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看滨松SLM如何实现学术&产业应用两手抓

看滨松SLM如何实现学术&产业应用两手抓

原创 大师姐 滨松中国 2022-05-24 16:47 发表于北京

得益于相位调制的灵活性和滨松空间光调制器LCOS-SLM的优异性能,LCOS-SLM在从学术到产业的诸多领域有着广泛的应用,今天我们就来介绍这些应用的具体实例和特性。


学术应用

在学术研究领域的应用,包括量子通信、显微技术、光镊、冷原子等领域。


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量子通信


在量子通信领域,通过LCOS-SLM对光进行信息编码——普通涡旋光、空间偏振调制(如偏振涡旋光,axial beam, azimuthal beam)、高阶结构光等,可以实现高度安全、高传输速率、高信噪比的量子通信。


案例分享:SLM生成高阶涡旋光


在量子通信领域,上海理工大学顾敏老师组于2020年初在 Nature Photonics上发表了一篇名为“Orbital angular momentumholography for high-security encryption”的文章。在该文章中,滨松LCOS-SLM(型号X13138-01)作为生成高阶涡旋光的相位调制器件,助力客户生成了高阶轨道角动量涡旋光。


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实验特点


  • 在数字全息中使用OAM光作为载体。

  • 10bit OAM多路复用全息图,用于高安全级别的全息加密。

  • 10个高阶OAM模式的密码表,可以基于图b密文重建出10个基于OAM的数字。

  • 作者使用两组OAM秘钥l=-50, +50, etc, 重建出了两条信息。

  • LCOS-SLM1加载螺旋相位,生成具有不同轨道角动量的涡旋光,LCOS-SLM2调制OAM保留的(选择性和多路复用)全息图,LCOS-SLM1调制的涡旋光也入射到这个全息图上,用于重建基于OAM的全息图。傅里叶透镜将全息图聚焦到CCD上。

  • 为了从一张多重OAM全息图中,同步重建多个携带轨道角动量的全息图像,用两台LCOS-SLM通过屏幕分开使用,产生了四束不同的OAM光,每个半个LCOS-SLM屏幕调制一个不同涡旋模式阶数的螺旋相位,来制备一束入射涡旋光。四束携带不同轨道角动量的涡旋光通过BS被叠加,然后导入多路复用的涡旋光全息图。


产品优势关键词:线性度


能否调制出高精度的LG beam,最关键的一个参数是LCOS-SLM的线性度,也就是输入灰阶与输出相位调制量之间的线性关系。较差的线性度LUT(Lookup table)会导致调制不准确,引入更大的调制误差,同时还会带来额外的大量标定工作,为使用者带来大量不必要的额外工作。


滨松LCOS-SLM得益于优异的硬件线性度和出厂所配的每一个参数内波长的每一条内置LUT曲线,无需标定,在提高实验精度的同时省去了大量标定实验所带来的麻烦。


参考文献

郭光灿院士组 ”Hao Z, Sun K, Wang Y, etal. Demonstrating Shareability of Multipartite Einstein-Podolsky-Rosen Steering[J]. PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2022, 128(120402).” https://aga.ustc.edu.cn/__local/5/4A/AB/E5385A5A821F0EF8899231FD497_E7C9AD0F_EC5C0.pdf?e=.pdf


顾敏老师组Xinyuan Fang, Haoran Ren and Min Gu , “Orbital angular momentum holography for high-security encryption”, Nature Photonics ,VOL 14, February 2020 (102–108)



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显微成像


显微成像应用的主题是,深入研究生物样品,研究各种反应与动力学。技术目标永远是更高分辨率,更深成像,更快成像。LCOS-SLM在其中用于——焦点分布调制(如radial polarize,如相位分布调制),提高分辨率;结构光照明(SIM),实现高分辨率;矫正像差,可见光也可以深入到内部成像;相位对比显微,成像透明物体;STED显微,提高分辨率;多点成像,提高成像速度等。


案例分享:双光子激发显微成像


使用滨松LCOS-SLM进行激发光波前调制,从而使双光子激发显微镜(TPM)(物镜为干镜)可以进行高质量的深度观察。当空气和样品之间的折射率界面是垂直于光轴的平面时,通常会发生严重的球差。弯曲的样品表面形状和折射率不匹配会引起包括球差在内的各种像差。因此,所获得的图像的荧光强度和分辨率在样品的一定深度处变得很差。


为了解决这个问题,滨松中央研究所及滨松大学的科学家Naoya Matsumoto, Alu Konno, Takashi Inoue 及Shigetoshi Okazaki等人设计了一种预畸变波前,以通过使用全新的光程差算法来校正由弯曲的样品表面形状引起的像差。在通过折射率不匹配的界面之前,TPM系统中包含的LCOS-SLM将激发光波前调制为预畸变波前。因此,激发光经过样品后聚焦时就没有像差。由此,通过使用干物镜在清洁的小鼠脑中观察到高达2,000 μm的光学深度的血管。


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参考文献

双光子激发显微成像Naoya Matsumoto et al., Aberration correction considering curved sample surface shape for non-contact two-photon excitation microscopy with spatial light modulator, Scientific Reports 8, Article number: 9252(2018).


案例分享:产业化的STED


显微成像中的STED应用,使用LCOS-SLM产生空心光和平顶光,目前已经产业化。


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参考文献

Fabian Göttferta, Pleinerb T, Jörn Heinec, etc. Strong signal increase in STED fluorescence microscopy by imaging regions of subdiffraction extent[J]. PNAS, 2017(Vol. 114 | No. 9).


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光镊


光镊是利用光学梯度力进行光学捕获和操控小型介质粒子。通过LCOS-SLM可以实现三维多点的光镊控制,同时操控多个粒子、控制粒子的移动和旋转等。


案例分享:光镊系统


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如上图所示,通过LCOS-SLM小小的液晶屏,就可以将一束普通高斯光编程许多个“高级镊子”,例如携带轨道角动量可以让粒子旋转起来的“涡旋光”,无衍射的“贝塞尔光”等等。由于其可编程的特性,还可以同时产生多个三维空间分布的光阱。


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冷原子


通过LCOS-SLM对光调制,形成可以控制原子的光势阱,将超冷原子囚禁于其中进行分析。


案例分享:SLM生成多模式光阱


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在标准磁光阱(MOT)的基础上,加入了额外的去泵浦光(depump laser)和LCOS-SLM,可以通过SLM来调制出任何所需的再泵浦光(repump profile),例如LG模光束和其他阻挡了中心强度的暗盘光束。成形的再泵浦光在陷阱处穿过,产生如图c所示的壳状再泵浦腔。塑造与再泵浦激光互补的去泵浦激光,将去泵浦强度精确地引导到再泵浦强度缺失的那些区域,即光阱的内核,如图b中包含的光束剖面所示。


产品优势关键词:光利用率


通过多层介质膜形成的介质镜设计,使LCOS-SLM的光利用率达到了97%或以上。


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产业应用

已经或即将产业化的应用,包括显微技术中的STED、激光加工、光通信、光储存、光传感、全息、脉冲整形、抬头显示等。


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激光加工


现代激光加工,以超快激光加工为主,即使用高强度的超快激光进行材料加工。具有峰值功率高、热熔区域小、加工速度快和重复精度高的特点。 滨松LCOS-SLM则以其高精度的三维多点整形(通常使用CGH算法调制相位)功能;产生“长焦深”的贝塞尔光用于激光切割功能;以及可实时矫正像差、实时通过软件改变加工激光的聚焦深度和形状的特性等,被此应用纳入麾下。


案例分享:SLM在三维直接光刻中的多点加工


2022年1月20日,浙大邱建荣教授团队与之江实验室谭德志博士团队合作,在Science发表了题为“Three-dimensional directlithography of stable perovskitenanocrystals in glass”的文章,研究报告了具有可调成分和玻璃带隙的钙钛矿纳米晶体(PNCs)的三维 (3D) 直接光刻。


研究团队发现了飞秒激光诱导的空间选择性微纳分相和离子交换规律,开拓了飞秒激光三维极端制造新技术,首次在特别制备的均匀无色透明的玻璃材料内部,实现了带隙可控的三维半导体纳米晶结构,为光存储、微型发光二极管等提供了新的方向。


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正如上面的比喻一样,飞秒激光就如一把锋利的“刻刀”,但是要想实现精密的“雕刻”,“主刀的手”至关重要。在诸多的影响因素中,空间光调制器(SLM)是关键之一。


为了能充分发挥“刻刀”的性能,SLM首先需要承受住高强度的激光,也就是具有抗强光特性,同时还要保证极高的光利用率,减少光损失,别让“利刃”变“钝”了。


研究团队在实验中,选用了 滨松LCOS-SLM X13138。论文中提到拥有1280 ×1024像素的LCOS-SLM X13138,其光利用率高达90%以上(有实测显示可达97%),实验使用了2500 mW的激光,通过SLM调制出一个3 × 3的激光点阵,以9道独立的激光光束聚焦至玻璃内部,进行了多点加工。(点击此处了解该实验更多详细信息,Science又拿一稿,滨松SLM参与飞秒激光极端制造新突破


产品优势关键词:光阈值


由于材料和设计的限制,器件的抗强光特性还不完善(光强阈值低),截止到2017年,LCOS-SLM最高也只能承受几十瓦/cm2的激光功率密度。所以一直以来,其并未被大范围应用,仅用在了一些特定的激光加工材料上(往往是所需激光能量较低的被加工件),如塑料焊接,晶圆或玻璃切割(滨松专利的SDE激光隐形切割引擎,就是以空间光调制器为内核的)。


随着产品技术的不断进步,以及更广泛的行业测试数据的支持,如今滨松的LCOS-SLM被证实最高可完全承受210W/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。扫描下方二维码了解更多试验数据。


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产品优势关键词:解决方案支持+算法加持


在提供LCOS-SLM的同时,滨松可以提供整套的激光加工解决方案以及由算法工程师提供的强大支持。点击下方图片,回看往期算法相关视频。


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下期活动预告


滨松中国即将于5月31日邀请我们产品部的“大师姐”开展一场针对空间光调制器新品细节及应用信息专题分享活动,欢迎各位扫描下方二维码,点击观看直播,报名直播间哟~


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THE END

编辑:又又


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