高速、耐用、自适应的空间光调制器(SLM)正在开拓工业、生物医学和显示应用等新市场。

空间光调制器(SLM)能够按要求实施光束整形，通过像素化面板主动控制振幅、相位或偏振，从而实现高速、高分辨率的结构光整形、像差校正、动态全息图生成和信息编码。

SLM支持广泛的光子学应用：通过光束整形用于微加工和增材制造等工业领域；通过高分辨率成像用于消费类显示器和投影系统；通过波前校正驱动自适应光学研究，推进计量学、显微镜和量子光学等领域中的精密测量技术。

SLM光镊捕获原子进行量子计算

如今，SLM不仅限于小众研究实验室，而是已经成为了坚固耐用的工业级设备，具备开拓新市场的成熟条件。而且，由于硅基液晶面板(LCOS)、高速MEMS/数字微镜器件(DMD)架构以及超表面调制技术的发展，SLM正在迈进更高性能的时代。

液晶技术的演进

最早的透射式SLM是像素间距几十微米的扭曲向列型液晶器件。它们足够用于验证早期的计算机生成全息图和自适应光学概念，但在效率、稳定性和校准方面都存在不足。反射式LCOS架构——玻璃窗口、透明电极、液晶层、反射镜和硅衬底——是一个重要转折点。通过优化波长、速度、功率承受能力或相位范围，反射式SLM极大地提高了分辨率、填充率、开关速度和稳定性，因此应用越来越广泛。

反射式LCOS- SLM工作原理

早期的SLM面板受限于最高60 Hz的视频刷新率，而且数字视频方案直接影响噪声水平。不过，得益于先进的液晶材料，帧率正达到或超越120 Hz，而比特深度达到10比特分辨率。高帧率支持用于实时3D成像和视频的全息显示、用于瞬时波前校正的自适应光学、以及飞秒脉冲整形。千赫兹级SLM可用于光遗传学和量子计算，而高功率性能可满足激光加工要求。

分辨率与优化

反射式架构使LCOS-SLM性能迈出了决定性的一步，因为液晶层的吸收和热负荷大幅降低。这种转变不仅能延长使用寿命，还实现了几微米像素间距和高填充率，使分辨率从早期的256 × 256像素大幅提升至4K。虽然大部分SLM仍以外部显示器工作，但新型控制器设计支持向面板传输模拟信号，从而消除闪烁，使噪声大幅降低而稳定性提高。

反射式SLM的层级结构

校正SLM面板产生的波前畸变是另一项常见需求。当光束穿过盖板、对准层、液晶层和底部电极后反射时，波前畸变会逐渐累积。由于先进的光学镀膜技术以及精密数字驱动器和CMOS背板的直接集成，SLM波前控制能力得到进一步提高。反射式SLM不仅在各方面都是直接的升级，而且不同的层次和组件结构可从材料层面进行调整，从而在特定应用中优化性能。

客户的首要需求是定制抗反射(AR)和高反射(HR)薄膜，用于提高SLM在特定波长的功率承受能力。但是，针对特定波长设计SLM面板是一项非常困难的任务，因为HR介质膜镀在电极层而不是光学表面。

另外，不同参数通常无法同时优化。比如，液晶层厚度可以针对波长微调，但增加厚度会降低响应速度，而高速和高功率一般也无法兼得。所有光学元件都会导致一定的波前畸变。为了减小光束横向偏移，保护玻璃片应尽可能薄，但越薄越容易弯曲并导致波前畸变。

归根结底，参数的折中要求意味着现有的单一方案无法满足所有应用需求。提高速度通常要牺牲相位范围；提高反射率可能加剧串扰；减小像素会对液晶和驱动电子造成压力。

新市场，更严苛的调制器

随着SLM光束整形在激光加工应用的增加，厂商可通过镀介质膜、改进热学设计、实现波长调谐以及增大孔径提高SLM可承受的峰值功率和强度。比如，蓝宝石基板设计能提高功率承受能力，因为这一层的高温和变形是LCOS主要的失效模式。这使得SLM能用于冶金和金属加工，也为3D金属打印、焊接、精密材料加工和纳米光刻应用开辟了道路。

另一种工程方法是使用光导层替代电驱动像素，通过辅助光束的写入控制设备，由此实现空间寻址和100%填充率。这种光寻址空间光调制器(OASLM)还能减小电子元件的吸收，以此提高激光诱导损伤阈值。但是，SLM的可靠性仍然赶不上高功率激光应用的发展。紫外应用也面临类似的市场压力。

光寻址空间光调制器(OASLM)的结构

上图展示了OASLM的结构：液晶层位于玻璃窗口片与光导晶体之间，而偏压可通过透明电极施加在器件上。由于光导体的电阻会随写入光强而变化，因此液晶上的有效施加电压以及局部相位随光导体的局部照度变化。

OASLM的工作原理

OASLM工作原理如上图所示：蓝色写入光束在光导晶体上投射强度掩模；液晶层将掩模转化为相位分布；红色读取光束检测相应的波前并形成全息图像；最终图像通过正交偏振片进行观察。

更小、更快、更强

随着更低价、更高分辨率的LCOS SLM持续进入市场，需要攻克的技术挑战是实现更高的速度、更好的偏振特性、兼容短波红外(SWIR)、更小的尺寸和更低的串扰，从而为SLM实现更多的应用和功能，从全息近眼显示、晶格光片显微镜到高端口数、波长选择性开关。

当今SLM技术的很多研究涉及全新的调制方法，从不同的液晶混合和背板设计，到磁光、偏摆式和活塞式微型MEMS反射镜以及光子晶体和超表面。比如，定制液晶混合物能在目标波长下提供更高的双折射和更低的旋转粘度，从而实现更快的响应，或者在更宽的光谱范围内保持稳定性。基于MEMS的方案具有更大的速度优势，尽管分辨率和稳定性有所降低。

µSLM

便携式生物医学成像仪和激光雷达模块等集成式系统为µSLM提供了新的应用机遇。这种µSLM由像素尺寸小于3微米的背板和集成驱动器组成，但是LCOS单元设计和热量管理面临更严苛的挑战。