空間光調(diào)制器的作用是什么？該如何進(jìn)行使用？

開門見山，大家在使用空間光調(diào)制器的時(shí)候，都會(huì)被衍射圖像中心的零級光所困擾，那么零級光是如何產(chǎn)生的，又該如何降低零級光的影響呢?本期文章將重點(diǎn)講解這兩個(gè)問題，建議閱讀時(shí)間5分鐘。

空間光調(diào)制器就像是日常用的屏幕一樣，是由一個(gè)個(gè)結(jié)構(gòu)如圖的像素組成的，通過調(diào)節(jié)上下電極的電壓差可以調(diào)節(jié)每個(gè)像素中液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向，從而調(diào)節(jié)液晶區(qū)域的折射率，進(jìn)而調(diào)節(jié)光入射進(jìn)這個(gè)像素在反射出來的光程差，因而通過給不同像素加載不同的偏轉(zhuǎn)電壓，就可以在入射光斑的不同位置引入不同的相位。

但是實(shí)際情況下，SLM的像素之間存在有像素間隔，而入射到間隔部分的光是不被調(diào)制的，此外在玻璃的上表面也有一少部分光直接發(fā)生了反射而沒有被調(diào)制。

這些不被調(diào)制的光在經(jīng)過傅里葉透鏡后，就會(huì)匯聚在透鏡的后焦點(diǎn)上，從而形成零級光。濱松憑借非常先進(jìn)的制造工藝，將像素間隔縮小到了0.2 μm之小，像素填充率大于96%，相比于競品，零級光的比例已經(jīng)顯著降低。

如何消除零級光的影響?

降低零級光的影響可以從硬件與軟件兩方面著手來操作，并且對于每一種方法操作的難易程度，小編也提前為大家總結(jié)了一下。

硬件方面

在硬件方面，因?yàn)闉I松的相位型調(diào)制器只對水平偏振沿著SLM感光面的長邊方向的光進(jìn)行相位調(diào)制，而對垂直偏振的光沒有調(diào)制，因而首先要確保入射的激光是水平偏振的，并且保證偏振的純凈度很高，這可以通過使用半波片+PBS來實(shí)現(xiàn)。許多客戶在剛使用SLM的時(shí)候發(fā)現(xiàn)零級光很強(qiáng)，一般都是由于入射光的偏振不對導(dǎo)致的。此外，針對激光器為綠光的情況，由于人眼對于綠光極其的敏感，所以即使很弱的零級光人眼也會(huì)覺得很亮。所以此時(shí)建議使用相機(jī)來判斷零級光究竟是強(qiáng)還是弱。

液晶空間光調(diào)制器簡介

空間光調(diào)制器：是一種對光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制的器件，在電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，改變空間上光分布的振幅或強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等。空間光調(diào)制器是實(shí)時(shí)光學(xué)信息處理，自適應(yīng)光學(xué)和光計(jì)算等現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵器件。

液晶空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)

LCOS結(jié)構(gòu)：由光電導(dǎo)層、介質(zhì)反射鏡、液晶層、玻璃基板透明導(dǎo)電電極(ITO)等構(gòu)成的夾層結(jié)構(gòu) 。再由許多基本的獨(dú)立單元組成二維陣列液晶面板。

原理：主要是通過液晶分子的雙折射性來實(shí)現(xiàn)入射光束的相位的調(diào)制。通過改變施加在液晶像素分子上的電壓，液晶的分子和電場之間會(huì)有不同的夾角，即液晶分子的指向矢和入射光的偏振方向形成一定的夾角從而改變了液晶的有效折射率來改變光經(jīng)過的光程的大小，達(dá)到相位調(diào)制的目的。

空間光調(diào)制器應(yīng)用

1、光場調(diào)控：矢量光束、渦旋光等

渦旋光的生成：HOLOEYE 只需改變加載在空間光調(diào)制器上的位相圖就可實(shí)時(shí)生成不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束，簡單方便

光場調(diào)控——散射聚焦顯微成像：無創(chuàng)聚焦(NiF)顯微：

當(dāng)現(xiàn)代顯微技術(shù)應(yīng)用于生物組織等復(fù)雜介質(zhì)時(shí)，復(fù)雜介質(zhì)的非均勻折射率強(qiáng)烈干擾光的傳播。光在靜態(tài)介質(zhì)中的散射的影響可以被“抵消”或逆轉(zhuǎn)。

超快激光加工技術(shù)推動(dòng)了激光制造從傳統(tǒng)的宏加工向超精密加工發(fā)展。盡管憑借著強(qiáng)大優(yōu)勢，超快激光加工技術(shù)成為3C電子等領(lǐng)域中的新寵，但單焦點(diǎn)的超快激光直寫加工技術(shù)仍然存在加工區(qū)域小、效率低的問題，不能同時(shí)滿足大幅面和高精度加工需求。

空間光調(diào)制器的出現(xiàn)使得上述問題在很大程度上得以解決，空間光調(diào)制器可以對超快激光光束的振幅、相位或者偏振等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，配合一定光路設(shè)計(jì)就可以在材料加工區(qū)域得到任意的光場強(qiáng)度分布。下文將對空間光調(diào)制器的原理以及其在超快激光2D、3D加工領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

什么是空間光調(diào)制器?

空間光調(diào)制器是一種可以在外部信號(hào)的控制下改變?nèi)肷涔庹穹⑵褚约跋辔坏膭?dòng)態(tài)元器件,有著易操控、易集成、低損耗、刷新頻率高的特點(diǎn)。在超快激光并行加工應(yīng)用中，常見的空間光調(diào)制器有調(diào)整振幅的數(shù)字微鏡器件(DMD)以及調(diào)制相位的液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)。

1)DMD

DMD是一種被廣泛使用的對入射光的振幅進(jìn)行調(diào)制的空間光調(diào)制器，其每個(gè)像素都是一個(gè)可以獨(dú)立控制的微反射鏡，通過切換每個(gè)微反射鏡的方向可以單像素控制出射光的角度。DMD 具有切換速度快、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。目前DMD的工作波長范圍已經(jīng)涵蓋紫外、可見光以及紅外波段。

2)LC-SLM

LC-SLM的每一個(gè)像素單元由液晶分子構(gòu)成。液晶因?yàn)槠潆p折射的特性而廣泛應(yīng)用于空間光調(diào)制器。如今，已經(jīng)有大量適用于可見光和近紅外波段的液晶空間光調(diào)制器。根據(jù)液晶種類可分為鐵電型和向列型兩種，根據(jù)使用方式可分為反射式和透射式兩種。

全息圖的計(jì)算方法

全息圖是通過空間光調(diào)制器加載到入射激光上的相位分布圖，通過加載不同的全息圖，可以生成多光束陣列、二維面光場強(qiáng)度分布、三維體光場強(qiáng)度分布等，從而滿足不同的應(yīng)用需要，由此探索出了多種全息圖計(jì)算方法。

1)二維光場全息圖生成算法

通過全息圖技術(shù)可以在焦點(diǎn)處產(chǎn)生所需的二維光場強(qiáng)度分布。此類算法有多種，其中較為經(jīng)典的是GS (Gerchberg Saxton)算法，后續(xù)的很多算法都是由GS算法演變而來。

工業(yè)上比較常用的全息圖迭代算法算法有：一種是在GS算法的基礎(chǔ)上衍生的楊顧算法，另一種是ORA(Optimal Rotation Angle)算法。

此外，使用矢量德拜衍射理論也可以計(jì)算得到全息圖，實(shí)現(xiàn)對不同矢量方向的光場強(qiáng)度分布的調(diào)制。另一種能在保證一定全息圖質(zhì)量的同時(shí)提高生成效率的非迭代的全息圖算法，后來也被廣泛應(yīng)用。

2) 三維光場全息圖生成算法

由于三維光場全息圖生成算法能夠進(jìn)一步提升效率，加工出更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)掃描加工無法實(shí)現(xiàn)的一次成型結(jié)構(gòu)，因此有著廣泛的應(yīng)用需求。

計(jì)算三維光場所需全息圖時(shí)可以分為兩個(gè)過程：一個(gè)是快速傅里葉變換;另一個(gè)是菲涅耳衍射過程。為了改善三維GS算法得到的全息圖質(zhì)量不佳，且計(jì)算速度較慢的問題，斯威本科技大學(xué)顧敏課題組實(shí)現(xiàn)了三維多焦點(diǎn)陣列全息圖的計(jì)算。

除了GS算法及其變種，一種非凸優(yōu)化的全息圖算法———NOVO-CGH( Non-Convex Optimizationfor Volumetric Computer-Generated Holography)算法也被提出，可用于三維光場的全息圖計(jì)算。該方法比GS算法得到的結(jié)果更好，準(zhǔn)確度提高近20%，效率提高近5%。此外，NOVO-CGH算法的一大優(yōu)勢是可以根據(jù)實(shí)際情況的不同，設(shè)計(jì)不同的成本函數(shù)，以滿足不同的應(yīng)用需求。

3)基于深度學(xué)習(xí)的全息圖生成算法

近年來，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)生成用于空間傳播的全息圖算法得到了實(shí)現(xiàn)，可以很有效地解決全息圖生成速度慢的問題。入射光經(jīng)過空間光調(diào)制器的相位調(diào)制后傳播一定距離之后，可得到目標(biāo)光場的強(qiáng)度分布，其基本原理如圖2所示。目前這種方法得到的全息圖只適用于二維的空間傳播光場生成，還不能運(yùn)用于聚焦光場的全息圖計(jì)算。