算法驱动光场革命:SLM技术引领智能光学新时代
◀背景引入▶ !U]V?Jpi" 空间光调制器本质上是一种能够对光波的振幅、相位或偏振状态进行空间分布调制的动态光学器件,我司自主研发的SLM产品采用硅基液晶技术,通过电信号控制液晶分子的排列状态,实现对入射光波的精确调控。这种精确调控能力使得SLM成为光学系统中的“智能画布”,能够在光路中生成各种复杂的光场分布。 h`%K\C 5fb,-`m. ◀空间光调制器原理▶ i`r,B`V`08 [attachment=132177] ~U8#Iq1 振幅型空间光调制器TSLM023-A c}mJ6Pt 振幅型SLM通过液晶的旋光作用和检偏器的消光效应来实现振幅调制。 p'k stiB iyOd&|. [attachment=132173] 'KQ]7 相位型空间光调制器FSLM-2K73-P03HR %R;cXs4r 相位型SLM利用电压改变液晶分子的排列方向,从而调整其折射率,产生可编程的相位延迟。 iCN@G&rVw 空间光调制器强大之处在于其可编程性,而这种可编程性的实现依赖于各类相位图生成算法。这些算法根据目标光场的分布,计算出需要加载到SLM上的相位图案,是连接数字计算与光学调控的桥梁。 $E|W|4N <-Q0WP_^ ◀振幅型空间光调制器:算法驱动的光强精确调控▶ !U>"H8}dv 振幅型空间光调制器需要线偏振光入射,通过控制光波的振幅分布来实现光场调控,当入射线偏振光的偏振方向与起偏器一致时,液晶分子的旋光作用会改变光的偏振状态,通过检偏器后形成振幅调制,是光学信息处理、图像投影等领域的重要工具。 Xkl^!, 01绘图法 qx{.`AaZW 1.针对振幅型空间光调制器进行直接编码将目标光强分布线性映射为SLM的灰度值,生成各类简单及复杂图案,进行可编程振幅掩膜,通过实时更新SLM图案满足不同光学实验需求,比如应用于我司教学系统干涉衍射实验模块的单缝、双缝、圆孔及其他各类形状(三角形、五角星、矩形、六边形)等,可满足涉及干涉、衍射相关的各类教育教学实验需求。 YH<F~F _ [attachment=132170] vyV n5s g)$Pvfc [attachment=132180] 7OtQK`P"A 单缝/双缝实验 EhB9M!Y`@ /BT;Q)(& [attachment=132171] f'FY<ed<w z9HQFRbo[ [attachment=132172] ;~]&$2sk 圆孔衍射 K?[pCF2C NG'VlT [attachment=132175] o9wg<LP [attachment=132174] =La}^ 矩孔衍射 77i |a]Kd ![Ip)X
OG 2.图像滤波方面,在光学系统傅里叶频谱面通过高精度灰度控制生成复杂标线图案,例如:一维光栅、二维光栅等,可分散光波的信息,广泛应用于行业内光谱分析及光纤通信系统应用中;在透镜后的焦平面上进行滤波,遮挡不同方向的频率(高频、低频、x方向、y方向等),工作在振幅调制状态的SLM可以实现低通、高通、狭缝等滤波。 6xL=JSi~ [attachment=132176] ?%Y?z]L# [attachment=132182] ts;_T..L
一维/二维光栅 #EHBS~^
[attachment=132181] %hrv~= Wlg(z% [attachment=132178] [=U7V;5($ 孔形滤波 hQL9 Zl~ iqy}|xAU 02光学表达式法 h!K
B%4V 振幅型菲涅尔波带片:根据需要的波带片参数,以菲涅尔波带片理论在计算机中生成对应的二维灰度图像或二值图像,其结构由一系列交替的透明和不透明环带组成。运用空间光调制器结合菲涅尔波带片即可形成特定光强分布图案,实现对入射光的振幅调制,同时利用菲涅尔波带片可以实现对光强的空间分布进行精确控制,运用于激光加工中,可使激光在加工区域形成特定的光强分布,满足材料加工对不同部位光强的要求。 WKah$l [attachment=132179] #0`"gR#+ 1.,mNY^UN 03振幅全息图法 Ysr{1! K 振幅全息图主要通过调制光的振幅分布来记录和重建物体光场信息的技术。与相位全息图不同,振幅全息图仅通过改变光的透射率或反射率来编码光场信息,利用振幅调制的条纹通过衍射效应重建原始物光波,在全息显示与投影、光学数据存储、防伪技术及光学干涉测量方面有着重要应用。 Km,tfM5j [attachment=132185] v9inBBC q <;=Y4$y[ (X>y)V ◀相位型调制器:波前调控的算法艺术▶ W$'pUhq\H 相位型空间光调制器同样需要线偏振光入射,且偏振方向应与液晶分子长轴保持一致,当施加电压改变液晶分子取向时,折射率随之变化,产生可编程的相位延迟,以此来改变光波的相位分布从而实现更复杂的光场调控,在全息显示、光镊、自适应光学等领域具有不可替代的优势。 l42m81x" 01相位恢复算法 0[v :^H 1.GS算法 N7oMtlvL[w 最经典的相位恢复算法GS算法,采用傅里叶变换在空间域和频域之间反复迭代,逐步逼近目标光场。原理简单、运算速度快,非常适合实时性要求高的应用场景。我司开发出彩色全息系统,应用GS算法在SLM上加载计算好的三色全息图,以一定的速率顺序进行光场调制,通过人眼视觉暂留的累积效应二实现彩色信息显示。 rB4#}+Uq [attachment=132183] Vj2GK"$v GS算法-彩色全息系统 =rBFMTllM %+I(S`} 2.GSW算法 raqLXO!j 考虑到GS算法简单且容易陷入局部最优,而GSW算法是在GS算法基础上引入加权算法机制,在迭代过程中对不同频率成分施加不同权重,从而改善重建质量。基于此采用GSW算法生成多束具有特定排布的光束阵列,应用于并行加工、多焦点成像。 SAH\'v0 [attachment=132190] ;*Rajq
2x2、3x3阵列激光分束加工 oVq@M {Y0I A97, ';ZJuJ. 3. 混合全息图算法 mSj[t
利用混合全息图算法进行平顶光整形原理即根据液晶光栅衍射特性与空间光调制器(SLM)调制特性,设计出混合全息图,混合全息图由两部分组成,分别为二元光栅和几何掩膜。其中二元光栅包括两个不同灰度等级,可根据相位转换需求设置灰度等级,几何掩膜为光束整形区域,可以为任何形状。利用该全息图进行整形即能获得高斯中心区域能量近似平顶的光束,同时也可根据SLM光束强度分布进一步设计二进制灰度级光栅来实现对整形光束形状及强度分布的控制。 WHN b.> [attachment=132184] q #p)E=$ 混合全息图整形原理 :.35pp,0 N"T8
Pt eGTK^p 4.稳相法 ?ft_ 稳相法在激光光束平顶光整形中是一种重要的数学工具,通过对光束相位调制将入射高斯光斑重新分布为均匀强度的平顶光束来实现激光光束从高斯分布到平顶分布的转换,同时结合GS算法、模拟退火等迭代优化算法可进一步提高平顶光束均匀性,同时,结合我司相位型空间光调制器在激光材料加工(切割、焊接)、光刻系统、光学检测系统等都有着广泛应用。 cEqh|Q [attachment=132188] gZ+I(o{ wP8R=T [attachment=132186] Qy70/on9 稳相法整形仿真效果 j}VOr >xz D{loX6 5.随机掩膜相位匹配算法 =d5!O~}r> 轴向多焦点在工业加工领域有着重要的应用,采用随机掩膜相位匹配算法,通过计算得到不同轴向位置的相位图,设计对应数量随机掩膜版,随机提取对应位置相位信息并求和得到一张相位图,加载到SLM调制从而实现轴向多焦点,很大程度上提升轴向多焦点能量一致性从而实现SLM在工业加工领域更加广泛的应用。 & |