空间光调制器LCOS-SLM的使用

 

  SLM(Spatial Light Modulator，空间光调制器)是可以调节光波前的振幅或相位的光学器件。 基于LCOS(Liquid Crystal On Silicon, 硅基液晶)的SLM是由液晶像元组成的像素阵列，通过调节每个像素液晶分子偏转方向，LCOS-SLM可以单独地对入射到每个像素位置的光进行调制。滨松LCOS-SLM液晶分子偏转方向垂直于SLM平面，属于相位调制类SLM，只改变光的相位，而不影响光的强度和偏振状态。

  滨松的SLM相比于竞品具有线性度好，相位稳定性好的优点，使其广泛的应用在在光通信、生物医学、全息等领域。而通过精心设计散热结构，选择反射率高的反射镜镀膜，滨松SLM的抗损伤阈值更是在市场上遥遥领先，使其非常适合应用于激光加工领域，包括二维码打标、激光打孔、表面切割，隐形切割等。

  FAQ1. 样品加工参数与SLM的参数的关系?

  基于SLM的一次性最大加工的面积(不移动样品，不扫描激光)等于场镜焦距*激光波长/像素大小。因而对于1030nm/1064nm的波长，使用x13138/x13139等像素尺寸为12.5um的SLM，基本可以近似认为加工的面积等于场镜焦距的1/12.

  并行加工中每个点的大小：在光路优化足够好的条件下，每个焦点的大小与不加SLM，直接通过透镜聚焦的点大小一致。

  并行加工点之间最小距离：等于最大加工面积/SLM像素尺寸得到的值d1与并行加工焦点大小的值d2里的最大值，即最小距离=max(d1,d2)。

  FAQ2. 基于SLM进行并行加工，点阵的位置稳定性如何?

  使用SLM进行并行加工的时候，点阵的稳定性主要取决于SLM上的相位稳定性。根据文献，使用滨松的SLM，由于相位不稳定性导致的点阵的漂移可以用场镜焦距*0.06urad计算，例如对于150mm焦距长度的场镜，点阵漂移大概是9nm，远远小于焦点大小，可以忽略不计。

  FAQ3. 基于SLM与基于DOE加工的优缺点?

  DOE与SLM均可以对光束进行调制，来提高加工效果或者效率，比如生成点阵实现并行加工，生成纵向多焦点等。

  ♣DOE

  优点：由于像素尺寸可以很小，可以生成较大的加工面积，比如较大的点阵，较大的平顶光。

  缺点：相位固定，无法调节，不适合那些需要相位变换的场景，比如内部打标，斜面切割等。

  ♣SLM

  优点：相位可以通过电脑任意控制，因此非常适合那些需要相位不断调节的加工场景，比如对于样品不同深度进行内部加工，球差随着深度产生变化。对于不同系统引入的像差，也可以使用SLM进行校正。

  缺点：由于像素尺寸有限，单次加工面积没有DOE大。

  FAQ4. SLM加工对比基于普通扫描镜加工的优点?

  普通扫描镜加工是一点一点进行加工的，加工速度比较低。而且随着激光器的发展，激光器的功率越来越高，为了防止损伤加工工件，在进行单点加工的时候，往往需要降低激光的能量，导致无法充分利用激光器的功率。 而使用SLM可以生成点阵实现并行加工，可以显著的提高加工速度。此外因为激光功率被平均分配到点阵的各个点上，因而不需要对激光器的功率进行衰减就可以，从而充分的利用了激光的功率。

  FAQ5. 载入CGH计算所需要的目标图像的时候，应该选择什么分辨率的图像?

  从分辨率来说载入的目标图像的分辨率越小，CGH的计算速度越快(基于GS算法)。 但是对于同样的图案，如果是图像分辨率比较小的话，生成的衍射图像中可以清楚的看到图像是由点阵组成的。

  而如果图像分辨率分辨率足够大，那么衍射图像中的点阵效应就不太明显。 这是因为经过SLM调制相位之后，最终是在透镜后焦面尺寸为L*L的方形区域内生成对应目标图像的点阵，其中L=镜头焦距*激光波长/SLM像素大小。注意比如目标图像是128*128分辨率图像，而比如上图中HPK区域长度是64像素，那么在透镜后焦面，HPK对应的长度就为64/128*L; 因而点和点之间的最近距离可用L/目标图像的分辨率得到。所以在目标图像分辨率低的时候，点和点之间的距离比较大，可以看清楚。但是当目标图像分辨率高的时候，点和点之间距离小，就区分不出来了。

  例如我们使用x13138的SLM，SLM像素大小是12.5um，透镜焦距是125mm，激光器波长是800nm，则最大加工尺寸是8mm，因而如果HPK目标图像分辨率是128*128的话，则点与点之间最近距离是8mm/128=62.5um，远大于每个亮点的本身大小，所以看到点阵。而如果HPK目标分辨率是1024*1024的话，则点与点之间最近距离是8um/1024=7.8125um，小于每个点的大小，因而无法看出来是点阵，而是连在一起。

  所以如果是点阵的话，可以选用分辨率比较小的目标头像即可。而如果目标是生成类似于各种平顶光的话，则需要尽可能选择大分辨率的目标图像。

  从图像比例来说，因为经过SLM调制之后，生成的衍射图像最大范围是一个正方形，所以目标图像最好也使用正方形的比例，这样计算之后不会变形。

  FAQ6. 能否实现幅度调制，偏振调制?

  虽然滨松的SLM是相位调制器，但是通过恰当的配置也是可以实现的，可以通过在前后添加相应的1/4玻片,偏振片等来实现，如下图是一个常见的调制幅度的光路构型。

  FAQ7. 如何同时控制两个滨松的SLM?

  可以的，由于滨松的SLM是基于DVI进行控制的，计算机是无法识别SLM的ID 的，因而无法通过识别ID来单独控制每个SLM。 所以一个比较容易实现的的解决方案是买一个DVI转3DVI的转接线，这个DVI的转接线可以把RGB三色分离到三个DVI头，这样就可以最多同时控制三个SLM，把一个24位的BMP彩色图像使用MATLAB或者LabVIEW投屏到DVI所对应的显示器中，则其中一个SLM获取的R通道的图像信息，另外两个SLM分别获得是G通道和B通道的图像信息。

  FAQ8.如何实现高帧率的相位图更新?

  由于编程优化的问题，使用滨松自带软件LcosControl在进行图像播放的时候，速度较低，最高可以实现大概1帧每秒的播放速度。为了实现高帧率的更换相位图像，建议客户自己使用MATLAB或者LabVIEW进行编写。此外滨松新版本的控制软件正在测试中，本软件是基于LabVIEW编写，相位图的更新速率大幅度提高，此外也加入了常见相位图的生成功能，敬请期待。

  而对于OEM类型的SLM，可以预先将相位图像存储到SLM控制板内的内存卡中，再使用程序控制相位图的更换，此时相位图更换对比普通类型的SLM少了16.6ms的延迟时间，因而可以实现更快的更换速度。

  FAQ9. 如何提高并行加工的均匀性?

  A：并行加工中每个点强度的均匀性是由两点决定的，一是IFTA算法本身。二是由于光路的偏折，激光模式不好，光路中透镜引入的像差等。因而对于加工均匀性要求不是很高的场合，可以使用普通的GS算法就可以了。如果希望提高加工均匀性，可以使用效果比较好的算法，比如GSW,GSA算法等。而如果希望加工均匀性达到最佳，则需要使用额外的相机观察并行光斑强度，基于强度分布反馈给SLM进行相位优化，从而达到最佳的效果。

  FAQ10. 消除零级光的方式

  A：零级光是由于SLM表面玻璃反射，像素间隔之间的反射，以及相位图本身效率不高导致的。所以消除零级光的方式首先是改进算法，如下图是分别使用GSW算法(左图)和GS算法(右图)计算点阵得到的结果，可以看到由于GSW计算的相位图有更高的衍射效率，所以0级光相比于GS算法得到的结果显然更加微弱。

  此外常见的用来消除0级光的方式包括叠加菲涅尔透镜透镜相位(使衍射图像和0级光在z方向分离)与叠加闪耀光栅相位(将衍射图像和0级光在xy方向上分离，从而可以使用光挡将0级光彻底去除)。此外有文献发现，同时叠加菲涅尔透镜相位和闪耀光栅相位，对于消除0级光的效果更佳。此外，还有更好的方式是通过选择合适的加工点数，使点阵中每个点的强度与0级光一致，从而将0级光也作为加工的点使用。或者是主动在0级光区域生成一个点，且相位与0级光相反，从而可以消除0级光。

  FAQ11. 在进行IFTA计算的时候，是否要考虑入射光的分布?

  最好可以考虑入射光强的分布，不过这个主要是可以提高光的衍射效率，降低0级光的影响，但是对并行加工时点阵的均匀性影响不大。

  FAQ12. 如何快速确定SLM好使?

  主要分为3步：

  连接电脑，打开SLM控制器 ，查看第二显示器，可以看到SLM被识别，分辨率准确。这步证明控制器与电脑连接没有问题。

  直接观察SLM表面，随便在电脑上拖动一个文件夹到第二显示器界面晃动，可以在SLM上文件夹的移动。这步证明SLM的头与控制器的连接没有问题。

  设置好波长，选择HPK图像，右键选择create CGH， 然后在2nd monitor设置菲尼尔透镜焦距为-400，选择激活菲尼尔透镜相位，此时在距离SLM大概400mm的位置，就可以看到清晰的HPK图像了。这步证明SLM工作没有问题。如果除了清晰的HPK图像，还可以看到很明亮的光斑，那么大概率是入射激光的偏振方向不对或者是偏振光不过线性。

  FAQ13. 为什么叠加了校正相位，直接观察反射光斑反而变差了?以及为什么不叠加校正相位，同时还可以得到不错的衍射图像。

  A：因为SLM内部反射介质镜或者铝镜的不平整度实际上是连续的平滑的不平整，所以直接观察反射光效果会很好。而为了校正表面不平整，叠加的相位图大体如下图所示

  可以看到相位中有一些0到2pi的阶跃，这些阶跃相位会导致衍射效应，使光斑效果不佳。但是如果使用透镜，在透镜后焦点位置观察衍射图像的效果的话，效果会变的更好的。

  此外相位校正图像是在25度的环境下测量和计算得到的。如果工作的环境与25度有偏差，也会影响最终的实验结果的。

  而对于为什么不叠加校正相位，仍然可以得到不错的衍射图像，这是因为如上所述，SLM内反射镜不平整是平滑的很连续的，这些平滑的相位变化，在经过透镜之后，对衍射图像几乎没有影响。所以即使不叠加校正相位，仍然可以得到不错的衍射图像。

审核编辑 黄宇