圖1. 相位測量/材料加工裝置示意圖。光束經2倍擴束(L1/L2)，穿過TFP 1和HWP，經M2/M3反射鏡后，通過0.5倍縮束(L3/L4)導向SLM。4f系統(tǒng)(L5/L6)將衍射光束重新成像至振鏡輸入孔徑。當入射線偏振方向相對于SLM設置為45o(HWP)并應用固定相位圖時，通過增加功率可測量 QWP / TFP 2的相位響應。偏振態(tài)的反射光經橢圓偏振后，由QWP/TFP 2組合進行分析。

濱松空間光調制器是一款反射式光學器件，基于硅基液晶技術(LCOS)，可通過CMOS芯片的尋址電壓直接控制液晶分子(LC)，從而高精度、快速地調制光束的波前。如果使用高功率的激光器照射SLM，則會使液晶分子溫度升高，影響SLM的調制性能，甚至對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寶石型SLM，該型號X15213-03CL/R實現了700W或以上的高平均功率處理能力。

在2025年中，Shuchen Zuo等人聯合英國的濱松工程師，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)性地測試了濱松X15213-03CR型號的空間光調制器，驗證了其在高功率下的相位偏移、相位調制深度等參數，對SLM在高功率下的使用提出了一些指導性建議。下面詳細介紹。

實驗方法

圖1展示了實驗的裝置示意圖。光源為高功率單模連續(xù)光纖激光器，通過L1、L2進行2倍的擴束準直輸出，通過薄膜偏振片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向光束收集器。通過0.5倍縮束L3、L4后，入射到本實驗的關鍵器件濱松空間光調制器SLM的靶面上。經過SLM反射后，由4f系統(tǒng)L5、L6重新將調制光成像到掃描振鏡，并通過ZnS透鏡來進行材料加工。入射到SLM靶面上的線偏振光被設置為45o，使用QWP和TFP 2對正交偏振分量進行分解。透射和反射光功率由功率計測量。CCD相機放置在L5的焦平面處，用來觀測衰減過后的光斑形貌。

實驗結果

圖2展示了隨著激光功率增加，SLM靶面的實測溫度。使用高斯光束測量SLM的反射率，測得R=0.98±0.01，與SLM標稱參數一致。使用熱成像相機測量SLM靶面溫度，測量功率范圍為20-247W。

圖2. 隨激光功率增加的SLM紅外相機圖像。

圖3展示了熱成像相機測量的峰值溫度與照射時間的關系。其中在250W功率下約為33.5°C，仍遠低于液晶的向列-各向同性相變的臨界溫度65°C，超過此溫度會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測量結果，表明在250W以下范圍內呈線性關系。

圖4展示了SLM在不同功率下的實測相位響應。可以看到在200W以下時，相位響應曲線總體擬合良好。但在327W和383W時，相位響應進一步偏離，同時偏振度DOP下降。此時的相位偏移主要來源于光路中其他器件的熱透鏡效應。

圖4. SLM在不同功率下的實測相位響應(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。

實驗總結

此文章詳細測試了濱松X15213-03CR型號SLM在不同功率下的詳細性能，對于SLM在高功率下的使用具有指導意義。根據本實驗的測試，此高功率型號SLM的峰值功率密度應當小于80GW/cm2，而對于工作時的峰值功率密度應當小于損傷閾值的五分之一，也就是16GW/cm2。而對于平均功率密度來說，此實驗最高測試到4.8kW/cm2，且SLM未出現損傷。當功率達到327W以上時，相位響應偏移，DOP偏振度下降，此現象主要來源于光路中其他器件的熱透鏡效應。對于此現象，可以在光路中引入溫度依賴折射率響應小于0的光學材料，也可以在SLM上額外疊加一個負菲涅爾透鏡相位來進行補償。根據測試，此型號SLM的相位調制深度在功率400W的情況下依然能夠大于2π，具有卓越的相位調制能力。

圖5. 濱松空間光調制器(LCOS-SLM)。

此實驗中的關鍵器件LCOS-SLM為濱松光子所研發(fā)的空間光調制器(如圖5)。濱松LCOS-SLM為純相位調制反射式器件，可通過每個像素上液晶分子的翻轉來自由調制光程，進而調制相位。濱松LCOS-SLM不同波長和功率閾值對應的型號，以及詳細參數，見以下圖6、圖7。

圖6. 濱松LCOS-SLM的各型號適用的波長與功率。

圖7. 濱松LCOS-SLM的各項參數。


審核編輯 黃宇