液晶空间光调制器
空间光调制器特性及其在数字全息中的应用
空间光调制器特性及其在数字全息中的应用孙萍;邵明华;叶淼【摘要】空间光调制器特性及其在数字全息中的应用实验，教学内容丰富，包括空间光调制器的性质，如像素尺寸测量、振幅调制特性测定、相位调制特性测定和黑栅效应消除，还包括空间光调制器的实际应用———数字全息实验。
通过该实验的学习学生可以掌握空间光调制器的基本工作原理，并了解其在数字全息中的应用。
%T his paper introduced a novel physical experiment ——— the characteristics of spatial light modulator (SLM ) and its application in digital holography .The contents of the experiment in‐cluded the characteristics of SLM such as pixel size measurement ,amplitude modulation ,phase modu‐lation and elimination of pixeliation effect .The experiment also included the practical application of SLM such as digital holography .Through this experiment the students could master the basic princi‐ple of SLM ,and understand its application in digital holography .【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2016(036)011【总页数】6页(P1-6)【关键词】空间光调制器;数字全息;振幅调制;相位调制;黑栅效应【作者】孙萍;邵明华;叶淼【作者单位】北京师范大学物理系，北京100875;北京方式科技有限责任公司，北京100012;北京方式科技有限责任公司，北京100012【正文语种】中文【中图分类】TN761;O438.1空间光调制器(Spatial light modulator,SLM)是一类能将信息加载于一维或二维的光学数据场，以便有效地利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件. 这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间光分布的振幅、相位和偏振态，或者把非相干光转化成相干光. 由于液晶制作成品率高且成本低，因此液晶SLM应用广泛，如光学信息处理和光计算机中的图像转换、光束整形、显示和存储等[1-3]. 数字全息术是光学全息技术、计算机技术和电子成像技术相融合的新兴的成像技术，随着电子图像传感器件性能与分辨力的提高和计算机技术的飞速进步，数字全息术得以迅速发展. 目前，数字全息术已成功地应用于显微成像、粒子场的测试、图像加密、活体生物成像等众多领域[4]. 近年来，SLM技术在全息领域中发挥了重要的作用[5].目前，有些厂商面向高等学校已经研发出有关空间光调制器的原理及应用的实验，如大恒新纪元科技股份有限公司和北京杏林睿光科技有限公司. 北京师范大学自主研发了“空间光调制器特性及其在数字全息中的应用实验”，并于2010年投入到近代物理实验专题研究课程中. 该实验的目的是：学习液晶SLM的振幅和相位调制原理，掌握SLM振幅和相位调制曲线的测试方法；了解SLM黑栅效应，并学会采用空间滤波方法消除黑栅效应；学习数字全息的原理，并能够将SLM应用于数字全息技术中. 2016年，北京师范大学与北京方式科技有限责任公司合作，生产出空间光调制器特性及其在数字全息中的应用实验仪. 该仪器将光学器件SLM 和数字全息技术结合，使学生在物理实验中学习前沿的高新技术，从而达到培养创新型人才的目的.1.1 振幅调制应用液晶的旋光效应可实现振幅调制[6]. 以90°扭曲向列型液晶盒为例，振幅调制原理如图1所示. 起偏器和检偏器的透光方向分别平行于液晶盒的上下基板. 当不加电场时，起偏器的偏振方向与上基板表面处液晶分子指向矢平行，经起偏器获得的入射线偏光射入液晶层后会随着液晶分子的逐步扭曲而同步旋转. 当到达下基板时，其偏振面旋转达到90°，此时其偏振方向变成与检偏器的偏振方向平行，这样该线偏光就可以穿过检偏器而获得最大透过率；当给液晶盒施加电场时，并且电压大于阈值Vth时，正性向列相液晶分子的扭曲结构就会被破坏，变成沿电场方向排列，这时液晶的旋光性消失，正交偏振片之间的液晶盒失去透光作用，从而获得最小透过率. 当外加电压在0～Vth之间时，穿过液晶盒的透过率位于最大和最小之间,实现了用液晶盒两端电压的大小来控制出射光强的强弱，即实现了振幅调制.1.2 相位调制将液晶视为单轴晶体，液晶能对穿过它的光产生双折射效应，这是SLM可以实现相位调制的主要原因. 液晶的分子轴就是光轴，液晶分子轴平行方向和垂直方向的折射率不同. 光波穿过平行排列的向列液晶层，过球体中心垂直传播方向的中心截面为椭圆，椭圆长轴为非常光折射率ne，短轴是寻常光折射率no. 当在厚度为d 的液晶盒上下基板施加电场时，液晶分子沿电场方向倾斜偏转，不同的电场使液晶分子偏转角度不同. 液晶分子的有效折射率为[7]其中，z轴是液晶层的法线方向，θz是液晶分子相对于z轴的倾角.有效光程差为对应的相位为可见，液晶对光波的相位延迟由外加电压决定，通过改变外加电压可以实现相位调制.1.3 黑栅效应消除电寻址SLM的接收部分是由单个分离的像素组成的二维平面，其相邻像素之间为控制电路部分，都是不透光的，被形象地称之为“黑栅”. “黑栅”效应降低了光的利用效率，影响了生成的光学数据场的质量. 因此，人们采用各种办法消除“黑栅”效应[8-10]. 基于“黑栅”效应的特点，本实验采用4f滤波系统消除“黑栅”效应. 在4f 系统光路中有2个焦距为f的透镜，距离为2f，物距和像距都为f [11]. 4f 系统的滤波原理是：物面上的输入函数f(x, y)经过第1个透镜后实现光学傅里叶变换；在2个透镜的共同的焦平面处得到物函数的傅里叶变换频谱F(u,v)，在该平面，F(u,v)与滤波函数H(u,v)相乘；相乘后的函数再经过第2个透镜后实现光学傅里叶逆变换，得到滤波后的函数g(x, y). 可用数学公式描述这一滤波过程：1.4 数字全息原理同传统的光学全息相同，数字全息术也是通过记录物光波和参考光波干涉光场的强度达到记录物光波的振幅和相位信息的目的，同样分为全息图的记录和再现2个过程. 但是，数字全息的记录使用光敏电子成像器件代替传统全息记录材料记录全息图，常用的记录器件为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS).若全息图的记录元件是CMOS，设CMOS感光面积为Lx×Ly，包含Nx×Ny个像元，且像元大小为Δx×Δy，则有Δx=Lx/Nx，Δy= Ly/Ny. 当用CMOS记录菲涅尔全息图时，数字全息图的强度分布为[4],其中，k和l为整数，且表示二维脉冲函数，表示CMOS感光面的面积.在菲涅耳衍射近似条件下，光学全息再现像面上光波的复振幅分布为其中，A为复常量，λ为入射光波波长，d为再现距离. 当再现距离等于记录距离时，可得到清晰的再现像. 本实验将CMOS记录的全息图加载在SLM上，然后用光学方法再现全息图.傅里叶变换计算全息图是对物波函数进行傅里叶变换，对得到的频谱的振幅和相位进行编码，生成谱的透射函数作为全息图，然后利用光学傅里叶特性还原图像. 将傅里叶变换计算全息图加载在SLM上，也可用光学方法再现全息图. 具体原理见文献[12-13].在实验中所用到的仪器及光学元件有：液晶SLM(大恒新纪元科技股份有限公司生产，分辨率为1 024 pixel×768 pixel，对比度为1 000∶1，像元大小为26μm×26 μm)、CMOS摄像机(大恒新纪元科技股份有限公司生产，分辨率为1280 pixel×1 024 pixel，像元大小为5.2 μm×5.2 μm)、半导体激光器(输出波长为650 nm)、功率计、空间针孔滤波器、偏振片、半波片、衰减片、光阑、傅里叶变换透镜、计算机. 图2为实验仪器实物图.2.1 SLM像素尺寸测量采用夫琅禾费衍射法测量SLM像素大小，图3(a)为实验装置图. SLM可以视为二维光栅，在接收屏上可以观察到在水平和竖直方向上一系列等间隔的亮点[图3(b)]，亮点之间亮度有强弱之分，而且上下左右都是在第5个亮点处强度最弱. 根据衍射公式[14], 像素尺寸为，其中，λ=650 nm，f=215 mm，x=5.33 mm为实际测量的亮点间的距离. 测量得到像素尺寸为26.2 μm，实际像素尺寸为26 μm，测量的相对偏差为1%.2.2 振幅调制特性测定图4为振幅调制特性测定实验装置. 半导体激光器后面置偏振片，使得输出的是偏振方向竖直向下的线偏振光，输出光依次通过半波片、SLM、检偏器后，入射到功率计的光电探测器上.将半波片分别旋转20°，40°,80°和90°(对应起偏角分别为40°，80°,160°和180°)；旋转检偏器使其从0°～180°变化，每次改变10°，每旋转1次检偏器，将SLM加载一系列灰度值从0～255变化的图像，灰度变化量为25灰度，对应每一灰度值用功率计记录功率值. 分别在4个起偏角的数据中找出1组对比度最高、透过的激光功率变化最大的数据作图分析. 结果表明：当起偏角度为160°时，激光功率变化最大，所以最佳的起偏角为160°. 当起偏角度为160°时，检偏器为70°或160°时，光功率随灰度变化的曲线如图5所示. 当灰度从0～255变化时，光功率随灰度变化而改变，此时空间光调制器为振幅调制模式，其调制区间为灰度0～255.2.3 相位调制特性测定图6为相位调制特性测定实验装置. 1束激光被分束器分成2束平行的相干光束.在 SLM上加载一系列图像，图像分成2部分，如图7所示. 左右两部分分别被2束光照射. 这2束光在经过SLM相位调制后，通过合束器发生干涉，CMOS记录下干涉条纹. 由于SLM的右侧的灰度值由小到大变化，因此，右侧光束的相位也随之发生变化，这样便导致干涉条纹产生相移. 图8清晰地表示出光的传播情况.调节半波片的旋转角度为25°(即起偏角为50°)，旋转检偏器使得检偏角为0°. 在SLM上加载左右不对称的灰度图像，左侧灰度保持0灰度不变，右侧灰度从0～255变化，间隔为25灰度. 每改变1次灰度，采集1次条纹图案. 图9为记录的灰度为(0,255)时的干涉条纹.通过Matlab编程计算对应每幅图像条纹相对于灰度为(0,0)的第1幅图像条纹的相移，作相移与灰度的关系曲线，结果如图10所示.从图10可见，当灰度从0～255变化时，相位有不同程度的移动，说明不同灰度值对相位的调制不同，灰度在25～225区间内，相移随灰度基本呈现线性变化，相移变化量为145°. 因此，SLM相位调制角度为145°.2.4 黑栅效应消除图11为消除黑栅效应实验装置图. 设计五角星图像，如图12(a)所示. 将其加载在SLM上，若不经过4f系统滤波，得到如图12(b)所示的图像. 可见，由于黑栅效应叠加了网格，使得图像模糊，如图12(c)所示. 本实验利用4f系统滤波，滤波器为小孔光阑，将其置于2个透镜的焦平面处. 旋转检偏器，从0°～360°，每旋转20°记录1次图像，得到图12(d)～(v)的结果. 可见，经过4f系统滤波后，图像没有了多级衍射的影响，轮廓清晰，像质有了很大的提升；当检偏角不同时，图像由正像到负像周期性变化. 图12(d)和(m)相同，由于每20°记录1次图像，所以变化周期为180°. 可以明显地看出图像的变化：正像[图12(d),(e),(m),(n)]、负像[图12(h),(i),(p),(s)]和微分像[图12(g),(k),(o),(u),(v)]. 因此，与数值滤波方法相比[8-9]，4f系统模拟滤波方法提取的图像多样化，丰富了教学实验内容.2.5 液晶空间光调制器在数字全息中的应用首先，采用文献[4]的方法获得分辨率板的全息图. 然后，利用图13所示装置获得该全息图的再现像，结果如图14所示. 再现时通过小孔光阑获取离轴光束，可以得到较清晰的离轴全息. 利用SLM获取傅里叶变换计算全息图的再现像的方法可参考文献[13-14].空间光调制器特性及其在数字全息中的应用实验仪是新型的物理实验教学仪器，实验教学内容新颖、丰富，仪器结构紧凑，操作灵活. 除了本文的实验内容，还可以做其他实验，如液晶的扭曲角测量、光的干涉和衍射、微光学元件设计等. 教学实践表明：该实验仪将液晶空间光调制器与现代数字全息技术联系在一起，使学生在物理实验中接触到高新技术，有利于创新型人才的培养.【相关文献】[1] 于凯强,王新柯,孙文峰,等. 基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制[J]. 光谱学与光谱分析，2015,35(5):1182-1186.[2] 翟中生,吕清花,严昌文,等. 干涉法测量液晶空间光调制器的相位调制特性[J]. 光电子技术，2015,35(4):222-226.[3] 邱基斯,樊仲维,唐熊忻,等. 基于液晶空间光调制器整形的重频100 mJ全固态1 053 nm钕玻璃激光放大器[J]. 红外与激光工程，2012,41(10):2637-2643.[4] 魏祎雯,罗玉晗,王众, 等. 记录条件优化与再现像去噪提高数字全息像质[J]. 应用物理，2012,2(1):1-6.[5] 夏军,常琛亮,雷威. 基于液晶空间光调制器的全息显示[J]. 物理学报，2015,64(12):124213-1-5.[6] 刘振国,张涛,王健. 振幅型空间光调制器的设计与实现[J]. 光学仪器，2012,34(3):79-82.[7] 刘永军,宣丽,胡立发,等. 高精度纯相位液晶空间光调制器的研究[J]. 光学学报，2005,12(12):1682-1686.[8] 荆汝宏,黄子强. 数字化光学元件中黑栅效应的研究[J]. 应用光学，2010,31(1):47-50.[9] Yang Guo-zhen, Dong Bi-zhen, Gu Ben-yuan, et al. 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物理实验技术中的光场操控与调制方法
物理实验技术中的光场操控与调制方法在物理实验中，光学是一个重要的研究领域，通过光场的操控和调制，科学家们能够探索和研究光的各种特性和行为。
光场操控与调制方法是物理实验技术中不可或缺的一部分，它们广泛应用于光学通信、光学显微镜、光电子器件等领域。
本文将从几个常见的光场操控与调制方法的角度进行探讨。
第一种方法是光场的空间操控。
空间操控方法通过调整光的传播路径和相位，控制光的干涉和散焦现象，实现对光场的调控。
其中一个常见的空间操控方法是使用光学透镜对光线进行聚焦或发散，从而改变光的强度分布和聚焦点的位置。
另外，光栅技术也是一种常见的空间操控方法，通过调整光栅的周期和方向，可以对光线进行衍射和干涉，实现对光场的调制。
第二种方法是光场的相位操控。
相位操控方法通过改变光的相位，控制光的干涉和衍射现象，实现对光场的调控。
常见的相位操控方法包括使用光学元件（如液晶空间光调制器）调整光的相位，或者利用波导结构和光栅结构实现相位调制。
相位操控方法在光学通信和光学信息处理方面有着重要的应用，可以实现光波的调制、编码和解码等功能。
第三种方法是光场的偏振操控。
偏振操控方法通过改变光的偏振状态，实现对光场的调控。
光的偏振是指光波中电矢量的振动方向，可以分为线偏振、圆偏振和椭偏振等。
光场的偏振操控方法包括使用偏振片、液晶器件等调整光的偏振状态，或者利用光栅和介质的各向异性特性实现偏振调制。
偏振操控方法在光学显微镜和光学成像等领域有着广泛的应用。
第四种方法是光场的频率操控。
频率操控方法通过调整光场的频率，实现对光场的调控。
常见的频率操控方法包括光学调制器的利用，例如使用光调制器控制光场的调制深度和调制速度，实现光声调制和光学干涉等现象。
频率操控方法在光学通信和光学成像等领域有着重要的应用，可以实现光场的频率选择、滤波和调制等功能。
总结起来，物理实验技术中的光场操控与调制方法主要包括空间操控、相位操控、偏振操控和频率操控等多个方面。
光调制器工作原理
光调制器工作原理嗨，小伙伴们！今天咱们来聊聊一个超级有趣又有点神秘的东西——光调制器。
你可以把光想象成一个超级活泼的小精灵，在空间里跑来跑去。
光调制器呢，就像是一个魔法盒，能给这个小光精灵“变装”或者改变它的行为哦。
光调制器的基本工作原理，简单来说就是对光的一些特性进行改变。
那光有啥特性呢？比如说光的强度、相位、偏振这些。
就像你给小光精灵的衣服有不同的款式，这些就是光的不同特性啦。
先说说强度调制吧。
这就好比你在控制小光精灵的亮度。
光调制器是怎么做到的呢？有一种常见的方式是通过电信号来控制。
你可以把电信号想象成一个指挥官，当电信号强的时候，就命令光精灵变得更亮；电信号弱的时候呢，光精灵就暗下来。
比如说在光纤通信里，我们要发送信息，就可以把信息转化成电信号，然后这个电信号去指挥光调制器改变光的强度。
就像我们用不同的灯光亮度来表示不同的信号一样，只不过这里是用光来传递信息啦。
再讲讲相位调制。
这就有点像改变小光精灵的步伐节奏。
光在传播的时候是有相位的，光调制器可以通过一些特殊的材料或者结构，在电信号的作用下改变光的相位。
这就好像是给小光精灵的脚步加了不同的节奏韵律。
这种相位调制在一些高精度的光学测量和通信技术里可有着大用处呢。
比如说在相干光通信中，精确的相位调制能让信息传递得更准确，就像小光精灵按照精确的舞步传递着秘密消息。
还有偏振调制哦。
偏振就像是小光精灵的一种特殊姿态。
光可以有不同的偏振方向，而光调制器能够调整光的偏振态。
这就好比是让小光精灵从横着站变成竖着站，或者斜着站。
在一些光学传感器和特殊的通信系统里，偏振调制就发挥着独特的作用。
比如说在检测某些物质的时候，不同物质对偏振光的影响不一样，通过偏振调制后的光和物质相互作用，我们就能知道物质的一些特性啦。
光调制器的内部结构也是很有意思的。
它里面有各种各样的材料和组件，就像是一个小工厂一样。
有的材料具有特殊的电光效应，就是说在电场的作用下，它的光学性质会发生改变，这样就能用来调制光啦。
光学涡旋的产生
在锥形透镜后产生的是近似的高阶 Bessel 光束，这种方法产生
高阶 Bessel 模式光束还有赖于要有相应的LGpl 模式的入射光，在实
际应用不够灵活；另外锥形透镜精度要求高，加工制备较困难。优
点是转换效率很高，光路比较简单。
小结：利用几何光学模式转换法能够得到很高的转换效率和很
纯的光学涡旋。但是转换系统的结构都比较复杂，各类元件的精度
此外， 加工高质量螺旋相位板比较困难，且需要特殊的加工设备。
但在一些需要处理高功率激光束或者小型化仪器上， 螺旋相位板是
其他几种方法无法替代的。
液晶空间光调制法
空间光调制器(Spatial Light
Modulator---SLM)是一种对光波的空间
分布进行调制的器件。一般地说，空间光
调制器由许多独立单元组成，它们在空间
幅与相位信息。设平面波光束的电场表达式为：
涡旋光束在电场下沿光轴 z 传播的表达式为：
其中A1、A2为光波振幅，l 为涡旋光束的轨道角动量。这两束光波
在z=0平面进行干涉叠加的光强分布为：
若涡旋光波和平面波都为单位振幅的光波，即 A1=A2=1 ，则，
光强可表示为：
这种方法是在入射的HG00 光束中引入相位奇点产生光学涡旋。
向排列，预定方向为互相垂直，起偏器P的偏振方向与基片B1的液晶分子长轴方向
一致，检偏器A的偏振方向与基片B2的液晶分子长轴方向垂直。
液晶空间光调制器产生涡旋光束的原理与计算机全息法原理十分类
似，它是将全息片同步输出到空间光调制器中，在计算机上可以动态
实时的调控涡旋光束的参数。
若光束照射在液晶部分时，就会发生扭曲效应。因此可以通过改变
另一种常见的方法是利用锥面镜产生高阶 Bessel 光束。利用锥
一种新型液晶空间光调制器的理论分析
中图分类号 ： ４８ １ ０３．
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：１０ － ＂ （￣ １１ ０ ２ ４ ０３４ ／ ２ ０ － １－ ９８ ０ ０
Ａ ｗ ｏ Ｃｏ ｔｏ ｐ ｔａ ｇ ｔＭ ｏ ｕ ａ ｏ Ｎｅ Ａｚ ｎ ｒ ｌＳ ａ ｉ对光信 息在二 维空 间进 行调 制 ， 种调 制 包 括振 幅 、 这 相位 、 振态 等 的 调制 ．液 晶 空 偏 间光调制 器 就是 利用液 晶分 子的 向列 相扭 曲场 效应来 达 到对 光波 的调 制 的 ， 它在 光信 息处 理 中扮 演着 十 分 重 要的 角色 ＿ ， ２ 已经成 功地应 用到模 式识 别和 机器人视 觉 的信息处 理 中 ， Ｊ 并有 希望 在未 来的光 计 算机 中作 为 接 口器件 ．它不仅 可用 作 强度 和位 相 的 输 入和 输 出器件 ｌ ， 且 可 用作 相位 滤 波 器 件 Ｊ相 关 识 别 等 【 ３ 而 － ， ．
１ 理 论 分 析
如 果 把 液 晶分 子 按 一 定 的扭 曲角 排列 在 两玻 璃 之 间 ． 由于 分 子 的亲和 力 ， 晶分 子的取 向（ 向矢 ） 渐扭 曲 ； 外 电场 的 液 指 逐 在
作 用下 ， 液晶分 子 方 向还将 发 生 倾斜
通过 液 晶层 的光 波 （ 线偏
振 光 ）由于液 晶 分 子 的扭 曲和倾 斜 （ ， 即液 晶 光 轴 发生 变 化 ）其 ， 偏振 态将 发 生变化 ． 就是 向列相扭 曲 场效应 ， 这 详细讨 论请参 阅
Ｇ ｝ ｓｕ ＬＡ ｅ ｇ ＵＮ ｕ — ｅ Ｕ Ｈ ｉｌ ｇ Ｄ Ｇ Ｈｕ ，ＷＡＮ Ｃ Ⅻ唱一ｈ ｎ Ｉ Ｏ Ｐ ｎ ．｝ Ｊｎ ｈ ．Ｏ ｕ— ｎ ＯＮ ａ ｉ
利用液晶空间光调制器制作彩虹合成全息图
Ｆ ｂ． ０ ７ ｅ ２ ｏ
Ｖ０ ． ６ Ｎ １ １ １ ｏ．
利 用 液 晶 空 间光 调 制器 制作 彩 虹 合 成 全 息 图
张 颖 ，朱伟 利 ，张 可如 ，于 淼 ，杨 卫 鹏
（ 央 民族 大学 物理 与 电子 工 程 学 院 ， 京 中 北 １０ ８ ） ００ １
摘 要 ： 本 文综 合 了 合 成 全 息 和 二 步 彩 虹 全 息 的原 理 特 点 ， 绍 了 彩虹 合 成 全 息 图 的制 作 ， 利 用 液 晶空 间 介 并 光调制器作为光路 中的相干光转换器件 ， 自动 切 换 合 成 时 所 需 要 的 二 维 图片 ， 光 电子 技 术 、 算 机 技 术 与 全 将 计 息 技 术 相 结 合 ， 高 了 全 息 合 成 工 艺 的 自动 化 水 平 ． 提
面积分 割 全息 ．
收 稿 日期 ： ０．０２ ２ ６１—０ ０
作者简 介 ： 张颖（９８ ， 满族 ）江苏扬州人 ， １７ 一）女（ ， 中央民族大学物理与电子工程学院教师 ， 研究方 向： 信息光学 ．
维普资讯
中央民族大学学报（ 自然 科 学 版 ）
第ｌ ６卷
记 录面积 分 割 的全 息 图用 图 １ ａ所 示 光 路 ， 维 图片 置 于 光 路 中 Ｆ处 ， 后放 置一 毛 玻 璃 屏 Ｇ用 （） 二 其
来接 收二 维 图 片通过 透镜形 成 的像 ， 而 使 光 线 变为 携 带 图片 信 息 的散 射 光 ． 为 全 息 干 版 ． 考光 从 Ｈ１ 参 Ｒ 在 ｙ 平 面 内 ． Ｈ１ １ ｚ 在 前放 置一 个可 以移 动 的狭 缝 ， 缝 的移 动方 向与二 维 图片存 在 视 差 的方 向一致 ． 狭
２ 彩 虹 合 成全 息 原 理
基于空间光调制技术的飞秒激光微纳加工
内容摘要飞秒激光加工表面微纳米结构作为一种新型的、多用途的纳米材料制备技术被广泛应用于物理、生物、信息等多领域中，然而传统的飞秒激光加工往往采用逐点扫描的方法，效率低下。
借助于LCoS SLM (Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator)的空间光调制技术能够通过相位调制实现对飞秒激光焦平面光场的空间整形，将其用于无掩膜并行加工，可以在保证加工精度的同时极大提升加工效率。
本文研究了空间光调制器的构造和工作原理，对基于LCoS SLM的多种光场图形化算法进行了分析、模拟、改进和实验验证，主要研究结果如下：首先，本文研究并总结了基于时空干涉的新型空间整形系统的原理，它相比传统技术更加简单灵活并有更高的效率。
然而此技术中的缩束系统造成的成像畸变严重影响了加工的准确性。
本文模拟并分析了该系统中的畸变现象，利用空间光调制器的相位全息图补偿畸变引起的空间光场的位置变化和光强分布不均。
此方法可使曝光处干涉图案的最大偏移量由10.66 μm趋近于0，在实验中将相对最大偏差由60.42 %降至8 %以下，并使该处二维光强分布趋近于平顶光。
该算法降低了时空干涉的飞秒激光空间整形技术对于缩束成像系统的设计需求，节省了成本与时间。
基于以上方法，在不锈钢表面拼接加工出了1.5 × 1.5 mm的具备多级别防伪能力的二维码图案。
此外，本文还模拟并验证了借助MPFL(Multiplexed Phase Fresnel Lenses)算法实现的多路菲涅尔透镜全息图和对其改进得到的柱透镜全息图，成功将激光光场调制为点阵和直线分布，并通过GS(Gerchberg–Saxton)算法和GSW(Weighted Gerchberg–Saxton)算法得到了将光场调制为面状分布的计算全息图，大幅提升了焦平面处的光强均匀性。
关键词：飞秒激光，空间光调制器，微纳加工，无掩膜加工ABSTRACTAs a new multi-purposed nanomaterial processing technology, the surface micro-nanostructures processed by femtosecond laser are widely used in many fields, such as physics, biology and information. The spatial light modulation technology based on LCoS SLM(Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator) can realize the spatial shaping of femtosecond laser focal plane light field through phase modulation, which can apply to the parallel processing without mask, so as to ensure the processing precision as well as to raise the efficiency much higher than the traditional point by point scanning processing technology.This work introduces the structure and working principle of spatial light modulator, and does some analysis, simulation and improvements on a series of optical field graphics algorithms based on LCoS SLM. A series of experiments are applied to verify that.This work will investigate and summarize principles of a spatial shaping system based on the spatiotemporal interference which is more easy, flexible and efficient than traditions. However, the imaging distortion introduced by the shrink-beam system has huge influence on the accuracy of processing. This work simulates and analyzes the distortion of the systems, and provides a method to adjust the phase hologram from a spatial light modulator via compensating for the position changes and the uneven light distribution from the distortion. The method can make the maximum deviation of the interference pattern near the exposure point approach 0 from 10.66 μm, the relative maximum deviation reduce from 60.42 % to under 8% and the two-dimension light intensity distribution get close to flat-top. The algorithm reduces the design requirement on the system, cost and time are saved. Thehigh-precision large-area micro-nanostructures are realized successfully fabricated on a stainless steel surface based on this system, including the 1.5 × 1.5 mm QR code with multi-level anti-counterfeiting ability.Furthermore, the multiplexed Fresnel lens hologram are simulated by using the MPFL(Multiplexed Phase Fresnel Lenses). The cylindrical lens hologram is obtained by improving simulation, which modulates the laser field into dot matrix and linear distribution. By using the GS algorithm and the GSW algorithm, a computer hologram to modulate the light field into a planar distribution is obtained. The light intensity uniformity is immensely improved at the focal plane.Keywords: [Femtosecond laser] [Spatial light modulator] [Micro/nano fabrication] [Maskless fabrication]目录内容摘要 (I)ABSTRACT (i)第1章绪论 (1)1.1 飞秒激光加工技术 (1)1.2 飞秒激光加工表面微纳米结构的特性及应用 (2)1.3 空间光调制技术用于加工表面微结构 (4)1.4 课题的意义和主要研究内容 (5)第2章空间光调制技术研究 (8)2.1 空间光调制器介绍 (8)2.2 空间光调制器的构造和原理 (9)2.3 本章小结 (13)第3章基于时空干涉的空间整形畸变校正及加工应用 (14)3.1 基于时空干涉的空间整形的优势与缺陷 (14)3.2 实验装置 (16)3.3 畸变校正的算法与模拟 (17)3.4 光强校正的算法与模拟 (19)3.5 畸变与光强校正的实验验证 (22)3.6 畸变与光强校正用于拼接制备大面积微结构 (24)3.6.1 拼接微结构的试验 (24)3.6.2 拼接制造基于二维码的多级防伪结构 (26)3.6.3 拼接制造仿生疏水结构 (29)3.7 本章小结 (30)第4章基于MPFL算法的点阵与线状分布光场空间整形 (31)4.1 MPFL算法的原理和改进 (31)4.2 “点”与“线”空间整形的实验验证 (32)4.3 本章小结 (34)第5章基于GS算法的平面衍射光场整形 (35)5.1 衍射光学元件 (35)5.2 GS算法的原理和模拟 (35)5.3 对GS算法的改进和模拟 (38)5.4 实验验证 (41)5.5 本章小结 (43)第6章结语 (45)总结 (45)展望 (46)科研成果 (47)参考文献 (48)致谢54第1章绪论1.1 飞秒激光加工技术激光拥有极高的单色性、方向性、相干性和相比普通光源超高的亮度（能量输出）等特点[1]，此外还可根据对功率、波长、脉宽等多种需求进行选择和适配。
光学仪器的波前调控与畸变矫正技术
光学仪器的波前调控与畸变矫正技术光学仪器在科学研究和工业应用中起着至关重要的作用。
然而，由于光的传播中存在的一些物理现象，如衍射、散射等，光学仪器在成像过程中会产生波前畸变，从而影响成像质量。
为了解决这一问题，波前调控与畸变矫正技术应运而生。
波前调控技术是指通过改变光的相位和振幅分布，以达到对光波前的精确控制。
其中，相位调控是最常用的方法之一。
通过引入相位调制器，可以对光波前进行实时调整，从而改善成像质量。
相位调制器可以采用液晶空间光调制器（LC-SLM）或电子束曝光系统等。
这些相位调制器能够快速调整光的相位分布，实现对波前的精确控制。
波前调控技术的应用非常广泛。
在光学显微镜中，通过波前调控技术可以实现超分辨率成像，提高显微镜的分辨率。
在激光器中，通过波前调控技术可以改善激光束的质量，使其更加均匀和稳定。
在光学通信中，通过波前调控技术可以抵消光纤传输中的畸变，提高信号传输质量。
在光学传感器中，通过波前调控技术可以实现高精度的测量和检测。
然而，即使使用了波前调控技术，光学仪器在成像过程中仍然会受到波前畸变的影响。
为了解决这个问题，畸变矫正技术应运而生。
畸变矫正技术通过对成像系统进行校正，消除波前畸变的影响，从而提高成像质量。
畸变矫正技术主要包括两种方法：传感器级畸变矫正和后期图像处理。
传感器级畸变矫正是指在成像传感器上引入特殊的结构或材料，以抵消光学系统中的畸变。
例如，通过在传感器上加工微透镜阵列，可以实现对光的波前的调整，从而消除畸变。
后期图像处理是指在成像之后，通过计算机算法对图像进行处理，消除畸变。
这种方法需要对成像系统进行精确的校准，以保证畸变矫正的准确性。
畸变矫正技术的应用非常广泛。
在摄影领域，畸变矫正技术可以消除广角镜头和鱼眼镜头等镜头的畸变，提高图像的几何精度。
在医学影像领域，畸变矫正技术可以消除磁共振成像中的畸变，提高影像的准确性。
在机器视觉领域，畸变矫正技术可以消除相机镜头的畸变，提高图像的质量。
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液晶SLM的特点
4. 光学分辨率：Meadowlark Optics 公司的 Dielectric Mirror Coating 技术有助于优化像素对之 间的2π 相位转换，最大化空间带宽，提高光学分 辨率!
液晶SLM的特点
5. 调制速度：Meadowlark Optics 公司采用高速液 晶材料与高电压模式实现高速纯相位调制，能够提 供目前世界上响应速度最快的纯相位液晶空间光调 制器。实现2π 相位调制量，512x512 SLM 的调制 速度可达500Hz@532nm。同时，Meadowlark Optics 公司还在致力于研发调制速度更快的纯相位 液晶空间光调制器，持续保持在业内的领先地位。
液晶空间光调制器的应用领域
生物 领域 激光 领域
投影 领域
教学 领域
信息光 学领域
视觉测 量领域
光镊
光镊技术是利用光的力学效应实现对微观粒 子的操控，具有非接触，无损伤特性。
全息光镊
激光光束整形
量子通信-涡旋光
光束偏转
SLM的产品系列
类型 功能 特点
标准位相型 P512
高速高效位相型 HSPDM512 位相振幅混合调制型 Customed512 铁电液晶纯振幅型 A512
液晶SLM的特点
9. 损伤阈值：普通液晶空间光调制器的损伤阈值较 低，仅2W/cm2。Meadowlark Optics 独特的Mirror Coating 技术不仅可以大幅度提高光能利用效率， 也能大幅度提高液晶空间光调制器的损伤阈值对于 532nm的连续激光可达10W/cm2。 10. 像素间串扰：Meadowlark Optics 公司液晶空间 光调制器通过精确控制驱动电压与液晶层厚度，大 大降低像素间的串扰，为实现更高效的分辨率与生 成更准确的全息效果提供了保证。
2. 相位稳定性：当液晶空间光调制器底板的电压变换速度 低于液晶分子自由旋转速度的时候，调制相位就会产生较 大的纹波，导致相位不稳。Meadowlark Optics 公司采用亚 毫秒的高速寻址技术，底板刷新率达6000Hz （采用Mirco Display 技术的空间光调制底板刷新率仅60Hz）。从而，有 效消除了相位纹波，大大提高了相位稳定性！
位相调制或振幅调制
调制速度一般 衍射效率一般 调制速度快 衍射效率高 调制速度快 衍射效率高 位相振幅混合调制 调制速度快 纯振幅调制
位相调制或振幅调制
位相/振幅同时调制 纯振幅调制 位相调制或振幅调制 位相调制（光束偏转）
超高速位相 ODP512
一维位相型 HSPDM12K Nhomakorabea1-4ms超快调制速度 衍射效率高
液晶SLM的特点
液晶SLM的特点
6. 图像传输速度：为了保证实现高速的调制性能， Meadowlark Optics 公司提供的PCIe 接口方式可实 现600us 数据传输速度(CPU to SLM)，远远高于DVI 视频接口(60Hz)方式的传输速度 ！ 7. 可分辨相位位阶：普通的DVI-8 bit 显卡在0~2π 相位量之间最多只能识别50~100 个不同的相位值。 Meadowlark Optics 公司提供的DVI-16 bit的数据控 制方式可以实现更精细的相位位阶，0~2π 相位量 之间可识别500-1000 个以上不同的相位值！
1.0um超高空间分辨率
谢谢！
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8. 反射波前畸变：Meadowlark Optics 公司通过个 性化的制造工艺优化反射波前畸变，可将反射波前 畸变降低至λ/20，独特的Mirror Coating 技术也有 助于降低反射波前畸变。同时，Meadowlark Optics 公司提供补偿图像，客户可通过软件加载补偿图像， 方便地实现对SLM固有波前畸变的补偿。
BNS空间光调制器原理
MEADOWLARK SLM组成
美国Meadowlark空间光调制器根据显卡的不 同分为DVI型和PCIe型，组成如下：
液晶SLM的特点
Meadowlark空间光调制器主要有以下特点： 1．技术路线：与其它公司采用现有的微显示（Micro Display）不同，Meadowlark Optics 公司一直坚持采用自己 研发的LCoS 技术，针对不同应用优化设计多款液晶空间光 调制器，实现真正的纯相位调制、纯振幅调制和相位振幅 混合调制。
液晶SLM的特点
液晶SLM的特点
3. 光能利用效率：空间光调制器各个像素之间的空 隙会导致部分入射光衍射到多级次，造成光能损失。 Meadowlark Optics 公司采用独特的Dielectric Mirror Coating 的技术，成功地将填充因子提高至100%， 从而将光能利用效率即零级衍射效率提高至 90%~95% ！
液晶空间光调制器
目 录
一、美国BNS空间光调制器原理 二、Meadowlark SLM组成 三、液晶SLM的特点 四、液晶空间光调制器的应用领域 五、SLM的产品系列
BNS空间光调制器原理
美国Meadowlark optics液晶空间光调制器（SLM）的主要 功能, 是可提供实时的二维光学波前控制。在光学自适应处 理系统中,二维空间光调制器可以根据用户的需求对光的波 前进行调制、校正，有着非常广泛的应用。 二维液晶空间光调制器是一款电子可编程仪器，通过固定 液晶的空间像素分布，利用液晶的双折射原理，从而达到 调制光的波前的作用。我们的产品优化集成了客户的需求， 设计符合光电应用，能在客户的光学应用领域达到最佳的 效果，在客户规定的光波范围内可对光实现2π-6π调制，实 现最优化的性能。 Meadowlark optics公司提供的二维空间光调制器具有高光 学效率、高速相位控制、支持16bit信号控制等特点，在光 学领域发挥着重要的作用。