相位型SLM硬件產(chǎn)品面型性能提升

背景介紹

作為一種動(dòng)態(tài)可編程光學(xué)元件，液晶空間光調(diào)制器（LC-SLM）在波前整形和光束控制等精密光學(xué)調(diào)控應(yīng)用中發(fā)揮著非常重要的作用。典型的純相位SLM工作原理是通過(guò)加載的電壓控制在每個(gè)液晶像素處誘導(dǎo)相位延遲，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波波前的調(diào)控。

隨著光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)朝著精細(xì)化方向發(fā)展，對(duì)相位型LC-SLM的調(diào)制精度提出了更高的要求。如：在超快智能加工領(lǐng)域需求相位型SLM實(shí)現(xiàn)高相位調(diào)制精度的波前精細(xì)調(diào)控；在顯微成像領(lǐng)域需求相位型SLM實(shí)現(xiàn)高信噪比、高分辨率的成像；在無(wú)接觸光學(xué)微操縱領(lǐng)域需求相位型SLM實(shí)現(xiàn)高精度、高效的微粒捕獲等。然而, 通常商用SLM會(huì)出現(xiàn)相位失真，導(dǎo)致LCOS器件在波前控制實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問(wèn)題：如光利用效率低、調(diào)制精度差，最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

追其本源，相位失真主要由SLM物理結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的相位調(diào)制非線性和不均勻性引起，具體可歸因于兩個(gè)因素：

1）施加在液晶（LC）上的錯(cuò)誤驅(qū)動(dòng)電信號(hào)；

圖1 動(dòng)態(tài)調(diào)制LUT調(diào)制誤差

2） SLM襯底或背板曲率和LC層厚度不均勻引起的畸變；

圖2 SLM硬件引入畸變

前者屬于驅(qū)動(dòng)模塊控制誤差導(dǎo)致動(dòng)態(tài)相位響應(yīng)誤差，可通過(guò)LUT來(lái)實(shí)現(xiàn)修正；而后者屬于產(chǎn)品器件的固有特性，會(huì)影響效率和波前質(zhì)量，調(diào)制的相位輪廓的精度相對(duì)較低，直接影響了相位調(diào)制的精度。為了解決這一問(wèn)題，需要對(duì)SLM的硬件（光閥）進(jìn)行面型測(cè)量及修正。

SLM面型測(cè)試和校準(zhǔn)原理

為了響應(yīng)基于高精度相位調(diào)制的應(yīng)用需求，同時(shí)提升SLM產(chǎn)品性能，中科微星基于泰曼-格林干涉法開(kāi)發(fā)了測(cè)量SLM的靜態(tài)波面誤差和修正技術(shù)，系統(tǒng)光路示意如圖3所示，具體工作原理：在激光光束擴(kuò)束和準(zhǔn)直之后形成平面波，經(jīng)分束器（BS）分成兩個(gè)光束，一束光經(jīng)BS透射照射到SLM，并經(jīng)SLM調(diào)制后反射；另一束光經(jīng)BS反射照射到參考鏡，并經(jīng)參考鏡反射，經(jīng)SLM調(diào)制后的反射光與經(jīng)平面鏡（M）反射的光通過(guò)BS時(shí)發(fā)生干涉，然后CCD可通過(guò)其前端配置的4f系統(tǒng)對(duì)干涉條紋進(jìn)行采集和記錄。

圖3 泰曼格林干涉測(cè)量光路

將SLM置于圖3中所示的位置，通過(guò)光路系統(tǒng)中CCD采集干涉條紋，圖4為測(cè)得的SLM干涉條紋。

圖4 采集的干涉條紋圖

然后通過(guò)干涉條紋處理算法可得到SLM初始面型圖像和數(shù)據(jù)；通過(guò)面型修正算法可得到SLM修正后面型數(shù)據(jù)和圖像，并用常用的面型評(píng)價(jià)指標(biāo)PV、RMS進(jìn)行量化表征。下表1列舉的為測(cè)試和修正的3種SLM的測(cè)試和修正面型圖像和數(shù)據(jù)。

表1 不同類(lèi)型SLM初始及修正后面型

從上表可得到：修正后面型相較于初始面型，面型基本趨于平坦度，面型精度RMS基本可達(dá)1/35λ@632.8nm。

面型校準(zhǔn)對(duì)調(diào)制效果的影響

為了更好對(duì)比面型修正前后SLM的調(diào)制性能，通過(guò)搭建實(shí)際光場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了3種常用光束（高斯光束、艾里光束、渦旋光束）修正前后調(diào)制效果。

表2 SLM面型修正前后對(duì)實(shí)際光場(chǎng)調(diào)試結(jié)果

從上述測(cè)試結(jié)果可以得到，修正后的SLM調(diào)制效果會(huì)更完美，更接近于理論效果。

產(chǎn)品推出

公司最新3.0軟件已經(jīng)預(yù)留面型補(bǔ)償接口，支持相位型SLM（針對(duì)532nm和635nm）面型檢測(cè)和修正標(biāo)定，根據(jù)不同工作波長(zhǎng)配置相應(yīng)的面型修正文件，并通過(guò)配套軟件實(shí)現(xiàn)面型修正的補(bǔ)償。