工业、生物医学和显示技术正推动空间光调制器进入一个追求速度、耐用性和适应性的新时代。

                                              作者：Marie Freebody

空间光调制器（SLM）能够按指令重塑光波，主动控制像素阵列上的振幅、相位或偏振态。它们使设计者能够塑造光束、校正像差、生成动态全息图，并以十年前无法达到的速度和分辨率编码信息。  

 

（图一）Santec 提供

因此，SLM 支撑着广泛的光子学应用，从最基础的到高度复杂的乃至新颖的应用。首当其冲的是激光束整形与优化，它支持从微加工到增材制造的工业过程。消费级显示器和投影系统依赖 SLM 架构实现紧凑、高分辨率的图像生成。在研究和仪器领域，SLM 驱动自适应光学中的波前校正，并支持计量学、显微镜和量子光学中的精密测量技术。  

尽管功能多样，但许多光学和光子工程领域之外的人仍误以为 SLM 是主要用于小众研究实验室的精密、笨重组件。专家们则热衷于强调现代 SLM 已成为坚固耐用的工业级组件和设备，完全可以在成熟市场之外广泛使用。  

以硅基液晶（LCOS）背板、高速 MEMS/数字微镜器件（DMD）架构以及新兴的电光调制器和超表面调制器为主导的创新浪潮，正推动 SLM 进入一个全新的性能时代。与此同时，全息显示和近眼显示、固态激光雷达与光束控制、光学神经网络、量子光学以及先进显微术等市场的迅速扩张，正驱使供应商开发更快、更专业、更坚固的 SLM 技术迭代产品。  

**液晶的演进**  

 

首批广泛使用的 SLM 是像素间距为几十微米的透射式扭曲向列液晶器件。HOLOEYE Photonics AG 市场总监 Klaus von Guenner 表示：“它们对于早期的计算机生成全息图和概念验证型自适应光学已经足够好，但在效率、稳定性和校准方面始终需要妥协。”  

（图二）硅基液晶（LCOS）空间光调制器示意图，显示了外加电压如何重新定向液晶分子以调制入射光的相位，调制后的光随后被下方的反射镜反射。

向反射式 LCOS 架构的转变标志着一个转折点。这种架构包含多层结构：玻璃窗口、透明电极、液晶层、反射镜和硅基底。工程师们调整各层的设计来针对波长、速度、功率承受能力或相位范围进行优化，以适用于日益广泛的应用场景。这种方法极大地提升了关键参数，如分辨率、填充因子、开关速度和稳定性。最终，它解锁了这些设备的实用性，使其从实验室走向商业应用。作为额外的好处，电子控制的独立像素支持快速迭代、实时波前控制和系统级自适应性，其技术基础与笔记本电脑显示屏一样为人所熟知。  

滨松光子学营销工程师 Brandon Gorakhnauth 表示：“LCOS 在光学链路中的自适应性可以从根本上改变我们对光学的思考方式。从研发到快速原型制作，再到完整系统中的实时控制/反馈，这是 SLM 相比其他光学技术真正闪耀的领域。”  

 

（图三）

（图四）

典型 LCOS 显示组件的层结构（图三）。LCOS SLM 由头部和控制器组成，激光进入头部，控制器通过数字视频接口连接到 PC（图四）。在头部内部，LCOS 芯片利用 CMOS 像素阵列上的电压控制液晶层来改变折射率，从而调制反射光的相位以实现波前控制。PCB：印刷电路板。来源：HOLOEYE Photonics AG 和滨松光子学。

早期的 SLM 面板受限于 PC 的标准视频刷新率（最高 60 Hz）。此外，数字视频方案对噪声水平有直接影响。相比之下，当今的 LCOS SLM 提供高帧率和高位深度的视频信号。Thorlabs 中国液晶部门经理 Yat Hei Lo 表示：“结合先进的液晶材料，SLM 面板正朝着 120 Hz 或更高、10 位分辨率的方向发展。”这开启了需要高帧率的应用领域，如用于实时 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，以及用于操控超短脉冲的飞秒脉冲整形。在某些情况下，所需的帧率可达数千赫兹。  

在偏振科学专家 Meadowlark Optics 公司，其最快的 SLM 帧率为 1 kHz，覆盖 400 nm 至 6 µm 的波长范围，并在 1064 nm 波长下提供超过 1 kW 的最大功率水平。  

 

（图五）HOLOEYE 的“µSLM”（微型 SLM）是一款像素间距 2.5 µm、分辨率为 1440×1080 像素的 LCOS 单元。来源：HOLOEYE

Meadowlark Optics 董事长 Tom Baur 表示：“我们一直面临提高帧率、波长范围和功率承受能力的压力。帧率/速度的提升为神经科学应用（如光遗传学研究）以及量子计算应用提供了支持。高功率承受能力则使激光加工应用中的光束整形成为可能。”  

**分辨率与优化**  

 

当开发者采用反射式 LCOS 架构时，SLM 的性能又迈出了决定性的一步。通过引入介电反射涂层，工程师们减少了液晶层的吸收和热负荷。  

这一转变不仅提高了寿命，还实现了微米级像素间距，并通过最小化像素间间隙显著提高了填充因子。Thorlabs 中国 CTO Cary Zhang 说：“分辨率从早期的 256×256 或 512×512 跃升至 HD（1920×1080）甚至 4K（3840×2160）。虽然大多数 SLM 仍作为外部显示器运行，但新的控制器设计允许向面板发送模拟信号，从而消除了闪烁——因此噪声更低、稳定性更高。”  

校正 SLM 面板自身产生的波前畸变是另一个常见需求。光束在反射之前穿过盖板玻璃、取向层、液晶层和底电极，波前畸变会在此过程中累积。  

 

（图六）

（图七）

光学镀膜的进步以及将精密数字驱动器直接集成到 CMOS 背板上，进一步改善了波前控制。滨松的 Gorakhnauth 说：“反射式版本不仅在各个方面都是直接升级，而且存在足够多的不同层和组件，可以从材料的角度进行改变，从而为特定应用微调 SLM 性能。”  

据工程师称，当前客户的第一大需求是定制抗反射（AR）和高反射（HR）镀膜，以提高 SLM 在特定波段的功率承受能力。激光加工等应用尤其需要高功率承受能力。Thorlabs 的 Yat Hei Lo 表示：“尽管需求很高，但为特定波长设计 SLM 面板是最困难的任务之一。介电镀膜是施加在电极层上，而不是光学表面上。”根据定义，这种情况下的镀膜设计并非抗反射镀膜。  

此外，对某一参数的调整往往会牵动另一参数，且通常是向不利的方向。例如，液晶层的厚度可以针对所需波长进行微调，但较厚的层可能导致响应速度变慢。Santec AOC 公司 AOC 研发组专家 Weiyong Liu 说：“SLM 的高速和高功率承受能力通常是一对相互矛盾的特性。这是一种权衡，需要精心设计。”  

Lo 说：“由于元件平面度和平行度控制的限制，所有光学元件都会在一定程度上引起波前畸变。例如，我们希望盖板玻璃尽可能薄，以最小化横向光束偏移，但这意味着强度降低且容易弯曲，反而会导致波前畸变。”  

由于该器件是逐像素的相位调制器，因此可以对每个单独的面板逐个像素地施加波前校正。这对于光束整形、自适应光学和量子光学等要求最高的应用至关重要。  

最终，这种对特性和性能进行必要谨慎权衡意味着，通常无法用单一的现成解决方案满足所有应用。HOLOEYE 的 von Guenner 说：“更高的速度通常以牺牲相位范围为代价；更高的反射率可能加剧串扰；更小的像素对液晶材料和驱动电子器件提出更高要求。SLM 供应商越来越多地为每个目标应用类别以不同方式解决这些权衡问题，而不是追求一种通用的器件/面板。”  

**新市场，更坚固的调制器**  

 

在激光材料加工应用中使用 SLM 进行光束整形的兴趣日益增长，这提高了对能处理高峰值功率和/或高辐照度的 SLM 的需求。介电反射镜镀膜的实施、改进的热设计、波长调谐以及更大孔径器件的开发，都是旨在承受更高光学负载的多种策略。  

一些 SLM 制造商，如滨松光子学，已利用器件设计和蓝宝石衬底的进步，打入了一个快速增长的市场领域——金属加工和冶金。Gorakhnauth 说：“我们的一项新发展是将蓝宝石玻璃引入 LCOS，通过从液晶中带走热量，显著提高了功率承受能力：液晶层中的高热量和形变是 LCOS 的主要失效模式。LCOS SLM 作为实验室工具的时代已经结束。我们开始看到它们被应用于可投产的系统中，因为它们已经准备好应对这些挑战。”  

这些功率承受能力的提升为 3D 金属打印、焊接、精密材料加工、纳米光刻甚至高功率自适应光学等应用打开了大门。在生物成像中，使用 SLM 进行实时像差校正已变得愈发有价值。  

在另一种广泛使用的工程方法中，电驱动像素矩阵被光电导层取代，以实现光学控制。像素的去除意味着连续的空间寻址和 100% 的填充因子。这些光寻址 SLM（OASLM）还由于电子部件吸收更少而表现出更高的激光损伤阈值（LIDT），这为更高能量激光器的光束整形开辟了道路。此外，光学损耗和光束退化的减少使得全息架构和光互连能够实现，而没有寄生光束。  

OASLM 技术和定制液晶组件及器件开发商 HOASYS 的研究总监 Stefania Residori 说：“在 OASLM 中，控制功能直接由光束本身或执行所谓写入过程的辅助额外光束传递。”  

HOASYS 的总经理 Umberto Bortolozzo 说：“因为控制信号由输入光束提供，所以可以充分利用输入和输出平面上的光学并行性。”  

尽管如此，行业领导者指出，重大挑战依然存在——尤其是在提高 LIDT 方面。Residori 强调，目前高功率应用的发展速度仍快于当前 SLM 的鲁棒性。她说：“需要高功率激光束整形的应用，例如用于增材制造的连续波高功率激光器，需要更高的功率，SLM 必须适应这一点。”  

“（早期的商用 SLM）对于早期的计算机生成全息图和概念验证型自适应光学已经足够好，但在效率、稳定性和校准方面始终需要妥协。”  —— Klaus von Guenner，HOLOEYE Photonics AG  

Santec AOC 的 Liu 也感受到了来自市场的类似压力，因为对可见光、紫外和深紫外波长高功率承受能力的需求不断增长。他说：“我们预计未来工业市场对 SLM 的需求将日益增长。我们未来的研发目标是提供高质量、高可靠性、高功率承受能力的 SLM 产品，为未来的智能制造业社会做出贡献。”  

**更小、更快、更坚固**

 

随着日益经济实惠的高分辨率 LCOS SLM 不断进入市场，工程师们正寻求应对更具挑战性的光学难题——从面向全息近眼显示应用和晶格光片显微镜，到高端口数波长选择开关。这些要求苛刻的系统揭示了一系列新的性能需求：更高的速度、更好的偏振特性、兼容短波红外、更小的外形尺寸和更低的串扰。  

为此，当前许多 SLM 技术的研究涉及探索全新的调制机制，涵盖不同的液晶混合物、背板设计，以及磁光、倾斜-翻转微型 MEMS 反射镜、活塞式微型 MEMS 反射镜和超表面 SLM。  

Liu 说，如果成功实现，“这些技术可能有助于实现 SLM 的高速化、高功率承受能力和紧凑小型化。”  

一种方法是针对 SLM 定制液晶混合物以获得特定的期望属性——例如，在目标波长具有高双折射、低旋转粘度以实现更快响应，或在更宽的光谱带上保持稳定。与此同时，近年来，基于 MEMS 和反射镜的解决方案在速度和效率方面显示出引人注目的回报，尽管牺牲了分辨率和稳定性。与纯振幅调制的 DMD 不同，基于活塞式原理的 MEMS SLM 能够进行相位调制。在滨松光子学，其 iPMSEL（可集成相位调制面发射激光器）技术正在开发中。该公司的方法使用光子晶体来进行光调制。Gorakhnauth 说：“虽然不是动态调制器，但它们是芯片级激光器，尺寸足够小，满足光子集成电路的要求。”  

在市场上，面向紧凑型集成光学系统的推动正在为微型 SLM 创造新的应用机会，包括便携式生物医学成像仪、紧凑型投影仪或激光雷达模块中的嵌入式波前校正。这些 SLM 在可穿戴 AR 设备中的实用性也是一个活跃且深入研究的方向。  

Von Guenner 说：“受投影技术发展的驱动，LCOS 器件意味着现代 AR/VR 设备更加集成、功耗更低，并且具有极小的像素尺寸，从而能够集成到光学系统中；我们称之为‘µSLM’。”HOLOEYE 命名为“微型 SLM”的产品包含像素尺寸小于 3 µm 的背板和集成驱动器，能够在更低功耗下实现更高的集成度。尽管新兴的 µSLM 平台和集成驱动器正在赋能新应用，但 von Guenner 强调，它们也将 LCOS 单元设计和热管理推向了更苛刻的领域。  

**下一个前沿**  

SLM 已经从专门的实验室仪器发展成为用于控制光的紧凑型、特定应用的引擎。下一个转变将在系统架构急剧缩小时发生。  

这种转变有望产生完全嵌入式的智能 SLM 引擎，但首先需要在电子集成、热设计和嵌入式计算方面取得重大进展。  

 

（图八）

利用光镊技术和电磁场来捕获原子和离子，实现量子计算和量子模拟的尝试正在进行。然后使用高灵敏度相机观察被捕获的中性原子和离子的位置。来源：滨松光子学

对一些人来说，这一趋势似乎不可避免。Thorlabs 的 Zhang 说：“目前的 SLM 体积很大，这主要归因于控制系统。想象一下，把你电脑显示器里的所有电子设备都装进 SLM 器件那么大的空间里。SLM 实际上不仅仅是电脑屏幕，因为还有额外的软件算法和其他特性；它更像是嵌入了电脑。因此，设计具有所有必要特性并减小整体尺寸的 SLM 将是未来的创新方向之一。”  

与此同时，SLM 的智能化程度正在迅速提高。专家预测，人工智能将很快成为标准功能，从而实现更简单的编程、自动优化以及对外部信号的实时响应。  

然而，成本仍然是 SLM 应用中最被误解且影响最大的制约因素之一。Meadowlark Optics 的 Baur 说：“生产一款带有兼容控制电子器件的新型硅背板的非经常性工程成本非常高——超过 100 万美元。”他认为，更好的器件和新的应用相互促进、共同进步。  

Baur 说：“我们需要更大规模的应用来支撑所需的投资，从而降低成本。这将使 SLM 技术更容易应用于对成本更敏感的领域。”