圖1 藍寶石襯底氮化鎵液晶光閥結構圖(a)施加電壓前(b)施加電壓后

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光物理聯合實驗室范薇研究員團隊針對基于第三代半導體材料氮化鎵(GaN)的液晶光閥在2 μm波段的應用可行性進行了研究。相關成果以“High laser damage threshold GaN-based liquid crystal devices for 2 μm band applications”為題發表在Infrared Physics & Technology上。

光尋址空間光調制器(Optically Addressed Spatial Light Modulator, OASLM)基于光電效應，通過調控寫入光改變光學材料的局部特性，實現讀出光空間光場的振幅、相位、偏振態等的動態調制或對寫入光信息的讀取，具有快速響應、動態調控和低光譜畸變等特性。在慣性約束聚變(ICF)高功率激光系統中，通過OASLM精確調控激光近場強度分布，能夠提升光束質量和系統運行通量。在增材制造(AM)中，OASLM能夠實現高精度激光調控，促進材料局部熔融與精密構建，適用于激光熔化與光固化3D打印。隨著激光技術向高能量、高功率和多波長方向發展，光場調控器件需覆蓋更寬波長范圍并滿足高重復頻率與高損傷閾值需求。GaN具備優異的光電特性、高熱導率以及寬帶隙特性，使其能夠在高功率和寬光譜范圍內穩定運行，同時具備更高的抗激光損傷能力，滿足未來高能量激光系統對光場調控器件的嚴苛要求。為此，項目組開展了基于第三代半導體氮化鎵的光場調控器件研究。

Sapphire-GaN基液晶光閥的核心結構(圖1)包括藍寶石基板、氮化鎵透明電極、PI配向層和液晶層。外加電場調控液晶分子取向，改變透射光偏振態，實現光調制。配合偏振片和驅動電路，可高效控制光信號的傳輸或阻斷。

如圖2所示，相比傳統K9玻璃襯底ITO電極液晶光閥，Sapphire-GaN基液晶光閥在可見光和近紅外波段透過率超60%，覆蓋0.5–3μm寬波段。

圖2 K9-ITO基液晶光閥(紅色)、Sapphire基底材料(藍色)、Sapphire-GaN基液晶光閥(綠色)透過率測試結果對比圖

液晶光閥通光口徑為20mm×25mm，在2 μm波段，該器件的比較大開關比可達256:1，可支持比較大重復頻率為28Hz。在開光比保證>20:1的條件下，當光斑尺寸為1.2 mm、2.33 mm、3.47 mm、4.53 mm時，Sapphire-GaN基液晶光閥可分別承受15 W、20 W、21 W、18 W連續激光的輻照(穩態測試超過5分鐘)，對應的耐受功率密度為2534 W/cm2、949 W/cm2、444 W/cm2、227 W/cm2，實驗結果如圖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，其開關比已降至6:1。

圖3 不同光斑下的開關比隨入射峰值功率密度變化圖(a) 1.208 mm; (b) 2.332 mm; (c) 3.474 mm; (d) 4.530 mm.

綜上所述，本研究驗證了基于藍寶石襯底的GaN液晶光閥在近紅外高功率、重復頻率激光器中的應用可行性。未來工作將聚焦于OASLM的近場空間調制能力和激光損傷閾值的進一步提升，以推動其在光束整形、自適應光學、光束控制、激光加工、光計算及光神經網絡等領域的應用。

相關研究得到中國科學院戰略性先導科技專項支持。

審核編輯 黃宇