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)