液晶空间光调制器在高校光学实验教学中的应用探讨

高 宇，高 星，武耀霞，郑 驰，张 龙

(西安中科微星光电科技有限公司，陕西 西安 710000)

液晶空间光调制器(SLM)作为一种实时光场调控器件早在20世纪80年代以前[1]就开始被多所高校研究，研究方向有光束整形、光场调控、计算全息、涡旋光束、光镊等，涉及光学、医学、工程、仪器仪表等领域。每年与液晶空间光调制器有关的论文发表近千篇，液晶空间光调制器的研究也早在2003年[2]拓展到了高校实验教学方面。目前已经有超过50所高校开设了与液晶空间光调制器相关的实验课程，其中包括清华大学[3]、电子科技大学[4]、浙江大学[5]等知名院校，涉及的专业有物理类和光电信息技术类。在各高校开设的与液晶空间光调制器相关的实验中，全息、衍射器件、研究液晶空间光调制器的振幅和相位调制特性的实验占大多数，而实际上，液晶空间光调制器所能完成的实验不止这些。

1 基于液晶空间光调制器开发的实验系统的原理

液晶空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同分为透射式和反射式，而按照输入控制信号的不同又分为电寻址和光寻址。基于液晶空间光调制器开发的实验系统中选用的空间光调制器以电寻址为主，反射式与透射式均可。

电寻址液晶空间光调制器的振幅和相位调制的工作原理是：在电驱动信号的控制下，液晶分子长轴指向发生偏转，因为液晶的介电各向异性，液晶分子的排列发生变化，结果使得液晶中的双折射率发生变化，在液晶光阀前后配合特定的起偏和检偏角度，从而改变入射光的偏振状态或者改变入射光的光程，引起入射光振幅或相位的改变。

1.1 透射式SLM实验系统

利用透射式液晶空间光调制器搭建的适用于高校实验教学装置的基本光路如图1所示，激光器出射的光束经扩束镜扩束后产生扩束准直光束，照射在SLM的液晶光阀上，通过对起偏器和检偏器角度的调整，使得SLM分别工作在振幅和相位调制模式，经过调制的光束被CCD采集。

图1 透射式SLM实验系统基本光路

实验系统选用的是西安中科微星光电科技有限公司的型号为TSLM023-A的透射式空间光调制器。液晶光阀的工作是通过计算机控制加载图像，如图1所示加载的是双缝图像，此时SLM相当于一个缝宽和间距实时可调的双缝。透射式SLM实验系统可以完成的实验很多，不同的实验只需要给SLM前或后搭建不同的光学元件，如傅立叶变换透镜，网格光栅，滤波小孔等，配合给SLM上加载不同的图像，调整图像的参数。

整个实验装置如图 2所示，此实验系统是开放性的系统，提供了更多学生动手操作的空间，适合在实验室使用。

图2 透射式SLM光学实验系统实物图

这种开放性的实验系统也可以做集成，如图 3所示，系统的优点是集成度高，不同实验所要更换的光学元件做到定点定位；且针对物理光学、信息光学、高等光学，大学物理五本教材定制了实验内容，与教材保持有更好的紧密度；为便于学生上课时观察实验现象，所有实验结果由CCD采集，投影仪上观察。体积小、重量轻。基于以上优点，这套系统趣味性强，更加适合于上课时的教学演示，从而帮助学生理解抽象的光学原理，激发学生的学习兴趣和探索意识。

图3 集成化透射式SLM实验系统

1.2 反射式SLM实验系统

这套实验系统选用的是西安中科微星光电科技有限公司的型号为FSLM-2K55-P的反射式相位型液晶空间光调制器；搭建的光学实验教学装置的基本光路如图4所示。

图4 反射式SLM光学实验系统基本光路

整个实验装置如图5所示，基本的光路是笼式系统；激光器出射的光束经两个反射镜反射后进入开普勒式扩束镜扩束准直，经过起偏器与非偏振分光棱镜后分为两路，一路照射在反射式空间光调制器液晶光阀上，另一路照射在反射镜上，反射光经过检偏器出射。不同的实验也需要给SLM前或后搭建不同的光学元件，根据需要决定是否要挡掉分光棱镜后的反射镜那一路光，以及给液晶光阀加载不同的图像。如图4所示加载的是全息图，此时入射光经过SLM调制后相位按照全息图设置进行了排布，经过聚焦镜可以实现全息图的再现。

图5 反射式SLM光学实验系统实物图

这套实验系统的特点是光路具有更大的调试空间，更适合在实验室完成；通过自主开发的软件，参数可以进行实时调节；实验编排更加丰富，学生可通过该系统掌握基本的光路调节原理及方法。

2 实 验

基于液晶空间光调制器可以完成的实验如表1所示，按照利用SLM的振幅和相位特性进行分类；其中前4个实验是利用SLM的结构特性完成的实验。

表1 基于SLM的高校光学实验

续表

因SLM是一种可二次开发的设备，其所能完成的可应用于高校实验教学的实验远不止这些，教师及学生可以根据学校的教育培养重点及学生特点自行设计开发更多的实验内容。基于SLM的光学实验系统不仅可以观察光学现象，还可以将记录的结果进行分析，提升学生数据处理的能力，提高学生对知识的掌握程度。

部分实验结果展示如图6所示：

杨氏双缝干涉(1)

4f空间滤波系统(8)图6 部分实验效果图

关于实验结果的说明：

(1)杨氏双缝干涉：通过软件给SLM加载双缝图像，在SLM后加聚焦镜，在聚焦镜后焦面上可采集到干涉条纹；实时改变缝宽、间距、或将双缝进行旋转或平移，可在线观察干涉条纹的变化。图6(1)是缝宽52μm，间距156μm时的干涉结果；

(2)单缝衍射：给SLM加载双缝图像，在SLM后加聚焦镜，在聚焦镜后焦面上可采集到衍射条纹；实时改变缝宽、或将单缝进行旋转或平移，可在线观察衍射条纹的变化。图6(2)是缝宽260μm时的衍射结果；

(3)迈克尔逊干涉：搭建反射式笼式系统光路，调节出干涉条纹；给SLM加载灰度对比图，左右两侧灰度值单独可控；左侧灰度设置为0，右侧灰度从0变化到255，由于相位的改变，干涉条纹会发生移动。图6(3)是右侧灰度值为128时的迈克尔逊干涉结果，可以看到右侧干涉条纹从与左侧对其移动到了下一级条纹中间；

(4)空间滤波实验：给SLM加载光栅，在SLM后面加聚焦镜，在后焦面上进行滤波，图6(4)是45°狭缝滤波后的结果；

(5)计算全息：图6(5)是“光”字再现的结果，还可以对文字内容进行任意改变；

(6)光束变换：图6(6)是光束变换后的结果，还可以进行球面波、柱面波的整形；

(7)色散图6(7)是白光通过SLM色散的结果，加载闪耀光栅，色散图案会发生偏移；

(8)4f空间滤波系统：SLM加载“微星”字样，在SLM后搭建4f空间滤波系统，图6(8)是滤波后的图样，4f空间滤波系统大大地提高了成像的对比度。

3 结 语

利用液晶空间光调制器搭建的高校光学实验系统除可以运用到实验教学方面或者课堂教学演示方面，还可以作为教研室开放性的实验系统，锻炼学生的探索能力，或是开设相关的毕业设计主题。该类光学实验系统最大的优点是增加了学生学习的趣味性，对激发学生学习的兴趣及探索精神。另一个优点是可编程性，通过加载不同图像，可实现不同光学元件的功能，加载同一种图像，通过参数的改变可以实现实时可变的光学元件。该类光学实验系统对培养创新型人才大有裨益，相信在不久的将来，液晶空间光调制器在高校光学教学方面一定会大展宏图。