深圳市mgm1888美高梅数控设备有限公司

   

图 1：硅基液晶（LCOS）布局示用意。

最近几年来，硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）技能取患了庞大冲破，基在该技能的空间光调制器（Spatial Light Modulators，SLM）已经经实现了1 kW的功率承载能力，这象征着此刻SLM已经经可以用在高功率激光运用。由此，基在LCOS 的SLM（如下简称LCOS SLM）正于成为金属加工等激光加工运用的一个新选择。

甚么是LCOS SLM？

LCOS技能最初是为投影仪、违投电视等显示装备开发的一种微显示技能，后被革新用在SLM。这种器件广泛运用在可见光至近红外（NIR）波段的运用场景，包括光通讯、[1]激光加工、[2]自顺应光学、光学操控[3]以和脉冲/光谱整形等。

LCOS 器件由一个包罗数百万像素的二维（2D）矩阵构成。每一个像素均包罗一个由氧化铟锡（ITO）制成的大众透明电极及一个位在CMOS衬底上的像素电极 这两层电极之间夹着一层液晶质料（见图 1）。经由过程对于每一个像素自力施加电压，SLM器件可以于空间上调制入射光的相位。年夜大都 LCOS 器件采用反射式事情模式，其像素电极同时兼具反射镜功效。

Santec公司开发了一款LCOS SLM，其分辩率达1920 1200像素，像素间距8.0 m，撑持60 Hz及120 Hz的帧率。与尺度的8位显示器（256灰度级）比拟，该SLM可提供更高的相位分辩率，具备10位（1024级）灰度（见图2a）及精彩的相位不变性（ 0.002 弧度）（见图2b）。这使其可以或许实现高精度相位调制，可用在高对于比度显示场景，同时也是激光加工、光通讯、自顺应光学等 相位敏感型 运用的抱负选择。

图 2：LCOS 调制强度（上）与 LCOS 闪耀特征（下）的机能对于比图。

LCOS 器件由交流（AC）电压驱动，这可能致使液晶份子振动，进而孕育发生 闪耀 （flickering）征象。于视觉运用中，这类闪耀可能影响甚微；但于高精度光学体系中，闪耀却会造成严峻影响。Santec 的这款SLM经由过程将驱动频率晋升至1 kHz以上来削减闪耀。此外，它还有撑持经由过程数字视频接口（DVI）输入视频旌旗灯号，并答应经由过程通用串行总线（USB）存储相位图案（至多128种），以便利用触发输入/输出功效实现与外部体系的快速切换。同时，Santec 还有提供软件开发东西包（SDK），用户可以经由过程定制步伐实现自立节制。

LCOS SLM的运用场景

虽然LCOS SLM素质上是相位调制器件，但其运用场景极其广泛 从AR/VR显示，到显微镜与天文学范畴的自顺应光学，再到光通讯中的模式转换，都活跃着SLM的身影。

传统上，这些运用所触及的激光功率都相对于较低。只管LCOS SLM可以或许用在激光加工范畴的光束整形，但其较低的毁伤阈值始终是一个限定因素。如今，SLM对于激光蒙受能力的晋升，为其打开了高功率激光运用的年夜门（如金属加工）。与需要为每一个加工使命从头配置硬件的传统体系差别，SLM可以实现动态、及时的光束整形 这为周详微加工和繁杂几何外形的焊接/切割带来了显著上风。

冲破新界限：可蒙受1 kW功率的LCOS SLM

金属质料的切割与焊接，所需要的激光功率凡是跨越1 kW。合理的光束整形可削减飞溅、晋升加工质量。若要利用LCOS SLM实现这一方针，SLM器件必需可以或许蒙受高激光功率。Santec的SLM-310真正实现了 1 kW的功率承载能力，可以直策应用在严苛的激光加工情况。

于加工历程中优化光束轮廓，不仅能晋升热效率，还有能实现更快速的切割、更高精度的焊接及更繁杂的微细加工。以往难以加工的繁杂外形，如今可以快速且高精度地实现，这为航空航天、汽车、医疗及半导体范畴斥地了新的可能性。

1 kW LCOS SLM 的焦点上风

振镜（Galvo Mirrors）运用广泛在激光加工范畴，其经由过程转变 x 轴与 y 轴标的目的的角度来实现光束扫描，但扫描历程耗时较长。比拟之下，LCOS SLM可以经由过程计较机天生全息图（CGHs）[4]履行一次性（one-shot）加工，从而年夜幅缩短加工时间。

与DLP（数字光处置惩罚）比拟，LCOS SLM能提供更高的相位不变性，这使其更合适基在CGH的加工厂景。虽然衍射光学元件（DOE）也能实现光束整形，但需要为差别的图案改换物理元件，这增长了装备的调试时间。LCOS SLM可以实现可编程式的光束整形，不需要机械调解，为制造运用带来了更年夜的矫捷性及更高的效率。

合用在NIR激光加工的LCOS 技能演进

传统的LCOS 器件是为人类可视显示而设计的，其实不是为了蒙受数百或者数千瓦的激光功率。袒露于高功率激光下，器件内部的各类组件 包括盖板玻璃、取向层、电极、反射镜和液晶质料等，可能会遭遇不成逆转的毁坏（见图 3）。

图3：入射光酿成的LCOS毁伤。

为相识决这个问题，高功率运用场景凡是会选择基在MEMS技能的 DLP 器件与振镜。但 Santec SLM-310 内部的LCOS布局，是专门为高抗毁伤能力而设计的，其采用蓝宝石盖板玻璃加强热导率，并采用高机能水冷散热器实现高效冷却。以无机氧化硅（SiOx）取向层替换传统的有机聚酰亚胺，由二氧化硅（SiO ）及五氧化二钽（Ta O ）制成的介电多层反射镜，最年夜限度地降低了光接收。液晶质料则选用低反映性含氟化合物的混淆物，以确保热不变性与光学不变性。

LCOS SLM重塑激光加工的将来

到今朝为止，LCOS SLM的运用仅局限在一些低功率运用，如晶圆切割、激光打标等。Santec SLM-310的问世，将LCOS SLM的运用规模拓展到了数千瓦级的激光金属加工范畴，并为加工速率与效率的年夜幅晋升奠基了基础。

传统的光束外形是静态的，每一切换一项新的加工使命都需从头调试装备；而 LCOS SLM可以或许于加工历程中实实际时、动态的光束整形，这不仅可以或许实现繁杂图案的高精度微加工，还有可以或许经由过程非对于称光束优化切割/焊接效果，同时撑持多点照射来提高加工吞吐量。

Santec SLM-310的潜于运用场景包括：中厚度不锈钢或者铝合金的高速切割、航空航天零部件的周详加工，以和金属 3D 打印中的工艺节制。此外，该器件还有能最年夜限度地削减热效应，防止质料变形或者机能退化。

瞻望将来，将LCOS SLM与人工智能及传感器技能相联合，有望实现 可以或许按照方针前提及时优化光束图案的 全主动化体系。这将加快制造业的主动化与效率晋升进程，与工业 4.0 的焦点方针完善契合。

将LCOS SLM及高功率激光器相联合，不仅是光学节制技能的一次成长演进，它更从头界说了激光加工所能实现的成绩。这场静暗暗的技能革命，将有望重塑下一代制造业的成长格式。

参考文献

1. Y. Sakurai 等，《IEEE 光子技能快报》，第 23 卷第 14 期，989-991 页（2011 年）。

2. Hotta 等，《日本运用物理学会第 77 届春天集会论文集》，14a-C31-2（2016 年）。

3. Otowa 等，《日本运用物理学会第 77 届春天集会论文集》，14p-B3-10（2016 年）。

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

-美高梅mgm1888