空间光调制器

一．原理

     空间光调制器是一种基于电光、声光、磁光、光折变等光学效应，能对光场的光学参量（振幅、相位、偏振态）进行实时调制，并在此过程中写入信息，协助实现光场调控的有源器件。空间光调制器的调制面板通常由具备某种光学效应的许多独立单元组合而成，每个单元可独立接受外界信号控制，改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。

二．应用

       1.光束整形，激光加工，结构光照明

       2.波前校正，自适应光学成像

       3.信息调制，光刻系统，全息打印

三．说明

     目前空间光调制器按照读出光的读出方式不同，可分为反射式与透射式两种；按照输入控制信号的不同，可分为电寻址与光寻址两种。LBTEK空间光调制器基于反射式硅基液晶（LCoS）微显示技术，通过电信号控制，可在硅基液晶上实现单像素可寻址的自由相位调制，生成任意二维相位图样。配套的软件GUI可在不同波长下（450 nm-1600 nm）调整空间光调制器的相位响应。

     LBTEK提供的SLM-2K-8系列空间光调制器通过DVI信号驱动，支持1920×1200分辨率（WUXGA）的有源矩阵显示模式，在高频驱动（＞1kHz）和精确的线性纯相位寻址（寻址位深10 bit）下仍能保持超低的相位波动（＜0.001 πrad），非常适合用于激光加工、光学开关、波前校正及脉冲整形等应用。

图1. SLM-2K-8系列空间光调制器相位变化VS灰度等级

请注意，在使用空间光调制器工作过程中，需避免以下情形：

l   液体倾倒

l   清洁或移动

l   连接线损坏

l   挤压碰撞

使用环境需避免以下情形：

l   阳光直射、高温、高湿

l   灰尘、腐蚀性气体

l   振动、电场/磁场干扰          

      根据液晶面板所镀增透膜，LBTEK目前提供支持多种波段的SLM-2K-8系列空间光调制器： 450 nm-550 nm、400 nm-700 nm、750 nm-850 nm、1000 nm-1100 nm、1500 nm-1600 nm、450 nm-550 nm /1500 nm-1600 nm，同时提供未镀膜版本，更多详细信息及使用说明请参照随产品附送的产品手册。控制器及液晶面板附带M4、M6螺纹转接板，各型号SLM-2K-8系列空间光调制器均由静电防护袋包装，置于定制手提箱中发货。

图1. LCoS面板示意图。

二、利用SLM生成全息投影

全息投影是空间光调制器最常见的应用之一。图2展示了一种利用空间光调制器进行全息投影的光路图，图3为相应装置实物图。激光束通过两透镜扩束准直，穿过偏振片LP_1与半波片λ/2 WP后，其偏振方向与LCoS的偏振方向一致，经过液晶面板上加载的计算全息图（CGH）的相位调制，再被非偏振分束立方NPBS反射，基于远场衍射，通过微调一组透镜（Lens_3，焦距50 mm及Lens_4，焦距75 mm），可产生清晰的全息图像。

图2. 计算全息投影光路图。

图3. 计算全息投影装置实物图。

图4展示了输入目标图形、计算得到对应的CGH图案及最终的得到投影图的操作过程。在软件主界面中点击CGH按钮进入计算全息图模块，在目标文件夹中选取bmp格式的原始图像，此时可以设置计算数及波长（本实验采用的是532 nm激光光源），点击开始按钮计算全息图，软件会自动保存全息图至指定位置并给出复现后的参考图，在软件主界面载入保存好的全息图，最终在投影屏上得到复现后的图像。

Step2.加载全息相位

Step3.获得复现图像

图4.生成全息图过程。

最终的全息投影图中会存在高阶的衍射光斑及高能的零级光斑，此零级光斑通常与所投影图像的中心重叠，这一现象是由液晶面板的物理结构造成的（LCoS面板各像素间存在很小的间距）。

三、利用SLM进行强度调制

图5为一种使用空间光调制器进行强度调制的光路原理图，调整起偏器LP_1，使入射光的偏振态与SLM的偏振方向夹角45°，同时检偏器LP_2的偏振方向与起偏器偏振方向平行。空间光调制器液晶面板上所载入图像的灰度值若发生变化，可改变反射光束的偏振态，检偏器后的光功率计所接收的光强大小也随之变化。

图5. 空间光调制器光强调制光路图。

功率计检测到的反射光强与加载灰度的变化曲线如图6所示，类似余弦变化。其对比度变化与使用的起偏器与检偏器有关，通过这种方法可使用空间光调制器进行强度调制，具体灰度对应关系需要根据测试曲线而定。

图6. 功率计探测光强与加载灰度变化曲线。