文/Yuya Suzuki，Santec

圖 1：硅基液晶（LCOS）結(jié)構(gòu)示意圖。

近年來，硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）技術(shù)取得了重大突破，基于該技術(shù)的空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulators，SLM）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1 kW的功率承載能力，這意味著現(xiàn)在SLM已經(jīng)可以用于高功率激光應(yīng)用。由此，基于LCOS 的SLM（以下簡稱LCOS SLM）正在成為金屬加工等激光加工應(yīng)用的一個新選擇。

什么是LCOS SLM？

LCOS技術(shù)最初是為投影儀、背投電視等顯示設(shè)備開發(fā)的一種微顯示技術(shù)，后被改造用于SLM。這類器件廣泛應(yīng)用于可見光至近紅外（NIR）波段的應(yīng)用場景，包括光通信、[1]激光加工、[2]自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)操控[3]以及脈沖/光譜整形等。

LCOS 器件由一個包含數(shù)百萬像素的二維（2D）矩陣組成。每個像素均包含一個由氧化銦錫（ITO）制成的公共透明電極和一個位于CMOS襯底上的像素電極—— 這兩層電極之間夾著一層液晶材料（見圖 1）。通過對每個像素獨(dú)立施加電壓，SLM器件可以在空間上調(diào)制入射光的相位。大多數(shù) LCOS 器件采用反射式工作模式，其像素電極同時兼具反射鏡功能。

Santec公司開發(fā)了一款LCOS SLM，其分辨率達(dá)1920×1200像素，像素間距8.0 μm，支持60 Hz和120 Hz的幀率。與標(biāo)準(zhǔn)的8位顯示器（256灰度級）相比，該SLM可提供更高的相位分辨率，具有10位（1024級）灰度（見圖2a）和出色的相位穩(wěn)定性（<0.002 π弧度）（見圖2b）。這使其能夠?qū)崿F(xiàn)高精度相位調(diào)制，可用于高對比度顯示場景，同時也是激光加工、光通信、自適應(yīng)光學(xué)等“相位敏感型”應(yīng)用的理想選擇。

圖 2：LCOS 調(diào)制強(qiáng)度（上）與 LCOS 閃爍特性（下）的性能對比圖。

LCOS 器件由交流（AC）電壓驅(qū)動，這可能導(dǎo)致液晶分子振動，進(jìn)而產(chǎn)生“閃爍”（flickering）現(xiàn)象。在視覺應(yīng)用中，這種閃爍可能影響甚微；但在高精度光學(xué)系統(tǒng)中，閃爍卻會造成嚴(yán)重影響。Santec 的這款SLM通過將驅(qū)動頻率提升至1 kHz以上來減少閃爍。此外，它還支持通過數(shù)字視頻接口（DVI）輸入視頻信號，并允許通過通用串行總線（USB）存儲相位圖案（最多128種），以便使用觸發(fā)輸入/輸出功能實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的快速切換。同時，Santec 還提供軟件開發(fā)工具包（SDK），用戶可以通過定制程序?qū)崿F(xiàn)自主控制。

LCOS SLM的應(yīng)用場景

雖然LCOS SLM本質(zhì)上是相位調(diào)制器件，但其應(yīng)用場景極為廣泛—— 從AR/VR顯示，到顯微鏡與天文學(xué)領(lǐng)域的自適應(yīng)光學(xué)，再到光通信中的模式轉(zhuǎn)換，都活躍著SLM的身影。

傳統(tǒng)上，這些應(yīng)用所涉及的激光功率都相對較低。盡管LCOS SLM能夠用于激光加工領(lǐng)域的光束整形，但其較低的損傷閾值始終是一個限制因素。如今，SLM對激光承受能力的提升，為其打開了高功率激光應(yīng)用的大門（如金屬加工）。與需要為每個加工任務(wù)重新配置硬件的傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，SLM可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)、實(shí)時的光束整形——這為精密微加工及復(fù)雜幾何形狀的焊接/切割帶來了顯著優(yōu)勢。

突破新邊界：可承受1 kW功率的LCOS SLM

金屬材料的切割與焊接，所需要的激光功率通常超過1 kW。合理的光束整形可減少飛濺、提升加工質(zhì)量。若要使用LCOS SLM實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，SLM器件必須能夠承受高激光功率。Santec的SLM-310真正實(shí)現(xiàn)了 1 kW的功率承載能力，可以直接應(yīng)用于嚴(yán)苛的激光加工環(huán)境。

在加工過程中優(yōu)化光束輪廓，不僅能提升熱效率，還能實(shí)現(xiàn)更快速的切割、更高精度的焊接和更復(fù)雜的微細(xì)加工。以往難以加工的復(fù)雜形狀，如今可以快速且高精度地實(shí)現(xiàn)，這為航空航天、汽車、醫(yī)療和半導(dǎo)體領(lǐng)域開辟了新的可能性。

1 kW LCOS SLM 的核心優(yōu)勢

振鏡（Galvo Mirrors）應(yīng)用廣泛于激光加工領(lǐng)域，其通過改變 x 軸與 y 軸方向的角度來實(shí)現(xiàn)光束掃描，但掃描過程耗時較長。相比之下，LCOS SLM可以通過計(jì)算機(jī)生成全息圖（CGHs）[4]執(zhí)行一次性（one-shot）加工，從而大幅縮短加工時間。

與DLP（數(shù)字光處理）相比，LCOS SLM能提供更高的相位穩(wěn)定性，這使其更適合基于CGH的加工場景。雖然衍射光學(xué)元件（DOE）也能實(shí)現(xiàn)光束整形，但需要為不同的圖案更換物理元件，這增加了設(shè)備的調(diào)試時間。LCOS SLM可以實(shí)現(xiàn)可編程式的光束整形，不需要機(jī)械調(diào)整，為制造應(yīng)用帶來了更大的靈活性和更高的效率。

適用于NIR激光加工的LCOS 技術(shù)演進(jìn)

傳統(tǒng)的LCOS 器件是為人類可視顯示而設(shè)計(jì)的，并不是為了承受數(shù)百或數(shù)千瓦的激光功率。暴露在高功率激光下，器件內(nèi)部的各種組件——包括蓋板玻璃、取向?qū)印㈦姌O、反射鏡及液晶材料等，可能會遭受不可逆轉(zhuǎn)的損壞（見圖 3）。

圖3：入射光造成的LCOS損傷。

為了解決這個問題，高功率應(yīng)用場景通常會選擇基于MEMS技術(shù)的 DLP 器件與振鏡。但 Santec SLM-310 內(nèi)部的LCOS結(jié)構(gòu)，是專門為高抗損傷能力而設(shè)計(jì)的，其采用藍(lán)寶石蓋板玻璃增強(qiáng)熱導(dǎo)率，并采用高性能水冷散熱器實(shí)現(xiàn)高效冷卻。以無機(jī)氧化硅（SiOx）取向?qū)犹娲鷤鹘y(tǒng)的有機(jī)聚酰亞胺，由二氧化硅（SiO₂）和五氧化二鉭（Ta₂O₅）制成的介電多層反射鏡，最大限度地降低了光吸收。液晶材料則選用低反應(yīng)性含氟化合物的混合物，以確保熱穩(wěn)定性與光學(xué)穩(wěn)定性。

LCOS SLM重塑激光加工的未來

到目前為止，LCOS SLM的應(yīng)用僅局限于一些低功率應(yīng)用，如晶圓切割、激光打標(biāo)等。Santec SLM-310的問世，將LCOS SLM的應(yīng)用范圍拓展到了數(shù)千瓦級的激光金屬加工領(lǐng)域，并為加工速度與效率的大幅提升奠定了基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的光束形狀是靜態(tài)的，每切換一項(xiàng)新的加工任務(wù)都需重新調(diào)試設(shè)備；而 LCOS  SLM能夠在加工過程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時、動態(tài)的光束整形，這不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜圖案的高精度微加工，還能夠通過非對稱光束優(yōu)化切割/焊接效果，同時支持多點(diǎn)照射來提高加工吞吐量。

Santec SLM-310的潛在應(yīng)用場景包括：中厚度不銹鋼或鋁合金的高速切割、航空航天零部件的精密加工，以及金屬 3D 打印中的工藝控制。此外，該器件還能最大限度地減少熱效應(yīng)，避免材料變形或性能退化。

展望未來，將LCOS SLM與人工智能和傳感器技術(shù)相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)“能夠根據(jù)目標(biāo)條件實(shí)時優(yōu)化光束圖案的”全自動化系統(tǒng)。這將加速制造業(yè)的自動化與效率提升進(jìn)程，與工業(yè) 4.0 的核心目標(biāo)完美契合。

將LCOS SLM和高功率激光器相結(jié)合，不僅是光學(xué)控制技術(shù)的一次發(fā)展演進(jìn)，它更重新定義了激光加工所能實(shí)現(xiàn)的成就。這場靜悄悄的技術(shù)革命，將有望重塑下一代制造業(yè)的發(fā)展格局。

參考文獻(xiàn)

1. Y. Sakurai 等，《IEEE 光子技術(shù)快報》，第 23 卷第 14 期，989-991 頁（2011 年）。

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4. Y. Hayasaki 等，《應(yīng)用物理快報》，第 87 卷第 031101 期（2005 年）。