Статьи

Вам интересно, как голографическая проекция создаёт 3D-эффект? Как изменяют форму лазерного пучка? Ответ кроется в пространственном модуляторе света (ПМС) — этом «закройщике света», который позволяет управлять светом, меняя его форму и в соответствии с заданными параметрами. Разберем пространственные модуляторы света с трех сторон: что это такое, как выбрать и где применять.

Основной принцип

Магия управления световым полем за три шага 

Пространственный модулятор света ( Spatial Light Modulator, SLM) — это, по сути, динамический оптический элемент с возможностью программирования в реальном времени. Основной принцип работы заключается в управлении светом с помощью электронных сигналов, то есть электронный способ динамического регулирования одного или нескольких параметров световой волны (амплитуды, фазы, поляризации и т. д.) в пространстве.

1. Вход света: Лазерный луч проходит через основной модулирующий слой ПМС (например, слой жидких кристаллов или цифровое микрозеркальное устройство).

2. Управление сигналом: На ПМС подается электрический сигнал (например, изображение или команды управления), под действием которого модулирующий слой претерпевает физические изменения (например, меняется ориентация молекул жидкого кристалла или микрозеркала изменяют своё положение).

3. Выход света: Измененный модулирующий слой действует как «настраиваемый шаблон», изменяя фазу (скорость распространения света), амплитуду (яркость света) или поляризацию падающего света, формируя на выходе световое поле произвольной формы (например, вихревой свет, световая решётка, голографическое изображение).

Два наиболее распространённых типа пространственных модуляторов света Модуляторы LCoS-SLM и DMD благодаря отработанной технологии, высокой надежности и способности покрывать 90% областей применения пространственной модуляции света стали основными на сегодняшний день. Другие типы пространственных модуляторов света пока не могут конкурировать с LCoS-SLM и DMD по совокупности характеристик и универсальности применения.

1   Пространственный модулятор света на жидких кристаллах с кремниевой подложкой (LCoS-SLM)

Основной механизм LCoS заключается в использовании управляющей схемы CMOS для управления ориентацией молекул жидкого кристалла, что позволяет модулировать свойства света (например, амплитуду и фазу) и обеспечивать программируемое управление световым полем. Ключевая особенность структуры LCoS: CMOS-подложка содержит миллионы независимо адресуемых пиксельных электродов и отражающий слой, что обеспечивает попиксельную адресацию и отражение света. Структура жидкокристаллического светового затвора показана на рисунке 2:

Падающий свет → проходит через слой жидкого кристалла → отражается от кремниевого зеркала → снова проходит через слой жидкого кристалла → выход

Кремниевая CMOS-плата подает напряжение на каждый пиксель → управляет поворотом молекул жидкого кристалла → свет, проходя через жидкий кристалл в обоих направлениях, создает управляемую разность фаз → реализуется программируемое управление пространственным распределением световой волны.

2.  Пространственный модулятор света на цифровых микрозеркалах (DMD-SLM)

Цифровое микрозеркальное устройство (DMD) — это пространственный модулятор света, основанный на микроэлектромеханических системах (MEMS). Его основной принцип работы заключается в управлении быстрыми высокочастотными колебаниями миллионов микрометровых алюминиевых зеркал для пространственной модуляции падающего света.

Схематическое строение микрозеркального элемента показано на рисунке 3:

Микрозеркальный элемент имеет максимальный угол поворота θ°, величина которого зависит от модели DMD. Когда сигнал равен «1» (включено), микрозеркало поворачивается на угол +θ°, и падающий свет точно отражается в оптический тракт проекционного объектива, соответствующий пиксель находится в «светлом» состоянии. Когда сигнал равен «0» (выключено), угол составляет -θ°, и падающий свет направляется на светопоглотитель, соответствующий пиксель находится в «темном» состоянии. При отсутствии сигнала угол микрозеркала остается равным 0.

При выборе пространственного модулятора света (ПМС) понимание технического смысла ключевых параметров и их влияния на применение является важным шагом. Эти параметры в совокупности определяют, сможет ли устройство удовлетворить конкретные потребности эксперимента или производства.

• Разрешение: Количество пикселей по горизонтали и вертикали (например, 1920×1080, 2048×2048). Определяет степень свободы модуляции: чем выше разрешение, тем более детальной может быть загружаемая голограмма или информация о световом поле.
• Размер пикселя: Размер отдельного пикселя. Чем меньше пиксель, тем больше угол дифракции.
• Апертура (активная область): Общий размер модулируемой области (например, 13,1×13,1 мм). Определяет максимальный диаметр пучка, который можно обработать.
• Коэффициент заполнения: Отношение эффективной площади отдельного пикселя к его общей площади. Чем выше коэффициент заполнения, тем эффективнее используется энергия света.

• Глубина фазы: Максимальная фазовая задержка, которую может внести ПМС. Обычно ≥ 2π. Для чисто фазовой модуляции достижение 2π обязательно для реализации полной эффективности модуляции от 0 до 1.
• Стабильность фазы: Степень стабильности фазы при подаче одного и того же напряжения. Чем меньше флуктуации, тем точнее управление фазой.
• Дифракционная эффективность: Обычно относится к эффективности первого порядка дифракции — это отношение мощности света первого порядка дифракции при загрузке дифракционной решетки к мощности нулевого порядка без решетки. Это ключевой показатель качества фазовой модуляции. Формула определения: Дифракционная эффективность = P1th / P0th × 100%, где P1th — мощность первого порядка с решеткой, P0th — мощность нулевого порядка без решетки. На рисунке самое яркое пятно и является дифракционным пятном первого порядка.
• Время отклика: Время нарастания/спада — время, необходимое пикселю для перехода из одного состояния серого в другое. Чем короче время отклика, тем лучше для работы в реальном времени.

• Частота обновления (кадровая частота): Частота полей, отображаемых пространственным модулятором света (частота вертикальной развертки). Скорость обновления изображения на ПМС определяет, насколько быстро система может осуществлять динамическое управление.
  Глубина серого/разрядность: Точность квантования управляющего сигнала, например, 8 бит (256 градаций) или 10 бит (1024 градации).
• Порог повреждения: Максимальная плотность мощности света, которую может выдержать ПМС. Этот параметр крайне важен для таких применений, как лазерная обработка с высокой мощностью.

Пространственные модуляторы света (ПМС) благодаря своей способности гибко управлять характеристиками световой волны (амплитудой, фазой, поляризацией и др.) находят очень широкое применение — от традиционной промышленной обработки до передовых квантовых технологий.

Голографические дисплеи и 3D-изображения

С помощью ПМС загружается компьютерно-генерируемая голограмма (CGH), которая точно управляет амплитудным, фазовым или поляризационным распределением светового поля, восстанавливая световое поле трехмерного объекта и реализуя 3D-дисплей без необходимости в очках.

Рис. 4 Экспериментальная установка для мультифотонной голографии

Прецизионная лазерная обработка

Использование ПМС для генерации структурированных световых полей (например, массивов многофокусных пятен, пучков Бесселя, вихревых пучков) позволяет реализовать параллельную обработку или создание микроструктур со специальной морфологией, значительно повышая эффективность и точность обработки.

Рис. 5 Схема фемтосекундной лазерной системы с двумя режимами обработки на основе пространственного модулятора света

Микроскопия

Как программируемое ключевое устройство для управления световым полем, ПМС динамически изменяет распределение амплитуды, фазы, поляризации или длины волны света, обеспечивая прорывной рост возможностей микроскопии: сверхвысокое разрешение, высокая скорость, многомерность и малоповреждающее наблюдение биологических образцов.

Рис. 6 Принцип работы и характеристика поля зрения многоцветной сверхразрешающей структурированной иллюминационной микроскопии Pyramidal SIM

Рис. 7 Оптическая схема гибридной мультифокусной структурированной иллюминационной микроскопической системы

Адаптивная оптика

ПМС используется как корректор волнового фронта для компенсации в реальном времени искажений волнового фронта, вносимых оптической системой или средой распространения (например, атмосферной турбулентностью, биологическими тканями), восстанавливая идеальное распределение светового поля.

Рис. 8 Схема работы структуры двойного жидко-кристаллического пространственного модулятора света для коррекции волнового фронта

Список литературы

[1] Douglass M. DMD reliability: a MEMS success story[J]. Proceedings of SPIE,2003, 4980: 1-11.

[2] M. Hossein Eybposh, Nicholas W. Caira, Mathew Atisa, Praneeth Chakravarthula, and Nicolas C. Pégard, "DeepCGH: 3D computer-generated holography using deep learning," Opt. Express 28, 26636-26650 (2020)

[3] У Пэйчао, Чжан Чэньчу, Ян Лян и др. Быстрая обработка фемтосекундным лазером в двух режимах на основе пространственного модулятора света[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(10): 32-37.

[4] Gang Wen, HongJin Li, HaoJie Wang, Qin Ke, JingQian Wang, Xi Zhu, Yin Chen, DaYong Jin, Shih-Chi Chen, and Karl Zhanghao, "Pyramidal lens enables mesoscale structured illumination by surpassing the spatial bandwidth limit of spatial light modulators," Optica 12, 1180-1191 (2025)

[5] Wang Z J, Cai Y A, Qian J, et al. Hybrid multifocal structured illumination microscopy with enhanced lateral resolution and axial localization capability[J]. Biomedical Optics Express, 2020, 11(6): 3058-3070.

[6] Wu J, Ke X, Yang Y, Liang J, Liu M. Correction of Distorted Wavefront Using Dual Liquid Crystal Spatial Light Modulators. Photonics. 2022; 9(6):426.