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    [技術(shù)]設(shè)計(jì)相位型空間光調(diào)制器以生成高帽光束 [復(fù)制鏈接]

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    空間光調(diào)制器(SLM.0001 v1.1)

    應(yīng)用示例簡述

    1. 系統(tǒng)說明

    光源

    — 高斯光束

     組件

    — 反射型空間光調(diào)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

    — 效率、SNR，一致性偏差，雜散光評估

     建模/設(shè)計(jì)

    — 基于迭代傅里葉變換算法（IFTA）設(shè)計(jì)位相傳遞函數(shù)，將高斯光束整形為高帽光束

    — 場追跡：光在空間光調(diào)制器像素陣列的衍射。

    2. 系統(tǒng)圖示

    3. 建模與設(shè)計(jì)結(jié)果

    4. 總結(jié)

    VirtualLab內(nèi)置的工具，如：

     迭代傅里葉變換算法(IFTA)

     一個輔助會話編輯窗口

     經(jīng)典場追跡仿真引擎，提供多樣化選項(xiàng)以最合適的方法來處理衍射效應(yīng)。

    我們可以：

    1. 為反射空間光調(diào)制器(SLM)生成一個優(yōu)化后的位相調(diào)制分布設(shè)計(jì)

    2. 在最終系統(tǒng)的設(shè)置中對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

    應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容

    系統(tǒng)參數(shù)

    1. 內(nèi)容概覽

     首先在系統(tǒng)詳述中給出了仿真參數(shù)、常規(guī)系統(tǒng)以及評估結(jié)果。

     接下來通過一步一步的描述來幫助你了解如何設(shè)置此系統(tǒng)。

     最后的部分給你必要的信息，即到處必要的設(shè)計(jì)核分析數(shù)據(jù)以用于實(shí)際的SLM模塊。

    2. 應(yīng)用實(shí)例的內(nèi)容

    3. 設(shè)計(jì)&仿真任務(wù)

     對于2F系統(tǒng)和一個給定的SLM，我們設(shè)計(jì)了所需的位相用于生成一個矩形高帽光束(超級高斯)光分布。

     SLM偏折光線以在遠(yuǎn)場生成高帽形狀光束，傅里葉透鏡將光束聚焦，并決定了最終的工作距離。

    4. 參數(shù)：輸入激光束

    文件: SLM.0001_TopHat_SLM-Design_1_InputField.ca2

    5. 參數(shù)：2f系統(tǒng)&期望輸出光束

    文件: SLM.0001_TopHat_SLM -Design_2_OutputField.ca2

    6. 參數(shù)：設(shè)計(jì)條件

     一般DOE vs SLM設(shè)計(jì)

    對于結(jié)構(gòu)置于基底材料的衍射光學(xué)元件，像素尺寸在x和y方向可以自由選擇。對于SLM應(yīng)用， 這些尺寸都是基于SLM的像素尺寸而固定的。

     反射系統(tǒng)

    在反射SLM系統(tǒng)中，其SLM是傾斜的，入射光僅可以“看見”傾斜的SLM像素區(qū)域。因?yàn)樵O(shè)計(jì)和優(yōu)化算法都是假設(shè)光線垂直入射，因此，傳輸函數(shù)的像素尺寸必須適應(yīng)設(shè)計(jì)。

    7. 參數(shù)：SLM像素陣列=傳輸

    在該設(shè)計(jì)中，忽略了SLM像素間隔。

    如在SLM.0001中，我們假設(shè)一個區(qū)域填充因子為100%。

    (*)實(shí)際上Hamamatsu X10468的區(qū)域填充因子為98%。其效應(yīng)將如SLM.0002標(biāo)題所述。

    8. 設(shè)計(jì)的壓縮長度

     由于反射系統(tǒng)相對于Y軸有一個傾斜角度，垂直的入射光，以壓縮視圖的方式看SLM的X方向的長度。

     對于本設(shè)計(jì)—采用正入射考慮的迭代傅里葉變換算法—通過將SLM的X方向長度及其像素尺寸分別乘以因子 以顧及到傾斜角度的影響：

    9. 輔助設(shè)計(jì)&優(yōu)化

     VirtualLab提供了一個會話編輯器用于光束整形中協(xié)助用戶配置設(shè)計(jì)和優(yōu)化文件。

     其更多地用于經(jīng)典衍射光學(xué)元件(DOE)的設(shè)計(jì)，因?yàn)槠湎袼爻叽缡亲兞�，具體的大小將在設(shè)計(jì)過程中定義。

     對于一個SLM系統(tǒng)，元件的像素尺寸是一個固定參數(shù)，因此必須在會話編輯器中手動指定。

    文件:SLM.0001_TopHat_SLM -Design_3_DesignDoc.ca2

    10. 設(shè)計(jì)結(jié)果：位相傳遞函數(shù)

    相鄰的位相分布結(jié)果以2π模顯示。

    文件:SLM.0001_TopHat_SLMDesign_4_DesignedTransmission.ca2  

    應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容

    仿真&結(jié)果

    1. 設(shè)計(jì)結(jié)果：評價函數(shù)&輸出

     設(shè)計(jì)結(jié)果的特征參數(shù)可在分析標(biāo)簽頁內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。輸出場(振幅)以偽彩色(彩虹)表示。

     點(diǎn)擊顯示光路圖 打開系統(tǒng)的光路圖文件(LPD)。

    2. 在傾斜系統(tǒng)仿真前的設(shè)置1-2

    設(shè)計(jì)好的位相數(shù)據(jù)已經(jīng)自動地插入到打開的LPD中。對于一個反射SLM系統(tǒng)必須做出一些調(diào)整：

    1. 設(shè)計(jì)的傳輸?shù)牟蓸泳嚯x必須根據(jù)實(shí)際SLM參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)閮A斜元件一定會有其原始像素尺寸。

    2. 此外，VirtualLab允許考慮矩形像素形狀引起的光學(xué)效應(yīng)因素。

    3. 在傾斜系統(tǒng)仿真前的設(shè)置3-4

    4. 在傾斜系統(tǒng)仿真前的設(shè)置5

    5. 因?yàn)槔硐胂到y(tǒng)元件并不適用離軸非傍軸的仿真，所以必須進(jìn)行調(diào)整，通過：

     或者使用為了考慮相應(yīng)的像差在稍后所用的透鏡 (詳見SLM.0003)。

     或者—如此處描述的—通過2f系統(tǒng)元件，應(yīng)用一個無像差的傅里葉透鏡。

    所用文件: SLM.0001_TopHat_SLM -Design_5_FinalReflectiveSetup.lpd

    6. 系統(tǒng)的3維顯示

     為了方便演示，在不同的元件中引入了一個額外的距離來說明系統(tǒng)配置。這在仿真中并非必要。(2f系統(tǒng)已考慮了前后的傳播距離)

    7. 更高sinc級次評估

     能夠通過幾個數(shù)據(jù)點(diǎn)模擬每個SLM的像素，從而考慮周期結(jié)構(gòu)引起衍射效應(yīng)。

     由于每一個像素的矩形結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的衍射級次以一個sinc函數(shù)(所謂的高級sinc級次)進(jìn)行調(diào)制。

     這強(qiáng)度調(diào)制會影響一致性誤差值，在IFTA設(shè)計(jì)過程中可以補(bǔ)償這一效應(yīng)。

    8. 系統(tǒng)的仿真結(jié)果

    文件: SLM.0001_TopHat_SLM-Design_5_FinalReflectiveSetup.lpd

    9. 總結(jié)

    VirtualLab內(nèi)置的工具，如：

     迭代傅里葉變換算法(IFTA)

     一個輔助會話編輯窗口。

     經(jīng)典場追跡仿真引擎，提供多樣化選項(xiàng)以使用最合適的方法處理衍射效應(yīng)。

    我們已經(jīng)：

    1. 為反射空間光調(diào)制器(SLM)生成一個優(yōu)化后的位相調(diào)制分布設(shè)計(jì)

    2. 在最終系統(tǒng)的設(shè)置中對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

    分步操作說明

    通用方法用于設(shè)置一個SLM系統(tǒng)并完成設(shè)計(jì)，優(yōu)化和分析

    1. 設(shè)計(jì)及分析過程

    2. D1：給定因子—根據(jù)SLM的幾何尺寸

     由于SLM像素的固定尺寸，結(jié)果輸出場的最大延展是確定的。利用公式可計(jì)算該延展。 通過VirtualLab的衍射光束形狀會話編輯器可以自動進(jìn)行壓縮。

     SLM的整體尺寸也是固定的。因此可直接獲得的輸出場分辨率并可通過第二個公式進(jìn)行計(jì)算。

    3. D1：可實(shí)現(xiàn)輸出場參數(shù)

    考慮給定的SLM

     總輸出場尺寸：

     在目標(biāo)平面上沿x和y方向可獲得分辨率：

    4. D2：輸入場

     可使用VirtualLab的光源模型生成入射場。 我們從光源工作區(qū)中使用高斯光波模型生成指定入射的激光光束分布

    - 在光譜標(biāo)簽下指定波長- 在空間參數(shù)標(biāo)簽下指定1/e2束腰半徑

    5. D2：輸出場

     可使用VirtualLab的光源模型生成輸出場。

     我們從光源工作區(qū)中使用超高斯模型定義期望的目標(biāo)光場分布

    - 在光譜標(biāo)簽下指定波長

    - 在空間參數(shù)標(biāo)簽下指定：

     可分離(Rect.-Symm)

     1/e2束腰半徑

     邊緣寬度(應(yīng)大于無光束整形元件光學(xué)系統(tǒng)生成的單目標(biāo)光斑半徑)

    6. D3：入射角

    這些自適應(yīng)尺寸應(yīng)用于設(shè)計(jì)中！

    7. 用于IFTA設(shè)計(jì)操作的系統(tǒng)概覽

    8. D4：配置會話編輯器

    9. D4：通過參數(shù)概覽進(jìn)行檢查

    10. D5：幾何預(yù)設(shè)計(jì)

    1. 為迭代傅里葉變換算法(IFTA)獲得一個好的起始點(diǎn)，執(zhí)行基于幾何光學(xué)光束整形的預(yù)設(shè)計(jì)。

    2. 選擇笛卡兒可分性以生成一個矩形目標(biāo)圖案。

    3. 開始初始設(shè)計(jì)

    11. D5：IFTA-相位級次數(shù)

    12. D5：IFTA—補(bǔ)償Sinc調(diào)制

    13. D5：IFTA—設(shè)計(jì)設(shè)置

    14. IFTA預(yù)分析

     在完成設(shè)計(jì)過程，在分析標(biāo)簽對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行概覽。

     可以顯示輸出場。如偽(彩虹)彩色。

     由于IFTA在光束整形器設(shè)計(jì)中使用更大的場進(jìn)行計(jì)算來制合適的位相值(因此會有更高的采樣)，使IFTA的分析結(jié)果與后續(xù)整個系統(tǒng)的仿真結(jié)果略有出入。

    15. A1：獲得整個系統(tǒng)—LPD

     在最初，IFTA總是輸出一個軸向傳輸系統(tǒng)。

     因此，我們將稍微的修改此系統(tǒng)以用于后續(xù)實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)的最終仿真。

     首先，我們進(jìn)行設(shè)計(jì)位相傳輸數(shù)據(jù)的最后準(zhǔn)備。

    16. A1：應(yīng)用SLM孔徑

     現(xiàn)在，我們需要提取對應(yīng)與實(shí)際SLM像素數(shù)的透射區(qū)域。

     如果在衍射光束整形器會話編輯器窗口中點(diǎn)擊下一步，該提取將會自動完成。

     然后點(diǎn)擊提取 可以獲得包含指定孔徑的設(shè)計(jì)的透射函數(shù)。

    17. A1：調(diào)整采樣距離

     重新調(diào)整X方向的采樣距離，這僅在IFTA設(shè)計(jì)中需要。(在整個系統(tǒng)中，SLM有其原有的采樣尺寸和預(yù)期的傾斜角度。)

     可通屬性瀏覽器的數(shù)據(jù)標(biāo)簽下完成采樣間距的重新調(diào)整。

     如果整個系統(tǒng)已經(jīng)依據(jù)軸上系統(tǒng)設(shè)計(jì)(透射式或者反射式光束分束)，該操作則沒有必要。

    18. A1：交換透過率函數(shù)

    19. A2：轉(zhuǎn)換到基本工具箱LPD

     點(diǎn)擊衍射光學(xué)工具箱光路圖的光路編輯器中工具按鈕，然后點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換為基本工具箱光路圖。

     通過此步驟，你可以獲得完全的光學(xué)元件選擇樹狀列表以在光路圖中插入元件。

    20. A2：調(diào)整實(shí)際系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)

    21. A3 :設(shè)置2f系統(tǒng)

    由于理想透鏡元件不適用于離軸非傍軸模擬，因此必須使用下列之一進(jìn)行更換：

     為了考慮相應(yīng)的像差在后面的所用的透鏡。

     如此處所演示—通過一個2f元件，即實(shí)現(xiàn)一個完美無像差的傅里葉透鏡。

    如，該2f系統(tǒng)元件可以完美地將斜光束聚焦到預(yù)期位置的平面顯示屏上，以補(bǔ)償非傍軸。編輯對話框中的參數(shù)設(shè)置已經(jīng)考慮了元件前后的傳播距離。

    文件: SLM.0001_TopHat_SLM-Design_5_FinalReflectiveSetup.lpd

    22. A3 :選擇旋轉(zhuǎn)算子

    23. A4 :模擬像素化透射函數(shù)

     在默認(rèn)設(shè)置下，VirtualLab通過單個數(shù)據(jù)點(diǎn)(仿真像素)仿真每一個設(shè)計(jì)的透過像素。

     若考慮每一矩形轉(zhuǎn)換像素的效應(yīng)，需要用更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)來描述像素。

     根據(jù)引入的像素因子，我們以3×3數(shù)據(jù)點(diǎn)仿真每個轉(zhuǎn)換像素區(qū)域。

     此時，我們沒考慮SLM像素間隔。這可以被視為一個特殊的組件，將在SLM.0002中會介紹。

     上述考慮將會增加計(jì)算時間以及輸出場尺寸。

    24. A5 :完整系統(tǒng)的仿真

      

    操作&重點(diǎn)關(guān)注反射

    不同幾何結(jié)構(gòu)，屏幕&加工

    考慮反射

    關(guān)于期望設(shè)置的幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)計(jì)這樣一個光束整形元件時，用戶需要考慮如下問題：

     結(jié)構(gòu)應(yīng)放在元件的哪一邊。

     系統(tǒng)是透射式還是反射式。

     目標(biāo)圖案是在透射屏上觀察研究還是在不透明屏幕上。

    如何進(jìn)一步使用數(shù)據(jù)(制造商/SLM輸入)(需要什么樣的坐標(biāo)系統(tǒng))。 因此，用戶可能需要： 以鏡像圖案設(shè)計(jì)和/或 采用一個z方向縮放為-1(翻轉(zhuǎn))或一個x方向縮放為-1（反射）的結(jié)構(gòu)以避免鏡像效應(yīng)。VirtualLab為這種情況提供了所有必要的工具。 對于提出的用于SLM系統(tǒng)的點(diǎn)對稱圖案，無需特別注意的事項(xiàng)。

    SLM應(yīng)用的數(shù)據(jù)輸出1. Bitmap導(dǎo)出 設(shè)計(jì)之后，傳輸數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)移到SLM。一般的方法是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為bitmap(BMP)格式，并通過圖形/顯示驅(qū)動來啟動SLM。 可通過以下步驟完成這樣的BMP輸出：1. 如果在IFTA設(shè)計(jì)中引入量化等級，則可根據(jù)SLM的識別等級數(shù)完成操作2. 與導(dǎo)入的SLM位相修正文件相乘(如果SLM制造商提供了這樣的文件)3. 移動位相到實(shí)部4. 提取正值5. 歸一化最大值為16. 以可識別等級數(shù)目分別乘以實(shí)部。如255(0255)7. 輸出BMP(文件>輸出)-即實(shí)部以灰度0到可識別SLM等級數(shù)2. 導(dǎo)出：1.引入量化等級可在設(shè)計(jì)過程中或設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行量化。1. 在IFTA設(shè)計(jì)&優(yōu)化過程中引入等距等級(如位相)會增加計(jì)算時間。但是對于少量的量化等級，可以使用該操作，因?yàn)樘幚磉^程通過智能計(jì)算(軟件自帶)會流暢地完成。2. 如果SLM可識別大量的級次(也就是近乎連續(xù)，如200)，那么在后續(xù)可以應(yīng)用強(qiáng)行量化，因?yàn)橥ㄟ^界面幾乎無法改變透射，因此幾乎不改變優(yōu)化函數(shù)值。   通過 操作（Manipulation）>量化(Quantization)>強(qiáng)行量化(Hard Quantization)完成。3. 導(dǎo)出：2.SLM位相校正 一般SLM并不是完全平的，因此一些制造商提供了一個特定的位相校正函數(shù)，應(yīng)與設(shè)計(jì)的透射函數(shù)相乘。 導(dǎo)入校正函數(shù)，并將其與計(jì)算的透射函數(shù)相乘，使用鍵盤上的“*”按鈕，或者通過 操作（Manipulation）>陣列(Array)-陣列操作(Array Operations)>相乘(Multiplication)關(guān)于VirtualLab數(shù)據(jù)導(dǎo)入的更多細(xì)節(jié)查找案例337.01 。4. 導(dǎo)出：3.位相到實(shí)部移動位相到實(shí)部可通過：操作（Manipulation）>場量操作（Field Quantity Operation）>移動（Move）：位相到實(shí)部

    5. 導(dǎo)出：4.提取正值通過 操作（Manipulation）>振幅(Amplitude)/實(shí)部操作（Real Part Manipulations>提取正值(Lift Positive)

    6. 導(dǎo)出：5.歸一化通過 操作(Manipulation)>振幅(Amplitude)/實(shí)部操作（Real Part Manipulation）>歸一化(Normalize)
    7. 導(dǎo)出：6.調(diào)整最大值通過 操作（Manipulation）>常量操作（Operation with Constant）>乘以常量（Multiply Constant）
    8. 導(dǎo)出：7.BMP導(dǎo)出通過文件（File）菜單>導(dǎo)出（Export）>導(dǎo)出（Export）為圖像

    在導(dǎo)出對話框中將文件格式改為.BMP。現(xiàn)在bitmap 數(shù)據(jù)可以調(diào)入到SLM模塊！

    擴(kuò)展閱讀

    擴(kuò)展閱讀l  開始視頻

    -     光路圖介紹

    -     參數(shù)運(yùn)行介紹

    -     參數(shù)優(yōu)化介紹

    l  該應(yīng)用示例相關(guān)文件：

    -     案例337： 導(dǎo)入數(shù)據(jù)陣列介紹

    -     SLM.0002：一個SLM的像素處光衍射的仿真

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