圖1 藍寶石襯底氮化鎵液晶光閥結(jié)構(gòu)圖(a)施加電壓前(b)施加電壓后

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室范薇研究員團隊針對基于第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)的液晶光閥在2 μm波段的應(yīng)用可行性進行了研究。相關(guān)成果以“High laser damage threshold GaN-based liquid crystal devices for 2 μm band applications”為題發(fā)表在Infrared Physics & Technology上。

光尋址空間光調(diào)制器(Optically Addressed Spatial Light Modulator, OASLM)基于光電效應(yīng)，通過調(diào)控寫入光改變光學(xué)材料的局部特性，實現(xiàn)讀出光空間光場的振幅、相位、偏振態(tài)等的動態(tài)調(diào)制或?qū)懭牍庑畔⒌淖x取，具有快速響應(yīng)、動態(tài)調(diào)控和低光譜畸變等特性。在慣性約束聚變(ICF)高功率激光系統(tǒng)中，通過OASLM精確調(diào)控激光近場強度分布，能夠提升光束質(zhì)量和系統(tǒng)運行通量。在增材制造(AM)中，OASLM能夠?qū)崿F(xiàn)高精度激光調(diào)控，促進材料局部熔融與精密構(gòu)建，適用于激光熔化與光固化3D打印。隨著激光技術(shù)向高能量、高功率和多波長方向發(fā)展，光場調(diào)控器件需覆蓋更寬波長范圍并滿足高重復(fù)頻率與高損傷閾值需求。GaN具備優(yōu)異的光電特性、高熱導(dǎo)率以及寬帶隙特性，使其能夠在高功率和寬光譜范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，同時具備更高的抗激光損傷能力，滿足未來高能量激光系統(tǒng)對光場調(diào)控器件的嚴苛要求。為此，項目組開展了基于第三代半導(dǎo)體氮化鎵的光場調(diào)控器件研究。

Sapphire-GaN基液晶光閥的核心結(jié)構(gòu)(圖1)包括藍寶石基板、氮化鎵透明電極、PI配向?qū)雍鸵壕?。外加電場調(diào)控液晶分子取向，改變透射光偏振態(tài)，實現(xiàn)光調(diào)制。配合偏振片和驅(qū)動電路，可高效控制光信號的傳輸或阻斷。

如圖2所示，相比傳統(tǒng)K9玻璃襯底ITO電極液晶光閥，Sapphire-GaN基液晶光閥在可見光和近紅外波段透過率超60%，覆蓋0.5–3μm寬波段。

圖2 K9-ITO基液晶光閥(紅色)、Sapphire基底材料(藍色)、Sapphire-GaN基液晶光閥(綠色)透過率測試結(jié)果對比圖

液晶光閥通光口徑為20mm×25mm，在2 μm波段，該器件的比較大開關(guān)比可達256:1，可支持比較大重復(fù)頻率為28Hz。在開光比保證>20:1的條件下，當(dāng)光斑尺寸為1.2 mm、2.33 mm、3.47 mm、4.53 mm時，Sapphire-GaN基液晶光閥可分別承受15 W、20 W、21 W、18 W連續(xù)激光的輻照(穩(wěn)態(tài)測試超過5分鐘)，對應(yīng)的耐受功率密度為2534 W/cm2、949 W/cm2、444 W/cm2、227 W/cm2，實驗結(jié)果如圖3所示。相比之下，ITO電極液晶光閥在2μm波段激光功率為1 W、光斑直徑為5 mm的情況下，其開關(guān)比已降至6:1。

圖3 不同光斑下的開關(guān)比隨入射峰值功率密度變化圖(a) 1.208 mm; (b) 2.332 mm; (c) 3.474 mm; (d) 4.530 mm.

綜上所述，本研究驗證了基于藍寶石襯底的GaN液晶光閥在近紅外高功率、重復(fù)頻率激光器中的應(yīng)用可行性。未來工作將聚焦于OASLM的近場空間調(diào)制能力和激光損傷閾值的進一步提升，以推動其在光束整形、自適應(yīng)光學(xué)、光束控制、激光加工、光計算及光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

相關(guān)研究得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項支持。

審核編輯 黃宇