滨松蓝宝石高功率LCOS-SLM实测分析

图1. 相位测量/材料加工装置示意图。光束经2倍扩束(L1/L2)，穿过TFP 1和HWP，经M2/M3反射镜后，通过0.5倍缩束(L3/L4)导向SLM。4f系统(L5/L6)将衍射光束重新成像至振镜输入孔径。当入射线偏振方向相对于SLM设置为45o(HWP)并应用固定相位图时，通过增加功率可测量 QWP / TFP 2的相位响应。偏振态的反射光经椭圆偏振后，由QWP/TFP 2组合进行分析。

滨松空间光调制器是一款反射式光学器件，基于硅基液晶技术(LCOS)，可通过CMOS芯片的寻址电压直接控制液晶分子(LC)，从而高精度、快速地调制光束的波前。如果使用高功率的激光器照射SLM，则会使液晶分子温度升高，影响SLM的调制性能，甚至对SLM造成不可逆的损伤。为此，滨松专门研发了一款有极高损伤阈值的蓝宝石型SLM，该型号X15213-03CL/R实现了700W或以上的高平均功率处理能力。

在2025年中，Shuchen Zuo等人联合英国的滨松工程师，一起发表了一篇名为《High-Performance NIR Laser-Beam Shaping and Materials Processing at 350 W with a Spatial Light Modulator》的文章，系统性地测试了滨松X15213-03CR型号的空间光调制器，验证了其在高功率下的相位偏移、相位调制深度等参数，对SLM在高功率下的使用提出了一些指导性建议。下面详细介绍。

实验方法

图1展示了实验的装置示意图。光源为高功率单模连续光纤激光器，通过L1、L2进行2倍的扩束准直输出，通过薄膜偏振片TFP 1和半波片HWP，约有50%的入射光在水平偏振下透射，而不需要的垂直偏振光则被导向光束收集器。通过0.5倍缩束L3、L4后，入射到本实验的关键器件滨松空间光调制器SLM的靶面上。经过SLM反射后，由4f系统L5、L6重新将调制光成像到扫描振镜，并通过ZnS透镜来进行材料加工。入射到SLM靶面上的线偏振光被设置为45o，使用QWP和TFP 2对正交偏振分量进行分解。透射和反射光功率由功率计测量。CCD相机放置在L5的焦平面处，用来观测衰减过后的光斑形貌。

实验结果

图2展示了随着激光功率增加，SLM靶面的实测温度。使用高斯光束测量SLM的反射率，测得R=0.98±0.01，与SLM标称参数一致。使用热成像相机测量SLM靶面温度，测量功率范围为20-247W。

图2. 随激光功率增加的SLM红外相机图像。

图3展示了热成像相机测量的峰值温度与照射时间的关系。其中在250W功率下约为33.5°C，仍远低于液晶的向列-各向同性相变的临界温度65°C，超过此温度会使液晶分子相变至各向同性，从而丧失光束整形的能力。

图3. 显示SLM靶面在入射曝光下的温度响应测量结果，表明在250W以下范围内呈线性关系。

图4展示了SLM在不同功率下的实测相位响应。可以看到在200W以下时，相位响应曲线总体拟合良好。但在327W和383W时，相位响应进一步偏离，同时偏振度DOP下降。此时的相位偏移主要来源于光路中其他器件的热透镜效应。

图4. SLM在不同功率下的实测相位响应(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。

实验总结

此文章详细测试了滨松X15213-03CR型号SLM在不同功率下的详细性能，对于SLM在高功率下的使用具有指导意义。根据本实验的测试，此高功率型号SLM的峰值功率密度应当小于80GW/cm2，而对于工作时的峰值功率密度应当小于损伤阈值的五分之一，也就是16GW/cm2。而对于平均功率密度来说，此实验最高测试到4.8kW/cm2，且SLM未出现损伤。当功率达到327W以上时，相位响应偏移，DOP偏振度下降，此现象主要来源于光路中其他器件的热透镜效应。对于此现象，可以在光路中引入温度依赖折射率响应小于0的光学材料，也可以在SLM上额外叠加一个负菲涅尔透镜相位来进行补偿。根据测试，此型号SLM的相位调制深度在功率400W的情况下依然能够大于2π，具有卓越的相位调制能力。

图5. 滨松空间光调制器(LCOS-SLM)。

此实验中的关键器件LCOS-SLM为滨松光子所研发的空间光调制器(如图5)。滨松LCOS-SLM为纯相位调制反射式器件，可通过每个像素上液晶分子的翻转来自由调制光程，进而调制相位。滨松LCOS-SLM不同波长和功率阈值对应的型号，以及详细参数，见以下图6、图7。

图6. 滨松LCOS-SLM的各型号适用的波长与功率。

图7. 滨松LCOS-SLM的各项参数。


审核编辑 黄宇