空间光调制器的原理|分类|应用

　　空间光调制器具有能实时地在空间上调制光束的重要功能，使其成为构成实时光学信息处理、光计算等系统的关键器件。正因为如此，空间光调制器在现代光学领域中具有越来越重要的地位和价值。它是光学、光电混合系统进行光互连、光学相关、光计算、模式识别、光学控制、光学检测、图象处理、显示技术等中的基本构件和关键器件。

　　空间光调制器常缩写成SLM。顾名思义，它是一种对光波的空间分布进行调制的器件，一般地说，空间光调制器是指在信号源信号(控制信号)的控制下，能对光波的某种或某些特性(如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制，从而将信源信号所荷载的信息写进入射光波之中的器件。控制信号可能是光学信号，又可能是电学信号。

　　空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等)改变自身的光学特性，从而对照明在其上的光波进行调制。

　　一般把这些独立的小单元称为空间光调制器的“像素”，把控制像素的信号称为“写入光”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。形象的说，空间光调制器可以看作一块透射率或其它光学参数分布能够按照需要进行快速调节的透明片。显然，写入信号应该含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程，称为“寻址”。

　　空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射型和透射型;而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM)。

　　光寻址时，实际上是利用适当的光学系统把一个二维光强分布成像在空间光调制器的像素平面上，便可以使写入信号的像素与调制器的像

　　空间光调制器是构成实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统的基本构造单元，在信息光学研究中发挥重要作用并有着广泛的应用。

　　此空间光调制器是用电光晶体作为光调制材料，将入射到光电表面的输入图像变成电子图像。光电子经微通道板放大以后，在晶体表面形成电荷图像。根据此图像面产生横断晶体电场变化，并因光电效应，而发生晶体折射率的变化。对晶体照射激光读出线偏振光。

　　在晶体电荷积累面形成中介反射镜发出的反射光往返于晶体之中。根据输入图像而调制起相位，使这种光通过偏振光以进行强度调制，获得拥有输出图像信息的相关光输出。

　　目前液晶空间光调制器在空间光调制器中已经占有主导地位。它可对光束的相位、偏振态、振幅或强度进行一维或二维分布的实时空间调制。它将液晶层作为光调制材料，液晶层采用向列型液晶的混合场效应工作模式，在晶层上各区域施加不同的电场，可以引起液晶分子排列方向和位置的变化，从而导致其光学性质的变化，获得透明或不透明两种状态，实现对光信号的调制。

　　空间光调制器由许多集成电路控制的单元组成，以电信号来控制每个单元的1或0状态。液晶作为调制介质，构成低能耗、低电压的空间光调制器——光寻址的液晶光阀(LCLV)(多把用在光运算场合的叫空间光调制器，用在显示器场合的叫光阀)和电寻址的薄膜晶体管驱动液晶显示器(TFT-LCD)。

　　这种液晶光阀的主要功能是实现图像的非相干/相干转换。其工作过程是，将待转换的非相干图像通过光学系统(作为写入光Iw)从器件右侧成像到光导层上，同时有一束线偏振相干光(作为读出光Ir)从器件左侧射向液晶层，其偏振方向与液晶层左端的分子长轴方向一致，由于高反射膜的作用，这束光将两次通过液晶层，Z后从左方出射，通过一个偏振轴方向与Ir偏振方向相垂直的检偏器，得到输出光Io。

　　尽管TFT-LCD是近年开发的，但作为非相干

　　空间光调制器的基本功能，就是提供实时或准实时的一维或二维光学传感器件和运算器件。在光信息处理系统中，它是系统和外界信息交换的接口。

　　众所周知，光具有反射和折射的特性，这使得我们可以通过平面镜，棱镜和透镜来控制或校正其传播方向，进而用空间光调制器对它进行更有效的利用。

　　空间光调制器比如镜子作为一个简单的光学器件，可使光方向翻转180度，从而显示出我们的影像以作为每天形象检查的必要参考;此外，相机镜头或人的眼睛可使通过透镜(晶状体)的光折射，并汇聚至一个单点来形成一幅图像，以此执行“聚焦”的工作。

　　空间光调制器而除了这些日常可见的应用以外，还有许多专业性强、应用特殊、甚至超出了我们普通人认知的应用，比如“光相位的调制”。光具有粒子性和波动性，从波动性的角度考虑，我们可以把空间光调制器的光当成是一种电磁波，那它便具有电磁波所具有的参数——振幅、相位、波长等。而我们使用反射镜、透镜等元件进行的反射、聚焦，从波动的角度看，都是改变了波的相位。

　　全息光镊：

　　光镊技术是指利用光的力学效应实现对微观粒子操控的技术，具有非接触和无损伤特点，在分子生物学、胶体科学和实验原子物理等领域中具有极其重要的作用。光镊本身的不断发展产生了许多衍生光镊技术。例如，利用全息元件或空间光调制器所形成的全息光镊实现多粒子操控，为光镊技术走向实用化和规模化工业生产打开了新局面，是目前光镊家族极具活力的成员。

　　利用空间光调制器可以灵活地实现光束的变换，获得所需的阱域分布。阱域是具有高梯度光强分布的区域，可形成对微粒的三维束缚。

　　旋相位相衬成像：

　　在光学显微镜中，常利用暗场或相衬方法来提高物体成像的对比度。这些方法实质上都可看作是傅里叶平面上的光学滤波。与微分干涉相差显微技术类似，螺旋相位相衬法也是利用空间光调制器对相移的敏感性来提高成像质量，特别是边缘的清晰度