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液晶空间光调制器及其应用
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简介: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
简介: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2π以上,振幅型对比度典型值为 2500:1,LC-R 1080可达10000:1。Holoeye 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,中心有一个分叉,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第一 个衍射光栅角色散,然后在第一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,在第一个透镜的后焦平 面上进行了空间分离,第一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。 参考文献: 1) Andreas H, “Holographic optical tweezers with real time hologram calculation using a phase-only modulating Lcos-Based SLM at 1064nm”, Proc. SPIE, Vol. 6905(2008) 2) Roberto D L, “Computer generation of optimal holograms for optical trap arrays”, Vol.15, No.4, Optics Express, 1913-1922(2006) 3) Jennifer E G, “Dynamic holographic optical tweezers’, Optics communication, Vol.207, 169- 175(2002) 4) L Allen, “Optical tweezers and optical spanners with Laguerre-Gaussian modes”, Journal of Modern Optics, Vol.43, No.12, 2485-2492(1996) 5) Severin F, “Spiral phase constract imaging in microscopy”, Vol. 13, No.3, Optics Express, 689- 694(2005) 6) E.Frumker, “Femtosecond pulse shaping using a two-dimensional liquid-crystal spatial light modulator”, Optics Letters, Vol.32, No.11, 1384-1386(2007) 7) Michael W, “Adaptive optical imaging correction using wavefront sensors and micro mirror arrays”, Photonik international 2008/1, 46-49 8) Liesi B, “Simulating atmospheric turbulence using a phase-only spatial light modulator’, South African Journal of Science 104, 129-133(2008) 9) Alexander J, “Near-perfect hologram reconstruction with a spatial light modulator”, Vol.16, No.4, Optics Express, 2597-2603(2008) 10)胡文刚等,”在光学相关器中测试滤波空间光调制器的相位调制特性”,光子学报,Vol.36,No.9, 1602-1605(2007) 11)陈怀新等,”采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形”,光学学报,Vol.21,No.9,1107-1111 (2001) 12)Pierre M L, “Fiber-opitc confocal microscopy using a spatial light modulator”, Optics Letter, Vol.25, No.24, 1780-1782(2000) 13)Kiyofumi Matsuda, “Holographic vibration measurements of rough surfaces using a LCSLM”, Optics Communications, Vol.275, Issue 1, 53-56(2007)
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