location：工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和顯示技術(shù)正推動(dòng)空間光調(diào)制器進(jìn)入一個(gè)追求速度、耐用性和適應(yīng)性的新時(shí)代。
作者：Marie Freebody
空間光調(diào)制器（SLM）能夠按指令重塑光波，主動(dòng)控制像素陣列上的振幅、相位或偏振態(tài)。它們使設(shè)計(jì)者能夠塑造光束、校正像差、生成動(dòng)態(tài)全息圖，并以十年前無(wú)法達(dá)到的速度和分辨率編碼信息。
（圖一）Santec 提供
因此，SLM 支撐著廣泛的光子學(xué)應(yīng)用，從最基礎(chǔ)的到高度復(fù)雜的乃至新穎的應(yīng)用。首當(dāng)其沖的是激光束整形與優(yōu)化，它支持從微加工到增材制造的工業(yè)過(guò)程。消費(fèi)級(jí)顯示器和投影系統(tǒng)依賴 SLM 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)緊湊、高分辨率的圖像生成。在研究和儀器領(lǐng)域，SLM 驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)光學(xué)中的波前校正，并支持計(jì)量學(xué)、顯微鏡和量子光學(xué)中的精密測(cè)量技術(shù)。
盡管功能多樣，但許多光學(xué)和光子工程領(lǐng)域之外的人仍誤以為 SLM 是主要用于小眾研究實(shí)驗(yàn)室的精密、笨重組件。專家們則熱衷于強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代 SLM 已成為堅(jiān)固耐用的工業(yè)級(jí)組件和設(shè)備，完全可以在成熟市場(chǎng)之外廣泛使用。
以硅基液晶（LCOS）背板、高速 MEMS/數(shù)字微鏡器件（DMD）架構(gòu)以及新興的電光調(diào)制器和超表面調(diào)制器為主導(dǎo)的創(chuàng)新浪潮，正推動(dòng) SLM 進(jìn)入一個(gè)全新的性能時(shí)代。與此同時(shí)，全息顯示和近眼顯示、固態(tài)激光雷達(dá)與光束控制、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、量子光學(xué)以及先進(jìn)顯微術(shù)等市場(chǎng)的迅速擴(kuò)張，正驅(qū)使供應(yīng)商開(kāi)發(fā)更快、更專業(yè)、更堅(jiān)固的 SLM 技術(shù)迭代產(chǎn)品。
**液晶的演進(jìn)**
首批廣泛使用的 SLM 是像素間距為幾十微米的透射式扭曲向列液晶器件。HOLOEYE Photonics AG 市場(chǎng)總監(jiān) Klaus von Guenner 表示：“它們對(duì)于早期的計(jì)算機(jī)生成全息圖和概念驗(yàn)證型自適應(yīng)光學(xué)已經(jīng)足夠好，但在效率、穩(wěn)定性和校準(zhǔn)方面始終需要妥協(xié)。”
（圖二）硅基液晶（LCOS）空間光調(diào)制器示意圖，顯示了外加電壓如何重新定向液晶分子以調(diào)制入射光的相位，調(diào)制后的光隨后被下方的反射鏡反射。
向反射式 LCOS 架構(gòu)的轉(zhuǎn)變標(biāo)志著一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這種架構(gòu)包含多層結(jié)構(gòu)：玻璃窗口、透明電極、液晶層、反射鏡和硅基底。工程師們調(diào)整各層的設(shè)計(jì)來(lái)針對(duì)波長(zhǎng)、速度、功率承受能力或相位范圍進(jìn)行優(yōu)化，以適用于日益廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。這種方法極大地提升了關(guān)鍵參數(shù)，如分辨率、填充因子、開(kāi)關(guān)速度和穩(wěn)定性。最終，它解鎖了這些設(shè)備的實(shí)用性，使其從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)應(yīng)用。作為額外的好處，電子控制的獨(dú)立像素支持快速迭代、實(shí)時(shí)波前控制和系統(tǒng)級(jí)自適應(yīng)性，其技術(shù)基礎(chǔ)與筆記本電腦顯示屏一樣為人所熟知。
濱松光子學(xué)營(yíng)銷工程師 Brandon Gorakhnauth 表示：“LCOS 在光學(xué)鏈路中的自適應(yīng)性可以從根本上改變我們對(duì)光學(xué)的思考方式。從研發(fā)到快速原型制作，再到完整系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)控制/反饋，這是 SLM 相比其他光學(xué)技術(shù)真正閃耀的領(lǐng)域?！?
（圖三）
（圖四）
典型 LCOS 顯示組件的層結(jié)構(gòu)（圖三）。LCOS SLM 由頭部和控制器組成，激光進(jìn)入頭部，控制器通過(guò)數(shù)字視頻接口連接到 PC（圖四）。在頭部?jī)?nèi)部，LCOS 芯片利用 CMOS 像素陣列上的電壓控制液晶層來(lái)改變折射率，從而調(diào)制反射光的相位以實(shí)現(xiàn)波前控制。PCB：印刷電路板。來(lái)源：HOLOEYE Photonics AG 和濱松光子學(xué)。
早期的 SLM 面板受限于 PC 的標(biāo)準(zhǔn)視頻刷新率（最高 60 Hz）。此外，數(shù)字視頻方案對(duì)噪聲水平有直接影響。相比之下，當(dāng)今的 LCOS SLM 提供高幀率和高位深度的視頻信號(hào)。Thorlabs 中國(guó)液晶部門(mén)經(jīng)理 Yat Hei Lo 表示：“結(jié)合先進(jìn)的液晶材料，SLM 面板正朝著 120 Hz 或更高、10 位分辨率的方向發(fā)展?！边@開(kāi)啟了需要高幀率的應(yīng)用領(lǐng)域，如用于實(shí)時(shí) 3D 成像和視頻的全息顯示、用于瞬時(shí)波前校正的自適應(yīng)光學(xué)，以及用于操控超短脈沖的飛秒脈沖整形。在某些情況下，所需的幀率可達(dá)數(shù)千赫茲。
在偏振科學(xué)專家 Meadowlark Optics 公司，其最快的 SLM 幀率為 1 kHz，覆蓋 400 nm 至 6 μm 的波長(zhǎng)范圍，并在 1064 nm 波長(zhǎng)下提供超過(guò) 1 kW 的最大功率水平。
（圖五）HOLOEYE 的“μSLM”（微型 SLM）是一款像素間距 2.5 μm、分辨率為 1440×1080 像素的 LCOS 單元。來(lái)源：HOLOEYE
Meadowlark Optics 董事長(zhǎng) Tom Baur 表示：“我們一直面臨提高幀率、波長(zhǎng)范圍和功率承受能力的壓力。幀率/速度的提升為神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用（如光遺傳學(xué)研究）以及量子計(jì)算應(yīng)用提供了支持。高功率承受能力則使激光加工應(yīng)用中的光束整形成為可能。”
**分辨率與優(yōu)化**
當(dāng)開(kāi)發(fā)者采用反射式 LCOS 架構(gòu)時(shí)，SLM 的性能又邁出了決定性的一步。通過(guò)引入介電反射涂層，工程師們減少了液晶層的吸收和熱負(fù)荷。
這一轉(zhuǎn)變不僅提高了壽命，還實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)像素間距，并通過(guò)最小化像素間間隙顯著提高了填充因子。Thorlabs 中國(guó) CTO Cary Zhang 說(shuō)：“分辨率從早期的 256×256 或 512×512 躍升至 HD（1920×1080）甚至 4K（3840×2160）。雖然大多數(shù) SLM 仍作為外部顯示器運(yùn)行，但新的控制器設(shè)計(jì)允許向面板發(fā)送模擬信號(hào)，從而消除了閃爍——因此噪聲更低、穩(wěn)定性更高?！?
校正 SLM 面板自身產(chǎn)生的波前畸變是另一個(gè)常見(jiàn)需求。光束在反射之前穿過(guò)蓋板玻璃、取向?qū)?、液晶層和底電極，波前畸變會(huì)在此過(guò)程中累積。
（圖六）
（圖七）
光學(xué)鍍膜的進(jìn)步以及將精密數(shù)字驅(qū)動(dòng)器直接集成到 CMOS 背板上，進(jìn)一步改善了波前控制。濱松的 Gorakhnauth 說(shuō)：“反射式版本不僅在各個(gè)方面都是直接升級(jí)，而且存在足夠多的不同層和組件，可以從材料的角度進(jìn)行改變，從而為特定應(yīng)用微調(diào) SLM 性能?！?
據(jù)工程師稱，當(dāng)前客戶的第一大需求是定制抗反射（AR）和高反射（HR）鍍膜，以提高 SLM 在特定波段的功率承受能力。激光加工等應(yīng)用尤其需要高功率承受能力。Thorlabs 的 Yat Hei Lo 表示：“盡管需求很高，但為特定波長(zhǎng)設(shè)計(jì) SLM 面板是最困難的任務(wù)之一。介電鍍膜是施加在電極層上，而不是光學(xué)表面上?！备鶕?jù)定義，這種情況下的鍍膜設(shè)計(jì)并非抗反射鍍膜。
此外，對(duì)某一參數(shù)的調(diào)整往往會(huì)牽動(dòng)另一參數(shù)，且通常是向不利的方向。例如，液晶層的厚度可以針對(duì)所需波長(zhǎng)進(jìn)行微調(diào)，但較厚的層可能導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢。Santec AOC 公司 AOC 研發(fā)組專家 Weiyong Liu 說(shuō)：“SLM 的高速和高功率承受能力通常是一對(duì)相互矛盾的特性。這是一種權(quán)衡，需要精心設(shè)計(jì)?！?
Lo 說(shuō)：“由于元件平面度和平行度控制的限制，所有光學(xué)元件都會(huì)在一定程度上引起波前畸變。例如，我們希望蓋板玻璃盡可能薄，以最小化橫向光束偏移，但這意味著強(qiáng)度降低且容易彎曲，反而會(huì)導(dǎo)致波前畸變?！?
由于該器件是逐像素的相位調(diào)制器，因此可以對(duì)每個(gè)單獨(dú)的面板逐個(gè)像素地施加波前校正。這對(duì)于光束整形、自適應(yīng)光學(xué)和量子光學(xué)等要求最高的應(yīng)用至關(guān)重要。
最終，這種對(duì)特性和性能進(jìn)行必要謹(jǐn)慎權(quán)衡意味著，通常無(wú)法用單一的現(xiàn)成解決方案滿足所有應(yīng)用。HOLOEYE 的 von Guenner 說(shuō)：“更高的速度通常以犧牲相位范圍為代價(jià)；更高的反射率可能加劇串?dāng)_；更小的像素對(duì)液晶材料和驅(qū)動(dòng)電子器件提出更高要求。SLM 供應(yīng)商越來(lái)越多地為每個(gè)目標(biāo)應(yīng)用類別以不同方式解決這些權(quán)衡問(wèn)題，而不是追求一種通用的器件/面板?！?
**新市場(chǎng)，更堅(jiān)固的調(diào)制器**
在激光材料加工應(yīng)用中使用 SLM 進(jìn)行光束整形的興趣日益增長(zhǎng)，這提高了對(duì)能處理高峰值功率和/或高輻照度的 SLM 的需求。介電反射鏡鍍膜的實(shí)施、改進(jìn)的熱設(shè)計(jì)、波長(zhǎng)調(diào)諧以及更大孔徑器件的開(kāi)發(fā)，都是旨在承受更高光學(xué)負(fù)載的多種策略。
一些 SLM 制造商，如濱松光子學(xué)，已利用器件設(shè)計(jì)和藍(lán)寶石襯底的進(jìn)步，打入了一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)領(lǐng)域——金屬加工和冶金。Gorakhnauth 說(shuō)：“我們的一項(xiàng)新發(fā)展是將藍(lán)寶石玻璃引入 LCOS，通過(guò)從液晶中帶走熱量，顯著提高了功率承受能力：液晶層中的高熱量和形變是 LCOS 的主要失效模式。LCOS SLM 作為實(shí)驗(yàn)室工具的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。我們開(kāi)始看到它們被應(yīng)用于可投產(chǎn)的系統(tǒng)中，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。”
這些功率承受能力的提升為 3D 金屬打印、焊接、精密材料加工、納米光刻甚至高功率自適應(yīng)光學(xué)等應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。在生物成像中，使用 SLM 進(jìn)行實(shí)時(shí)像差校正已變得愈發(fā)有價(jià)值。
在另一種廣泛使用的工程方法中，電驅(qū)動(dòng)像素矩陣被光電導(dǎo)層取代，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)控制。像素的去除意味著連續(xù)的空間尋址和 100% 的填充因子。這些光尋址 SLM（OASLM）還由于電子部件吸收更少而表現(xiàn)出更高的激光損傷閾值（LIDT），這為更高能量激光器的光束整形開(kāi)辟了道路。此外，光學(xué)損耗和光束退化的減少使得全息架構(gòu)和光互連能夠?qū)崿F(xiàn)，而沒(méi)有寄生光束。
OASLM 技術(shù)和定制液晶組件及器件開(kāi)發(fā)商 HOASYS 的研究總監(jiān) Stefania Residori 說(shuō)：“在 OASLM 中，控制功能直接由光束本身或執(zhí)行所謂寫(xiě)入過(guò)程的輔助額外光束傳遞?！?
HOASYS 的總經(jīng)理 Umberto Bortolozzo 說(shuō)：“因?yàn)榭刂菩盘?hào)由輸入光束提供，所以可以充分利用輸入和輸出平面上的光學(xué)并行性。”
盡管如此，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者指出，重大挑戰(zhàn)依然存在——尤其是在提高 LIDT 方面。Residori 強(qiáng)調(diào)，目前高功率應(yīng)用的發(fā)展速度仍快于當(dāng)前 SLM 的魯棒性。她說(shuō)：“需要高功率激光束整形的應(yīng)用，例如用于增材制造的連續(xù)波高功率激光器，需要更高的功率，SLM 必須適應(yīng)這一點(diǎn)?！?
“（早期的商用 SLM）對(duì)于早期的計(jì)算機(jī)生成全息圖和概念驗(yàn)證型自適應(yīng)光學(xué)已經(jīng)足夠好，但在效率、穩(wěn)定性和校準(zhǔn)方面始終需要妥協(xié)?！? —— Klaus von Guenner，HOLOEYE Photonics AG
Santec AOC 的 Liu 也感受到了來(lái)自市場(chǎng)的類似壓力，因?yàn)閷?duì)可見(jiàn)光、紫外和深紫外波長(zhǎng)高功率承受能力的需求不斷增長(zhǎng)。他說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)未來(lái)工業(yè)市場(chǎng)對(duì) SLM 的需求將日益增長(zhǎng)。我們未來(lái)的研發(fā)目標(biāo)是提供高質(zhì)量、高可靠性、高功率承受能力的 SLM 產(chǎn)品，為未來(lái)的智能制造業(yè)社會(huì)做出貢獻(xiàn)?！?
**更小、更快、更堅(jiān)固**
隨著日益經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高分辨率 LCOS SLM 不斷進(jìn)入市場(chǎng)，工程師們正尋求應(yīng)對(duì)更具挑戰(zhàn)性的光學(xué)難題——從面向全息近眼顯示應(yīng)用和晶格光片顯微鏡，到高端口數(shù)波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)。這些要求苛刻的系統(tǒng)揭示了一系列新的性能需求：更高的速度、更好的偏振特性、兼容短波紅外、更小的外形尺寸和更低的串?dāng)_。
為此，當(dāng)前許多 SLM 技術(shù)的研究涉及探索全新的調(diào)制機(jī)制，涵蓋不同的液晶混合物、背板設(shè)計(jì)，以及磁光、傾斜-翻轉(zhuǎn)微型 MEMS 反射鏡、活塞式微型 MEMS 反射鏡和超表面 SLM。
Liu 說(shuō)，如果成功實(shí)現(xiàn)，“這些技術(shù)可能有助于實(shí)現(xiàn) SLM 的高速化、高功率承受能力和緊湊小型化。”
一種方法是針對(duì) SLM 定制液晶混合物以獲得特定的期望屬性——例如，在目標(biāo)波長(zhǎng)具有高雙折射、低旋轉(zhuǎn)粘度以實(shí)現(xiàn)更快響應(yīng)，或在更寬的光譜帶上保持穩(wěn)定。與此同時(shí)，近年來(lái)，基于 MEMS 和反射鏡的解決方案在速度和效率方面顯示出引人注目的回報(bào)，盡管犧牲了分辨率和穩(wěn)定性。與純振幅調(diào)制的 DMD 不同，基于活塞式原理的 MEMS SLM 能夠進(jìn)行相位調(diào)制。在濱松光子學(xué)，其 iPMSEL（可集成相位調(diào)制面發(fā)射激光器）技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。該公司的方法使用光子晶體來(lái)進(jìn)行光調(diào)制。Gorakhnauth 說(shuō)：“雖然不是動(dòng)態(tài)調(diào)制器，但它們是芯片級(jí)激光器，尺寸足夠小，滿足光子集成電路的要求。”
在市場(chǎng)上，面向緊湊型集成光學(xué)系統(tǒng)的推動(dòng)正在為微型 SLM 創(chuàng)造新的應(yīng)用機(jī)會(huì)，包括便攜式生物醫(yī)學(xué)成像儀、緊湊型投影儀或激光雷達(dá)模塊中的嵌入式波前校正。這些 SLM 在可穿戴 AR 設(shè)備中的實(shí)用性也是一個(gè)活躍且深入研究的方向。
Von Guenner 說(shuō)：“受投影技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)，LCOS 器件意味著現(xiàn)代 AR/VR 設(shè)備更加集成、功耗更低，并且具有極小的像素尺寸，從而能夠集成到光學(xué)系統(tǒng)中；我們稱之為‘μSLM’?！盚OLOEYE 命名為“微型 SLM”的產(chǎn)品包含像素尺寸小于 3 μm 的背板和集成驅(qū)動(dòng)器，能夠在更低功耗下實(shí)現(xiàn)更高的集成度。盡管新興的 μSLM 平臺(tái)和集成驅(qū)動(dòng)器正在賦能新應(yīng)用，但 von Guenner 強(qiáng)調(diào)，它們也將 LCOS 單元設(shè)計(jì)和熱管理推向了更苛刻的領(lǐng)域。
**下一個(gè)前沿**
SLM 已經(jīng)從專門(mén)的實(shí)驗(yàn)室儀器發(fā)展成為用于控制光的緊湊型、特定應(yīng)用的引擎。下一個(gè)轉(zhuǎn)變將在系統(tǒng)架構(gòu)急劇縮小時(shí)發(fā)生。
這種轉(zhuǎn)變有望產(chǎn)生完全嵌入式的智能 SLM 引擎，但首先需要在電子集成、熱設(shè)計(jì)和嵌入式計(jì)算方面取得重大進(jìn)展。
（圖八）
利用光鑷技術(shù)和電磁場(chǎng)來(lái)捕獲原子和離子，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子模擬的嘗試正在進(jìn)行。然后使用高靈敏度相機(jī)觀察被捕獲的中性原子和離子的位置。來(lái)源：濱松光子學(xué)
對(duì)一些人來(lái)說(shuō)，這一趨勢(shì)似乎不可避免。Thorlabs 的 Zhang 說(shuō)：“目前的 SLM 體積很大，這主要?dú)w因于控制系統(tǒng)。想象一下，把你電腦顯示器里的所有電子設(shè)備都裝進(jìn) SLM 器件那么大的空間里。SLM 實(shí)際上不僅僅是電腦屏幕，因?yàn)檫€有額外的軟件算法和其他特性；它更像是嵌入了電腦。因此，設(shè)計(jì)具有所有必要特性并減小整體尺寸的 SLM 將是未來(lái)的創(chuàng)新方向之一?！?
與此同時(shí)，SLM 的智能化程度正在迅速提高。專家預(yù)測(cè)，人工智能將很快成為標(biāo)準(zhǔn)功能，從而實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的編程、自動(dòng)優(yōu)化以及對(duì)外部信號(hào)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
然而，成本仍然是 SLM 應(yīng)用中最被誤解且影響最大的制約因素之一。Meadowlark Optics 的 Baur 說(shuō)：“生產(chǎn)一款帶有兼容控制電子器件的新型硅背板的非經(jīng)常性工程成本非常高——超過(guò) 100 萬(wàn)美元?！彼J(rèn)為，更好的器件和新的應(yīng)用相互促進(jìn)、共同進(jìn)步。
Baur 說(shuō)：“我們需要更大規(guī)模的應(yīng)用來(lái)支撐所需的投資，從而降低成本。這將使 SLM 技術(shù)更容易應(yīng)用于對(duì)成本更敏感的領(lǐng)域?！?