santec空间光调制器解决方案指南

目录

简介
什么是空间光调制器 (SLM) ?
各行业·主要应用和案例研究
　1.量子技术·先进物理
　2.激光加工·层叠造型
　3.生物医学·生命科学
　4.次时代显示器·AR
　5.超高速分光·极限领域的光学
　6.通信·数据·计算
空间光调制器的选择:为什么选择LCOS
LCOS的基本特性 (相位调制)
模拟驱动产生的“安静”光
全流程自主生产，实现严苛的品质管控
各型号对比：根据使用需求挑选最合适的型号
常见问题

概述

随着技术的不断进步，光学系统被赋予的功能正变得愈发复杂多样。为了满足这些需求，人们利用各类光学元件与调制器对光进行控制。本文重点介绍的空间光调制器可对光的空间自由度进行调控。

所谓光的控制，无非就是对光所具备的时空自由度进行调控。光具有振幅、频率（波长）、相位、偏振等多种自由度，而光的传播特性由这些自由度在时间与空间上的相互作用共同决定。众所周知，光的空间特性可以通过静态光学元件 (例如透镜，反射镜和偏振片) 来控制。随着器件技术的发展，能够动态调控光空间自由度的元件应运而生，这就是空间光调制器。这使得光的自由度得以被充分利用。

目前，空间光调制器已广泛应用于诸多领域，包括显微镜中的自适应光学、量子计算中的量子比特控制，以及激光加工中的工艺控制等。本文将从空间光调制器的基础概念、典型应用实例，到器件选型要点进行概述。

什么是空间光调制器 (SLM) ?

什么是空间光调制器？

空间光调制器是一种通过电控方式控制光振幅、相位或偏振光的空间分布的光学器件。它广泛用于全息、激光束形成和光通信等尖端应用，在现代光学系统中发挥着重要作用。

Liquid-Crystal-on-Silicon型空间光调制器

硅基液晶型空间光调制器SLM (LCOS-SLM) 是一种使用液晶技术的空间光调制器，运用了反射型液晶器件技术“LCOS”。
LCOS的结构是在形成了高集成度液晶驱动电路的硅基板与带有透明电极的玻璃基板之间，封入液晶层。硅基板上排布有数百万个像素电极，可对每个像素独立施加电压。

施加电压后，液晶分子的方向会因电场而变化。液晶的折射率会根据分子方向而变化，因此入射光往返通过液晶层时的有效光路长度)也会发生变化。最终使反射的相位得到调制。
换句话说，LCOS-SLM能够逐像素独立控制光的相位，从而二维自由调控反射光的波面。借此可电控实现透镜效应、光束偏转、衍射图样生成、全息再现等衍射现象。

本公司的LCOS-SLM在硅基板上集成了200万像素以上的电极，实现了高空间分辨率。同时支持10 bit (1024灰度) 的相位控制，适用于高精度波前控制。产品相位稳定性达到0.003π 以下，通过确保充足的驱动灰度，可平滑实现连续相位变化。 凭借将衍射损耗降至最低的设计，能够满足全息技术、量子操控等应用的严苛要求。

LCOS面板示例

LCOS SLM的结构

1.量子技术与先进物理

在量子计算机处理器研发及量子模拟领域，空间光调制器利用光的干涉生成光晶格，进而实现冷却原子阵列的构建以及量子态的精准操控。

[核心优势] “高相位稳定性”决定光阱的长期使用稳定

在该领域，关键在于抑制捕获光的微小相位抖动（相位闪烁）。这种抖动会对原子造成 “加热” 效应，进而导致俘获寿命缩短以及量子退相干现象。Santec 公司的 LCOS 空间光调制器（SLM）采用模拟驱动方式，能够抑制数字驱动模式下液晶分子产生的无用抖动，可提供能让原子长时间稳定俘获的 “低噪声光场”。

主要论文实绩

内容:分数轨道角动量的可视化。santec SLM-200的精确相位控制有助于生成复杂的光模。

内容:阐明单原子层物质中极化子间的相互作用。在极低温、极微细物性测量中稳定的激发光控制。

内容:实现在数百MHz以上的高速量子门时，santec SLM提供的精密多点曝光技术，是支撑大规模原子调控的核心基础。

包括:可编程光纤接入多达1000个金刚石旋转孔 (SnV) 。像素间极高的均匀性与稳定性，为构建可扩展的量子架构提供了关键支撑。

内容:由麻省理工学院（MIT）开发的 SLM 控制开源软件套件。它能够校正具有复杂空间相关性的像差等光学畸变。Santec 的空间光调制器（SLM）在此项目中作为验证设备发挥了重要作用。

内容：量子力学态 “艾里光子” 的生成。由空间光调制器（SLM）实现的精密相位设计，可完成量子态的特殊光场整形。

2.激光加工、层叠造型

在激光加工中，空间光调制器（SLM）可对加工激光束进行可编程整形，作为光学器件精准控制加工状态。将其搭载于焊接、打孔、切割用激光加工机及金属 3D 打印机等设备后，能够实现加工精度提升、热影响最小化、高效光束整形与扫描校正，以及多光束并行调控。

[Core Advantage] 通过光束整形控制加工过程并提高生产率

精密加工领域中重要的是“耐光性”和“热管理”之间的兼容性，即使在高功率激光照射下也能稳定运行。传统的空间光调制器难以承受高功率激光器，但santec通过开发1kW空间光调制器突破了这一技术障碍。

通过精密形成最适合加工对象优化的光束强度分布(平顶、环形等)，在抑制过度热输入的同时最大化加工效率。凭借超越传统加工方式的工艺制程控制，实现适配不同加工对象的高品质加工与节拍缩短。

主要论文实绩

内容:将麻省理工学院开发的SLM控制软件包与santec SLM-300相结合，通过优化的全息图实现光子晶体的精确调谐。

内容:折射率分布型光学元件的直接三维激光绘制。包括SLM-200时间轴在内的波前控制可实现高度精细的造型。

内容:生成新的光动态模式“旋转体”。SLM-200先进的振幅和相位控制功能有助于发现新的物理现象。

内容:补偿光学 (AO) 在UV纳秒激光加工中的应用。通过使用SLM校正光学系统的像差，提高了精细加工的质量。

3.生物医学生命科学

生物组织就像“浑浊的透镜 (散射体) ”，当光线深入时，光线会散射，图像会变得模糊。空间光调制器通过反向校正 (波前校正)能够实现对活体组织在细胞水平上的清晰成像与操控。

[Core Advantage] 穿透生物深部的自适应光学

在这个领域，重要的是如何抵消由复杂生物组织造成的光散射。利用空间光调制器施加与散射相反的相位分布，可实时修复波前畸变，即便在组织深处也能实现接近衍射极限的光斑尺寸。 Santec 的 LCOS 空间光调制器具备高效率、高分辨率特性，即便使用微弱光线也能抵达生物组织深处，从而实现将细胞损伤控制在最低限度的无创观察。

主要论文实绩

内容：利用全息光热转换显微镜，阐明细胞内的热敏钙信号。 通过SLM-100实现 “仅对目标位点进行加热” 的精密空间温控。

内容:利用 “光针（Light Needle）” 实现三维体积成像。 通过SLM-100进行特殊光束整形，实现对厚样本的高速观测。

内容:对脑内神经回路（微环路）的可视化与调控。 利用SLM-200实现多点刺激与观测，助力确定治疗靶点。

4.次时代显示器AR

在未来的AR (增强现实) 设备和能够在没有眼镜的情况下显示立体图像的全息电视的研究中，空间光调制器作为核心器件，能够自由操控光波波前，在空气中生成理想的立体影像。

[核心优势]可再现理想波前的线性特性

具有线性相位调制特性，无需复杂的补偿即可再现计算的立体图像。对AR隐形眼镜的实证等有帮助。

主要论文实绩

内容:利用Santec SLM-200，成功实现了与人眼焦点位置匹配的立体信息叠加显示。

5.超高速分光·极限领域的光学

在飞秒脉冲整形以及使用 X 射线自由电子激光的实验系统中，空间光调制器承担着精密光控的核心作用。

[Core Advantage] 在极限区域自由控制

该领域需要对激光脉冲宽度进行控制，以及通过波前优化实现对非线性光学现象的调控。 Santec 空间光调制器具备高相位分辨率与线性度，可实现精确的相位调制。 这使得在 X 射线、极紫外、太赫兹光等常规光学器件难以触及的极限领域中，实现更高自由度的光场调控成为可能。

主要论文实绩

内容:使用飞秒激光动态控制X射线光束。SLM-200在极端区域光学中的应用。

内容:超高速拉曼光谱分析。通过santec SLM实现高自由度、高效率的激发光控制。

内容:固体中的高次谐波产生和角动量控制.。利用SLM-200对入射光进行精密光场设计。

内容:基于双光频梳（Dual-comb）的高光谱成像。 利用空间光调制器（SLM）同时对振幅与相位进行调控，实现高速、高分辨率成像。

6.通信 ・ 数据 ・ 计算

从支持现代社会庞大数据的光网络交换到解决AI时代功耗问题的光运算，空间光调制器利用光的空间自由度作为控制信息的核心部件。

[Core Advantage] 通过空间调制实现信息控制

空间模式复用传输是为拓展光通信带宽而备受关注的下一代关键技术之一。空间光调制器能够精准地为光束赋予轨道角动量（OAM）受控的特殊模式。高相位稳定性，是在对复杂叠加的空间模式进行低误码分离实验中的关键要素，可为下一代通信协议的原理验证与高可靠性实现提供有力支撑。此外，空间光调制器（SLM）所具备的空间并行处理特性，在光计算领域也不可或缺。

主要论文实绩

内容:利用轨道角动量（OAM）复用技术，实现水下光通信的大容量化。通过空间光调制器（SLM）生成多种光模式，完成空间复用传输。

内容:可精准分离叠加空间模式的空间复用技术。Santec 器件的相位稳定性，有助于实现通信的低误码率。

内容:利用SLM-100的非线性光学振荡机的安装和相变观测.。

空间光调制器的选择:为什么选择LCOS

空间光调制器有多种实现方式，各有优劣。Santec 的空间光调制器采用 LCOS（硅基液晶）技术。

LCOS方式的优点
・作为相位调制元件，光利用效率高
・空间分辨率高，可实现极为复杂的空间调制
・沿用通用的视频通信协议，便于控制

特别是在空间调制自由度方面，LCOS 方式拥有顶级性能，能够实现极高复杂度的调制。 另一方面，在响应速度和抗光损伤性能上，其他方案有时会更具优势。 Santec 的空间光调制器拥有响应速度优异的型号、以及不输其他方案的千瓦级耐光性能型号等，可根据应用场景提供丰富选择。

按SLM方法比较设备时间范围和复杂性
Figure adapted from M. Schmidt, et al, M. Schmidt, et al, “Dynamic beam shaping – Improving laser material processing via feature synchronous energy coupling,” acturing Technology 73 (2024) 533-559.

LC, Liquid Crystal; DM, Deformable Mirror; DMM, Digital Micro-Mirror Device; AOD, Acousto-Optic Deflector; OPA, Optical Phased-Array.
* M. Schmidt, et al, “Dynamic beam shaping – Improving laser material processing via feature synchronous energy coupling,” CIRP Annals – Manufacturing Technology 73 (2024) 533-559.

液晶

LCOS SLM的结构

LCOS的基本特性 (相位调制)

自由相位调制量

santec的LCOS对光波前实现纳米级精度控制。在通信波长 (1550 nm) 下，可实现高达2π rad（一个波长） 的充足调制深度。

灵活的设置:只需调整驱动参数，即可瞬时切换至适配应用场景的最佳调制范围。
原封不动的高性能:凭借独有的高精度驱动技术，实现了优异的相位线性度。

(a)

(b)

模拟驱动所产生的 “低噪声光束”

在空间光调制器中，稳定性与速度、分辨率同样至关重要。 普通数字（PWM）驱动方式下，电压高速通断切换会导致液晶分子持续不断地微振动，由此产生的噪声（相位闪烁）无法避免。这在高精度干涉测量与量子操控中，可能成为致命性噪声。

Santec 的 LCOS 采用独有的高精度模拟驱动技术。 通过向液晶分子稳定施加恒定电压，有效抑制由驱动电压引起的液晶分子不必要振动，实现相位稳定性优异的低噪声光束。

自有工厂全流程一体化生产，实现严苛完善的品质管控。

我们在自有工厂生产器件核心部件 ——LCOS 面板。 由此可全面掌握并管控每块面板的特性。例如，可实现为所有产品附带波前校正数据，让客户从拿到产品的那一刻起，就能获得理想的波面平坦度。 同时也可根据客户需求提供定制服务。

液晶元件装配线

LCOS面板示例

按型号比较:如何根据应用选择最佳设备

为满足波长范围、激光输出、响应速度等多样化需求，Santec 推出了五大主力产品系列。

各型号的详细规格 (反射率、像素间距、外形尺寸等)这里

常见问题

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