Angela · Dudley在西部光电展上关于空间光调制器(SLM)的简短报告
大家好，我叫Angela · Dudley，来自南非约翰内斯堡的威特沃特斯兰大学结构光实验室。今天我将介绍一些关于如何理解空间光调制器（SLM）的要点。这些设备在复杂和结构光领域取得了重大进展。
在这次演讲中，我将提供SLM的工作原理概述、操作方式、可能遇到的一些常见问题，以及如何生成一些示例全息图。
我们使用SLM的主要原因之一是生成和创建结构光场——也就是说，修改标准激光束，也就是基本的高斯模态，以创建一个具有有趣物理属性的独特和复杂结构。SLM允许对光场的振幅和相位进行动态调制。
在SLM发展之前，这一过程主要通过实施著名的全息术技术在实验室中实现。这里，全息图是通过激光束照射物体而创建的。物体束和参考束之间产生的干涉图样被称为全息图。然后，通过用参考束照射全息图，我们可以重建物体。
如今，创建这种全息图的理论已经存在很长时间，但最近才通过液晶显示器（LCD）实现数字化的全息图。空间光调制器的示例在以下两张照片中展示，它们使用基于液晶硅（LCoS）的设备，允许对光的振幅和相位进行动态调制。
该设备的基本工作原理基于电控双折射，我们稍后会更详细地讨论。这允许在用适当的全息图或干涉图样对设备进行调制时，修改入射激光束的相位，从而改变光束的空间轮廓。
这些设备的屏幕尺寸虽然很小，通常只有1厘米长，但它们提供与高清显示器相似的分辨率和刷新率，允许我们实时动态地改变光的结构。
还有其他一些设备可以修改光的空间结构。其中两种设备是数字微镜设备（DMD）以及双膜变形镜。数字微镜设备的开发源自于著名的数据投影技术，该技术由用于将光投射到特定位置的小型运动镜组成，从而修改入射光束的振幅。这种设备的优势在于它比SLM便宜，并且由于基于运动镜而非液晶显示器，因此可以用于更高功率（以瓦特为单位）的光束。
双膜变形镜由一层覆盖有反射涂层的薄玻璃膜组成。膜的背面连接到一系列与各个电极相连的压电圆盘。通过控制电极，可以改变镜膜的表面，从而改变入射光的形状。这些设备可以进行水冷，使其能够在千瓦范围内使用，但其分辨率不如前两种设备。
我们已经知道，SLM能够修改光场的空间结构，但它们还提供了更多的可能性。它们可以用于模拟实验室中的自由空间传播。通常，如果我们想研究光束的传播，我们需要在光束路径上物理移动相机或传感器。但数字传播方法允许我们在使用静态光学元件的情况下模拟光束传播的行为。
这种数字传播技术通过首先在LCD平面上用透镜对光束进行傅里叶变换，然后在同时在SLM上显示传播相位项，同时用透镜对检测器平面进行逆傅里叶变换，从而操纵感兴趣光束的空间频谱。我们还可以将全息图分配给特定的载波频率，从而使光束能够被控制并转移到不同的空间位置。这个方法我们称为多路复用。SLM也是波长独立的，这意味着我们可以同时改变多个不同波长光束的空间轮廓。如前所述，SLM的操作机制基于电控双折射。液晶显示器中每个像素由两个电极进行调制。每个像素的分子平行于电极对齐，当施加电场时，分子会向电场方向倾斜。入射光需要沿液晶分子的轴线偏振，因此，当分子在施加的电场方向倾斜时，光线所见的折射率随之改变，因此相位也会相应改变，表示为Delta。在没有电压施加到像素上的情况下，分子保持平行于电极的排列，不发生相位调制。电压会根据每个像素所需的灰度级别或相位调制增加。我们可以看到，相位调制取决于入射光的波长，因此需要针对您的工作波长进行校准。
为了给出更好理解的图像，如果我们绘制所有光波相位一致的点，我们将得到以下表面，标记为蓝色虚线，即该光束特定的相位或波前表面的轮廓。
在液晶显示器的全息图中，每种灰度值都会使波以不同的量向前推进，如上图所示。这导致了新的相位或波前轮廓，这说明我们能够修改相位，从而修改光场的空间结构。
尽管SLM带来了无限可能性，但仍然存在一些效率问题。主要问题是，并不是所有的入射光都被衍射以产生所需的光束。导致这种衍射效率低下的原因有两个。第一个是由于液晶显示器的结构，由像素网格构成。像素之间的间距使液晶显示器充当2D光栅，从而导致光被衍射到多个级次。
这里的CCD图像显示了从SLM反射的光束，中心是反射的高斯光束，周围是额外的级次。这在以下照片中也很明显，来自液晶显示器的光被衍射成多个级次。此外，当入射光照射到非像素上——即像素之间的空间时，光会被损失而不被反射。这被称为填充因子，意味着液晶显示器的某个区域被像素覆盖，而剩余区域由非像素组成。我们SLM的填充因子约为80%，这意味着80%的区域包含像素，而20%为非像素。
另一个问题是，当液晶显示器用全息图调制时，并不是所有入射光场都会衍射到所需光束中。为了说明这一点，让我们忽略由于显示器的像素化引入的其他级次，仅考虑感兴趣的衍射级次。
当显示器用以下全息图调制，该全息图重现字母NLC时，我们看到中心有一个高斯点。这个点是未衍射的入射光束的一部分。为了将衍射部分与未衍射部分分开，在全息图上放置了一个光栅。通过减小光栅间距，衍射和未衍射部分可以进一步分开。
这种衍射效率低的特点可以在设置一个涡旋相位时看到。在以下示例中，方位相位变化从0变化到2π三次，以生成方位相位变化为|L| = 3的涡旋光束。如前面的全息图所示，它并没有将所有光衍射到所需的涡旋模式中，因此产生的光束是涡旋光束和高斯光束的混合，这导致中心出现了几个单独的涡旋。
为了解决这个问题，我们向螺旋全息图添加一个闪耀光栅，以将未衍射的高斯光束与衍射的涡旋光束分开。
这里展示了两个额外的问题。第一个是不要将全息图中的光栅周期减小到接近设备的分辨率。这里是一个设置有闪耀光栅的方位相位变化的全息图。光栅周期已设置，足够分离未衍射和衍射的光束成分，但间距仍然足够大，以确保相邻光栅之间有足够的相位变化，从而生成理想的涡旋光束。如果光栅间距设得太小，可能会出现额外的位错，例如，这五根辐条产生了五瓣形图像。
另一个需要注意的方面是保存全息图的格式。我将通过以下全息图进行说明。该全息图由两个环状光环和一个交替的零和π棋盘图案组成。这个区域通常用于生成贝塞尔光束。这个从0到π交替的相位值棋盘图像作为幅度掩模，导致在傅里叶平面沿传播方向没有强度，由于高空间频率，光被偏移远离原点。如果我们将这个图像保存为JPEG格式，会发现本应为零和π的棋盘图案呈现出其他灰度水平，与以BMP格式保存的情况不同。
最后我想简要提及的一点是，这些设备需要校准，以确保正确的相位调制。在大多数情况下，这在256个灰度级之间实现2π相位调制。检查是否在所有256个灰度级上实现了2π相位调制的常用方法是干涉两束光束，这两束光束都从SLM反射，其中一束光束经历了所有256个灰度级上的相位调制。
这会导致生成的干涉条纹发生位移，当编码正确时，将对应于2π的相位位移。如果不是这种情况，需要调整液晶显示器上调制的电压或电位器。大多数SLM都有预先设定的校正文件，允许您根据特定波长校准设备。
在本次演讲的直播环节中，我将通过一些代码示例来生成各种全息图。这段代码生成方位变化光栅和闪耀光栅。
通过改变方位级数的符号，我们可以生成方位相位变化为|L| = 1和-1的全息图。我们还可以通过增加方位指数来增加方位相位变化。我们可以仅在x或y方向或两者结合中生成闪耀光栅，从而将我们的一阶衍射成分移至独特的横向位置。我们还可以增加或减少光栅间距，将闪耀光栅与方位相位变化相结合，生成叉状位错条纹模式。
我们还可以根据照射SLM的内光束相对位置来移动奇点位置。我们可以生成透镜函数，以动态地将感兴趣的光束聚焦到不同的平面。在这里，我们将焦距设为1米。我们还可以根据所需的焦距进行变化；这里的示例包括500毫米和200毫米，显示出表面轮廓的曲率增加。
由于SLM的成本相对较高，另一种有用的技巧是将SLM屏幕分成两半，在SLM的第一半生成一种模式，第二半屏幕上生成另一种模式。
最后，以我们课题组的照片结束，这是使用这台设备的所有小伙伴。谢谢各位。有任何问题请邮箱联系。
视频来源：
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