空间光调制器选型时，“阈值”这个参数该怎么看？

滨松

2020.1.13

滨松光子学商贸（中国）有限公司

-- 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，可点击此处了解）而具体值由于型号、波长、用户使用的光源类型不同，会有很大差异。为了方便选型，我们提供了一份比较完整的各系列SLM可承受最大光强的阈值表，供各位小伙伴参考：长按扫描以下二维码，可阅览资料↓↓↓↓↓↓↓↓

-- 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：

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。

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~