近期,中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室范薇研究員團(tuán)隊(duì)針對(duì)基于第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)的液晶光閥在2 μm波段的應(yīng)用可行性進(jìn)行了研究。相關(guān)成果以“High laser damage threshold GaN-based liquid crystal devices for 2 μm band applications”為題發(fā)表在Infrared Physics & Technology上。
光尋址空間光調(diào)制器(Optically Addressed Spatial Light Modulator, OASLM)基于光電效應(yīng),通過(guò)調(diào)控寫(xiě)入光改變光學(xué)材料的局部特性,實(shí)現(xiàn)讀出光空間光場(chǎng)的振幅、相位、偏振態(tài)等的動(dòng)態(tài)調(diào)制或?qū)?xiě)入光信息的讀取,具有快速響應(yīng)、動(dòng)態(tài)調(diào)控和低光譜畸變等特性。在慣性約束聚變(ICF)高功率激光系統(tǒng)中,通過(guò)OASLM精確調(diào)控激光近場(chǎng)強(qiáng)度分布,能夠提升光束質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行通量。在增材制造(AM)中,OASLM能夠?qū)崿F(xiàn)高精度激光調(diào)控,促進(jìn)材料局部熔融與精密構(gòu)建,適用于激光熔化與光固化3D打印。隨著激光技術(shù)向高能量、高功率和多波長(zhǎng)方向發(fā)展,光場(chǎng)調(diào)控器件需覆蓋更寬波長(zhǎng)范圍并滿足高重復(fù)頻率與高損傷閾值需求。GaN具備優(yōu)異的光電特性、高熱導(dǎo)率以及寬帶隙特性,使其能夠在高功率和寬光譜范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)具備更高的抗激光損傷能力,滿足未來(lái)高能量激光系統(tǒng)對(duì)光場(chǎng)調(diào)控器件的嚴(yán)苛要求。為此,項(xiàng)目組開(kāi)展了基于第三代半導(dǎo)體氮化鎵的光場(chǎng)調(diào)控器件研究。
Sapphire-GaN基液晶光閥的核心結(jié)構(gòu)(圖1)包括藍(lán)寶石基板、氮化鎵透明電極、PI配向?qū)雍鸵壕?。外加電?chǎng)調(diào)控液晶分子取向,改變透射光偏振態(tài),實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。配合偏振片和驅(qū)動(dòng)電路,可高效控制光信號(hào)的傳輸或阻斷。
液晶光閥通光口徑為20mm×25mm,在2 μm波段,該器件的最大開(kāi)關(guān)比可達(dá)256:1,可支持最大重復(fù)頻率為28Hz。在開(kāi)光比保證>20:1的條件下,當(dāng)光斑尺寸為1.2 mm、2.33 mm、3.47 mm、4.53 mm時(shí),Sapphire-GaN基液晶光閥可分別承受15 W、20 W、21 W、18 W連續(xù)激光的輻照(穩(wěn)態(tài)測(cè)試超過(guò)5分鐘),對(duì)應(yīng)的耐受功率密度為2534 W/cm2、949 W/cm2、444 W/cm2、227 W/cm2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。相比之下,ITO電極液晶光閥在2μm波段激光功率為1 W、光斑直徑為5 mm的情況下,其開(kāi)關(guān)比已降至6:1。
綜上所述,本研究驗(yàn)證了基于藍(lán)寶石襯底的GaN液晶光閥在近紅外高功率、重復(fù)頻率激光器中的應(yīng)用可行性。未來(lái)工作將聚焦于OASLM的近場(chǎng)空間調(diào)制能力和激光損傷閾值的進(jìn)一步提升,以推動(dòng)其在光束整形、自適應(yīng)光學(xué)、光束控制、激光加工、光計(jì)算及光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
相關(guān)研究得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持。
原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.infrared.2025.105768