CN113126373B - 反射式光寻址液晶空间光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种反射式光寻址液晶空间光调制器，其结构包括1053nm线偏振读出光入射窗口、二向分色镜、偏振片、液晶盒、470nmLED准直光源、偏振分光器、由计算机控制的LCoS型电寻址空间光调制器、交流稳压电源、检偏器和1053nm线偏振读出光出射窗口，所述的液晶盒由依次的透明导电膜基底层、第一透明导电层、液晶取向层及液晶层、光导层、反射膜层和第二导电层构成，所述的第一透明导电层和第二导电层之间连接所述的交流稳压电源，其特点在于所述第一透明导电层为n型掺硅氮化镓薄膜层或p型掺镁氮化镓薄膜层，所述的第二导电层为氧化铟锡薄膜层；所述的光导层兼作为第二导电层的基底层。本发明具有较高的激光损伤阈值，拓宽了在高能量激光装置中的应用范围。

Description

反射式光寻址液晶空间光调制器
技术领域
本发明属于液晶器件领域，具体涉及一种高损伤阈值反射式光寻址液晶空间光调制器。
背景技术
液晶空间光调制器(简称为LC-SLM)作为一种能够实时、动态地控制光场的振幅、相位、偏振态的光学器件，在大型激光装置的光束整形上具有重要的应用。例如在美国的NIF装置、OMEGA-EP装置、欧洲的LMJ装置和中国的神光系列装置中，液晶空间光调制器被用于损伤点的预屏蔽，光束强度预补偿，提高光束强度均匀性等方面。
在LC-SLM中，光寻址液晶空间光调制器作为一种无需像素电极，不对原本光路产生影响的空间光调制器，相对于常见的基于薄膜晶体管(TFT)的透射式电寻址空间光调制器和基于硅上液晶(LCoS)的反射式电寻址空间光调制器，既避免了 TFT空间光调制器由于非透明电极等组件导致的低开口率，又避免了LCoS空间光调制器由于黑栅效应等原因引起的光路畸变。
光寻址液晶空间光调制器在大型激光装置中应用时，其激光损伤阈值是一个重要的性能指标。但是，目前主要使用的透明导电层材料氧化铟锡(ITO)的激光损伤阈值较低，从而使光寻址液晶空间光调制器的整体激光损伤阈值较低，限制了其在高功率激光装置中的应用。因此，如何提高透明导电膜的损伤阈值进而提高光寻址液晶空间光调制器的激光损伤阈值成为了相关研究人员的重要研究课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射式光寻址空间光调制器，该器件具有较高的激光损伤阈值。拓宽了光寻址液晶空间光调制器在高能量激光装置中的应用范围。
为实现上述技术目标，本发明提供的技术方案如下：
一种反射式光寻址液晶空间光调制器，其结构包括1053nm线偏振读出光入射窗口、二向分色镜、偏振片、液晶盒、470nmLED准直光源、偏振分光器、由计算机控制的LCoS型电寻址空间光调制器、交流稳压电源、检偏器和1053nm线偏振读出光出射窗口，所述的液晶盒由依次的透明导电膜基底层、第一透明导电层、液晶取向层及液晶层、光导层、反射膜层和第二导电层构成，所述的第一透明导电层和第二导电层之间连接所述的交流稳压电源，其特点在于：
所述第一透明导电层为n型掺硅氮化镓薄膜层或p型掺镁氮化镓薄膜层，所述的第二导电层为氧化铟锡薄膜层；所述的光导层兼作为第二导电层的基底层。
所述的光导层使用的材料为硅酸铋(BSO)。
所述的反射膜层呈一定角度倾斜的梯形或平板形，当所述的反射膜层呈平板形时，所述的液晶盒在装置中沿光路倾斜放置；当所述的反射膜层呈平板形时，所述的液晶盒在装置中沿光路平行放置。
所述的第二导电层为非透明导电层。
所述的透明导电膜基底层的材料为蓝宝石。
所述的第一透明导电层对1053nm偏振光的透过率>70％，第一透明导电层对脉宽10ns的1053m脉冲光损伤阈值>1J/cm2。
所述的透明导电膜使用n型掺杂氮化镓，其中n型掺杂氮化镓使用载流子浓度为1*1018cm-3～1*1019cm-3的掺硅氮化镓，厚度为0.3mm～0.5mm。
所述的透明导电膜使用p型掺杂氮化镓，其中p型掺杂氮化镓使用载流子浓度为1*1018cm-3～1*1019cm-3的掺镁氮化镓，厚度为0.3mm～0.5mm。
本发明的优点和特点是：
由于氮化镓材料的激光损伤阈值高于常用于透明导电层的ITO材料，通过将氮化镓材料替代ITO应用于反射式光寻址液晶空间光调制器在通光部分的透明导电层部分，由于氮化镓材料的较高激光损伤阈值，提高了反射式光寻址液晶空间光调制器的激光损伤阈值。拓宽了光寻址液晶空间光调制器在高能量激光装置中的应用范围。
附图说明
图1是本发明反射式光寻址液晶空间光调制器的结构图。图中，1-1053nm线偏振读出光入射窗口、2-二向分色镜、3-偏振片、4-液晶盒、5-LED准直光源、6-偏振分光器、7-由计算机控制的LCoS型电寻址空间光调制器、8-交流稳压电源、9- 检偏器、10-1053nm线偏振读出光出射窗口。
图2是本发明实施例1中反射式光寻址液晶空间光调制器的液晶盒的结构图，图中，41-透明导电膜基底层、42-第一透明导电层、43-液晶取向层及液晶层、44- 光导层、45-反射膜层、46-第二导电层。
图3是本发明实施例2中反射式光寻址液晶空间光调制器的液晶盒的结构图，图中，41-透明导电膜基底层、42-第一透明导电层、43-液晶取向层及液晶层、44- 光导层、45-反射膜层、46-第二导电层。
图4是采用本发明实施例1对1053nm线偏光进行强度调制的实验光路示例图，图中A-1053nm线偏光源，B-光阑，C-起偏器，D-实施例1，E、F-透镜组，G-检偏器，H-CCD，I-交流稳压电源，J-计算机。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明，但不应当因此限制本发明的保护范围。
图1是本发明高损伤阈值反射式光寻址液晶空间光调制器的结构示意图。由图中可见，本发明高损伤阈值反射式光寻址液晶空间光调制器，其结构包括1053nm 线偏振读出光入射窗口1、二向分色镜2、偏振片3、液晶盒4、470nmLED准直光源5、偏振分光器6、由计算机控制的LCoS型电寻址空间光调制器7、交流稳压电源8、检偏器9、1053nm线偏振读出光出射窗口10，所述的液晶盒4由依次的透明导电膜基底层41、第一透明导电层42、液晶取向层及液晶层43、光导层44、反射膜层45和第二导电层46构成，所述的第一透明导电层42 和第二导电层46之间连接所述的交流稳压电源8，其特点在于：
所述第一透明导电层42为n型掺硅氮化镓薄膜层或p型掺镁氮化镓薄膜层，所述的第二导电层46为氧化铟锡(ITO)薄膜层；所述的光导层44兼作为第二导电层 46的基底层。
由图可见，所述的液晶盒4沿光路倾斜放置。470nm写入光由所述LED准直光源5输入，经过LCoS型电寻址空间光调制器7后，具有像素结构的二元强度分布，随后依次通过偏振分光器6和二向分光镜2，该二向分光镜2的方向与所述写入光的入射方向及所述读出光的入射方向均45°，该二向分光镜2对所述的写入光全反而对所述的读出光全透，在该二向分光镜2的写入光反射和读出光透射 方向依次有起偏器3、液晶盒4，所述偏振片3偏振方向和1053nm线偏振读出光偏振方向平行，所述1053nm线偏振读出光出射窗口10对写入光全反而对读出光全透。
实施例1
图2是本发明实施例1中液晶盒4的结构图。由图中可见，该液晶盒4结构依次包括：透明导电膜基底层41、第一透明导电层42、液晶取向层及液晶层43、光导层44、反射膜层45、第二导电层46。所述的反射膜层44呈平板状。所述的写入光与读出光在液晶盒4中依次沿透明导电膜基底层41、第一透明导电层42、液晶取向层及液晶层43、、光导层44传递，经反射膜层45反射后原路返回，所述的第一透明导电层42 和第二导电层46之间连接有交流稳压电源8。如图1所示，该液晶盒在光路中倾斜放置，以防止液晶盒的入射光与出射光重叠。
所述液晶层43为90°扭曲相列型液晶，其液晶层厚度d与液晶双折射率Δn 满足
Figure GDA0003602631210000041
。
所述光导层44的材料应满足：1、电导率随470nm写入光的光强增大而增大，而与1053nm读出光的光强无关；2、对1053nm线偏振光透过率高于65％；3、能够作为反射膜层45与第二导电层46的基底层。该材料一般选用硅酸铋(BSO)。
所述的连接在第一透明导电层42和第二导电层46之间的交流稳压电源8，其频率为100Hz～1000Hz，其工作电压大小按照以下原则确定：当液晶盒4的光导层 44上无写入光照射时，液晶层43分压小于其阈值电压；当液晶盒4的光导层44 上有写入光照射时，液晶层43的分压大于其饱和电压。
所述的液晶盒4中的第一透明导电层42一般使用掺硅氮化镓(n型掺杂)或掺镁氮化镓(p型掺杂)。对1053nm偏振光的透过率>70％，而其中对脉宽10ns的1053nm 脉冲光损伤阈值>1J/cm2，使用的掺硅氮化镓载流子浓度为1*1018cm-3～1*1019cm-3，厚度为0.3mm～0.5mm。使用的掺镁氮化镓载流子浓度为1*1018cm-3～1*1019cm-3，厚度为 0.3mm～0.5mm。
所述的液晶盒4中的透明导电膜基底层41使用蓝宝石材料。
所述的液晶盒4中的第二导电层46使用透明导电材料，一般为ITO材料。
实施例1
图4是使用实施例1对1053nm光进行强度调制的实验光路图，包括1053nm线偏光源A，光阑B，起偏器C，实施例D，透镜E，透镜F，检偏器G，CCD H，交流稳压电源I，计算机J，其中起偏器C和检偏器G方向均与光源偏振方向平行。通过光阑B、起偏器C后，经过通电的实施例D后，其偏振态经90度扭转，而后经透镜E、F，经检偏器G后其强度便受到调制，并成像在CCDH上。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，所述的液晶盒4的结构如图3所示，包括透明导电膜基底层41、第一透明导电层42、液晶取向层及液晶层43、光导层反射膜层44、反射膜层45、第二导电层46，所述的反射膜层44呈梯形状，该液晶盒在光路中水平放置，无需如图1般倾斜放置。

Claims (5)

1.一种反射式光寻址液晶空间光调制器，其结构包括1053nm线偏振读出光入射窗口(1)、二向分色镜(2)、偏振片(3)、液晶盒(4)、470nmLED准直光源(5)、偏振分光器(6)、由计算机控制的LCoS型电寻址空间光调制器(7)、交流稳压电源(8)、检偏器(9)和1053nm线偏振读出光出射窗口(10)，所述的液晶盒(4)由依次的透明导电膜基底层(41)、第一透明导电层(42)、液晶取向层及液晶层(43)、光导层(44)、反射膜层(45)和第二导电层(46)构成，所述的第一透明导电层(42)和第二导电层(46)之间连接所述的交流稳压电源(8)，其特征在于：
所述第一透明导电层(42)为n型掺硅氮化镓薄膜层或p型掺镁氮化镓薄膜层，所述的第二导电层(46)为氧化铟锡薄膜层；所述的光导层(44)兼作为第二导电层(46)的基底层；
所述的读出光入射窗口(1)与液晶盒(4)之间依次设置有所述的二向分色镜(2)和偏振片(3),所述470nmLED准直光源(5)与LCoS型电寻址空间光调制器(7)位于所述偏振分光器(6)两侧，470nmLED准直光源(5)的写入光依次经过偏振分光器(6)、LCoS型电寻址空间光调制器(7)后，依次通过偏振分光器(6)和二向分色镜(2)，二向分色镜(2)的方向与所述写入光的入射方向及所述读出光的入射方向均成45°，二向分色镜(2)对所述写入光全反而对所述读出光全透，在二向分色镜(2)的写入光反射和读出光透射方向依次设置有所述偏振片(3)、液晶盒(4)，所述检偏器(9)和1053nm线偏振读出光出射窗口(10)沿被液晶盒(4)反射的写入光与读出光的反射方向依次设置，偏振片(3)偏振方向和1053nm线偏振读出光偏振方向平行，所述1053nm线偏振读出光出射窗口(10)对写入光全反而对读出光全透。
2.根据权利要求1所述的反射式光寻址液晶空间光调制器，其特征在于，所述的光导层(44)使用的材料为硅酸铋(BSO)。
3.根据权利要求1所述的反射式光寻址液晶空间光调制器，其特征在于，所述的反射膜层(45)呈梯形或平板形，当所述的反射膜层(45)呈平板形时，所述的液晶盒(4)在装置中相对于光路倾斜放置；当所述的反射膜层(45)呈梯形时，所述的液晶盒(4)在装置中相对于光路垂直放置。
4.根据权利要求1所述的反射式光寻址液晶空间光调制器，其特征在于，所述第二导电层(46)为非透明导电层。
5.根据权利要求1至4任一项所述的反射式光寻址液晶空间光调制器，其特征在于，所述的透明导电膜基底层(41)的材料为蓝宝石。
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