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标题: [推荐]液晶空间光调制器应用 [打印本页]

作者: 大巴 时间: 2009-12-16 10:54
标题: [推荐]液晶空间光调制器应用
液晶空间光调制器及其应用
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

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作者: 大巴 时间: 2009-12-16 11:01
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

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