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滨松光子学商贸(中国)有限公司

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【干货提醒】如何正确地选择一位空间光调制的小伙伴?
发布时间:2016-11-13        浏览次数:200        返回列表
 在光通信、显微和望远等成像系统、自适应光学、光镊等许多应用领域中,都会涉及到光相位的调制,这时就需要用到一种新型的可编程光学仪器——空间光调制器。

空间光调制器是采用LCOS(Liquid Crystal On Silicon, 硅基液晶)芯片来调节光波前的振幅或相位的光学器件。LCOS芯片是由液晶像元组成的像素阵列,每个像素都能单独地调制光。对于同一束光来说,像元的尺寸越小,调制得就越精细;像素的个数就是芯片的分辨率,分辨率越高,可调制的自由度就越高。

从早期的铁电物质和扭曲向列液晶结构开始,到利用光电寻址。滨松的中央研究所和固体事业部致力于空间光调制技术已有30多年的历史了。其空间光调制器目前主要在高端市场中,以高线性度、高光利用率、高衍射效率等性能著称。

对于滨松空间光调制器LCOS本身的性质来说,它只改变光的相位,而不影响光的强度和偏振状态(振幅/光强的调制需要通过光路来实现)。通过改变电压来改变液晶的排列方式,相位调制随着液晶的排列方式而变化。通过CMOS背板和PC输出的DVI信号,液晶的排列是单像素可控的。

而在文章开头我们也提到,空间光调制器涉及的应用比较多,那要怎么根据自己的研究需求来选择一位最得力的小伙伴呢?许多用户朋友可能在心里画了一个大写的问号。

为了帮助各位用户亲人与这个问题say goodbye,这里,我们从滨松空间光调制器X10468/X13267/X13138系列出发,和大家聊一聊,关于空间光调制器选择的二三事~

型号选对,事半功倍

选择分辨率和像元大小

LCOS是由像素阵列组成的,目前滨松可以提供两种分辨率:792×600, 1272×1024;对于792×600分辨率的产品,还有两种像元大小可供选择:20μm,12.5μm。

*不同的分辨率和像元大小以系列表示在产品型号的前半部分,如X10468-08,X10468指的就是该型号的产品分辨率为792×600,像元大小为20μm。

表中的“有效面积(Effecttive area size)”是指LCOS头上可以对光进行调制的液晶面的面积。而用户在选型时,需要考虑该面积是否可以容纳下所需调制的光斑大小。

“填充因子(Fill factor)”则是指单个像素有效面积占总面积的百分比,它在影响光利用率方面比较关键。(光利用率在后文会将介绍)

需要特别注意的是,不是所有品牌的产品所标示的“填充因子(Fill factor)”都是一个概念!

一些品牌的填充因子(Fill factor)占比并没有考虑像素间间距(Inter pixel gap),所以通常此项的百分比很高,参数显得很“漂亮”(其填充因子占比计算方法见下图)。但用户不了解的是,其实其Inter pixel gap却很大,有的甚至高达1.3μm。

滨松则本着实事求是的原则,将真正意义上的Fill factor呈现出来,并且保持了超小的Inter pixel gap:0.2μm。(滨松填充因子占比计算方法见下图)

选择相应的波段

滨松每个系列(X10468/X13267/X13138)的LCOS产品都包含九个不同的型号,以-01~-09在型号的末尾表示。如X10468-07中的-07就是指该型号的产品可调制波长范围为620nm-1100nm

*虚线范围所指含义:对于-05型号来说,波长小于400nm的紫外光会对LCOS造成损伤,更多细节请向我们咨询。对于-08型号,波长1350nm-1400nm这一段由于玻璃基片的吸收会导致反射率(光利用率)下降约5%。

注意光阈值

LCOS是不能照射超过阈值的光的,如果超过阈值光强,则会发生损伤,轻则线性度下降,重则液晶层融化。

滨松LCOS的光阈值在同类产品中属于较高的水平,具体值由于型号、波长、用户使用的光源类型不同会有很大差异,选型时,一定要参考样本中产品可承受最大光强阈值表。

另外,从波长选型中可以看到,-01到-09这九种型号中,-01,-07,-08这三种型号的波长范围较长;而-02,-03,-04,-05,-06,-09这几种型号的波长范围较短,这是因为它们在液晶的底层加了介质镜(Dielectric mirror),大大提高了光阈值和光利用率,但也将波长范围限制在一个比较小的范围内。用户需要根据应用的需求进行选择。

 

参数读懂,选型不囧

在空间光调制器的参数表中,包含着几个重要的性能参数,需要用户特别地关注:

光利用率(反射率)、一级衍射效率、线性度、稳定性

光利用率(反射率)

为了提高光的利用率,在调制的过程中将光能的损失降到最低。滨松的LCOS均为反射式,这里光利用率就定义为光经过LCOS液晶面反射的反射率,即平均反射光强占入射光强的百分比。

滨松各型号光利用率参考表

*除此之外,滨松可以提供355nm-1550nm范围内的OEM定制产品,根据应用,专门优化所需波长。

而市面上,一些品牌将“反射率”称为“零级衍射效率”,这其实是同一个概念。所以,千万不要把“零级衍射效率/光利用率/反射率”与“一级衍射效率”混淆。

一级衍射效率

这里的“一级衍射效率”其实才是LCOS真正的“衍射效率”,是通过加载闪耀光栅时(将LCOS作为光栅使用)一级衍射光的能量占零级衍射光能量的百分比来定义的。加载闪耀光栅时,光斑级次如下图所示:

a)未加载光栅。

b)加载2-level光栅,空间分辨率为25线对/mm,图中为±1级光及0级光。

c)加载4-level光栅,相当于12.5线对/mm的空间分辨率。

而搭建一个简单的光路,用户便可自行使用光功率计实现衍射效率的检测:

光栅level/steps越高,空间分辨率就越低,但是衍射效率越高。对于X10468系列,光栅level/steps和空间分辨率lp/mm之间呈现出这样的对应关系:

2 steps

4 steps

8 steps

16 steps

25lp/mm

12.5lp/mm

6.25lp/mm

3.125lp/mm

而滨松LCOS由于其纯相位高精度的相位控制,具有接近理论值的超高衍射效率。

X10468系列衍射效率数值

*如需其他型号的数据和计算方法,以及LCOS-SLM空间光调制器衍射效率测试(一级衍射效率)示例,请在公众号中留言索取。

另外,需要特别注意的是,实验室静电有可能造成衍射效率的下降,这里也提醒用户朋友们在使用空间光调制器时,请注意防护。

线性度

相位调制的线性度在光调制的精度方面是一个至关重要的参数。滨松空间光调制器追求等高精度的调制,所以在线性度方面有着公认的满意表现。

滨松空间光调制器线性度

在平均值和标准差的线性度都呈现极佳状态

对于一些单纯追求相位调制范围或分辨率的产品,线性度容易被忽略,这样就在调制精度方面存在问题。这在下图中能看出:

我们可以看到,该品牌产品在0-2π区间范围内线性度较差,而大部分应用主要使用的都是0-2π这个范围内。因为从波动光学的角度来说,像差2π的整数倍的两个相位的光,是可以进行等效的。

稳定性

在光调制的精度方面还有一个重要参数,是相位的稳定性。因为LCOS是通过交流电来驱动的,所以输出光会随着驱动频率而浮动,下图所示的是-04型号的相位浮动范围。其中X10468和X13267系列的驱动频率是240Hz(SVGA),稳定性在±0.01π以内;而X13138系列的驱动频率是120Hz(SXGA),虽然比SVGA驱动的两个系列稍差一些,但也能维持在±0.03π以内。

除了参数意义上的“稳定性”外,这里再扩展一下,聊一聊空间光调制器“链接”的稳定性。

对于空间光调制器这类产品,欧盟国家有着这样的规定,如是非欧盟国产品想进入其市场,就需要通过严格的CE认证。这就要求产品的接线和连接器都非常结实,不受噪声干扰。虽然这让滨松LCOS的体积会相对较大,但也保证了它的质量和耐用性要超过其他未经CE认证的产品。

*部分产品为欧盟国的品牌,则不需CE认证便可直接在其领域内销售。

有些用户可能会提到排线的连接方式,这样虽然减小了体积,但不耐使用,且损坏率较高。其实在使用LCOS时,只需要把LCOS头放在光学平台上,把控制箱另置在操作台的架子上,就可以解决其占地过大的问题了。

好了,以上聊了这么多,希望对各位用户理解空间光调制器的参数和选型有一定帮助。当然,要最终选得一款心仪的产品,可能还会遇到许多特殊的问题。这个时候,就向滨松的工程师咨询吧!~