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OES封面 | 液晶空间光调制器:数字化工具下的光场调控【曹良才教授与Andrew Forbes教授联合研究团队】

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清华大学曹良才教授和南非威特沃特斯兰德大学Andrew Forbes教授联合研究团队受邀综述了使用液晶空间光调制器进行光场调控的最新研究进展,并针对这一新兴领域进行了解读和分析。详细分析了液晶空间光调制器的物理特性和工作原理,论述了如何利用液晶空间光调制器完成从精准操控到高效探测不同种类光束的应用。

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文章 | Yang YQ, Forbes A, Cao LC. A review of liquid crystal spatial light modulators: devices and applications. Opto-Electron Sci 2, 230026 (2023). 

第一作者:杨怡谦
通信作者:曹良才, Andrew Forbes

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研究背景

控制和利用光的技术已存在几个世纪,最初通常采用简单的折射和反射元件,如透镜和反射镜。

近几十年来,随着微电子学和电子计算的兴起,基于衍射和干涉的光学元件可以取代传统的透镜。但由于这些元件造价不菲且制作复杂,无法实现动态的调控,因此应用范围相对有限。

液晶空间光调制器相对于衍射或干涉元件,可以按照每一个像素快速调控光场,因此受到了广泛的关注,大家已经非常熟练地借助这种新型数字化工具来实现动态光场调控

研究亮点

近日,清华大学曹良才教授和南非威特沃特斯兰德大学Andrew Forbes教授联合研究团队受邀综述了使用液晶空间光调制器进行光场调控的最新研究进展,并针对这一新兴领域进行了解读和分析。
在这篇综述中,他们展示了液晶空间光调制器如何在性能上超越传统的光学元件,并实现了一些新的应用。

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图1 数字化光场调控

推动这一领域发展的核心技术是液晶空间光调制器,该器件允许对光的振幅、相位和偏振进行高精度操控,甚至可以操控光场的多个自由度,如方向和轨道角动量,甚至时空控制。
这些由数百万像素组成的简单而高效的调制器,通过采用相位调制,能够实现高效率的光场调控。由于其快速、经济、通用和强大的特性,得到了广泛的应用。
研究团队详细分析了液晶空间光调制器的物理特性工作原理,阐述了其不同的功能,并对液晶空间光调制器进行了启发性的综述,包括从基础知识前沿应用的不同方面,揭示了液晶空间光调制器推动结构光迅猛发展的物理机制。

他们论述了如何利用液晶空间光调制器完成从精准操控到高效探测不同种类光束的应用,涵盖激光加工全息显示光镊光阱干涉计量波前编码光学通信量子纠缠等领域。液晶空间光调制器不仅推动了这些领域的发展,而且已成为现代量子光学实验室不可或缺的工具。

同时,液晶空间光调制器带动了衍射光学数字全息术等研究方向的发展。例如,用于计算机生成全息图的衍射光学元件最终可以被简化为只需显示所上载的全息图,液晶空间光调制器克服了以前解决方案的高昂成本和复杂性,带动了计算全息显示的研究热潮。
最重要的是,这些全息图是可重写的,可以进行实时控制。例如,全息光镊可以通过刷新上载的全息图来控制光对物体的作用力,实现实时捕获、夹持和操控物体。目前,这一技术已经应用于多个学科,包括物理、化学、医学和生物学等。
该综述以“A review of liquid crystal spatial light modulators: devices and applications”为题作为封面文章于近期发表在Opto-Electronic Science (光电科学)。

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研究团队简介

Andrew Forbes,南非威特沃特斯兰德大学物理学院杰出教授、南非科学院院士。国际光学工程学会SPIE会士、美国光学学会OPTICA会士和南非物理研究所会士。他积极在非洲推广光子学,是南非光子学倡议的创始成员以及南非量子路线图的发起人。其带领的结构光实验室致力于用光创造美好未来,研究团队寻求在所有自由度(包括空间和时间上)进行光调控,特别是光的全数字控制,已成为该研究领域的先驱。

曹良才,清华大学精密仪器系教授、博士生导师。国际光学工程学会SPIE会士、美国光学学会OPTICA会士,教育部长江学者特聘教授。2005年获得清华大学光学工程专业博士学位,毕业后留校工作至今,加州大学圣塔克鲁兹分校和麻省理工学院访问学者,研究方向主要为全息光学成像与显示技术。 

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Andrew Forbes 教授 
OES封面 | 液晶空间光调制器:数字化工具下的光场调控【曹良才教授与Andrew Forbes教授联合研究团队】
杨怡谦博士生(左),曹良才教授(右)

 

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