液晶空間光調制器的研究

摘 要：空間光調制器的品種繁多，涉及到的學科范圍、理論基礎以及工藝技術都十分廣泛。 文 中把空間光調制器歸納為 4 種類型，對每種類型的基本原理、工作方式和優缺點均進行了討論， 并列舉了幾種典型常見的空間光調制器，分析了它們的結構、工作原理和方式。 關鍵詞：空間光調制器；液晶光閥；電尋址；光尋址

引 言

光電信息處理在現代信息處理技術中具有其獨 特的地位和價值。液晶空間光調制器是構成實時光 學信息處理、光計算和光學神經網絡等系統的基本 構造單元，在信息光學研究中發揮重要作用并有著 廣泛的應用。 1 空間光調制器概述 空間光調制器是利用電或光信號在時間空間上 控制另外光源的振幅、相位或行進方向等傳播狀態 的裝置。一般地說，空間光調制器含有許多獨立的單 元，它們在空間上排列成一維或者二維的陣列，每個 單元都可以獨立接受電學信號或光學信號的控制，并按此信號改變自身的光學性質，從而對照射在其 上的光波進行調制?？臻g光調制器因其所具有的并 行實時處理特性而被廣泛應用于光計算、光學信息 處理以及光學神經網絡中。

空間光調制器的研究和性能對這些應用領域研究的進展具有重要影響。對 空間光調制器的要求包括：高的空間分辨率、高的響應速度、高的對比度、低的開關功耗和豐富的灰度等 級。 按編址方式，空間光調制器分為光尋址和電尋 址兩種；按光的入射出射方式，又可分為反射式和透 射式兩種。在基于各種不同原理的空間光調制技術 中，液晶以其成本低廉、驅動電壓低、調制幅度大等 諸多優點而倍受青睞。目前，在以液晶顯示技術為代 表的一些應用領域中，液晶空間光調制技術已經得 到廣泛應用。

2 近年國內外研究趨勢

1998 年，B·Loiseaux 等人采用光尋址液晶光 閥對波長 1.064m、脈寬 10ns、重復頻率 30Hz 的激 光束進行振幅與相位的控制。光束整形的面積為 1cm2 ，液晶分子平行排列，雙折射模式，光閥的響應 時間約為 20ms，對偏振光的峰值透過率大于 70％， 若用于非偏振光的整形，透過率減為 35％。 2003 年，J·Bourderionnet 等人報道了關于內 腔液晶光閥進行激光空間模式控制的實驗。被整形 的 Nd:YAG 激光采用 808nm 的半導體激光端面泵 浦，得到了 1.064m、800W 光功率、100μs 脈寬的 激光脈沖輸出。將液晶光閥放入腔內，有效地利用了 激光器振蕩時增益與損耗的平衡，提高了泵浦能量 利用率，也提高了整形后的激光能量輸出。其缺點是 光路復雜，腔內功率密度高，容易對光閥產生損害。

2005 年，N·Sanner 等人使用光尋址液晶光閥 進行了飛秒脈沖的光束截面整形。被整形的激光為 Ti: Sapphire 激光，中心波長 800nm、脈寬 120～ 130fs、重復頻率 76Hz（振蕩器）與 50～250Hz（放大 器）、單脈沖能量為 5nJ（振蕩器）與 4 μJ（放大器）。 光尋址液晶光閥 14μm 厚的液晶層及單晶光電導 體 BSO（硅酸鉍晶體片）裝入到兩面透明的電極中， 在其 1cm×1cm 的凈面積上，可形成 100×100 個 尋址點，分辨率為 100μm。由于沒有電尋址方式的 “像素”造成的低開口率問題，光尋址液晶光閥的傳 輸因子達到 80％。飛秒激光脈沖用望遠鏡擴束，并 用半波片調節其在液晶光閥上的偏振方向，藍光 （450nm）的相位分布圖經 256×256 的視頻投影屏 投射到液晶光閥上，經過液晶光閥衍射后的光束被 取樣，取樣部分由相位傳感器測量其相位，再經過適 當的光學反饋以實時校正衍射相位圖，從而取得更 好的效果。

在國內，2005 年丁磊等人研究了反射式液晶光 閥用于激光束整形的可行性，他們認為，與透射式 TFT- LCD 液晶光閥相比，以 LCOS 為代表的反射式 液晶光閥有著明顯的優勢，效率達到 42%，遠遠優于 透射式液晶光閥 10%的效率，從而能夠實現系統的 大幅簡化，是一種非常有潛力的空間光調制器件。但是，論文似乎回避了黑柵效應，缺少這方面的數據。 2006 年，劉伯晗等人以美國 BNS 公司生產的 LCSLM 作為核心部件，研究了純相位空間光調制器動態控制激光光束偏轉的問題。從理論上講，以純相位方 式操作 LCSLM，通過類似于二元光學的原理是能夠完 成激光束的切趾平頂操作的，可惜文中沒有提及。

3. 空間光調制器的分類及其原理

空間光調制器一般按照讀出光的讀出方式，可以分 為反射型和透射型；而按照輸入控制信號的方式，又可 分為光尋址和電尋址，其示意圖如圖 1所示。

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這里需要指出的是：(1)光尋址時，實際上是利用 適當的光學系統把一個二維光強分布成像在空間光 調制器的像素平面上，便可以使寫入信號的像素與 調制器的像素在空間上一一對應，以實現尋址。因為 在時間上所有像素的尋址是同時完成的, 所以光尋 址是一種并行尋址方式。其特點是尋址速度最快，而 且像素的大小原則上只受尋址光學成像系統分辨率 的限制。但要防止寫入光和讀出光之間的串擾 (crosstalk)，通?？臻g光調制器做成反射式的，在其 中有一個隔離層，使兩束光互不干擾；也可以使用不 同波長的光，利用濾光片消除它們之間的串擾；(2)電 尋址時，一對相鄰的行電極和一對相鄰的列電極之 間的區域構成像素，由于電信號是串行信號，所以電 尋址是串行尋址，一旦在光信息處理鏈中有一個電 尋址，二維并行串行處理就被一維串行處理代替，處 理速度立即降下來。另外，電尋址是通過條狀電極來 傳遞信息的，電極尺寸的減小有一個限度，所以像素 尺寸也有限度，即有一個分辨率極限。由于電極本身 不透明，所以像素的有效通光面積與像素總面積之 比——開口率( fill factor)較低，光能利用率不高。

3.1?硫化鎘的空間光調制器

CdS 空間光調制器是發展較早的一種光學編制混合場效應器件，它采用CdS 作為光敏材料，光閥結構如圖2 所示。

1———增透膜；

2、12———平板玻璃；

3、11———ITO 透明電極，厚度為工作波長的 1/2；

4、7———液晶分子取向膜層，使與之接觸的液晶分子

沿面排列；

5———一種聯苯脂的向列型液晶；

6———隔圈；

8———多層介質膜反射鏡；

9———隔光層，材料為 CdTe；

10———光敏層，材料為 CdS；

13———5~10V的交流電源。

這種光閥的主要功能是實現圖像的非相干/相干轉換。其工作過程是將待轉換的非相干圖像通過光學系統(作為寫入光IW)從器件右側成像到光敏層上，同時有一束線偏振相干光(作為讀出光Ir)從器件左側射向液晶層，其偏振方向與液晶層左端的分子長軸方向一致，由于高反射膜的作用，這束光將兩次通過液晶層，最后從左方射出，通過一個偏振軸方向與IR 偏振方向相垂直的檢偏器，得到輸出光IO。

這種空間光調制器的分辨率約為 40~100lp/mm， 響應時間在 30~40ms。

硅液晶光閥與硫化鎘液晶光閥十分相似，也是一 種光學編址的空間光調制器，而且同樣是利用混合場 效應以反射工作形式對讀出光波進行調制。但是，硅 液晶光閥的光敏層采用了半導體硅，而不是硫化鎘， 這一改變帶來的好處是，除了硅有較好的光電靈敏度 和時間響應特性之外，還可以利用成熟的 MOS 工 藝，把光敏層做成 MOS 結構中的一個組成部分。硅液晶光閥的空間分辨率、對比度等指標都與硫化鎘的 相近，但其靈敏度和響應時間卻有較大的改善。

3.2 氫化非晶硅/鐵電液晶(α-Si:H/FLC)器件

氫化非晶硅光敏層具有良好的空間分辨率、光 靈敏度和光譜響應特性，而且響應時間能夠與鐵電 液晶相匹配，使 α- Si:H/FLC 器件的整體性能顯著 提高，能夠進行二維信息實時輸入和處理，因而在光 信息處理及光計算等研究中有很大的潛力。其結構 如圖 3 所示。

α- Si:H 是一種優良的光電材料，其吸收系統在 太陽光能譜峰附近遠高于單晶硅，光／暗電導比大于 104 。本征 α- Si:H 光生載流子擴散長度較短，橫向擴 散小，利于提高分辨率，但縱向擴散短則不利于這類 基于少子運動的器件。因此設計了 α- Si:Hpin 二極管結構光敏層，使光生載流子的運動形式由擴散為主 變為漂移為主，從而彌補其縱向擴散小的不足，大大 提高空間光調制器的響應速度。鐵電液晶 FLC 具有 響應速度快、雙穩態等特點。

在如圖 4 的等效電路中，CFLC和 RFLC分別表示電 容和電阻；RS 為包括 α- Si 的本體電阻和對應導電 膜之和；Rsh 表示光電二極管的反向漏電阻；Cα- Si 是 光電二極管的電容。在理想狀態下，當電壓 V 為正值 (正偏)時，光電二極管導通，電壓降主要分壓在液晶層 上，這種狀態定義為 OFF 態；而反偏時，若無光照，光 電二極管不導通，則液晶層上基本無電壓降，故保持OFF 態；若有光照，則在光電二極管作用下使反向電 壓降加在了液晶層上，從而使光照區域成為 ON 態。 這樣就可以通過寫入光束和電壓極性得到 OFF 和 ON 兩種狀態。在實際應用中，一方面應使 RS<<rflc， 使正偏時液晶層上電壓接近于=”” v+，同時又保證反偏=”” 無光照時=”” flc=”” 上的電壓降最??；另一方面應使=”” rsh=””>>RFLC，這樣反偏無光照時才能使 FLC 上的電壓 接近于零，否則在 FLC 上引起的負電壓會使 FLC 在 無光照時也處于 ON 態。另外，在對稱方波電壓下，若 Cα- Si>CFLC，則會使二極管阻抗下降，而液晶層上的分 壓增加，也會使無光照時液晶處于 ON 態。因此，在光 電二極管的結構設計中，應保證 RS<<rflc、rsh>>RFLC 和 Cα- Si>CFLC，即應該使 α- Si:H 的電阻電容盡量小 而反向漏電阻盡量大?？傊畱侠淼仄ヅ淦骷恼w 結構、特性參數，并選擇合理的非對稱驅動電壓及工 作頻率，使對比度和響應速度等綜合性能達到最佳。

3.3 BSO 的空間光調制器

BSO 晶體具有顯著的電光特性和光電導特性， 這些特性的同時存在使 BSO 晶體成為研制實時空間 光調制器(SLM)、非相干 – 相干變換器(ICC)、普克耳 讀出光調制器(PROM)的重要光學材料。BSO 晶體屬 立方晶系 23 點群，是 Bi2O3 與 SiO2 的化合物，光學 窗口寬，透過性能好，可拉制出大尺寸單晶，因此被認 為是制作空間光學功能性器件的理想晶體，在光信息 處理、光通信、光計算等方面有著重要應用。

BSO 晶體的禁帶寬度 Eg=3.25eV， 在 波 長 λ<380nm 的紫外光照射下，晶體具有顯著的光電 導效應。在無光照時，其電導率 σd 低達 1.6×10- 15 Ω- 1cm- 1。

基于光學晶體的線性電光效應，光尋址空間光 調制器的光信息寫入、讀出過程均需要通過 BSO 晶 體的線性電光效應，對光的偏振態進行調制。由于 BSO 晶體旋光效應的存在，使得透射光偏振態在電光調制的基礎上偏振方向又發生了一定角度的偏 轉，從而使得空間光調制器性能不穩定，輸出光強發 生相應的變化。

4 結 論

總結國內外在 SLM 上的研究成果，不難發現， 反射式 SLM 由于引入了介質反射鏡，與液晶中多層 界面的多次反射所產生的法布里干涉，引入了隨機分 布的干涉條紋，而這種條紋是難以消除的。電尋址 SLM 由于一般采用 TFT 模式，使得開口率低，導致透 過率偏低，分辨率也難以提高。所以，光尋址透射式的 LCSLM 具有能量利用率高，結構簡單等優點，將會是 SLM 的大勢所趨。光尋址透射式光敏材料的選擇，以 及光敏層和液晶材料的適配，將是研究的重點。