基于液晶空间光调制器的光场调控技术及应用进展（姚保利研究员团队）

根据经典电磁理论，光的物理本质为电磁波，在空域中可用振幅、相位、偏振态等基本参量表征。常用的激光器输出高斯光束，已经难以完全满足各领域日益增长的需求。光场调控技术应运而生，它利用调控器件调控光束，可以产生振幅、相位、偏振态非均匀分布的新颖空间结构光场。这些光场已被成功应用于光学显微成像、光学微操纵、光信息存储、光通信等领域。文章介绍了基于纯相位液晶空间光调制器（LC-SLM）的空域和空间频域中的单参量调控（仅对光场的振幅或相位进行调控）、复振幅调控（同时对光场的振幅和相位进行调控）和多参量联合调控技术（同时对光场的振幅、相位和偏振进行调控）的最新研究进展。

图1 液晶空间光调制器结构示意图和空间光场调控示意图

空间光场调控技术可分别在空域或空间频域进行调控，生成所需的目标光场。空域调控是指入射光束被SLM调制后经中继在输出面直接生成具有期望的振幅、相位、偏振分布的光场，而不需要经过额外的传输变换，如图2（a）所示。空域调控的输出光场可作为后续光学系统的输入光场，做进一步的应用或操作。空间频域调控是指SLM位于透镜后焦面，调制的光束经过正透镜聚焦后在前焦区生成目标光场，如图2（b）所示。

图2 空域调控和空间频域调控基本光路对比

基于SLM的光场调控技术

首先介绍了空间频域的单参量调控技术，包括用于计算相位全息图的非迭代算法和迭代算法，并对不同算法的原理和特点进行了介绍。随着光学领域的不断发展，传统的单参量调控技术逐渐无法满足复杂模式的光场调控，复振幅调控技术应运而生。文章从空域复振幅调控和空间频域复振幅调控两个方面，详细描述了常用的复编码算法和调控算法的原理和优缺点。作为光场的基本参量之一，光场的偏振分布调控也是光场调控领域的研究热点。尤其是在紧聚焦条件下，光场的偏振特性不能被忽略。文中对空域多参量联合调控的实验装置、基本原理和优缺点进行了对比。进一步地，介绍了空间频域多参量联合调控的逆向设计算法和迭代算法，为读者提供参考。

光场调控技术的应用

在光学微操纵领域，使用光场调控技术可以实现对紧聚焦光场的灵活调控，因此大大增加了对不同种类微粒进行捕获和操纵的灵活性，推动了光镊技术的快速发展。

在光学显微成像领域，通过光场调控技术对照明光路和探测光路进行调控，可以实现更大的视场、景深和更高的空间分辨率。

在光信息存储领域，光场调控技术同样找到了用武之地，通过调控聚焦光场的空间位置、相位和偏振，可以实现在介质中的多维复用光存储，极大地增加了信息存储密度和容量。

在光学微加工领域，使用光场调控技术能够消除光路中的像差，通过多焦点并行加工实现快速加工，还可以针对不同的材料使用不同的光束进行加工，提高工作效率和加工质量。

经过数十年的发展，基于SLM的光场调控技术已经实现了对光场振幅、相位、偏振、空间关联结构等参量的灵活调控，使得对光场的灵活调控和应用成为可能。如今，基于SLM的光场调控技术在光学微操纵、光学显微成像、光学微加工、光信息存储、光通信、全息显示等领域得到了广泛的应用，极大地促进了这些领域的发展，取得了一系列的重要成果。

图 3 光场调控的应用举例

姚保利（通讯作者），中国科学院西安光学精密机械研究所二级研究员，博士生导师，瞬态光学与光子技术国家重点实验室主任，国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为基于光场调控的超分辨和三维光学显微、数字全息显微、光学捕获与微操纵等。研制出国内首台具有自主知识产权的结构照明超分辨显微成像系统；研发的激光光镊产品成功投放于市场并出口加拿大；研制出国际首台双光子激发激光扫描实时立体显微镜。研究成果多次被中国科学报、科学网、陕西日报、陕西电视台等多家媒体报道。在国内外学术期刊上发表论文260余篇，出版专著章节6部，授权发明专利18项。获陕西省科学技术一等奖2项，二等奖1项。获科学中国人2017年度人物、中国科学院王宽诚西部学者突出贡献奖、中国科学院优秀导师奖、日本“高速成像奖”。