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空间光调制器LCOS-SLM的衍射效率

1. SLM衍射效率的概念

一级衍射效率是LCOS真正的“衍射效率”,是通过加载闪耀光栅时(将LCOS作为光栅使用)一级衍射光的能量占不加光栅时的零级光能量的百分比来定义的。


Diffraction efficiency = I1st/Iave[%]

其中,I1st是加光栅时一级光的能量,Iave是不加光栅时零级光的能量。


2. SLM衍射效率的参数

3. SLM衍射效率的测试方法

搭建一个如下图所示的小角度入射光路。入射光偏振方向和液晶分子排列方向相同,入射角小于10°,光阑直径10mm。


在空间光调制器上加载光栅的相位图,产生闪耀光栅的调制效果,衍射光栅可以设置为2阶、4阶、8阶、16阶,如下图所示:


根据相位调制和灰度值的关系,可以制作出以下几个光栅相位图。


将这些光栅相位图分别加载到SLM上,就可以得到经过光栅分光的光斑。


测量一级光和零级光的能量,根据公式 Diffraction efficiency = I1st/Iave[%] 进行计算即可。


4. SLM衍射效率的相关计算

衍射效率是与空间分辨率相关的,加载的光栅阶书越高,衍射效率越高,空间分辨率就越低。关系如下:


对于2 steps的光栅,一个线对包含一明一暗两条线,每条线占一个像素。

对于4 steps的光栅,一个线对包含明暗不同的四条线,每条线占一个像素。

对于8 steps的光栅,一个线对包含明暗不同的八条线,每条线占一个像素。

对于16 steps的光栅,一个线对包含明暗不同的16条线,每条线占一个像素。


光栅steps越多,每个线对中明暗(灰度,对应相位)分的级次就越多,包含的信息也就越多,可以将更多地光闪耀到一级光斑上,所以衍射效率就越高;但是由于LCOS每个像素每次只能设置一个灰度值,因此越高step的光栅就需要越多的像素来表达,这样就导致了高级次的光栅空间分辨率的下降,也就是在提高衍射效率的同时,必须牺牲空间分辨率。就好比一张报纸,每篇新闻写的越详细(相当于衍射效率高),能报道的新闻总数就越少(相当于空间分辨率)。


X10468系列的单像素宽度为20μm。


对于2 steps的光栅,每个线对2个像素,相当于40μm/lp,换算得25lp/mm。

对于4 steps的光栅,每个线对4个像素,相当于80μm/lp,换算得12.5p/mm。

对于8 steps的光栅,每个线对8个像素,相当于160μm/lp,换算得6.25lp/mm。

对于16 steps的光栅,每个线对16个像素,相当于320μm/lp,换算得3.125lp/mm。


X13267/X13138系列的单像素宽度为12.5μm。


对于2 steps的光栅,每个线对2个像素,相当于25μm/lp,换算40lp/mm。

对于4 steps的光栅,每个线对4个像素,相当于50μm/lp,换算得20p/mm。

对于8 steps的光栅,每个线对8个像素,相当于100μm/lp,换算得10lp/mm。

对于16 steps的光栅,每个线对16个像素,相当于200μm/lp,换算得5lp/mm。


根据光栅公式可得,理论上的衍射效率计算方法为:


其中,N为光栅每个周期内的液晶像素列数,例如2阶光栅N=2


可以看到,滨松的LCOS-SLM一级衍射效率是非常接近理论值的。


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