空間光調制器像素處光衍射的仿真

空間光調制器(SLM.0002 v1.1)

應用示例簡述

1. 系統(tǒng)細節(jié)

 光源

— 高斯光束

 組件

— 反射型空間光調制器組件及后續(xù)的2f系統(tǒng)

 探測器

— 視覺感知的仿真

— 電磁場分布

 建模/設計

— 場追跡：

 一個SLM像素陣列處光傳播的仿真，仿真中包括了SLM像素間無功能間隔引起的衍射效應。

2. 系統(tǒng)說明

3. 模擬 & 設計結果

4. 總結

考慮SLM像素間隔來研究空間光調制器的性能。

第1步

將像素間隔引入到一個先前設計的用于光束整形的SLM透射函數。

第2步

分析不同區(qū)域填充因子的對性能的影響。

產生的衍射效應對SLM的光學功能以及效率具有重大影響。

應用示例詳細內容

系統(tǒng)參數

1. 該應用實例的內容

2. 設計&仿真任務

由于制造和技術的原因，像素之間存在非功能間隔。這種典型的間隔會產生衍射效應，從而影響SLM的光學性能，并在接下來的工作中對其進行研究。

3. 參數：輸入近乎平行的激光束

4. 參數：SLM像素陣列

5. 參數：SLM像素陣列

應用示例詳細內容

仿真&結果

1. VirtualLab能夠模擬具有間隔的SLM

 由于可以嵌入組件，VirtualLab可以輕松的實現(xiàn)反射系統(tǒng)(如反射鏡，2f系統(tǒng)等)。

 內置的SLM模式可以實現(xiàn)從簡單透射函數到包含像素和間隔的陣列的自動轉換。

2. VirtualLab的SLM模塊

 為設置像素陣列，必須輸入像素陣列尺寸和區(qū)域填充因子。

 必須設置所設計的SLM透射函數。因此，需要輸入文件SLM_Transmission_Function.ca2的路徑。

3. SLM的光學功能

 在第一步，我們可以研究SLM后的電磁場。

 為此，將區(qū)域填充因子設置為60%。

 首先，獲得場(Ex方向)的振幅，分別顯示了SLM像素及其間隔的影響。

所用文件: SLM.0002_Diffraction_Pixels_SLM_01_Nearfield.lpd

 此處，場(Ex方向)的（Wrapped）位相如下圖所示，其中所有的間隔的相位值都為一個常數值。

所用文件: SLM.0002_Diffraction_Pixels_SLM_02_2DGrating.lpd

4. 對比：光柵的光學功能

 上述的像素效應可以用相似光學功能的2D周期結構的進行比較。

 所示函數(Ex的振幅)相當于一個SLM，其像素提供一個常數位相函數。

 通過這種光柵，能夠將光衍射到幾個衍射級次，衍射級次分布在x-和y-方向(由于二維光柵結構)。

 級次越高振幅衰減越快，所以只有0級，1級以及2級貢獻了主要的光強部分。

 這意味著，對于SLM，我們所期望的光分布具有有較高的級次，其光強由區(qū)域填充因子決定。

所用文件: SLM.0002_Diffraction_Pixels_SLM_02_2DGrating.lpd

5. 有間隔SLM的光學功能

現(xiàn)在，基于像素陣列的區(qū)域填充因子，我們可以在傅里葉平面研究SLM的光學功能。

所用文件: SLM.0002_Diffraction_Pixels_SLM_03_2DGrating.lpd

下圖顯示了(Ex方向)光強分布，圖中具有相同的振幅比率。

6. 減少計算工作量

采樣要求：

 至少1個點的間隔(每邊)。

 如在有效區(qū)域，用戶指定60%區(qū)域填充因子，模塊在激活區(qū)域計算5×5點的等間距采樣。

采樣要求：

 同樣，至少1個點的間隔。

 假設指定90%區(qū)域填充因子，模塊計算25×25點的等間距采樣。

 隨填充因子的增大，采樣迅速增加。

 為優(yōu)化大填充因子條件下的計算工作量，減小相關陣列尺寸是非常有效的方法。

 如果被照明區(qū)域小于陣列尺寸(標記區(qū)域包含光強的90%)，這種簡化是非常適用的。

 如果只考慮標記的范圍，僅計算SLM的320×320個像素即可(SLM模塊自動刪除了透射函數邊界)。

 通過優(yōu)化，計算工作量減少了4.7倍。

7. 指定區(qū)域填充因子的仿真

 由于間隔非常狹窄，Hamamatsu’s X10468 指定填充因子為98%，需要更多的采樣點進行計算。

 全陣列尺寸798×600像素將需要79992×60600個采樣點，需要極高的計算量。

 因此，可適當減小陣列尺寸到320×320像素，采樣點數目為32320×32320。

 在優(yōu)化的幫助下，可對指定區(qū)域填充因子進行研究(該仿真仍需約256GB的內存)。

8. 總結

考慮SLM像素間隔來研究空間光調制器的性能。

第1步

將像素間隔引入到一個先前設計的用于光束整形的SLM透射函數。

第2步

分析不同區(qū)域填充因子的對性能的影響。

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 開始視頻

-    光路圖介紹

 該應用示例相關文件：

-     SLM.0001：用于生成高帽光束的SLM位相調制器設計

-     SLM.0003： 一個基于SLM光束整形系統(tǒng)的中透鏡像差的研究