圖1. 相位測(cè)量/材料加工裝置示意圖。光束經(jīng)2倍擴(kuò)束(L1/L2)，穿過(guò)TFP 1和HWP，經(jīng)M2/M3反射鏡后，通過(guò)0.5倍縮束(L3/L4)導(dǎo)向SLM。4f系統(tǒng)(L5/L6)將衍射光束重新成像至振鏡輸入孔徑。當(dāng)入射線偏振方向相對(duì)于SLM設(shè)置為45o(HWP)并應(yīng)用固定相位圖時(shí)，通過(guò)增加功率可測(cè)量 QWP / TFP 2的相位響應(yīng)。偏振態(tài)的反射光經(jīng)橢圓偏振后，由QWP/TFP 2組合進(jìn)行分析。

濱松空間光調(diào)制器是一款反射式光學(xué)器件，基于硅基液晶技術(shù)(LCOS)，可通過(guò)CMOS芯片的尋址電壓直接控制液晶分子(LC)，從而高精度、快速地調(diào)制光束的波前。如果使用高功率的激光器照射SLM，則會(huì)使液晶分子溫度升高，影響SLM的調(diào)制性能，甚至對(duì)SLM造成不可逆的損傷。為此，濱松專門研發(fā)了一款有極高損傷閾值的藍(lán)寶石型SLM，該型號(hào)X15213-03CL/R實(shí)現(xiàn)了700W或以上的高平均功率處理能力。

在2025年中，Shuchen Zuo等人聯(lián)合英國(guó)的濱松工程師，一起發(fā)表了一篇名為《High-Performance NIR Laser-Beam Shaping and Materials Processing at 350 W with a Spatial Light Modulator》的文章，系統(tǒng)性地測(cè)試了濱松X15213-03CR型號(hào)的空間光調(diào)制器，驗(yàn)證了其在高功率下的相位偏移、相位調(diào)制深度等參數(shù)，對(duì)SLM在高功率下的使用提出了一些指導(dǎo)性建議。下面詳細(xì)介紹。

實(shí)驗(yàn)方法

圖1展示了實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖。光源為高功率單模連續(xù)光纖激光器，通過(guò)L1、L2進(jìn)行2倍的擴(kuò)束準(zhǔn)直輸出，通過(guò)薄膜偏振片TFP 1和半波片HWP，約有50%的入射光在水平偏振下透射，而不需要的垂直偏振光則被導(dǎo)向光束收集器。通過(guò)0.5倍縮束L3、L4后，入射到本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵器件濱松空間光調(diào)制器SLM的靶面上。經(jīng)過(guò)SLM反射后，由4f系統(tǒng)L5、L6重新將調(diào)制光成像到掃描振鏡，并通過(guò)ZnS透鏡來(lái)進(jìn)行材料加工。入射到SLM靶面上的線偏振光被設(shè)置為45o，使用QWP和TFP 2對(duì)正交偏振分量進(jìn)行分解。透射和反射光功率由功率計(jì)測(cè)量。CCD相機(jī)放置在L5的焦平面處，用來(lái)觀測(cè)衰減過(guò)后的光斑形貌。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2展示了隨著激光功率增加，SLM靶面的實(shí)測(cè)溫度。使用高斯光束測(cè)量SLM的反射率，測(cè)得R=0.98±0.01，與SLM標(biāo)稱參數(shù)一致。使用熱成像相機(jī)測(cè)量SLM靶面溫度，測(cè)量功率范圍為20-247W。

圖2. 隨激光功率增加的SLM紅外相機(jī)圖像。

圖3展示了熱成像相機(jī)測(cè)量的峰值溫度與照射時(shí)間的關(guān)系。其中在250W功率下約為33.5°C，仍遠(yuǎn)低于液晶的向列-各向同性相變的臨界溫度65°C，超過(guò)此溫度會(huì)使液晶分子相變至各向同性，從而喪失光束整形的能力。

圖3. 顯示SLM靶面在入射曝光下的溫度響應(yīng)測(cè)量結(jié)果，表明在250W以下范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。

圖4展示了SLM在不同功率下的實(shí)測(cè)相位響應(yīng)?？梢钥吹皆?00W以下時(shí)，相位響應(yīng)曲線總體擬合良好。但在327W和383W時(shí)，相位響應(yīng)進(jìn)一步偏離，同時(shí)偏振度DOP下降。此時(shí)的相位偏移主要來(lái)源于光路中其他器件的熱透鏡效應(yīng)。

圖4. SLM在不同功率下的實(shí)測(cè)相位響應(yīng)(a) P = 20 W，(b) P = 50 W，(c) P = 150 W，(d) P = 200 W，(e) P = 327 W，以及(f) P = 383 W。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

此文章詳細(xì)測(cè)試了濱松X15213-03CR型號(hào)SLM在不同功率下的詳細(xì)性能，對(duì)于SLM在高功率下的使用具有指導(dǎo)意義。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，此高功率型號(hào)SLM的峰值功率密度應(yīng)當(dāng)小于80GW/cm2，而對(duì)于工作時(shí)的峰值功率密度應(yīng)當(dāng)小于損傷閾值的五分之一，也就是16GW/cm2。而對(duì)于平均功率密度來(lái)說(shuō)，此實(shí)驗(yàn)最高測(cè)試到4.8kW/cm2，且SLM未出現(xiàn)損傷。當(dāng)功率達(dá)到327W以上時(shí)，相位響應(yīng)偏移，DOP偏振度下降，此現(xiàn)象主要來(lái)源于光路中其他器件的熱透鏡效應(yīng)。對(duì)于此現(xiàn)象，可以在光路中引入溫度依賴折射率響應(yīng)小于0的光學(xué)材料，也可以在SLM上額外疊加一個(gè)負(fù)菲涅爾透鏡相位來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)測(cè)試，此型號(hào)SLM的相位調(diào)制深度在功率400W的情況下依然能夠大于2π，具有卓越的相位調(diào)制能力。

圖5. 濱松空間光調(diào)制器(LCOS-SLM)。

此實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵器件LCOS-SLM為濱松光子所研發(fā)的空間光調(diào)制器(如圖5)。濱松LCOS-SLM為純相位調(diào)制反射式器件，可通過(guò)每個(gè)像素上液晶分子的翻轉(zhuǎn)來(lái)自由調(diào)制光程，進(jìn)而調(diào)制相位。濱松LCOS-SLM不同波長(zhǎng)和功率閾值對(duì)應(yīng)的型號(hào)，以及詳細(xì)參數(shù)，見(jiàn)以下圖6、圖7。

圖6. 濱松LCOS-SLM的各型號(hào)適用的波長(zhǎng)與功率。

圖7. 濱松LCOS-SLM的各項(xiàng)參數(shù)。


審核編輯 黃宇