液晶空间光调制器用于光学测量的研究

研究了利用液晶空间光调制器的相位调制特性进行光学测量的方法。测试美国BNS公司反射式256×256纯相位液晶空间光调制器,相位响应呈非线性。利用反插值法对非线性相位响应进行了校正,使非线性度缩小1/8,获得了该器件线性的相位响应曲线。利用液晶空间光调制器产生相息图,能够将PV值为0.78λ,均方根为0.13λ的不规则波面,调制成PV值为0.27λ,均方根为0.02λ的近似平面波。实验结果表明,液晶空间光调制器作为补偿器能够应用于任意光学表面的测量。     

共路外差干涉测量液晶空间光调制器相位特性

为了对液晶空间光调制器进行高精度的校准, 使其满足线性相位调制的应用需求, 采用共路外差干涉法测量了液晶空间光调制器的相位调制特性, 分析了实验系统的测量原理, 取得了液晶空间光调制器相位调制量随输入灰度值变化的实验数据, 并进行了线性校准。结果表明, 实验中所用的液晶空间光调制器的最大相位调制量为2.55π, 利用反插值法对20~240灰度范围内的相位调制曲线进行线性校正后的理论相位调制曲线非常接近理想线性曲线, 相位调制曲线与理想线性调制曲线的相关系数可达0.9996;该测量方法可克服传统测量方法对图像处理的依赖性, 具有较高的测量精度, 相位调制量直接通过锁相放大器就可获得。该研究为基于液晶空间光调制器的高精度波前校正和精密测量提供了参考。     

液晶空间光调制器与相干光波前实时变换

介绍了一种利用纯相位调制液晶空间光调制器进行波前相位实时变换的方法,可将相干平面波变换成任意期望的波前。该方法采用由伪随机编码产生初始相位矩阵的相位恢复优化算法,从期望的远场衍射图形得到液晶空间光调制器所在衍射面的相位分布,当单色相干平面波通过液晶空间光调制器时,利用液晶空间光调制器纯相位调制特性复现该相位分布,在远场产生期望的衍射图形。实验验证了上述波前实时变换的可行性。     

液晶空间光调制器的斜入射特性

对液晶空间光调制器(LC-SLM)在读出光斜入射下的理论进行了推导,建立了读出光斜入射时液晶空间光调制器的理论模型,并进行了模拟计算。以正入射时液晶空间光调制器的电压—输出光强的关系,推导出液晶空间光调制器在不同调制电压下液晶分子的转角,从而进一步计算相位差。结果表明,随着入射角的增加,液晶层的相位调制深度逐渐减小;随着分子倾角的减小,相位调制深度逐渐升高,即随着写入光的增强,加到液晶层两端的电压增加;随着入射角的增加,读出光强的初相位逐渐减小,但该初相位值并不大,即使在入射角10°下达到最大,也仅为0．21π。计算结果与实验数据相吻合。     

泰曼-格林干涉仪测量液晶空间光调制器的相位调制特性

为了评价美同BNS公司反射式256 pixel×256 pixel纯相位液品空间光调制器(LC SLM)的性能,提出利用泰曼-格林干涉仪对相位调制特性进行干涉测量.实验结果表明,液晶空间光调制器的相化随灰度呈非线性分布,利用反插值法建立线性查找表,校正了器件的非线性.非线性度由原来的17.23%减小到2.85%;中心与边缘的相位调制,在同一灰度级最大相位差达到0.22π,中心相位调制均方根误差是边缘的4倍,说明该器件存在相位调制的不均匀性,中心相位误差较大,在波前控制中应给予校正.     

相位型光寻址空间光调制器稳定性分析

基于光寻址空间光调制器的等效电路仿真及稳定性测试实验,对纯相位型光寻址空间光调制器的稳定性进行分析和优化。结果表明,光阀液晶层的电压脉冲波形会引起光寻址空间光调制器对读出光的相位调制波动,而驱动电压频率与写入光强度同时影响相位调制波动幅度及相位调制量。由实验测量得到的光寻址空间光调制器的相位改变量曲线可知:当驱动电压周期比响应时间小95%时,最大相位改变量对应的相位波动率减小为0.35%,但此时相位调制能力仅为0.8λ;通过优化光寻址空间光调制器驱动条件参数,可获得1λ的相位调制能力,同时最大相位改变量对应的相位波动率为1%。     

液晶空间光调制器用于波前校正的研究

为了提高液晶空间光调制器用于波前校正的精度,测试了美国BNS公司反射式255×256像素纯相位液晶空间光调制器.由于非线性相位响应特性会降低该器件用于波前校正的性能,因此通过反插值法将相位调制曲线的非线性度减小到原来的1/8,建立了0～2π区间内相位与灰度之间的线性关系.以液晶空间光调制器作为渡前校正器,数字相移干涉仪作为波前传感器,对含有高频误差的不规则波面进行了测量和误差校正.畸变波前的峰谷值(PV)由校正前的0.78A减小到校正后的0.27A,均方根(RMS)由校正前的0.13λ减小到校正后的0.02λ.实验结果表明:液晶空间光调制器能够代替传统的变形镜,实现低成本、高分辨、高精度的波前校正.     

液晶空间光调制器过驱动方法的FPGA实现

针对空间光调制器系统中,液晶在正常驱动电压下响应时间长,拖慢系统响应速度等问题,对影响液晶响应时间的因素、液晶的弛豫特性以及液晶的过驱动原理进行了分析,提出了一种基于FPGA （Field－Programmable Gate Array）的液晶过驱动方法。其中,相位量化、过驱动表查找、PWM （Pulse Width Modulation）产生均由FPGA完成,该方法不占用CPU （Central Processing Unit）资源,能够更快速响应CPU指令,在硬件方面进一步节省了液晶响应时间。最后搭建实验光路,实验结果表明使用该过驱动方法后,一个调制周期范围内,在5 V过驱动电压下,液晶调制相位上升过程响应时间从500 ms缩短至35 ms;下降过程响应时间从300 ms缩短到36 ms。实现了液晶分子相位的快速偏转,提高系统的响应速度近一个数量级。     

基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法研究

针对液晶空间光调制器阵元间相位调制量偏差降低光束衍射效率的问题,提出基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法。依据泰曼-格林干涉原理,搭建了相位调制系统。对调制器加载阶梯变化的灰度图,通过计算干涉条纹移动量,绘制液晶空间光调制器相位调制曲线。采用三次样条反插值法对相位调制曲线进行校正,实现对相位调制量的相位补偿。搭建液晶空间光调制器衍射效率测试系统,对所提优化方法进行实验验证,并与随机梯度下降法进行了对比。结果表明:当光束偏转角度为1.56°、0.78°、0.39°、0.19°时,文中所提方法提高了30%~40%的光束衍射效率,相较于随机并行梯度下降法,衍射效率提高了2%~8%。该方法有效抑制了栅瓣能量,提升了主瓣光束衍射效率,克服了随机并行梯度下降法迭代次数多,优化速度慢,易陷入局部最优的缺点。     

基于液晶空间光调制器相位调制的波面转换

本文介绍了一种基于液晶空间光调制器（LCSLM）相位调制特性的波面转换方法,可将入射光变换成任意波面。测量了液晶空间光调制器相位调制特性,得到相位和灰度的对应关系;分别以几何理论和G-S算法为基础计算出衍射光学元件（DOE）的表面相位分布;将DOE表面的相位分布转换为灰度分布显示在LCSLM上,使得LCSLM具有波面实时转换功能;并以高斯激光为入射光对其进行波面转换实验,实验结果证明了设计方法的准确性及可行性。     

基于液晶空间光调制器的同步移相共光路干涉技术

为了实现透明物体的相位测量,提出一种基于液 晶空间光调制器(LC-SLM)的同步移 相共光路干涉 方法。在由4f光学成像系统构成的三窗口共光路干涉仪基础上, 利用LC-SLM的灰度调制能力,在 LC-SLM上加载光栅进行频域滤波,进而通过1次曝光获得3幅移相干涉图实现相位测量。 给出了本文 方法的相位恢复数学模型,并通过光学实验对本文方法和标准四步相移算法的性能进行了比 较,最后通过重 复实验对方法的稳定性和重复性进行了评估。结果表明,本文方法具有较好的相位恢复效果 ,而且稳定性和重复性以标准差表示时分别可达0.032rad和 0.073rad。     

液晶空间光调制器相移特性研究

根据计算全息原理和傅立叶变换的位移原理,将液晶显示器作为光学显示元件,通过适当改变显示在液晶显示器上的计算全息图的编码,对液晶空间光调制器进行相移特性系统研究。实验测量表明液晶空间光调制器相移系统具有很高的精确性、可重复性和稳定性,并验证相移系统在同轴数字全息中使用的可行性。     

结合高位深相位光栅图的LC-SLM标定

为了提高对液晶空间光调制器（LC-SLM）的校准精度,采用高位深相位光栅图对LC-SLM进行了标定。在LC-SLM上加载16位深度相位光栅图,并使光束经LC-SLM调制后生成衍射光斑;测量衍射光斑中心光强,经过计算分析得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系,最终得出针对488nm激光的LC-SLM标定LUT文件（LUT16）。结果表明,在LC-SLM上加载0~2π涡旋相位,并结合LUT16文件调制光束可以得到光斑质量很好的中空光斑,这与结合LUT8文件调制的中空光斑相比,光斑质量从0.53提高到0.76,提高了1.43倍。针对特定波长,利用高位深相位光栅图标定LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载相位对光束进行有效调制,且调制效果优于结合LUT8对光束进行调制的结果,对LC-SLM的校准精度得到提高。     

利用快速相位反馈控制输出变换极限飞秒激光脉冲

报道了利用简化的频率分辨光学开关法快速测量飞秒激光脉冲,并形成反馈,控制液晶空间光调制器,补偿非线性光纤飞秒激光放大器输出脉冲的啁啾,获得了脉冲宽度74 fs的变换极限脉冲。     

采用条形光栅相位图的液晶空间光调制器的标定

为了提高液晶空间光调制器（LC-SLM）的校准精度,采用条形光栅相位图对LC-SLM进行了标定。首先基于傅里叶光学模拟计算得出了条形光栅相位图对比度与零级衍射光斑光强之间的对应关系,然后搭建实验光路并在LC-SLM上加载了条形光栅相位图,测量LC-SLM控制程序中加载的灰度图所对应的零级衍射光斑光强值,经过分析计算得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系,并最终得到了针对488 nm激光的LC-SLM的标定文件LUT。经过标定之后,相位调制曲线的线性相关度可达0.996 4,校正误差仅为0.224 0 rad。结果表明,在LC-SLM上加载复杂的高阶相位,并结合LUT文件可以调制生成高质量的双螺旋光斑。此研究结果表明:针对特定波长,利用条形光栅相位图标定的LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载的相位对光束进行有效调制,且其方法更简单。     

液晶空间光调制器用于光束偏转控制的衍射效应

液晶空间光调制器(LC-SLM)能实现光束动态偏转,而它的像素结构以及相位回卷方法造成的衍射效应使其光效率降低.通过数值仿真和实验分析了像素结构造成的衍射效应,给出了像素填充因子和衍射效率的关系.利用256 pixel×256 pixel的液晶空间光调制器构建动态光束偏转实验装置,使入射光束偏转不同角度时测量远场光斑强度,得到衍射效率随光束偏转角的变化关系.理论分析与实验结果表明,填充比越小,像素结构造成的衍射效应越强,衍射效率降低;当填充比为0.85时衍射效率的测量值仅为51.3%.相位回卷方法使液晶空间光调制器形成类似闪耀光栅结构,随着光束偏转角度的增大,衍射效率降低.     

基于LC-SLM的CT图像全息三维重构与实时显示

提出了一种将计算全息技术与液晶空间光调制器相结合的CT图像三维重构与实时显示的方法。用计算全息技术对一系列CT图片进行三维信息融合,并根据CT图片数目的不同,制作了不同的计算全息图,基于CT图片本身是数字化二维图像的特点,采用了快速傅里叶变换算法。用液晶空间光调制器作为全息图显示载体,设计了CT图像三维实时显示系统,利用计算机控制实时输出不同的计算全息图到空间光调制器,通过光学再现获得不断变化的三维再现像,实现CT图像的三维实时显示。     

LC-SLM调制传递函数的实验研究

根据液晶空间光调制器调制传递函数的定义和测量方法,建立了测量LC-SLM调制传递函数的实验系统,对EPSON 0.9 in L3D09H-41C00型液晶空间光调制器的调制传递函数进行了测量,得到了调制传递函数曲线,并对实验测量结果进行了分析和讨论.     

Generation of regular optical vortex arrays using double gratings

In order to generate high quality regular optical vortex array (OVA), we present an experimental method for generating OVA using phase only liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM) assisted two gratings. In the scheme, holograms of two grating are displayed on the screen of two LC-SLMs respectively; the diffraction optical fields are captured by a CCD camera. The simulated and experimental results show that the regular OVA can be generated by using double diffraction gratings. The generated OVAs have a constant topological charge of ±1. The method can provide a useful pathway to produce regular OVA for some applications in optical communication, particle trapping and optical metrology.