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空间光调制器选型时,“阈值”这个参数该怎么看?

滨松
2020.1.13

 -- 先来一个福利预警:文末有惊喜~ --

 

液晶-硅基空间光调制器(LCOS-SLM)是一种精密的光调制器件,可以实现光波前的振幅或相位的调制(关于它的详细介绍,可以看这里)。LCOS(Liquid Crystal On Silicon)芯片是其中最核心,也是最精贵的部分,整个器件的“能力”,很大程度上取决于它。不过,让其充分发挥性能的前提,是得保证它的“工作安全”。

 

什么意思呢?每一种型号的LCOS芯片都有着自己的能量阈值,也就是它能承受的光强能量的上限。一旦照射的光超过阈值,则会发生损伤,轻则线性度下降,重则液晶层融化。短时间的轻度的损伤可逆的,长时间或严重损伤则不可逆。损伤的原因主要有三个类型:

 

1、激光能量被LCOS吸收,温度持续上升,产生相位漂移。这种损伤阈值是由激光的平均功率所决定的,可以通过制冷来提高阈值。

 

2. 对于脉冲激光来说,由于单个脉冲的瞬间能量极高,还可能造成另外一种对LCOS的损伤。即LCOS对激光的非线性吸收,会导致温度的急速上升和液晶层的损坏。这个由峰值功率决定阈值。

 

3. 紫外线可能会对LCOS造成物理损伤,例如下面这个测试:

所以,如果你在研究中使用的是紫外光源,一定要将光源信息发给SLM的提供者,进行具体分析。

以上三种情况都在安全阈值内时,LCOS芯片才能保证不会被强光所打坏。(敲黑板!划重点!)所以我们在SLM选型时,排除紫外光源的情况,我们需要了解激光器的平均功率、峰值功率(脉冲激光器),并与SLM的阈值进行匹配。

滨松LCOS-SLM的光阈值在同类产品中有着较高的水平,目前已被证实可完全承受255W/cm2的平均功率、几百兆瓦/cm2的皮秒激光器峰值功率、以及几十G瓦/cm2的飞秒激光器峰值功率了。(具体案例和相关技术介绍,可

 

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-- X13267/X13138系列(学术用户适用)--

-- X15223系列(工业客户适用)--

 

另外,从波长选型中可以看到,两种系列的-01,-07,-08的波长范围较长;而其余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。

如果在上面提供的阈值表中,没有有查到相同的激光器。不用担心,我们在这里给大家提供一个通用原则:

01

对于平均功率来说

 

没有介质镜的-01,-07,-08系列,要求小于1W/cm2;

有介质镜的系列,一般要求小于3W/cm2;

有介质镜的-03/-03L/-03R系列,要求小于40.7W/cm2。

其中,X13267/X13138的-03和-04系列还可以通过加水冷来提高阈值,正如之前我们所提到,最高可达255W/cm2以上(案例详情)。同样的,X15223-16L / 16R / 02L / 02R / 03L / 03R 均为水冷型,阈值均可达到百瓦级别。

02

对于飞秒激光器的峰值功率来说

 

没有介质镜的-01,-07,-08系列,要求小于1GW/cm2;

有介质镜的系列,一般要求小于50GW/cm2。

 

这里,我们也搜集了诸多滨松SLM用户实测的各种不同型号激光器的数据,可供选型参考(不断更新中):

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最后,再来科普两个计算激光器功率的公式:

平均功率(W)=峰值能量或单脉冲能量(J)×重复频率(Hz)

峰值功率(W)=峰值能量或单脉冲能量(J)÷脉冲宽度(s)

例如,我们有一款1030nm激光器,脉宽240fs, 重复频率是100kHz,单脉冲能量是200μJ,那么:

 

则其平均功率为:200μJ×100kHz=20W,作用在1cm2的光斑大小上,就是20W/cm2;

其峰值功率为:200μJ÷240fs=0.83GW,作用在1cm2的光斑大小上,就是0.83GW/cm2。

 

光学不练假把式,最后的最后,小编就来附加一道练习题给大家吧~:

结合以上的资料,滨松X13138的-01到-08系列型号中,哪一个(only 一个,审题呀!)型号适用于刚刚提到的这个激光器呢?

 

欢迎小伙伴们把答案写文章的留言中。当然,答对的小伙伴,将获得我们送上的一个丰盛的新年福袋。答题截止时间为1月22日,动动你聪明的小脑瓜,来参与活动吧~

当然,除了阈值以外,还有诸多参数项,如光利用率、像元大小、一级衍射效率、填充因子等,都是我们在SLM选型时所要考虑的。回读《如何正确地选择一位空间光调制的小伙伴?》,一篇俱全,让你在SLM选型时能carry全场~对,就是这么自信~

*图片来自于网络

 

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编辑:滨小编

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