空间光调制器在飞秒激光作用下的损伤阈值：波前测量揭示界面真正弱点

热光寻址液晶空间光

调制器（TOA-SLM）

空间光调制器（SLM）是一种准平面型的光学器件，可以对入射光束的振幅、相位、偏振或这些参数的组合进行二维空间调制。凭借较高的双折射性以及在弱电场或磁场作用下的光学特性快速可控性，向列相液晶（Nematic LC）材料在SLM领域一直是备受关注的选择。特别是基于电光效应的液晶空间光调制器（LC-SLM），因其具有较大的口径扩展性，已广泛应用于纳秒脉冲偏振控制、工业级激光加工以及飞秒脉冲整形等多个高功率应用领域。这些应用对SLM的激光损伤阈值（LIDT）提出了非常严格的要求。但这类多层结构器件在高重复率、高峰值功率激光作用下的耐受极限，至今仍缺乏系统理解。

为此，研究人员开发出了一种无需电极控制的热光寻址液晶空间光调制器（TOA-SLM）。该器件通过金属层的局部热光控制液晶分子排列，从而显著扩展了器件的可用波长范围，非常适合于超快光学系统。

图1: 热光寻址空间光调制器（TOA-SLM）工作原理及多层结构示意图

然而，在实际飞秒激光环境下，这种复杂多层结构器件的整体损伤阈值究竟由何种因素决定？不同波长条件下损伤的实际触发机制又是什么？

近期发表于《Applied Optics》的研究针对这些问题进行了定量、系统的实验分析，详细探讨了飞秒激光作用下TOA-SLM的色散损伤行为及界面非线性效应对损伤阈值的关键影响。实验建立了三次谐波（THG）产生与金属层损伤之间的直接关联，指出这种界面非线性效应，尤其是在液晶与金属界面处，由于三阶非线性极化率的不连续性所引发的强THG，是导致器件LIDT显著降低的主要因素之一。该研究还通过色散LIDT的测量，展示了这种效应在不同入射波长下的影响趋势。

为了系统量化TOA-SLM在飞秒脉冲下的激光损伤行为，研究团队搭建了一套具有宽波长覆盖能力的实验系统：主泵浦源为一台中心波长1.03 µm的飞秒激光器，配合双级OPA系统可调谐输出650至2100 nm范围内的超短脉冲。光束经透镜聚焦于TOA-SLM样品，通过反射式结构收集三次谐波（THG）信号与反射波前。为了准确捕捉损伤前的微小变化，实验人员使用Phasics SID4波前传感器实时监测He–Ne探针光的波前变化，从而识别器件的功能阈值（LIFT）和实际损伤阈值（LIDT）。

图2: 实验装置示意图

(DM：分色镜；FM：翻转镜；BS：分束器；TH：反射三次谐波光）泵浦源（PHAROS激光器或OPA TWinStarZZ的信号光/闲频光）经聚焦入射至TOA-SLM样品。He-Ne探针光照射样品，其逆向反射光通过中继成像系统传递至波前传感器（SID4）。反射的三次谐波（TH）光由分色镜分离后，通过光谱仪或光电二极管进行检测。

通过这一方式，研究者在多个波长下系统测量了LIDT的色散行为，并首次在TOA-SLM的多层结构中实验确认界面产生的三次谐波与金属层损伤之间存在直接关联。特别是在1.03 µm入射波长下，对应的TH波长正处于金层的强吸收带内，金膜吸收TH能量后迅速升温并局部击穿，导致LIDT显著下降至约0.22 J/cm²，而在远离吸收带的1.8 µm处，LIDT上升至1.5 J/cm²以上。

图三:图中展示了三种泵浦波长下的脉冲与光束特性参数。

实验发现，尽管金属本身对入射光表现出较高的抗损伤能力，但界面THG波长（为入射波长的三分之一）恰好落入金膜的强吸收带，引发了金膜的局部破坏。这种现象具有明显的波长依赖性，例如在入射波长1.03 µm时，TOA-SLM的损伤阈值最低，达到约0.22 J/cm²，而在远离THG吸收带的波长（如1.8 µm），则达到最高值约1.5 J/cm²。

图4: (a) 样品发生激光诱导损伤时记录的相位变化

(b) 金层激光损伤的显微图像，该损伤处引发液晶层大气泡形成

实验中，SID4 波前传感器的作用不仅在于检测损伤是否发生，更在于帮助研究者定义“损伤之前”的状态。基于四波剪切干涉技术，SID4系列波前传感器可在单次曝光中捕捉完整二维波前图，灵敏度足以检测2nm RMS 的表面变形。研究者借此实时记录了液晶层在热积累下引发的局部相位变化，从而明确划定了功能阈值（LIFT）——即器件尚未损坏但光学性能已偏离正常工作的能量上限。在1.4 µm泵浦波长下，SID4波前传感器记录到的100 mrad局部相位变化，表明液晶温度升高了约0.1 K，尽管此时器件仍可恢复工作，但已处于极限边缘。相比传统损伤判断方式（如显微图像或功率反射变化），波前测量提供了更早期、更量化的信号。

对这类多层结构器件而言，这种手段不仅提高了安全边界判断的精度，也为理解内部耦合过程提供了动态信息。点击左下角阅读原文。

Reference:

Loïc Ramousse, Vincent Fémy, Cyrille Claudet, Gilles Chériaux, Nicolas Forget, and Aurélie Jullien,
“Femtosecond laser-induced damage threshold of a thermo-optically addressed spatial light modulator due to giant third-harmonic generation”,
Applied Optics, Vol. 64, Issue 9, pp. 2238–2252 (2025).