空间光调制器培训
VirtualLab软件操作和实例剖析培训讲义
VirtualLab软件操作和实例剖析培训讲义内容概要•VirtualLab软件整体介绍•软件功能介绍•VirtualLab软件建模指导•VirtualLab软件优化方法介绍•VirtualLab衍射光学元件的设计和优化•VirtualLab软件光栅的建模和分析VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍软件开发背景介绍•世界光谷——德国耶拿由左至右：蔡司，阿贝和肖特软件开发背景介绍•世界光谷——德国耶拿软件开发背景介绍•现代光学的建模需求软件开发背景介绍•现代光学的基础1.阿贝成像理论2.衍射的分辨率极限3.超越光线追迹的设计和建模•包含了物理光学效应的光学建模、分析和设计会更加真实•计算机技术的发展，在光学应用中发挥了巨大的作用软件开发背景介绍•契合现代光学建模要求——VirtualLabFrank Wyrowski教授LightTrans公司VirtualLab软件软件开发背景介绍•应用计算光学小组@ IAP软件开发背景介绍•Wyrowski Photonics and LightTrans软件开发背景介绍•VirtualLab FusionVirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍场追迹技术介绍•光学建模的任务光源元件以及自由空间的传播探测器场追迹技术介绍•光源场的电磁场描述✓电磁场由六个场矢量描述：✓由于，因此磁场方向的分量可以用电场描述：✓由于，电场在Z 方向的分量可以由其它分量来描述：[]Tz y x z y x H H H E E E V ,,,,,=()()w r H iwu w r E ,;0=⨯∇()z y x E E E H H ,,=()0;=⋅∇w r E ()yx z z E E E E ,=[]Ty x E ,E V =场完全可以用来描述场追迹技术介绍•光源场的电磁场描述Donut Mode Source–Z方向电场–Y方向磁场–X方向坡印廷矢量场追迹技术介绍•光场在元件以及自由空间的传输[]T in yin xinE,E V =[]T out yout xoutE,EV=inout SV V =场追迹技术介绍•光场在自由空间的传输•自由空间传输✓自动传输算子✓平面波谱算子✓菲涅尔传输算子✓混合平面波谱/菲涅尔算子✓远场算子✓几何光学算子场追迹技术介绍•光场在自由空间的传输•光源参数✓高斯光束✓15°发散角（全角）•自由空间传输算子✓自动传输算子•自由空间传输距离✓10um✓100um✓1000um场追迹技术介绍•光场在自由空间中传输（自动传输算子）场追迹技术介绍•光场在自由空间传输10um传输距离1mm传输距离100um传输距离场追迹技术介绍•光场在元件间的传输[]T in y inx in E ,E V =[]Tout y outx out E ,E V =in out cV V =•元件传输方法✓几何光学传输（GeOp ）✓薄元逼近（TEA)✓傅里叶模式法（FMM ）✓有限元法（FEM ）✓迭代傅里叶变换方法（IFTA)✓………….场追迹技术介绍•统一化建模技术——集合了几何光学建模技术和物理光学建模技术，以对一个光学系统进行统一化建模FDTDField Tracing TechniquesFEM free space (SPW)gratings (FMM)layersplane interface (Fresnel)more …lenses, etc. (GeOp)slight scatterer, DOE (TEA)free space: Fresnel, far fieldweak variation: BPMmore …场追迹技术介绍•针对光学系统的不同部分使用不同的传输技术free space (SPW)lenses, etc. (GeOp)free space: Fresnel, far field场追迹技术介绍•越来越多的追迹技术将会被融合到VirtualLab之中VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍场追迹技术和光线追迹技术的比较•光的描述✓场追迹技术：使用电磁场来描述光✓光线追迹技术：使用光线来描述光•光的传输✓场追迹技术：多种建模技术应用于一个光学系统✓光线追迹技术：对整个光学系统应用一种建模技术•与场追迹技术相比，光线追迹技术在一定程度上限制了用户的应用场追迹技术和光线追迹技术的比较•平面波经球透镜后的光线追迹，场追迹EX方向的振幅分布和相位分布VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍软件应用领域介绍•波动光学模拟和激光系统设计•分析和控制超短脉冲•衍射光学元件光束整形、分束和扩散•光栅的分析和优化•激光谐振腔的分析和优化•LED光和激光的均匀化和整形软件功能介绍•五大工具箱基本工具箱衍射光学工具箱光栅工具箱激光谐振腔工具箱照明工具箱软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米以及宏观光学的统一化建模✓对透镜，微光学和衍射光学元件进行统一建模✓对时间和空间部分相干光源进行建模✓对超短脉冲进行建模✓建模过程中考虑了干涉、衍射、散射以及像差效应✓客户自定义元件和传输模型✓光学系统的参数优化软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模包含有宏观光学元件和微光学元件的统一化建模✓输入光场✓宏观光学元件成像✓微观光学元件成像软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模可以对包含干涉、衍射、散射和像差和矢量效应的光学系统进行建模软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模✓空间光调制器模拟✓时间部分相干光干涉模拟可以对空间光调制器以及部分相干光进行模拟仿真软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模可以模拟飞秒，阿秒脉冲以及脉冲色散效应，时间和空间的演化等软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模✓优化前光斑大小✓优化后光斑大小可以使用优化功能，对结果进行分析和优化软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学元件的设计✓设计衍射分束器以获得规则的或任意分布的光束阵列✓设计衍射扩散器以获得规则的或2D光强分布的图案✓设计衍射整形器以将高斯光束整形成均匀强度分布，如环形、高帽和线形等✓利用迭代傅里叶变换算法对衍射光学元件进行优化✓利用参数运行优化方法对衍射光学元件进行公差分析软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束整形器设计✓入射高斯光束✓整形后光强均匀分布的高帽高斯光束软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束分束器设计✓入射高斯光束✓分束后获得的图案分束光束软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束扩束器设计✓入射的高斯光束✓光束经扩散器所获得的任意2D图案分布软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射分束器的设计并可将设计的元件结构.gds文件导出以用作加工✓衍射分束器设计✓衍射分束器一个周期的结构软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计光束经实际加工出来的衍射元件所获得的效果✓线形扩散器和环形扩散器✓任意图案的分束器软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析✓2D和3D光栅尺寸从纳米到毫米量级✓对各种光栅进行严格和近似的电磁场分析和设计✓计算光栅的衍射级次、偏振、反射、透射、吸收以及内部场✓一般照明的严格光栅分析✓公差分析、参数变化和参数优化软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行2D和3D光栅的设计和模拟✓矩形光栅——2D光栅✓截锥金字塔光栅——3D光栅软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行三角光栅的内部场分析✓一个周期的内部场分布✓四个周期的内部场分布软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行衍射级次和衍射效率分析✓一维光束衍射效率分析图✓极坐标下各级次透射和反射所对应的角度以及效率软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析左图：优化后的娥眼抗反射结构；中图：未优化的结构波长和反射率的关系；右图：优化后的结构波长和反射率的关系软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析✓计算谐振腔系统的本征模，包括基膜和高阶模以及本征值和输出耦合模✓稳态和非稳态腔模拟✓将微结构和DOE作为谐振腔的一部分进行模拟，同时客户可自定义孔径✓从LASCAD中导入谐振腔系统进行分析✓进行谐振腔的公差分析软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析可以计算激光谐振腔系统的基模和高阶模✓热透镜激光谐振腔基模✓热透镜激光谐振腔高阶模。
相干光处理
F A ( , ) exp(
F A ( , ) exp
P3平面上输出场的分布是上式的逆傅里叶变换
g( x3 , y3 )
1 4 1 2 exp( j 0 ) f A ( x 3 , y 3 ) f B ( x 3 , y 3 ) exp( j 2 0 )
s( x , y ) f ( x , y )
对于作相关运算,可根据相关运算和卷积运算的关系,只需 制作具有如下透过率的滤波器
H ( , ) F
1
s
*
( x , y ) F
1
s
*
( x , y ) S ( , )
将f(x,y)放在4f系统的输入面上
但空间位置不同的两个脉冲响应,即脉冲响应中的后两项.当图 像A相对于其中一个的卷积像与图像B相对于另一个的卷积像重
合时,在输出平面上实现了图像相减.A与B在输入平面上放置的
位置,正是为了保证两个卷积像的相干叠加.空域分析法和频域 分析法是等价的.
9.2
匹配滤波与图像识别
一、匹配空间滤波器
相干光学处理还能作两个函数的卷积运算和相关运算.由于这 两种方法极为相似,也由于相关运算能直接用于图像识别(特征识 别),本节主要介绍匹配滤波器和相关图像识别. 函数s(x,y)和f(x,y)的卷积运算和相关运算分别定义为
1 4 2 x t ( x 1 ) 1 sin 2 x0
1 2
1 2 x sin 3 x 3 0
1
R
第二次曝光时将光栅平行移动半个周 期,这时光栅透射因子
空域中两个函数的卷积运算在频域中对应于相乘运算,若要 对s (x y)和f(x,y)进行卷积运算,可先用全息方法制作s(x,y) 的频谱函数S(,),然后把f(x,y)作为4f系统的输入函数,把S (,),作为滤波函数H(,),在频谱面上的复振幅分布为 H(,)F(,),输出面上的分布则为
光场操控与光学调制研究报告
光场操控与光学调制研究报告研究报告摘要：本研究报告主要探讨了光场操控与光学调制的相关研究进展。
通过综述和分析了国内外学者在该领域的研究成果，总结了光场操控与光学调制的基本原理、应用领域以及未来的发展方向。
研究发现，光场操控和光学调制技术在信息通信、光学成像、光学传感等领域具有广泛的应用前景。
未来的研究重点应该放在提高光场操控和光学调制技术的分辨率、速度和可靠性，以满足日益增长的应用需求。
1. 引言光场操控和光学调制是光学领域的重要研究方向，具有广泛的应用前景。
光场操控技术通过调节光场的相位、振幅和极化等参数，实现对光波的精确操控。
光学调制技术则是利用光学材料的光学特性，调制光波的相位、振幅和频率等参数。
这两种技术在信息通信、光学成像、光学传感等领域发挥着重要作用。
2. 光场操控的基本原理光场操控的基本原理是通过改变光波的相位、振幅和极化等参数，实现对光波的操控。
常用的光场操控方法包括空间光调制、相位调制和振幅调制等。
空间光调制是利用空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）对光波进行调制，实现光波的空间分布控制。
相位调制则是通过改变光波的相位分布，实现对光波的相位操控。
振幅调制则是改变光波的振幅，实现对光波的振幅操控。
3. 光学调制的基本原理光学调制的基本原理是通过改变光波的相位、振幅和频率等参数，实现对光波的调制。
常用的光学调制方法包括电光调制、声光调制和光纤调制等。
电光调制是利用电场的作用，改变光波的相位或振幅。
声光调制则是利用声波的作用，改变光波的相位或振幅。
光纤调制是利用光纤的非线性特性，改变光波的频率或相位。
4. 光场操控与光学调制的应用光场操控和光学调制技术在信息通信、光学成像、光学传感等领域具有广泛的应用。
在信息通信领域，光场操控和光学调制技术可以用于光纤通信、光学存储和光学交换等方面，提高通信速率和容量。
在光学成像领域，光场操控和光学调制技术可以用于超分辨成像、三维成像和光学显微镜等方面，提高成像质量和分辨率。
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
光学谐振腔的模式
空间模式匹配
通过调整入射光场与谐振腔本征模式的空 间分布和频率，使得光场能量能够高效地 耦合进谐振腔，进而实现模式匹配。
通过调整入射光场的波前形状，使其与谐 振腔的模式空间分布相匹配。
频率模式匹配
相位模式匹配
通过调谐入射光场的频率，使其与谐振腔 的共振频率相一致。
通过控制入射光场的相位分布，实现与谐 振腔模式的相位匹配。
色散特性
不同模式在谐振腔内的色散特性不同。基模的色散较小，而高阶模的色散较大。 这是因为高阶模在谐振腔内的光程更长，导致光波在传播过程中的相位延迟更 大。
稳定性及调谐范围比较
稳定性
基模在谐振腔内的稳定性较高，而高阶模的稳定性较低。这 是因为高阶模容易受到腔内扰动（如热效应、机械振动等） 的影响，导致模式跳变或失稳。
实现特定波长输出
通过选择特定的光学材料和结构，可以设计出具 有特定波长输出的光学谐振腔，满足不同应用需 求。
非线性光学现象研究应用
频率转换
利用非线性光学效应，可以实现 激光频率的转换，获得不同波长 的激光输出，扩展了激光器的应 用范围。
光参量振荡
在光学谐振腔中引入非线性介质， 可以实现光参量振荡，产生宽带 可调谐的相干光输出，应用于光 谱分析等领域。
优化入射光场设计
通过精确控制入射光场的空间分布、频率和相位，提高模式匹配精度。
采用自适应光学技术
利用自适应光学元件（如变形镜、空间光调制器等）实时调整入射光 场，以补偿由于环境扰动或系统误差引起的模式失配。
控制非线性效应
通过降低入射光功率密度、优化谐振腔设计等方式，减小非线性效应 对模式匹配的影响。
作用
谐振腔是激光器、光放大器、光调制 器等光学器件的核心组成部分，对于 提高器件性能、优化光束质量、实现 特定功能等具有重要意义。
用空间光调制器产生贝塞尔光束的实验研究
用空间光调制器产生贝塞尔光束的实验研究崔超涵;赵浩淇;朱睿;冯路;赵伟;张权;朱玲;张增明;孙腊珍【摘要】贝塞尔光束因其中心光强分布随传播距离不变的性质,被称为无衍射光束.实验上获得贝塞尔光束通常对仪器参量要求很高,且得到的贝塞尔光束一般为非理想贝塞尔光束.本文利用简单的空间光调制器设计了半周期空间光相位调制方案来获得贝塞尔光束【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2017(037)007【总页数】4页(P49-52)【关键词】贝塞尔光束;无衍射光束;空间光调制器;相位调制【作者】崔超涵;赵浩淇;朱睿;冯路;赵伟;张权;朱玲;张增明;孙腊珍【作者单位】中国科学技术大学少年班学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学少年班学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学少年班学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学少年班学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026【正文语种】中文【中图分类】O436.1单色光在自由空间中传播时的波场分布满足亥姆霍兹方程，其典型的解有平面波解和高斯波解. 1987年，J. Durnin提出了一种解形式[1]，由于其具有基于贝塞尔函数的展开形式，因此被命名为贝塞尔光束. 与常见的高斯光束不同，贝塞尔光束的截面光强分布可以在一定的传播范围内随传播距离增加而保持不变，且经过小障碍物后，具有自恢复能力[2]. 相比于有扩散和衍射的高斯光，无衍射贝塞尔光束在某些场合具有极大的优势，目前在纵深式光镊、光刻、层析扫描与光学准直等领域均有重要应用价值[3-4].J.Durnin提出的无衍射贝塞尔光束的亥姆霍兹方程解是指在垂直传播方向的任意界面上，光强分布满足第一类零阶贝塞尔函数的形式. 后来的研究表明，贝塞尔光束只是无衍射光束的其中一种形式. 零阶贝塞尔光束即理想贝塞尔光束是自由空间标量波动方程在z轴传播方向上的1组特殊解,其形式表示为ysin φ)]dφ=exp [i(βz-ωt)]J0(αρ),式中α2+β2=(ω/c)2,ρ2=x2+y2,J0为第一类0阶贝塞尔函数，α为横向波数，β为轴向波数，ω为角频率.对于(2)式的分析说明，贝塞尔光束垂直于传播方向的截面光强分布表现为中心光斑和许多同心圆环，由内到外光强递减，且在相当长一段距离内光强分布不发生变化，且中心光斑被阻挡后能自恢复.自从贝塞尔光束概念提出以来，已经有大量文献报道了多种贝塞尔光束的产生方法[5]，这些方法可分为主动式和被动式2类:主动式即通过设计谐振腔的结构，直接产生贝塞尔光束形式的出射激光;被动式则是由其他光束通过光路转换为贝塞尔光束，主要的被动式方法有环缝-透镜法、轴棱镜法和空间光调制法等[6-9]. 其中环缝-透镜法产生贝塞尔光束效率偏低，轴棱镜法虽然效率较高但对仪器精度要求很高[10].Antti Vasara[11]等人提出采用光学实验室常用的空间光调制器产生贝塞尔光束.利用空间光调制器与偏振片组合改变透过率，对入射光空间光强进行黑白两色调制，得到了近似的贝塞尔光束. 本文对此方法进行改进，利用空间光调制器对入射光波前的空间相位分布进行调制，理论上能得到更好的贝塞尔光束.实验使用GCI-770102型低成本液晶空间光调制器，适用于教学实验演示光强和相位调制过程. 这是透射式扭曲向列型空间光调制器，控制电压的改变会同时改变透过率与相位差，利用此设备进行纯相位调制，需要进行等透过强度时的相位标定，测出灰度-相位曲线.设计图1所示的马赫-曾德尔干涉光路进行相位灰度曲线标定. 调整光路产生稳定的等倾干涉条纹，在干涉光路一臂中加入空间光调制器，输入图像为如图2(a)所示的灰度对比图，通过调整图像灰度观察如图2(b)所示的条纹错开移动情况，这样通过条纹移动量的测量随图片灰度改变的关系即可标定灰度相位曲线.图3为用该方法得到的灰度相位曲线，可以看到该空间光调制器相位调制范围较小，近似在[0,π]区间. 用Matlab对半周期的相位调制产生贝塞尔光束的结果进行了模拟计算，通过图4的模拟结果可以看出半周期衍射屏并不影响一段距离后形成贝塞尔光束的能力，5 m处的截面光强分布与理想贝塞尔光束的截面光强分布近似相同，并与Antti Vasara[10]结果相符.如图5所示，利用标定的灰度-相位曲线制作出0阶贝塞尔光束复现图像. 为利用空间光调制器相位调制产生贝塞尔光束，搭建了图6所示的光路，将图5图像输入到图6(a)中的空间光调制器中，即可以获得0阶贝塞尔光束.将图5所示图片输入到空间光调制器中，调整光路在CCD中即可接收到零阶贝塞尔光束的截面光强分布如图6(b)所示，其基本符合零阶贝塞尔光束的原理分析结果且与Antti Vasara中结果相似[10].为了验证该结果是否符合零阶贝塞尔光束的光强分布特点，将图像导入Matlab软件，去除本底光与杂散光并采用Gauss曝光曲线对高光区域进行修复，恢复CCD 过曝光区域，得到各像素点光强分布如图7所示.为了方便与贝塞尔函数进行比对，从亮斑中心开始，对等半径像素区域进行光强平均，得到恢复后的归一化光强沿半径分布曲线和零阶贝塞尔函数的平方拟合曲线对比图，如图8所示，其中取最大光强处半径r=0. 可见峰值位置与大小符合度良好，说明产生的0阶贝塞尔光束效果较好.将CCD从距离空间光调制器1.00 m处移动至2.60 m处，对准光斑中心进行拍照，选取2张照片以中心光斑为中心500像素×500像素大小的区域进行比较，如图9所示，可见除了光线变得稍有模糊之外，各级条纹的相对位置与大小并未发生改变. 这反映了0阶贝塞尔光束中心光强随距离变化保持不变的特性[11].利用空间光调制器搭建了相位调制光路，通过半周期相位调制成功获得了贝塞尔光束，并通过Matlab模拟和实验对比证实了所产生贝塞尔光束的无衍射特性. 实验中还发现：虽然半周期调制产生贝塞尔光束与理论符合良好，但是还存在有效区域较窄等问题有待进一步研究. 实验中所用空间光调制器为低成本普通型号，该实验方案可以比较方便地在实验教学中搭建光路完成贝塞尔光束的产生和验证.指导教师：赵伟(1981-)，男，吉林长春人，中国科学技术大学物理学院讲师，博士，从事物理实验教学与科研工作.【相关文献】[1] Durnin J. Exact solutions for nondiffracting beams.I.The scalar theory [J]. Journal of the Optical Society of America A, 1987(4):651-654.[2] 吕百达. 对无衍射光束和相关概念的评注[J]. 应用激光,1994,14(6):273-280.[3] 吴健. 一种新的光束概念——无衍射光束[J]. 强激光与粒子束,1992,4(1):148-152.[4] 马秀波. 贝塞尔光束传播与散射特性研究[D]. 天津：天津大学,2012.[5] 周莉萍,赵斌. 无衍射贝塞尔光束的实现方法[J]. 激光杂志,1997(3):1-4.[6] Herman R M, Wiggins T A.Production and uses of diffractionless beams [J]. Journal of the Optical Society of America A, 1991,8(6):932-942.[7] McGloin D, Dholakia D. Bessel beams: Diffraction in a new light [J]. Contemporary Physics, 2005,46(1):15-28.[8] 马亮,吴逢铁,黄启禄. 一种产生无衍射贝塞尔光束的新型组合锥透镜[J]. 光学学报,2010,30(8):2417-2420.[9] 卢文和,吴逢铁,郑维涛. 透镜轴棱锥产生近似无衍射贝塞尔光束[J]. 光学学报,2010,30(6):1618-1621.[10] Vasara A, Turunen J, Friberg A T. Realization of general nondiffracting beams with computer-generated holograms[J]. Journal of the Optical Society of America A, 1985,6(11):1748-1754.[11] 赵娟莹,邓冬梅,张泽,等.自加速类贝塞尔-厄米-高斯光束的理论和实验研究[J]. 物理学报,2014,63(4):163-170.。
激光技术蓝信钜课后答案
第一章作业（激光技术--蓝信鉅，66页）答案2．在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个1／4波片，（1）它的轴向应如何设置为佳?（2）若旋转1／4波片，它所提供的直流偏置有何变化?答：（1）. 其快、慢轴与晶体主轴x 轴成450角（即快、慢轴分别与x’、y’轴平行）。
此时，它所提供的直流偏置相当于在电光晶体上附加了一个V 1/4的固定偏压(E x’和E y’的附加位相差为900)；使得调制器在透过率T=50%的工作点上。
（2）. 若旋转1／4波片，会导致E x’和E y’的附加位相差不再是900；因而它所提供的直流偏置也不再是V 1/4。
当然调制器的工作点也偏离了透过率T=50%的位置。
3.为了降低电光调制器的半波电压，采用4块z 切割的KDP 晶体连接(光路串联、电路并联)成纵向串联式结构。
试问：(1)为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x 和y 轴取向应如何? (2) 若λ=0.628μm ，n 。
＝1.51，γ63＝23.6×10—12m ／V ，计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较之。
解：(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟皆有相同的符号，则把晶体x 和y 轴逐块旋转90安置，z 轴方向一致（如下图），(2).四块晶体叠加后，每块晶体的电压为：v 966106.2351.1210628.0412n 41V 41V 123-663302'2=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯==-γλλλ 而单块晶体得半波电压为：v 3864106.2351.1210628.02n V 123-663302=⨯⨯⨯⨯==-γλλ 与前者相差4倍。
4．试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏光、椭圆偏光和自然光)，并指出是根据什么现象? 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制?为什么？解：（1）实验装置：偏振片和白色屏幕。
a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如有两次消光现象，则为线偏振光。
液晶空间光调制器光谱整形的理论研究
中 图分 类 号 ： ０４ ６ ３ ３ ． 文 献 标 志码 ： Ａ
啁啾 脉 冲放大 （ Ｐ 是 实现 高功 率 超强 、 短激 光 脉冲输 出 的重 要 方 法 口 ］ 这 种 高 功率 、 短 、 强 脉 冲 Ｃ Ａ） 超 屯， 超 超
激光 在惯 性约 束 聚变 、 离子 体物 理 、 等 Ｘ射线 产 生等 领域具 有 重要 应用 ［ 。 由于钕 玻璃 大尺 寸 、 ３ ］ 高储 能 ， 能 短 高
＊ 收 稿 日期 ：０ ８０—８ ２ ０—１２ ； 修 订 日期 ：０ ８０ —６ ２ ０ —８０ 作者简介 ： 王凤 蕊 （ ９ ９ ） 女 ， 士 ， １７一 ， 硕 主要 从 事 强 激 光 相 关 领 域 研 究 工 作 ； ｒ０ ０￣１ ３ ｃ ｍ。 ｗｆ ０ （ ６ ． ｏ ２
强 激 光 与 粒 子 束
ｇ（ ￡ ∞， ）一 ｇ ｇ （ ） （ｕ 。 ｃ） （） ２
式 中 ： ｏ为 中心波长 的小 信号增 益 ； ， ） ｇ ｇ （） ｇ （ 分别 表示 增益 饱 和增 益 窄化
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光学陷阱和光场调控的物理学原理和应用
光学陷阱和光场调控的物理学原理和应用摘要：光学陷阱和光场调控是近年来在光学领域中受到广泛关注的研究方向。
本文首先介绍了光学陷阱和光场调控的物理学原理，包括光的传播和与物质相互作用的基本规律，以及利用这些规律构建光学陷阱和光场调控的实现原理。
接着，本文介绍了光学陷阱和光场调控在生物医学和量子信息领域的应用，包括单细胞操控、蛋白质结构研究、光学计算等领域，并分析了未来光学陷阱和光场调控的发展趋势。
关键词：光学陷阱；光场调控；物理学原理；应用；发展趋势引言光学陷阱和光场调控是光学领域中的两个重要研究方向。
它们都利用光的特性对物质进行控制和操纵，具有广泛的应用前景。
光学陷阱主要是利用光场对物质的非接触式约束和操纵，可以对微观粒子进行精确控制和测量；而光场调控则是利用相干光的干涉效应，对光场进行精确的调控，可以实现光学图像传输、光学计算等多种功能。
本文将从物理学原理和应用两个方面，介绍光学陷阱和光场调控的基本知识和最新研究进展，并对未来的发展趋势进行展望。
光学陷阱的物理学原理2.1 光的传播和与物质相互作用的基本规律光的传播和与物质相互作用的基本规律可以用波动光学和光学量子力学两种方法描述。
波动光学描述了光的传播和干涉规律。
光的传播速度为光速，波长和频率满足光速等于波长乘以频率的关系，即$c=\lambda\nu$。
在光场中，光的振幅、相位和波矢随空间和时间变化，可以用复数形式表示。
光的相位差决定了光的干涉效应，可以用来实现光学干涉仪、光栅等光学器件。
光学量子力学则是描述了光和物质相互作用的基本规律。
在这个理论框架下，光和物质都被描述成波粒二象性的粒子。
光粒子被称为光子，其能量和频率满足$E=h\nu$，其中$h$为普朗克常数。
光子和物质粒子之间的相互作用可以用散射、吸收、自发辐射等过程描述。
2.2 光学陷阱的实现原理光学陷阱是利用光场对微观粒子进行约束和操纵的技术。
其基本原理是利用非均匀光场对物质粒子施加力，使其处于稳定的位置。
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三.技术特点 技术特点
对比项目 SLM产品 产品 线种类 调制能力 相位 抑制黑栅专利 DOE仿真软件 仿真软件 相位标定专利 振幅型 DOE配 配 套制备 相位型 SLM应用方案二次开发 应用方案二次开发 驱动和优化其他厂家 SLM
透射式 RL-SLMT1 (1.3‘液晶) RL-SLMT2 (0.9’液晶) 采用LCD液晶面板，可对入射光进行振 幅调制及相位调制。
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二、产品介绍 2.分类及应用 分类及应用
应用领域
生物 领域 激光 领域
投影 领域
空间光调制器(SLM)产品培训 产品培训 空间光调制器
北京杏林睿光科技有限公司
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一、公司简介
北京杏林睿光科技有限公司RealLight™ （原北大激光）致力于微光学元件、 视觉测量标准版、空间光调制器（SLM）、光电教学实验设备、激光及激光 相关设备的开发、生产与销售。 RealLight™ 自行开发空间光调制器（Spatial Light Modulator)，在国内光学 信息处理、光学测量、自适应光学、光计算及激光整形，模拟衍射光学元件方面 提供服务。
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特色技术服务
可根据SLM模拟要求，加工微光学实物元件
对SLM相位全 息图进行量化
16阶 16 8阶 8
SLM
4阶
2阶
制备DOE元件
HOLO/OR公司 国内唯一代理
LASER
分光棱镜
DOE
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产品应用－全息光镊 产品应用－
。
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
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产品应用－ 产品应用－光电显示
光学投影 三维显示
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信息收集表
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服务说明
RealLight™的服务含有以下标准支持服务，如有必要， 还将外加工程师上门支持： 综合在线支持—在其技术支持网站（ ）上提供包含电子邮件支持在内的全面的免费 在线支持。 电话技术支持—RealLight™向所有客户提供电话支持服 务，帮助他们对硬件问题进行故障诊断。 在与RealLight™技术支持中心确认故障诊断结果后，将 对客户购买的系统部件提供人工、维修或更换服务。
教学 领域
信息光 学领域
视觉测 量领域
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三.技术优势 技术优势
产品线丰富，拥有反射式（LCOS）、透射式（LCD）芯片 透射式SLM拥有相位调制与振幅调制能力 拥有傅里叶频移技术，抑制黑栅效应 拥有嵌套菲涅尔透镜技术，抑制黑栅效应 DOE仿真算法，优化DOE衍射效率 输出SLM振幅/相位图，不影响主屏使用 软件可驱动和优化国外主流SLM硬件（分辨率可调） 拥有标定专利，提供准确的相位标定查找表 提供DOE定制服务，将SLM仿真相位图制作成DOE元件 提供SLM应用方案定制服务，根据客户需求进行二次开发
产品应用－ 产品应用－激光光束整形
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产品应用－ 产品应用－全息光学
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产品应用－ 产品应用－量子通信 OAM光束 光束
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RealLight™
国内其他公司
国外知名公司
LCD LCOS 振幅
特点应用—重点特色技术 特点应用 重点特色技术
多种专利算法，黑栅效应抑制，消除零级亮斑
优化前
优化后
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RL-SLMT透射式空间光调制器 推荐 透射式空间光调制器
RL-SLMT和Holoeye的LCR-2500的对比优势
黑栅效应 抑制技术 专利标 定技术 •优秀的相位调制效果 优秀的相位调制效果 •明显抑制中心亮斑 明显抑制中心亮斑 •可嵌入光路（透射式） 可嵌入光路（透射式） 可嵌入光路 •价格优势明显 价格优势明显 •软件可驱动和 软件可驱动和 优化LCR-2500 优化 •可变分辨率， 可变分辨率， 可变分辨率 二次开发服务 软件优 化算法
特点应用—重点特色技术 特点应用 重点特色技术
可翻转输出SLM，同时不影响主屏正常工作 ， 可翻转输出
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特点应用—重点特色技术 特点应用 重点特色技术
软件可驱动和优化，不同分辨率，不同芯片，不同国外主 流厂家的SLM设备
LCR-2500效果
RL-SLMT效果 效果
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产品应用－ 模拟（ 产品应用－DOE模拟（SLM） 模拟 ）
基于衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)的典型光学系统应用
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液晶分子扭曲原理
SLM 软件 SLM 硬件
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二、产品介绍 2.分类及应用 分类及应用
RealLight™空间光调制器分为 类， 款产品
RL-SLM 空间光调制器 反射式 RL-SLMR1 (0.45’液晶） 采用LCOS液晶面板，具有开口率高、 分辨率大、衍射效率高等特点。
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客户需求信息表
根据应用和技术特点，了解客户应用需求
A.应用方向（重点） 应用方向（重点） 应用方向 B.产品类型 透射式（T）/反射式（R） 产品类型 透射式（ ） 反射式 反射式（ ） C.调制类型 振幅调制 位相调制 调制类型 振幅调制/位相调制 D.相位调制范围 相位调制范围 E.工作光谱范围 工作光谱范围
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特点应用—重点特色技术 特点应用 重点特色技术
优化LCD 透射式SLM成像质量，消除孪生像
优化前透射 式SLM成像 效果
优化后透射 式SLM成像 效果
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产品应用－ 产品应用－光电教学
SLM教学应用（重点） 教学应用（重点） 教学应用
数字全息与信息安全综合实验 傅里叶变换相关图像识别实验 位相型空间光调制器研究实验
数字全息与信息安全综合实验实例
再现
记 录
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产品应用－ 产品应用－无衍射
特点
可提供纯相位调至模式、纯振幅调制模式 高速相位控制 提供SLM相位标定软件 提供相位补偿模板，可抑制黑栅效应 提供相位调制软件
产品介绍
提供多种衍射光学元件库
产品特点 市场反馈
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二、产品介绍 1.概述 概述
空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）， 就是能够按照输入控制信号的要求对输入光场的振幅、 相位、偏振态等物理量中的部分或全部实现空间调制的 器件。 利用SLM可模拟衍射光学元件， 实现微光学件的特殊功能,广泛应用 于现代光电子系统的科研机构及高 新技术企业。