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空间光调制器选型时,“阈值”这个参数该怎么看?

2020/1/19 21:55:38发布118次查看
液晶-硅基空间光调制器(lcos-slm)是一种精密的光调制器件,可以实现光波前的振幅或相位的调制(关于它的详细介绍,可以看这里)。lcos(liquid crystal on silicon)芯片是其中最核心,也是最精贵的部分,整个器件的“能力”,很大程度上取决于它。不过,让其充分发挥性能的前提,是得保证它的“工作安全”。 
什么意思呢?每一种型号的lcos芯片都有着自己的能量阈值,也就是它能承受的光强能量的上限。一旦照射的光超过阈值,则会发生损伤,轻则线性度下降,重则液晶层融化。短时间的轻度的损伤可逆的,长时间或严重损伤则不可逆。损伤的原因主要有三个类型: 
1、激光能量被lcos吸收,温度持续上升,产生相位漂移。这种损伤阈值是由激光的平均功率所决定的,可以通过制冷来提高阈值。 
2.、对于脉冲激光来说,由于单个脉冲的瞬间能量极高,还可能造成另外一种对lcos的损伤。即lcos对激光的非线性吸收,会导致温度的急速上升和液晶层的损坏。这个由峰值功率决定阈值。 
3、紫外线可能会对lcos造成物理损伤,例如下面这个测试:
所以,如果你在研究中使用的是紫外光源,一定要将光源信息发给slm的提供者,进行具体分析。
以上三种情况都在安全阈值内时,lcos芯片才能保证不会被强光所打坏。(敲黑板!划重点!)所以我们在slm选型时,排除紫外光源的情况,我们需要了解激光器的平均功率、峰值功率(脉冲激光器),并与slm的阈值进行匹配。滨松lcos-slm的光阈值在同类产品中有着较高的水平,目前已被证实可完全承受255w/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了。而具体值由于型号、波长、用户使用的光源类型不同,会有很大差异。为了方便选型,滨松也可提供了一份比较完整的各系列slm可承受最大光强的阈值表,供用户参考。
x13267/x13138系列(学术用户适用)
x15223系列(工业客户适用)
另外,从波长选型中可以看到,两种系列的-01,-07,-08的波长范围较长;而其余几种型号的波长范围较短,这是因为它们在液晶的底层加了介质镜(dielectric mirror),大大提高了光阈值和光利用率,但也将波长范围限制在一个比较小的范围内。
这里,我们在这里给大家提供一个通用原则:
1、对于平均功率来说
没有介质镜的-01,-07,-08系列,要求小于1w/cm2;有介质镜的系列,一般要求小于3w/cm2;有介质镜的-03/-03l/-03r系列,要求小于40.7w/cm2。
其中,x13267/x13138的-03和-04系列还可以通过加水冷来提高阈值,正如之前我们所提到,最高可达255w/cm2以上(案例详情)。同样的,x15223-16l / 16r / 02l / 02r / 03l / 03r 均为水冷型,阈值均可达到百瓦级别。
2、对于飞秒激光器的峰值功率来说
没有介质镜的-01,-07,-08系列,要求小于1gw/cm2;有介质镜的系列,一般要求小于50gw/cm2。 这里,我们也搜集了诸多滨松slm用户实测的各种不同型号激光器的数据。可联系滨松获取。
最后,再来科普两个计算激光器功率的公式:
平均功率(w)=峰值能量或单脉冲能量(j)×重复频率(hz)
峰值功率(w)=峰值能量或单脉冲能量(j)÷脉冲宽度(s)
例如,我们有一款1030nm激光器,脉宽240fs, 重复频率是100khz,单脉冲能量是200μj,那么: 则其平均功率为:200μj×100khz=20w,作用在1cm2的光斑大小上,就是20w/cm2;其峰值功率为:200μj÷240fs=0.83gw,作用在1cm2的光斑大小上,就是0.83gw/cm2。 结合以上的资料,这款激光器则适用于滨松x13138的-03系列。

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