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上海尖丰光电技术有限公司

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液晶空间光调制器的研究

摘 要:空间光调制器的品种繁多,涉及到的学科范围、理论基础以及工艺技术都十分广泛。 文 中把空间光调制器归纳为 4 种类型,对每种类型的基本原理、工作方式和优缺点均进行了讨论, 并列举了几种典型常见的空间光调制器,分析了它们的结构、工作原理和方式。 关键词:空间光调制器;液晶光阀;电寻址;光寻址

引 言

光电信息处理在现代信息处理技术中具有其独 特的地位和价值。液晶空间光调制器是构成实时光 学信息处理、光计算和光学神经网络等系统的基本 构造单元,在信息光学研究中发挥重要作用并有着 广泛的应用。 1 空间光调制器概述 空间光调制器是利用电或光信号在时间空间上 控制另外光源的振幅、相位或行进方向等传播状态 的装置。一般地说,空间光调制器含有许多独立的单 元,它们在空间上排列成一维或者二维的阵列,每个 单元都可以独立接受电学信号或光学信号的控制,并按此信号改变自身的光学性质,从而对照射在其 上的光波进行调制。空间光调制器因其所具有的并 行实时处理特性而被广泛应用于光计算、光学信息 处理以及光学神经网络中。

空间光调制器的研究和性能对这些应用领域研究的进展具有重要影响。对 空间光调制器的要求包括:高的空间分辨率、高的响应速度、高的对比度、低的开关功耗和丰富的灰度等 级。 按编址方式,空间光调制器分为光寻址和电寻 址两种;按光的入射出射方式,又可分为反射式和透 射式两种。在基于各种不同原理的空间光调制技术 中,液晶以其成本低廉、驱动电压低、调制幅度大等 诸多优点而倍受青睐。目前,在以液晶显示技术为代 表的一些应用领域中,液晶空间光调制技术已经得 到广泛应用。

2 近年国内外研究趋势

1998 年,B·Loiseaux 等人采用光寻址液晶光 阀对波长 1.064m、脉宽 10ns、重复频率 30Hz 的激 光束进行振幅与相位的控制。光束整形的面积为 1cm2 ,液晶分子平行排列,双折射模式,光阀的响应 时间约为 20ms,对偏振光的峰值透过率大于 70%, 若用于非偏振光的整形,透过率减为 35%。 2003 年,J·Bourderionnet 等人报道了关于内 腔液晶光阀进行激光空间模式控制的实验。被整形 的 Nd:YAG 激光采用 808nm 的半导体激光端面泵 浦,得到了 1.064m、800W 光功率、100μs 脉宽的 激光脉冲输出。将液晶光阀放入腔内,有效地利用了 激光器振荡时增益与损耗的平衡,提高了泵浦能量 利用率,也提高了整形后的激光能量输出。其缺点是 光路复杂,腔内功率密度高,容易对光阀产生损害。

2005 年,N·Sanner 等人使用光寻址液晶光阀 进行了飞秒脉冲的光束截面整形。被整形的激光为 Ti: Sapphire 激光,中心波长 800nm、脉宽 120~ 130fs、重复频率 76Hz(振荡器)与 50~250Hz(放大 器)、单脉冲能量为 5nJ(振荡器)与 4 μJ(放大器)。 光寻址液晶光阀 14μm 厚的液晶层及单晶光电导 体 BSO(硅酸铋晶体片)装入到两面透明的电极中, 在其 1cm×1cm 的净面积上,可形成 100×100 个 寻址点,分辨率为 100μm。由于没有电寻址方式的 “像素”造成的低开口率问题,光寻址液晶光阀的传 输因子达到 80%。飞秒激光脉冲用望远镜扩束,并 用半波片调节其在液晶光阀上的偏振方向,蓝光 (450nm)的相位分布图经 256×256 的视频投影屏 投射到液晶光阀上,经过液晶光阀衍射后的光束被 取样,取样部分由相位传感器测量其相位,再经过适 当的光学反馈以实时校正衍射相位图,从而取得更 好的效果。

在国内,2005 年丁磊等人研究了反射式液晶光 阀用于激光束整形的可行性,他们认为,与透射式 TFT- LCD 液晶光阀相比,以 LCOS 为代表的反射式 液晶光阀有着明显的优势,效率达到 42%,远远优于 透射式液晶光阀 10%的效率,从而能够实现系统的 大幅简化,是一种非常有潜力的空间光调制器件。但是,论文似乎回避了黑栅效应,缺少这方面的数据。 2006 年,刘伯晗等人以美国 BNS 公司生产的 LCSLM 作为核心部件,研究了纯相位空间光调制器动态控制激光光束偏转的问题。从理论上讲,以纯相位方 式操作 LCSLM,通过类似于二元光学的原理是能够完 成激光束的切趾平顶操作的,可惜文中没有提及。

3. 空间光调制器的分类及其原理

空间光调制器一般按照读出光的读出方式,可以分 为反射型和透射型;而按照输入控制信号的方式,又可 分为光寻址和电寻址,其示意图如图 1所示。

 

这里需要指出的是:(1)光寻址时,实际上是利用 适当的光学系统把一个二维光强分布成像在空间光 调制器的像素平面上,便可以使写入信号的像素与 调制器的像素在空间上一一对应,以实现寻址。因为 在时间上所有像素的寻址是同时完成的, 所以光寻 址是一种并行寻址方式。其特点是寻址速度最快,而 且像素的大小原则上只受寻址光学成像系统分辨率 的限制。但要防止写入光和读出光之间的串扰 (crosstalk),通常空间光调制器做成反射式的,在其 中有一个隔离层,使两束光互不干扰;也可以使用不 同波长的光,利用滤光片消除它们之间的串扰;(2)电 寻址时,一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之 间的区域构成像素,由于电信号是串行信号,所以电 寻址是串行寻址,一旦在光信息处理链中有一个电 寻址,二维并行串行处理就被一维串行处理代替,处 理速度立即降下来。另外,电寻址是通过条状电极来 传递信息的,电极尺寸的减小有一个限度,所以像素 尺寸也有限度,即有一个分辨率极限。由于电极本身 不透明,所以像素的有效通光面积与像素总面积之 比——开口率( fill factor)较低,光能利用率不高。

3.1 硫化镉的空间光调制器

CdS 空间光调制器是发展较早的一种光学编制混合场效应器件,它采用CdS 作为光敏材料,光阀结构如图2 所示。

1———增透膜;

2、12———平板玻璃;

3、11———ITO 透明电极,厚度为工作波长的 1/2;

4、7———液晶分子取向膜层,使与之接触的液晶分子

沿面排列;

5———一种联苯脂的向列型液晶;

6———隔圈;

8———多层介质膜反射镜;

9———隔光层,材料为 CdTe;

10———光敏层,材料为 CdS;

13———5~10V的交流电源。

这种光阀的主要功能是实现图像的非相干/相干转换。其工作过程是将待转换的非相干图像通过光学系统(作为写入光IW)从器件右侧成像到光敏层上,同时有一束线偏振相干光(作为读出光Ir)从器件左侧射向液晶层,其偏振方向与液晶层左端的分子长轴方向一致,由于高反射膜的作用,这束光将两次通过液晶层,最后从左方射出,通过一个偏振轴方向与IR 偏振方向相垂直的检偏器,得到输出光IO。

这种空间光调制器的分辨率约为 40~100lp/mm, 响应时间在 30~40ms。

硅液晶光阀与硫化镉液晶光阀十分相似,也是一 种光学编址的空间光调制器,而且同样是利用混合场 效应以反射工作形式对读出光波进行调制。但是,硅 液晶光阀的光敏层采用了半导体硅,而不是硫化镉, 这一改变带来的好处是,除了硅有较好的光电灵敏度 和时间响应特性之外,还可以利用成熟的 MOS 工 艺,把光敏层做成 MOS 结构中的一个组成部分。硅液晶光阀的空间分辨率、对比度等指标都与硫化镉的 相近,但其灵敏度和响应时间却有较大的改善。

3.2 氢化非晶硅/铁电液晶(α-Si:H/FLC)器件

氢化非晶硅光敏层具有良好的空间分辨率、光 灵敏度和光谱响应特性,而且响应时间能够与铁电 液晶相匹配,使 α- Si:H/FLC 器件的整体性能显著 提高,能够进行二维信息实时输入和处理,因而在光 信息处理及光计算等研究中有很大的潜力。其结构 如图 3 所示。

α- Si:H 是一种优良的光电材料,其吸收系统在 太阳光能谱峰附近远高于单晶硅,光/暗电导比大于 104 。本征 α- Si:H 光生载流子扩散长度较短,横向扩 散小,利于提高分辨率,但纵向扩散短则不利于这类 基于少子运动的器件。因此设计了 α- Si:Hpin 二极管结构光敏层,使光生载流子的运动形式由扩散为主 变为漂移为主,从而弥补其纵向扩散小的不足,大大 提高空间光调制器的响应速度。铁电液晶 FLC 具有 响应速度快、双稳态等特点。

在如图 4 的等效电路中,CFLC和 RFLC分别表示电 容和电阻;RS 为包括 α- Si 的本体电阻和对应导电 膜之和;Rsh 表示光电二极管的反向漏电阻;Cα- Si 是 光电二极管的电容。在理想状态下,当电压 V 为正值 (正偏)时,光电二极管导通,电压降主要分压在液晶层 上,这种状态定义为 OFF 态;而反偏时,若无光照,光 电二极管不导通,则液晶层上基本无电压降,故保持OFF 态;若有光照,则在光电二极管作用下使反向电 压降加在了液晶层上,从而使光照区域成为 ON 态。 这样就可以通过写入光束和电压极性得到 OFF 和 ON 两种状态。在实际应用中,一方面应使 RS<<rflc, 使正偏时液晶层上电压接近于=”” v+,同时又保证反偏=”” 无光照时=”” flc=”” 上的电压降最小;另一方面应使=”” rsh=””>>RFLC,这样反偏无光照时才能使 FLC 上的电压 接近于零,否则在 FLC 上引起的负电压会使 FLC 在 无光照时也处于 ON 态。另外,在对称方波电压下,若 Cα- Si>CFLC,则会使二极管阻抗下降,而液晶层上的分 压增加,也会使无光照时液晶处于 ON 态。因此,在光 电二极管的结构设计中,应保证 RS<<rflc、rsh>>RFLC 和 Cα- Si>CFLC,即应该使 α- Si:H 的电阻电容尽量小 而反向漏电阻尽量大。总之应合理地匹配器件的整体 结构、特性参数,并选择合理的非对称驱动电压及工 作频率,使对比度和响应速度等综合性能达到最佳。

3.3 BSO 的空间光调制器

BSO 晶体具有显著的电光特性和光电导特性, 这些特性的同时存在使 BSO 晶体成为研制实时空间 光调制器(SLM)、非相干 – 相干变换器(ICC)、普克耳 读出光调制器(PROM)的重要光学材料。BSO 晶体属 立方晶系 23 点群,是 Bi2O3 与 SiO2 的化合物,光学 窗口宽,透过性能好,可拉制出大尺寸单晶,因此被认 为是制作空间光学功能性器件的理想晶体,在光信息 处理、光通信、光计算等方面有着重要应用。

BSO 晶体的禁带宽度 Eg=3.25eV, 在 波 长 λ<380nm 的紫外光照射下,晶体具有显著的光电 导效应。在无光照时,其电导率 σd 低达 1.6×10- 15 Ω- 1cm- 1。

基于光学晶体的线性电光效应,光寻址空间光 调制器的光信息写入、读出过程均需要通过 BSO 晶 体的线性电光效应,对光的偏振态进行调制。由于 BSO 晶体旋光效应的存在,使得透射光偏振态在电光调制的基础上偏振方向又发生了一定角度的偏 转,从而使得空间光调制器性能不稳定,输出光强发 生相应的变化。

4 结 论

总结国内外在 SLM 上的研究成果,不难发现, 反射式 SLM 由于引入了介质反射镜,与液晶中多层 界面的多次反射所产生的法布里干涉,引入了随机分 布的干涉条纹,而这种条纹是难以消除的。电寻址 SLM 由于一般采用 TFT 模式,使得开口率低,导致透 过率偏低,分辨率也难以提高。所以,光寻址透射式的 LCSLM 具有能量利用率高,结构简单等优点,将会是 SLM 的大势所趋。光寻址透射式光敏材料的选择,以 及光敏层和液晶材料的适配,将是研究的重点。