北京
图1 蓝宝石衬底氮化镓液晶光阀结构图(a)施加电压前(b)施加电压后
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室范薇研究员团队针对基于第三代半导体材料氮化镓(GaN)的液晶光阀在2 μm波段的应用可行性进行了研究。相关成果以“High laser damage threshold GaN-based liquid crystal devices for 2 μm band applications”为题发表在Infrared Physics & Technology上。
光寻址空间光调制器(Optically Addressed Spatial Light Modulator, OASLM)基于光电效应，通过调控写入光改变光学材料的局部特性，实现读出光空间光场的振幅、相位、偏振态等的动态调制或对写入光信息的读取，具有快速响应、动态调控和低光谱畸变等特性。在惯性约束聚变(ICF)高功率激光系统中，通过OASLM精确调控激光近场强度分布，能够提升光束质量和系统运行通量。在增材制造(AM)中，OASLM能够实现高精度激光调控，促进材料局部熔融与精密构建，适用于激光熔化与光固化3D打印。随着激光技术向高能量、高功率和多波长方向发展，光场调控器件需覆盖更宽波长范围并满足高重复频率与高损伤阈值需求。GaN具备优异的光电特性、高热导率以及宽带隙特性，使其能够在高功率和宽光谱范围内稳定运行，同时具备更高的抗激光损伤能力，满足未来高能量激光系统对光场调控器件的严苛要求。为此，项目组开展了基于第三代半导体氮化镓的光场调控器件研究。
Sapphire-GaN基液晶光阀的核心结构(图1)包括蓝宝石基板、氮化镓透明电极、PI配向层和液晶层。外加电场调控液晶分子取向，改变透射光偏振态，实现光调制。配合偏振片和驱动电路，可高效控制光信号的传输或阻断。
如图2所示，相比传统K9玻璃衬底ITO电极液晶光阀，Sapphire-GaN基液晶光阀在可见光和近红外波段透过率超60%，覆盖0.5–3μm宽波段。
图2 K9-ITO基液晶光阀(红色)、Sapphire基底材料(蓝色)、Sapphire-GaN基液晶光阀(绿色)透过率测试结果对比图
液晶光阀通光口径为20mm×25mm，在2 µm波段，该器件的比较大开关比可达256:1，可支持比较大重复频率为28Hz。在开光比保证>20:1的条件下，当光斑尺寸为1.2 mm、2.33 mm、3.47 mm、4.53 mm时，Sapphire-GaN基液晶光阀可分别承受15 W、20 W、21 W、18 W连续激光的辐照(稳态测试超过5分钟)，对应的耐受功率密度为2534 W/cm²、949 W/cm²、444 W/cm²、227 W/cm²，实验结果如图3所示。相比之下，ITO电极液晶光阀在2μm波段激光功率为1 W、光斑直径为5 mm的情况下，其开关比已降至6:1。
图3 不同光斑下的开关比随入射峰值功率密度变化图(a) 1.208 mm; (b) 2.332 mm; (c) 3.474 mm; (d) 4.530 mm.
综上所述，本研究验证了基于蓝宝石衬底的GaN液晶光阀在近红外高功率、重复频率激光器中的应用可行性。未来工作将聚焦于OASLM的近场空间调制能力和激光损伤阈值的进一步提升，以推动其在光束整形、自适应光学、光束控制、激光加工、光计算及光神经网络等领域的应用。
相关研究得到中国科学院战略性先导科技专项支持。
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