看濱松SLM如何實現學術&產業(yè)應用兩手抓

得益于相位調制的靈活性和濱松空間光調制器LCOS-SLM的優(yōu)異性能，LCOS-SLM在從學術到產業(yè)的諸多領域有著廣泛的應用，今天我們就來介紹這些應用的具體實例和特性。

在量子通信領域，通過LCOS-SLM對光進行信息編碼——普通渦旋光、空間偏振調制（如偏振渦旋光，axial beam， azimuthal beam)、高階結構光等，可以實現高度安全、高傳輸速率、高信噪比的量子通信。

在量子通信領域，上海理工大學顧敏老師組于2020年初在 Nature Photonics上發(fā)表了一篇名為“Orbital angular momentumholography for high-security encryption”的文章。在該文章中，濱松LCOS-SLM（型號X13138-01）作為生成高階渦旋光的相位調制器件，助力客戶生成了高階軌道角動量渦旋光。

• 在數字全息中使用OAM光作為載體。

• 10bit OAM多路復用全息圖，用于高安全級別的全息加密。

• 含有10個高階OAM模式的密碼表，可以基于圖b密文重建出10個基于OAM的數字。

• 作者使用兩組OAM秘鑰l=-50, +50, etc, 重建出了兩條信息。

• LCOS-SLM1加載螺旋相位，生成具有不同軌道角動量的渦旋光，LCOS-SLM2調制OAM保留的（選擇性和多路復用）全息圖，LCOS-SLM1調制的渦旋光也入射到這個全息圖上，用于重建基于OAM的全息圖。傅里葉透鏡將全息圖聚焦到CCD上。

• 為了從一張多重OAM全息圖中，同步重建多個攜帶軌道角動量的全息圖像，用兩臺LCOS-SLM通過屏幕分開使用，產生了四束不同的OAM光，每個半個LCOS-SLM屏幕調制一個不同渦旋模式階數的螺旋相位，來制備一束入射渦旋光。四束攜帶不同軌道角動量的渦旋光通過BS被疊加，然后導入多路復用的渦旋光全息圖。

能否調制出高精度的LG beam，最關鍵的一個參數是LCOS-SLM的線性度，也就是輸入灰階與輸出相位調制量之間的線性關系。較差的線性度LUT（Lookup table）會導致調制不準確，引入更大的調制誤差，同時還會帶來額外的大量標定工作，為使用者帶來大量不必要的額外工作。

濱松LCOS-SLM得益于優(yōu)異的硬件線性度和出廠所配的每一個參數內波長的每一條內置LUT曲線，無需標定，在提高實驗精度的同時省去了大量標定實驗所帶來的麻煩。

顯微成像應用的主題是，深入研究生物樣品，研究各種反應與動力學。技術目標永遠是更高分辨率，更深成像，更快成像。LCOS-SLM在其中用于——焦點分布調制（如radial polarize，如相位分布調制），提高分辨率；結構光照明(SIM)，實現高分辨率；矯正像差，可見光也可以深入到內部成像；相位對比顯微，成像透明物體；STED顯微，提高分辨率；多點成像，提高成像速度等。

使用濱松LCOS-SLM進行激發(fā)光波前調制，從而使雙光子激發(fā)顯微鏡（TPM）（物鏡為干鏡）可以進行高質量的深度觀察。當空氣和樣品之間的折射率界面是垂直于光軸的平面時，通常會發(fā)生嚴重的球差。彎曲的樣品表面形狀和折射率不匹配會引起包括球差在內的各種像差。因此，所獲得的圖像的熒光強度和分辨率在樣品的一定深度處變得很差。

為了解決這個問題，濱松中央研究所及濱松大學的科學家Naoya Matsumoto, Alu Konno, Takashi Inoue 及Shigetoshi Okazaki等人設計了一種預畸變波前，以通過使用全新的光程差算法來校正由彎曲的樣品表面形狀引起的像差。在通過折射率不匹配的界面之前，TPM系統(tǒng)中包含的LCOS-SLM將激發(fā)光波前調制為預畸變波前。因此，激發(fā)光經過樣品后聚焦時就沒有像差。由此，通過使用干物鏡在清潔的小鼠腦中觀察到高達2,000 μm的光學深度的血管。

顯微成像中的STED應用，使用LCOS-SLM產生空心光和平頂光，目前已經產業(yè)化。

光鑷是利用光學梯度力進行光學捕獲和操控小型介質粒子。通過LCOS-SLM可以實現三維多點的光鑷控制，同時操控多個粒子、控制粒子的移動和旋轉等。

如上圖所示，通過LCOS-SLM小小的液晶屏，就可以將一束普通高斯光編程許多個“高級鑷子”，例如攜帶軌道角動量可以讓粒子旋轉起來的“渦旋光”，無衍射的“貝塞爾光”等等。由于其可編程的特性，還可以同時產生多個三維空間分布的光阱。

通過LCOS-SLM對光調制，形成可以控制原子的光勢阱，將超冷原子囚禁于其中進行分析。

在標準磁光阱（MOT）的基礎上，加入了額外的去泵浦光（depump laser）和LCOS-SLM，可以通過SLM來調制出任何所需的再泵浦光（repump profile），例如LG模光束和其他阻擋了中心強度的暗盤光束。成形的再泵浦光在陷阱處穿過，產生如圖c所示的殼狀再泵浦腔。塑造與再泵浦激光互補的去泵浦激光，將去泵浦強度精確地引導到再泵浦強度缺失的那些區(qū)域，即光阱的內核，如圖b中包含的光束剖面所示。

通過多層介質膜形成的介質鏡設計，使LCOS-SLM的光利用率達到了97%或以上。

現代激光加工，以超快激光加工為主，即使用高強度的超快激光進行材料加工。具有峰值功率高、熱熔區(qū)域小、加工速度快和重復精度高的特點。 濱松LCOS-SLM則以其高精度的三維多點整形（通常使用CGH算法調制相位）功能；產生“長焦深”的貝塞爾光用于激光切割功能；以及可實時矯正像差、實時通過軟件改變加工激光的聚焦深度和形狀的特性等，被此應用納入麾下。

2022年1月20日，浙大邱建榮教授團隊與之江實驗室譚德志博士團隊合作，在Science發(fā)表了題為“Three-dimensional directlithography of stable perovskitenanocrystals in glass”的文章，研究報告了具有可調成分和玻璃帶隙的鈣鈦礦納米晶體（PNCs）的三維 (3D) 直接光刻。

研究團隊發(fā)現了飛秒激光誘導的空間選擇性微納分相和離子交換規(guī)律，開拓了飛秒激光三維極端制造新技術，首次在特別制備的均勻無色透明的玻璃材料內部，實現了帶隙可控的三維半導體納米晶結構，為光存儲、微型發(fā)光二極管等提供了新的方向。

正如上面的比喻一樣，飛秒激光就如一把鋒利的“刻刀”，但是要想實現精密的“雕刻”，“主刀的手”至關重要。在諸多的影響因素中，空間光調制器（SLM）是關鍵之一。

為了能充分發(fā)揮“刻刀”的性能，SLM首先需要承受住高強度的激光，也就是具有抗強光特性，同時還要保證極高的光利用率，減少光損失，別讓“利刃”變“鈍”了。

研究團隊在實驗中，選用了 濱松LCOS-SLM X13138。論文中提到擁有1280 ×1024像素的LCOS-SLM X13138，其光利用率高達90%以上（有實測顯示可達97%），實驗使用了2500 mW的激光，通過SLM調制出一個3 × 3的激光點陣，以9道獨立的激光光束聚焦至玻璃內部，進行了多點加工。（點擊此處了解該實驗更多詳細信息，Science又拿一稿，濱松SLM參與飛秒激光極端制造新突破）

由于材料和設計的限制，器件的抗強光特性還不完善（光強閾值低），截止到2017年，LCOS-SLM最高也只能承受幾十瓦/cm²的激光功率密度。所以一直以來，其并未被大范圍應用，僅用在了一些特定的激光加工材料上（往往是所需激光能量較低的被加工件），如塑料焊接，晶圓或玻璃切割（濱松專利的SDE激光隱形切割引擎，就是以空間光調制器為內核的）。

隨著產品技術的不斷進步，以及更廣泛的行業(yè)測試數據的支持，如今濱松的LCOS-SLM被證實最高可完全承受210W/cm²的平均功率、幾百兆瓦/cm²的皮秒激光器峰值功率、以及幾十G瓦/cm²的飛秒激光器峰值功率。掃描下方二維碼了解更多試驗數據。

在提供LCOS-SLM的同時，濱松可以提供整套的激光加工解決方案以及由算法工程師提供的強大支持。點擊下方圖片，回看往期算法相關視頻。

濱松中國即將于5月31日邀請我們產品部的“大師姐”開展一場針對空間光調制器新品細節(jié)及應用信息的專題分享活動，歡迎各位掃描下方二維碼，點擊觀看直播，報名直播間喲~

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