Revolución do campo de luz impulsada por algoritmos: a tecnoloxía SLM leva a unha nova era da óptica intelixente

Un modulador espacial de luz (SLM) é esencialmente un dispositivo óptico dinámico capaz de modulación distribuída espacialmente da amplitude, fase ou estado de polarización das ondas de luz. Os nosos produtos SLM de desenvolvemento propio empregan tecnoloxía de cristal líquido baseada en silicio para controlar a disposición das moléculas de cristal líquido mediante sinais eléctricos para lograr unha regulación precisa das ondas de luz incidentes. Esta capacidade de control precisa converte o Modulador Espacial de Luz (SLM) nun "lenzo intelixente" dentro dos sistemas ópticos. É capaz de xerar unha ampla variedade de distribucións complexas de campos de luz dentro da traxectoria óptica.

Principio demodulador de luz espacial

Modulador de luz espacial de tipo amplitude TSLM023-A

O modulador espacial de luz de amplitude (SLM) consegue a modulación de amplitude mediante o efecto de rotación óptica dos cristais líquidos e o efecto de extinción do polarizador.

Modulador de luz espacial de tipo fase FSLM-2K73-P03HR

O Modulador Espacial de Luz (SLM) de tipo fase utiliza a voltaxe para alterar a dirección de aliñamento das moléculas de cristal líquido, axustando así o seu índice de refracción para xerar un retardo de fase programable. A potencia dun Modulador Espacial de Luz (SLM) reside na súa programabilidade, e a realización desta programabilidade baséase en varios algoritmos de xeración de diagramas de fase. Estes algoritmos calculan os patróns de fase que deben cargarse no SLM segundo a distribución do campo de luz obxectivo. Serven como unha ponte que conecta a computación dixital e a modulación óptica.

Modulador de luz espacial de tipo amplitude: algoritmo-DModulación precisa de Riven deIntensidade da luz

O modulador espacial de luz de tipo amplitude require que incida luz polarizada linealmente. Consigue o control do campo luminoso manipulando a distribución de amplitude da onda luminosa. Cando a dirección de polarización da luz polarizada linealmente incidente é consistente coa do polarizador, o efecto de rotación óptica das moléculas de cristal líquido cambiará o estado de polarización da luz. Despois de pasar polo analizador, fórmase a modulación de amplitude. Este tipo de modulador espacial de luz serve como unha ferramenta importante en campos como o procesamento de información óptica e a proxección de imaxes.

1.Ggráfico Mmétodo

Para o modulador espacial de luz de tipo amplitude (SLM), realízase unha codificación directa. A distribución da intensidade da luz obxectivo mapéase linealmente aos valores de escala de grises do SLM, xerando varios patróns simples e complexos e implementando un enmascaramento de amplitude programable. Ao actualizar os patróns SLM en tempo real, pódense cumprir diferentes requisitos de experimentos ópticos. Por exemplo, pódese aplicar a fendas simples, dobres, circulares e outras formas (como triángulos, estrelas de cinco puntas, rectángulos, hexágonos, etc.) no módulo de experimentos de interferencia e difracción do sistema de ensino da nosa empresa. Pode satisfacer varios requisitos experimentais educativos e de ensino relacionados coa interferencia e a difracción.

Experimento de fenda simple/dobre

Difracción de apertura circular

Difracción de apertura rectangular

2. En termos de filtrado de imaxes, xéranse patróns de retícula complexos mediante a manipulación de alta precisión en escala de grises no plano do espectro de frecuencias de Fourier do sistema óptico. Por exemplo, as redes unidimensionais, bidimensionais, etc., poden dispersar a información das ondas de luz e aplícanse amplamente na análise espectral dentro da industria e en aplicacións de sistemas de comunicación por fibra óptica. O filtrado realízase no plano focal detrás da lente, bloqueando as frecuencias en diferentes direccións (como alta frecuencia, baixa frecuencia, dirección x, dirección y, etc.). O SLM que funciona no estado de modulación de amplitude pode lograr filtrados como o filtrado de paso baixo, o filtrado de paso alto e o filtrado de fenda.

Reixa unidimensional/bidimensional

Filtrado en forma de apertura

2. Método de expresión óptica

Placa de zona de Fresnel de tipo amplitude: En función dos parámetros requiridos da placa de zona, xérase no ordenador unha imaxe bidimensional en escala de grises ou unha imaxe binaria correspondente empregando a teoría das placas de zona de Fresnel. A súa estrutura está composta por unha serie de zonas anulares transparentes e opacas alternadas. Ao utilizar un modulador de luz espacial en combinación cunha placa de zona de Fresnel, pódese formar un patrón de distribución de intensidade da luz específico, conseguindo así a modulación de amplitude da luz incidente. Mentres tanto, o aproveitamento da placa de zona de Fresnel permite o control preciso da distribución espacial da intensidade da luz. Cando se aplica no procesamento láser, pode facer que o láser xere unha distribución de intensidade da luz específica dentro da área de procesamento, cumprindo os requisitos de intensidade da luz das diferentes partes do material durante o procesamento.

3. Método de holograma de amplitude

O holograma de amplitude é unha tecnoloxía que rexistra e reconstrúe principalmente a información do campo luminoso do obxecto modulando a distribución de amplitude da luz. A diferenza do holograma de fase, o holograma de amplitude codifica a información do campo luminoso só cambiando a transmitancia ou reflectancia da luz. Utiliza as franxas moduladas en amplitude para reconstruír a onda luminosa orixinal do obxecto mediante o efecto de difracción e ten aplicacións importantes na visualización e proxección holográfica, o almacenamento de datos ópticos, a tecnoloxía antifalsificación e a interferometría óptica.

Fase-TModulador de tipos: A arte algorítmica deModulación de fronte de onda

Os moduladores espaciais de luz de tipo fase tamén requiren que incida luz polarizada linealmente, e a dirección de polarización debe ser coherente co eixe longo das moléculas de cristal líquido. Cando se aplica unha voltaxe para cambiar a orientación das moléculas de cristal líquido, o índice de refracción cambia en consecuencia, o que resulta nun retardo de fase programable. Deste xeito, pódese alterar a distribución de fase da onda de luz para lograr unha modulación do campo de luz máis complexa. Ten vantaxes irremplazables en campos como a visualización holográfica, as pinzas ópticas e a óptica adaptativa.

1. Algoritmo de recuperación de fase
2. Algoritmo GS

O algoritmo de recuperación de fase máis clásico, o algoritmo de Gerchberg-Saxton (GS), emprega a transformada de Fourier para operar iterativamente entre o dominio espacial e o dominio de frecuencia, achegándose gradualmente ao campo de luz obxectivo. Ten un principio simple e unha velocidade de computación rápida, o que o fai moi axeitado para escenarios de aplicación con altos requisitos en tempo real. A nosa empresa desenvolveu un sistema holográfico en cor, que aplica o algoritmo GS para cargar os hologramas tricolores calculados no SLM, modular o campo de luz nunha determinada secuencia de velocidade e realizar a visualización da información de cor mediante o efecto acumulativo da persistencia da visión do ollo humano.

Algoritmo GS - Sistema holográfico de cor

2. Algoritmo GSW

Tendo en conta que o algoritmo GS é simple e propenso a quedar atrapado en óptimos locais, o algoritmo GSW introduce un mecanismo de algoritmo ponderado baseado no algoritmo GS. Durante o proceso de iteración, asígnanse diferentes pesos a diferentes compoñentes de frecuencia, mellorando así a calidade da reconstrución. Baseándose nisto, adóptase o algoritmo GSW para xerar múltiples matrices de feixes con arranxos específicos, que se aplican no procesamento paralelo e na imaxe multifoco.

Procesamento de división de bambú láser para matrices de 2x2 e 3x3

3. Algoritmo de holograma híbrido

O principio de empregar o algoritmo de holograma híbrido para a conformación de feixes de superficie plana é deseñar un holograma híbrido baseado nas características de difracción da rede de cristal líquido e nas características de modulación do modulador espacial de luz (SLM). O holograma híbrido consta de dúas partes: unha rede binaria e unha máscara xeométrica. A rede binaria inclúe dous niveis de gris diferentes, que se poden configurar segundo os requisitos de conversión de fase. A máscara xeométrica é a área de conformación do feixe, que pode ter calquera forma. Ao usar este holograma para a conformación, pódese obter un feixe cunha distribución de enerxía aproximadamente plana na rexión central gaussiana. Mentres tanto, pódese deseñar aínda máis unha rede binaria de nivel de gris segundo a distribución da intensidade do feixe do SLM para controlar a forma e a distribución da intensidade do feixe conformado.

O principio da creación de hologramas híbridos

4. Método de fase estacionaria

O método da fase estacionaria é unha ferramenta matemática importante na conformación de raios láser de superficie plana. Consigue a conversión do raio láser dunha distribución gaussiana a unha distribución de superficie plana modulando a fase do raio para redistribuír o punto de luz gaussiano incidente nun raio de superficie plana con intensidade uniforme. Mentres tanto, a combinación con algoritmos de optimización iterativos como o algoritmo GS e o recocido simulado pode mellorar aínda máis a uniformidade do raio de superficie plana. Ademais, cando se combina co modulador de luz espacial de tipo fase da nosa empresa, ten unha ampla gama de aplicacións no procesamento de materiais láser (corte, soldadura), sistemas de fotolitografía, sistemas de inspección óptica, etc.

O efecto de simulación da conformación mediante o método da fase estacionaria

5. Algoritmo de correspondencia de fase de máscara aleatoria

Os puntos multifocais axiais teñen aplicacións importantes no campo do procesamento industrial. Ao adoptar o algoritmo de coincidencia de fase de máscara aleatoria, os diagramas de fase en diferentes posicións axiais obtéñense mediante cálculo. Deséñanse placas de máscara aleatoria coa cantidade correspondente. A información de fase nas posicións correspondentes extráese e resúmese aleatoriamente para obter un diagrama de fase, que se carga no SLM para a modulación, realizando así os puntos multifocais axiais. Isto mellora significativamente a consistencia enerxética dos puntos multifocais axiais, o que permite que o SLM se aplique máis amplamente no campo do procesamento industrial.

Simulación de puntos multifocais axiais 1×3

2. Método de expresión óptica

En resposta ás diversas demandas de feixes especiais nos campos da docencia, a investigación científica e o procesamento industrial, a nosa empresa, baseándose na tecnoloxía de modulador espacial de luz (SLM), desenvolveu métodos e solucións de cálculo personalizadas baseadas en campos de luz estruturados como feixes de vórtice, feixes de Bessel, feixes de Laguerre-Gaussiano, etc. Estes poden cumprir con precisión os requisitos técnicos básicos de escenarios como o procesamento de micro e nano de precisión, a manipulación óptica e a comunicación cuántica.

1. Feixe de vórtice

Ao utilizar o efecto electroóptico dos cristais líquidos, realizouse o SLM para modular a amplitude e a fase da onda de luz incidente, permitindo a transformación da fronte de onda da onda de luz, e o vórtice de luz formouse cargando hologramas usando o modulador de luz espacial, o que realizou unha ampla gama de aplicacións no campo da comunicación óptica e a manipulación de partículas.

Feixes de vórtices correspondentes a diferentes números de carga topolóxica

Os feixes de vórtice realizan a manipulación de partículas no sistema de pinzas ópticas

2. Bessel Beam

O feixe de Bessel é unha forma especial de feixe non difractante. A distribución da intensidade do seu campo eléctrico na sección transversal segue a función de Bessel. Ademais, durante o proceso de propagación, o feixe de Bessel pode manter a distribución da intensidade da luz transversal inalterada e ten unha distancia de non difracción infinita. Ten aplicacións importantes nos campos da manipulación óptica, o mecanizado de precisión láser, a imaxe microscópica e a comunicación óptica.

Diagrama de fase e diagrama de intensidade do feixe de Bessel (M = -10)

3. Viga de Laguerre-Gaussiana

O feixe de Laguerre-Gaussiano (feixe LG) é un modo láser especial de alta orde, e a súa distribución do campo eléctrico transversal descríbese conxuntamente polo polinomio de Laguerre e a función gaussiana. O feixe LG ten unha fronte de onda de fase helicoidal e un momento angular orbital, e ten aplicacións importantes en campos como a manipulación óptica, a comunicación e a óptica cuántica.

Diagrama de fase e diagrama de intensidade do feixe Laguerre-Gaussiano (LG) (M = -10, P = 2)

4. Feixe de Hermite-Gaussiano

O feixe de Hermite-Gaussiano (feixe HG) é un dos modos transversais de alta orde comúns no resonador láser, e a súa distribución do campo eléctrico transversal descríbese conxuntamente polo polinomio de Hermite e a función gaussiana. O feixe HG é un dos modos fundamentais na física láser. En virtude da súa ortogonalidade e controlabilidade, ten unha ampla gama de aplicacións en campos como a tecnoloxía láser, a comunicación, a imaxe e a óptica cuántica.

Diagrama de fases e diagrama de intensidade do feixe de Hermite-Gaussiano (HG) (M = 2, P = 2)

5. Placa de zona de Fresnel de tipo fase

A placa de zona de Fresnel (FZP) é un elemento óptico baseado na focalización por difracción. Tradicionalmente, utilízase para controlar a amplitude. Non obstante, a diferenza de percorrido óptico entre cada zona e a súa zona adxacente é un múltiplo impar dunha media lonxitude de onda, o que fai que a luz que pasa por diferentes zonas teña a mesma fase no punto focal, realizando así a modulación da fase da luz incidente. Esta característica de modulación de fase ten importantes aplicacións en campos como a imaxe óptica, a comunicación óptica e a imaxe biomédica.

Os algoritmos de IA únense aos moduladores de luz espacial: marcando o comezo dunha nova era deÓptica intelixente!

A profunda integración da intelixencia artificial (IA) e os moduladores espaciais de luz SLM está a impulsar unha revolución na tecnoloxía óptica. A aprendizaxe automática permite que a SLM logre a corrección da fronte de onda en tempo real e a optimización da proxección holográfica, mellorando significativamente a calidade da imaxe e os efectos de visualización nos sistemas de realidade aumentada/virtual. A combinación de redes neuronais e SLM aproveita ao máximo as vantaxes paralelas da computación óptica. Non só constrúe novas arquitecturas como as redes convolucionais ópticas, senón que tamén permite o control holográfico dinámico en tempo real a través de redes neuronais de picos. A aprendizaxe profunda rompe aínda máis os límites da óptica, facendo posibles tecnoloxías de vangarda como a imaxe sen lente e a microscopía de superresolución, ao tempo que optimiza escenarios de aplicación como a comunicación óptica. Esta innovación colaborativa non só mellora o rendemento dos sistemas existentes, senón que tamén dá lugar a numerosas aplicacións innovadoras. Co avance continuo dos algoritmos e o hardware, a tecnoloxía IA+SLM demostrará un maior potencial en campos como a imaxe intelixente, a computación óptica e a óptica cuántica. Impulsará os sistemas ópticos cara a unha dirección de desenvolvemento máis intelixente e precisa.

Resumir

Na era actual de rápido desenvolvemento da tecnoloxía optoelectrónica, o modulador espacial de luz (SLM) converteuse nun dispositivo central en campos como a computación óptica, o procesamento láser e a imaxe holográfica. Tanto na computación óptica tradicional como nas redes neuronais fotónicas de vangarda, o SLM demostrou un potencial notable. Actualmente, a través da súa profunda integración con algoritmos de aprendizaxe profunda, o SLM está a facilitar a transición da modulación intelixente do campo de luz dun paradigma teórico a unha realización de enxeñaría. No futuro, coa industrialización dos chips de computación óptica e a optimización continua dos algoritmos de IA, o SLM desempeñará un papel máis fundamental en áreas como a comunicación, a computación, a imaxe e a tecnoloxía cuántica.

Referencias:

Wang Yutao. Control da morfoloxía e calidade do feixe baseado en hologramas híbridos [D]. Universidade Tecnolóxica de Hubei, 2018.
Liu KX, Wu JC, He ZH, Cao LC. 4K-DMDNet: rede baseada en modelos de difracción para holografía 4K xerada por ordenador. Opto-Electron Adv 6, 220135 (2023).