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基于空间光调制器LCOS-SLM应用的常见算法介绍

本网页为滨松绝对量子产率分析仪Quantaurus-QY在实际使用中的FAQ。

内容概要


在讲座视频中,滨松中国工程师分享了基于空间光调制器(LCOS-SLM)常见算法的基础知识。包括二维点阵生成算法、三维点阵生成算法、平顶光生成算法、焦点纵向伸长的算法、0级光消除方法、基于MATLAB的实际编程等实操技巧,以及常见问题的解决办法。讲座内容分为以下具体部分:


00:00:21 为什么SLM需要编程算法 

00:03:07 讲座旨在解决的问题 

00:03:39 二维点阵生成算法 

00:21:08 三维点阵生成算法 

00:28:26 平顶光生成算法 

00:37:09 焦点纵向伸长算法 

00:42:21 零级光消除方法 

00:48:28 基于MATLAB的编程实例 

01:02:27 滨松的相关产品&服务介绍 

01:04:59 联合实验室 

01:05:44 Q&A 

01:20:34 联系方式

 

讲堂视频



Q&A


Q:为什么用MATLAB仿真出来的强度分布结果都是毛刺?



在计算完相位,使用fft进行衍射强度分布的模拟的时候,需要注意是需要取幅值进行绘图,而不是使用实部进行绘图。即:


a=exp(i.*c*2*pi/255); 

d=fft2(a); d=fftshift(d); 

d=abs(d);%用abs取幅度值,然后进行成像。 

imagesc(d) 


如果为了取得更好的模拟效果,推荐使用virtuallab软件进行模拟,他在计算的时候会考虑更多的细节,而且可以z轴不同位置上光强的分布,也适合用来初步验证三维点阵的算法。


Q:可以产生涡旋光的阵列么?


可以的。可以先生成涡旋光的相位fai1,然后再计算点阵的相位fai2,然后再把两个相位叠加(等价于先后经过两个器件的那种叠加),就可以生成涡旋光阵列。


Q:两束不同波长的合束激光,使用一个空间光调制器,可以调制光束的吗?


是可以调制的,不过调制器对不同波长引入的相位是不一样的,所以计算的时候要考虑这一点。取决于具体应用。可以考虑针对不同波长分别计算自己的相位图,然后快速交替载入,就会好像同时控制了两个波长的光一样。可以参考文献Full-color holographic 3D display using slicebased fractionalFourier transform combined with free-space Fresnel diffraction.



Q:请问有什么办法,来产生轴向明暗等间隔光强分布?


如果是明暗相间的多焦点,就可以在进行菲涅尔透镜相位叠加法中,对于不同焦距的点对应的菲涅尔透镜相位,引入一个系数,再进行相加。 


如phase=angle(c1*exp(i*fai1)+c2*exp(i*fai2)); 


其中c1和c2就是对应的系数,系数大,则生成的衍射光强度会相对较高。如果是连续的明暗分布,那就需要使用三维IFTA。


Q:哪种算法可以支持kHz速率调制?


目前khz调制一般LCOS-SLM是无法实现的, 假如未来有这么快的SLM,为了也实现这么高的计算速度,那种基于闪耀光栅和菲涅尔透镜相位的速度是可以满足要求的。普通的GS算法如果结合了GPU计算,理论上也是可以的。 



Q:光斑大小和像素是什么关系?


如果入射到SLM上光斑如果过小,则点阵每个点会相对较大,看起来比较模糊。所以要尽可能覆盖多的SLM像素。则点阵中每个点的大小基本上就是光直接经过透镜汇聚产生的点的大小。


Q:请问滨松自带软件的全息图生成算法是ppt里面说到的IFTA算法吗?


是的。


Q:对于一个n*n的阵列,目标点阵的强度是如何设置,是否影响结果?


默认就是设置为点阵每个点强度一致就可以了。如果需要的是不同点强度不一致,只需要将目标强度设置为想要的强度就行。注意因为GS运算中,实际上是基于电场强度E进行计算,而不是功率强度。所以需要考虑开根号等。


Q:菲涅尔透镜相位对系统焦距影响如何?


可以参考如下公式和图片:




Q:GS算法中频谱面和SLM的空间采样间隔是否必须一致,且为SLM像素间隔?


这个的具体考虑方式可以参考“GS算法编程实际考虑内容-目标图像设计”即可。目标图像多大的分辨率都可以,只需要根据长度P,计算好点和点之间的像素距离既可以。在计算之后,再把计算得到的相位图拼接载入到SLM上。


Q:单个菲涅尔镜的分别使z偏移与多个菲涅尔镜全息图叠加使Z的偏移是一致的吗?会不会叠加了,有误差?


是一致的。注意这里是用的phase=angle(exp(i*fai1)+exp(i*fai2));这种类型的叠加。



Q:如果多副相位图叠加会不会对SLM调制精度产生影响呢,如何减小这种影响呢?


是有可能的,如果点过多,可能会导致相位图过于复杂,0-2p过渡过多,影响精度和效率。可以考虑采用其他更好的算法进行计算,会降低相位复杂度。


Q:还有整形后的光斑的每一个点的偏振态如何调制?


如果是生成xy点阵,想要控制每个点的偏振,那么一般是需要两个SLM。可参考文章Three-dimensional vectorialmultifocal arrays created by pseudo-period encoding。而如果是类似于生成径向光这种应用,可以参考头两场直播中的ppt。这种需要结合半波片等进行使用。


相关资料



本文详细介绍了空间光调制器装机的整个过程。


本文针对滨松LCOS-SLM的选型、重要参数进行解析。


本文阐述了空间光调制器的强光损伤原理,并列举了滨松空间光调制器多个光强测试案例。


LCOS是不能照射超过阈值的光的,如果超过阈值光强,则会发生损伤,轻则线性度下降,重则液晶层融化。本文将提供一系列空间光调制器LCOS-SLM光强阈值资料,并对其计算方法进行介绍。


本文介绍了滨松板级LCOS-SLM X15223用于双光子激发显微成像的应用案例。


滨松正式推出X15223系列板级空间光调制器LCOS-SLM,该产品相较于原板级产品体积缩小一倍,并推出了新的波长范围可供选择,包括了三个波段的水冷型号,产品性能保持不变,并在保留DVI连接方式的同时新增了USB2.0连接方式。


本文主要是对基于MATLAB进行SLM相位图生成的编程指导。


# 相关产品




# 参考文献



The generation of flat-top beams by complex amplitude modulation with a phase-only spatial light modulator



Holographic projection of arbitrary light patterns with asuppressed zero-order beam



Dynamic laser beam shaping for material processing using hybridholograms



Single-pulse writing of a concave microlens array Elimination of a zero-order beam inducedby a pixelated spatial light modulatorfor holographic projection



Ultra long high resolution beam by multi-zone rotationally symmetrical complex pupil filter



Dynamic three-dimensional multifocal spots in high numerical-aperture objectives



Axial multifocal spots generated by sectored phase-only modulation under tight focusing condition



A high-accuracy algorithm for designingarbitrary holographic atom traps



Iterative Fourier-transform algorithm applied to computerholography



Surface nanoprocessing with nondiffractingfemtosecond Bessel beams



Computer generation of optimalholograms for optical trap arrays



Iterative algorithms for holographicshaping of non-diffracting andself-imaging light beams



Reduction of two-photon holographic speckle using shift-averaging



# 相关工程师


 

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