首页  技术文章  液晶空间光调制器(SLM)的损伤阈值类型及测试方案

液晶空间光调制器(SLM)的损伤阈值类型及测试方案

发布时间:2021-04-12 11:27:00 浏览量:76 作者:Grin

摘要

空间光调制器(SLMs)是一种基于硅上液晶(LCoS)工艺的,可编程的自适应光学元件。在许多涉及高功率激光器的应用中,SLM可能会

受到强激光照射,这可能导致对SLM永久性的,不可逆的损坏。实际应用中,许多因素会影响到SLM的光强阈值,包括激光波长,脉

冲持续时间,激光重频,光束直径,脉冲空间轮廓,时间轮廓和入射角等。本文有助于读者理解激光损坏SLM的机制,是帮助使用者

预期SLM的损坏阈值水平的实用指南。

正文


一、简介

激光引起的损伤的原因主要有两类:

热吸收-产生于SLM中一种或多种材料对激光能量的吸收。这种损伤形式一般适用于连续波(CW)激光器、长脉冲(单脉冲长度≥1 ns)激光

器和高重复率的激光器,这些激光器的平均功率可以非常高。

介电击穿-当高峰值功率密度的激光器以超过热吸收速率的速度将电子从材料中剥离而导致烧蚀损伤时发生。这种损伤形式一般适用于

具有高峰值功率的短脉冲激光器为了说明这些概念,图1-图5举例说明了随时间变化的激光功率密度曲线(红色单线)和材料温度(蓝色双

线)。每条曲线显示了高脉冲功率密度如何能立即导致介质击穿,以及在整个激光脉冲周期中材料温度如何升高,从而接近热损伤点。

不同的材料有不同的吸收率,不同的热损伤温度,不同的介电击穿等级。



图1 连续波激光,损伤由高平均激光功率密度引起的热效应导致。降低功率密度,可以防止损坏


图2 长脉冲激光,高功率密度引起的热损伤。减小峰值功率或减小脉冲宽度以防止损坏


图3 短脉冲激光,高功率密度引起的介质击穿。降低峰值功率密度,防止损坏


图4 短脉冲激光器,低重复率,无损伤


图5 短脉冲激光,高重复率导致热损伤。降低峰值功率密度或降低重复率,以防止损坏


二、 激光损伤的定义

为了充分理解激光损伤原理,首先有必要定义一些关键术语和变量,这些术语将用于下面的方程中,请参阅表1和图6来了解这些术

语。这些术语与ISO标准21254“激光损伤阈值试验方法”中定义的术语一致。



SLM的脉冲激光器的LIDT值通常用能量密度或通量积分(单位: J/cm2)表示。如果脉冲具有矩形轮廓,如图6所示,能量通量积分F

等于峰值功率Ppk乘以脉冲持续时间T,再除以激光光斑面积A,见公式1。


图6 一个脉冲激光器的矩形“能量-时间”剖面


(1)


如果脉冲具有高斯形状,如图7所示,计算通常使用由高斯分布的1/e2功率级定义的脉冲持续时间来完成。在这种情况下,能量E的定

义如公式2所示。激光光斑面积如式3所示,其中d为光束直径。这导致通量F的计算如公式4所示


图7 A高斯时间剖面脉冲激光器


三、SLM的激光损伤阈值测试光路

Meadowlark光学使用如下光路测试SLM的损伤阈值。该测试的目的是确定SLM对各种激光光源的光强损伤阈值。光学测试配置示意图

如图8所示


图8 光学测试配置,A=光圈,BP =光束轮廓仪,FM=反光镜,HW=半波延迟器,L=透镜,D=探测器,P=偏振器


最初,光束轮廓仪被置于“BP或D1”位置,其具有与FM1到SLM的相同路径长度。 使用FM1的位置,捕获光束直径和轮廓并测量,为我

们提供将出现在SLM上光束的区域信息,用于后续功率密度计算。 然后将闪耀光栅的相位写入SLM以将进入的激光束转向到远场中发

生的第一阶衍射位置。 然后将光束轮廓仪移动到位于L2的焦平面的“BP或D2”位置。 这可以将SLM上的相位远场傅立叶平面成像,使

得可以通过调节光圈尺寸和位置来分离第一阶衍射光束。 这使得当光束轮廓仪用探测器替换时,能够监视第一阶衍射能量。


对于实际测试,将激光器设置为最大功率,并使用P1,HW和P2的集合来改变入射到SLM上的功率。 P2具有固定的方向,以确保偏振

是线性的,并且相对于SLM处于固定的轴上。 将FM1放在适当的位置,然后将P1和HW绕光轴旋转,以达到在D1上测得的所需激光能

量,并记录该能量读数。 然后将FM1翻转到适当的位置,并点亮SLM。 一旦D2以脉冲激光频率实现了同步锁定,就记录D2上的读

数。


然后绘制D1中的能量与D2处的能量之比,并进行监控。 如果该比率急剧变化,则SLM将不再以相同的效率将光引导至一阶衍射位置,这表明已编程的相位光栅发生了变化,因此发生了激光引起的损坏。


您可以通过我们的官方网站了解更多的产品信息,或直接来电咨询4006-888-532