文/Yuya Suzuki，Santec

图 1：硅基液晶（LCOS）结构示意图。

近年来，硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）技术取得了重大突破，基于该技术的空间光调制器（Spatial Light Modulators，SLM）已经实现了1 kW的功率承载能力，这意味着现在SLM已经可以用于高功率激光应用。由此，基于LCOS 的SLM（以下简称LCOS SLM）正在成为金属加工等激光加工应用的一个新选择。

什么是LCOS SLM？

LCOS技术最初是为投影仪、背投电视等显示设备开发的一种微显示技术，后被改造用于SLM。这类器件广泛应用于可见光至近红外（NIR）波段的应用场景，包括光通信、[1]激光加工、[2]自适应光学、光学操控[3]以及脉冲/光谱整形等。

LCOS 器件由一个包含数百万像素的二维（2D）矩阵组成。每个像素均包含一个由氧化铟锡（ITO）制成的公共透明电极和一个位于CMOS衬底上的像素电极—— 这两层电极之间夹着一层液晶材料（见图 1）。通过对每个像素独立施加电压，SLM器件可以在空间上调制入射光的相位。大多数 LCOS 器件采用反射式工作模式，其像素电极同时兼具反射镜功能。

Santec公司开发了一款LCOS SLM，其分辨率达1920×1200像素，像素间距8.0 μm，支持60 Hz和120 Hz的帧率。与标准的8位显示器（256灰度级）相比，该SLM可提供更高的相位分辨率，具有10位（1024级）灰度（见图2a）和出色的相位稳定性（<0.002 π弧度）（见图2b）。这使其能够实现高精度相位调制，可用于高对比度显示场景，同时也是激光加工、光通信、自适应光学等“相位敏感型”应用的理想选择。

图 2：LCOS 调制强度（上）与 LCOS 闪烁特性（下）的性能对比图。

LCOS 器件由交流（AC）电压驱动，这可能导致液晶分子振动，进而产生“闪烁”（flickering）现象。在视觉应用中，这种闪烁可能影响甚微；但在高精度光学系统中，闪烁却会造成严重影响。Santec 的这款SLM通过将驱动频率提升至1 kHz以上来减少闪烁。此外，它还支持通过数字视频接口（DVI）输入视频信号，并允许通过通用串行总线（USB）存储相位图案（最多128种），以便使用触发输入/输出功能实现与外部系统的快速切换。同时，Santec 还提供软件开发工具包（SDK），用户可以通过定制程序实现自主控制。

LCOS SLM的应用场景

虽然LCOS SLM本质上是相位调制器件，但其应用场景极为广泛—— 从AR/VR显示，到显微镜与天文学领域的自适应光学，再到光通信中的模式转换，都活跃着SLM的身影。

传统上，这些应用所涉及的激光功率都相对较低。尽管LCOS SLM能够用于激光加工领域的光束整形，但其较低的损伤阈值始终是一个限制因素。如今，SLM对激光承受能力的提升，为其打开了高功率激光应用的大门（如金属加工）。与需要为每个加工任务重新配置硬件的传统系统不同，SLM可以实现动态、实时的光束整形——这为精密微加工及复杂几何形状的焊接/切割带来了显著优势。

突破新边界：可承受1 kW功率的LCOS SLM

金属材料的切割与焊接，所需要的激光功率通常超过1 kW。合理的光束整形可减少飞溅、提升加工质量。若要使用LCOS SLM实现这一目标，SLM器件必须能够承受高激光功率。Santec的SLM-310真正实现了 1 kW的功率承载能力，可以直接应用于严苛的激光加工环境。

在加工过程中优化光束轮廓，不仅能提升热效率，还能实现更快速的切割、更高精度的焊接和更复杂的微细加工。以往难以加工的复杂形状，如今可以快速且高精度地实现，这为航空航天、汽车、医疗和半导体领域开辟了新的可能性。

1 kW LCOS SLM 的核心优势

振镜（Galvo Mirrors）应用广泛于激光加工领域，其通过改变 x 轴与 y 轴方向的角度来实现光束扫描，但扫描过程耗时较长。相比之下，LCOS SLM可以通过计算机生成全息图（CGHs）[4]执行一次性（one-shot）加工，从而大幅缩短加工时间。

与DLP（数字光处理）相比，LCOS SLM能提供更高的相位稳定性，这使其更适合基于CGH的加工场景。虽然衍射光学元件（DOE）也能实现光束整形，但需要为不同的图案更换物理元件，这增加了设备的调试时间。LCOS SLM可以实现可编程式的光束整形，不需要机械调整，为制造应用带来了更大的灵活性和更高的效率。

适用于NIR激光加工的LCOS 技术演进

传统的LCOS 器件是为人类可视显示而设计的，并不是为了承受数百或数千瓦的激光功率。暴露在高功率激光下，器件内部的各种组件——包括盖板玻璃、取向层、电极、反射镜及液晶材料等，可能会遭受不可逆转的损坏（见图 3）。

图3：入射光造成的LCOS损伤。

为了解决这个问题，高功率应用场景通常会选择基于MEMS技术的 DLP 器件与振镜。但 Santec SLM-310 内部的LCOS结构，是专门为高抗损伤能力而设计的，其采用蓝宝石盖板玻璃增强热导率，并采用高性能水冷散热器实现高效冷却。以无机氧化硅（SiOx）取向层替代传统的有机聚酰亚胺，由二氧化硅（SiO₂）和五氧化二钽（Ta₂O₅）制成的介电多层反射镜，最大限度地降低了光吸收。液晶材料则选用低反应性含氟化合物的混合物，以确保热稳定性与光学稳定性。

LCOS SLM重塑激光加工的未来

到目前为止，LCOS SLM的应用仅局限于一些低功率应用，如晶圆切割、激光打标等。Santec SLM-310的问世，将LCOS SLM的应用范围拓展到了数千瓦级的激光金属加工领域，并为加工速度与效率的大幅提升奠定了基础。

传统的光束形状是静态的，每切换一项新的加工任务都需重新调试设备；而 LCOS  SLM能够在加工过程中实现实时、动态的光束整形，这不仅能够实现复杂图案的高精度微加工，还能够通过非对称光束优化切割/焊接效果，同时支持多点照射来提高加工吞吐量。

Santec SLM-310的潜在应用场景包括：中厚度不锈钢或铝合金的高速切割、航空航天零部件的精密加工，以及金属 3D 打印中的工艺控制。此外，该器件还能最大限度地减少热效应，避免材料变形或性能退化。

展望未来，将LCOS SLM与人工智能和传感器技术相结合，有望实现“能够根据目标条件实时优化光束图案的”全自动化系统。这将加速制造业的自动化与效率提升进程，与工业 4.0 的核心目标完美契合。

将LCOS SLM和高功率激光器相结合，不仅是光学控制技术的一次发展演进，它更重新定义了激光加工所能实现的成就。这场静悄悄的技术革命，将有望重塑下一代制造业的发展格局。

参考文献

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

2. Hotta 等，《日本应用物理学会第 77 届春季会议论文集》，14a-C31-2（2016 年）。

3. Otowa 等，《日本应用物理学会第 77 届春季会议论文集》，14p-B3-10（2016 年）。

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