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液晶空间光调制器(SLM)结构及原理详解(一)

发布时间:2021-02-07 11:25:20 浏览量:700 作者:Grin

摘要

SLM是基于LCOS(Liquid Crystal On Silicon液晶覆硅)工艺开发出来的,由盖板玻璃,前透明电极,液晶层,反射镜像素,集成电

路背板(CMOS工艺)等结构组成。SLM有着广泛的应用,可以用于光束转向、分束、调焦,光镊,脉冲整形,衍射光学等领域。

正文


结构

SLM是基于LCOS(Liquid Crystal On Silicon液晶覆硅)工艺开发出来的,由盖板玻璃,前透明电极,液晶层,反射镜像素,集成电

路背板(cmos工艺)等结构组成。SLM有着广泛的应用,可以用于光束转向、分束、调焦,光镊脉冲整形,衍射光学等领域。

SLM的剖面图和相位调制原理图如图一所示:


图1    SLM截面图及相位调制原理


盖板玻璃起到保护和封装液晶的作用,针对实际使用中光源的不同波长范围,盖板玻璃表面镀有相应波长范围的宽谱AR膜,可以大大

减少反射光,提高系统效率。

前透明电极层位于液晶层的顶部,加载有恒定电压。

液晶层是SLM中的工作物质,液晶分子的排列状况可以在电场作用下发生变化,从而改变经过该像素的光的相位延迟。

像素位于液晶层底部,其上镀有铝或介质膜的反射层,具有很高的反射效率。

集成电路背板将加载到像素的灰度转换为相应的电压,与透明电极一起在该像素上形成控制液晶层偏转的电场。

偏振光从设备顶部进入,经过盖板玻璃、前透明电极层和液晶层,在像素电极上反射后返回相同的路径。像素之间留有间隙,起到绝缘

的作用,这也使得SLM的填充率达不到100%,这一定程度上降低SLM的效率,镀有介质膜的SLM可以填补像素之间的间隙,实现

100%的填充率。由于每个像素都是独立控制的,通过在每个像素上加载不同的电压可以产生相位图。像素底部的集成电路背板可以将

灰度值信息转换为相应的电压值加载到像素上,这个电压值可以通过LUT写入和校准。同时集成电路的性能决定了SLM的切换速度和相

位稳定性。


工作原理

SLM使用向列相液晶作为工作物质,在不加电场的情况下,液晶分子排列平

行前盖板玻璃和底层集成电路背板(VLSI Die),此时入射光的非自然光折射率(ne)和自然光折射率(no)之间的差最大。如果入射到

SLM上的光是平行于非寻常轴的线偏振光,此时入射光与出射光间产生最大的相位延迟。随着施加在液晶上的电压的增加,液晶分子

在层内发生旋转、倾斜直到达到极限,此时液晶分子几乎垂直盖板玻璃和集成电路背板,o光和e光之间折射率差最小,几乎为零,出

射光与入射光之间有最小的相位延迟。每个SLM像素都是独立可编程的,256个离散的电压状态可以观察到纯电压相关的相移。



图2    未加电场(左)和满电场(右)情况下液晶分子排列示意图

光路

根据XY相位系列SLM的应用,许多不同的光学配置可以用于组合相位-振幅模式或纯相位模式。下面显示了两个纯相位光学测试配置的

示例。


第一个光学装置,如图3所示,是Twyman-Green干涉仪的修改版。在这种情况下,单色准直光源(激光扩束后光斑直径需大于SLM的

对角线)通过非偏振分束器,光束被分成两束强度几乎相等的光束。其中一束照亮了XY相位系列SLM,而另一束照亮了参考镜。两束反

射的光束在透镜的成像平面上重新组合。如果参考镜和SLM仔细对齐,使它们接近共面,在像面上就会看到干涉条纹。摄像机被放置

在成像平面上,以便放大条纹便于观察。当XY相位系列SLM以不同的相位图驱动时,可以看到动态干涉条纹。分析干涉条纹可以获得

XY相位SLM进行相位调制信息。

 

图3    SLM的Twyman-Green 干涉仪光路


图4所示的离轴配置,在光路中移除了非偏振分束器,从而最大限度地提高升系统效率。激光束以一个轻微的角度(≤15°)入射到SLM

上,照射到SLM上,经像素反射镜反射,然后用镜头在相机上成像。请注意,因为这个光学装置不是干涉仪,实际的相位调制在相机

上是不可见的。这个光学设置只是为了说明离轴系统的概念。应该修改配置以满足确切的应用需求。偏轴角尽可能小,以减少光线通过

超过一个像素区域而产生的串扰效应。使偏轴角最小化也使相位延迟更接近设计值。

图4    XY相位系列SLMs的离轴光学装置


图5    一种可获得的XY相位系列SLMs的离轴光学装置实物图


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