探测器，set-up closed loop wave-front control 闭环波前控制
光学投影
光学投影，特别是三维成像，可以利用空间光调制器通过全息计算生成Alexander.J
认为物光的复振幅光场由两个相位衍射模式P1,P2组成9)，分别处于4f系统中的两个共轭平
面上，P1通过跌代优化建立傅立叶平面上的振幅分布，P2用来建立所需要的相位分布函
数如图7，P1，P2都是由Holoeye HEO 1080 SLM来完成，凹面反射镜类似透镜作用进
行傅立叶变换实验上，建立了一个Logo图象与一般衍射元件相比较，SLM可以对成像
方便地进行优化处理
图7 图象的全息重建实验示意图
Collimated beam@1064nm=1064nm准直光束, Spherical mirror=球面反射镜
液晶空间光调制器，由于具有线形度好分辨率高响应速度快可编程性强等优
点，不仅在上述领域中得到广泛应用，而且还可应用于光相关处理10)光束空间整形11)
激光打标或扫描12)全息测量13)，并且，随着加工工艺的提高和成本的降低，将会在更多
的领域发挥其优势
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