Algoritmusvezérelt fénytér-forradalom: Az SLM technológia az intelligens optika új korszakához vezet

A térbeli fénymodulátor (SLM) lényegében egy dinamikus optikai eszköz, amely képes a fényhullámok amplitúdójának, fázisának vagy polarizációs állapotának térben elosztott modulációjára. Saját fejlesztésű SLM termékeink szilícium alapú folyadékkristályos technológiát alkalmaznak a folyadékkristály-molekulák elrendezésének elektromos jelek segítségével történő szabályozására, így érve el a beeső fényhullámok pontos szabályozását. Ez a precíz szabályozási képesség teszi a térbeli fénymodulátort (SLM) az optikai rendszereken belüli „intelligens vászonná”. Képes a komplex fénytér-eloszlások széles skálájának létrehozására az optikai útvonalon belül.

Alapelvatérbeli fénymodulátor

Amplitúdó típusú térbeli fénymodulátor TSLM023-A

Az amplitúdó térbeli fénymodulátor (SLM) az amplitúdómodulációt a folyadékkristályok optikai forgatóhatása és a polarizátor kioltóhatása révén éri el.

Fázistípusú térbeli fénymodulátor FSLM-2K73-P03HR

A fázistípusú térbeli fénymodulátor (SLM) feszültség segítségével változtatja meg a folyadékkristály-molekulák orientációs irányát, ezáltal beállítja azok törésmutatóját, és programozható fáziskésést generál. A térbeli fénymodulátor (SLM) ereje a programozhatóságában rejlik, és ennek a programozhatóságnak a megvalósítása különféle fázisdiagram-generáló algoritmusokon alapul. Ezek az algoritmusok a célzott fénymező eloszlása ​​alapján kiszámítják az SLM-re betöltendő fázismintákat. Hídként szolgálnak a digitális számítás és az optikai moduláció között.

Amplitúdó típusú térbeli fénymodulátor: Algoritmus-Dhasított precíz modulációaFényintenzitás

Az amplitúdó típusú térbeli fénymodulátor lineárisan polarizált fényt igényel. A fényhullám amplitúdóeloszlásának manipulálásával éri el a fénymező szabályozását. Amikor a beeső lineárisan polarizált fény polarizációs iránya megegyezik a polarizátor irányával, a folyadékkristály-molekulák optikai forgató hatása megváltoztatja a fény polarizációs állapotát. Az analizátoron való áthaladás után amplitúdómoduláció jön létre. Ez a típusú térbeli fénymodulátor fontos eszköz olyan területeken, mint az optikai információfeldolgozás és a képvetítés.

1.GgrafikusMmódszer

Az amplitúdó típusú térbeli fénymodulátor (SLM) esetében közvetlen kódolást hajtanak végre. A célzott fényintenzitás-eloszlást lineárisan leképezik az SLM szürkeárnyalatos értékeihez, különféle egyszerű és összetett mintákat generálva, és programozható amplitúdómaszkolást megvalósítva. Az SLM minták valós idejű frissítésével különböző optikai kísérleti követelmények teljesíthetők. Alkalmazható például egyréses, kétréses, kör alakú apertúrájú és más alakzatokra (például háromszög, ötágú csillag, téglalap, hatszög stb.) cégünk oktatási rendszerének interferencia- és diffrakciós kísérleti moduljában. Kielégítheti az interferenciával és diffrakcióval kapcsolatos különféle oktatási és oktatási kísérleti követelményeket.

Egy-/kétréses kísérlet

Kör alakú apertúrájú diffrakció

Téglalap alakú apertúrájú diffrakció

2. A képszűrés szempontjából bonyolult szálkereszt mintázatokat hoznak létre nagy pontosságú szürkeárnyalatos manipulációval az optikai rendszer Fourier-frekvencia spektrum síkján. Például az egydimenziós rácsok, kétdimenziós rácsok stb. képesek szétszórni a fényhullámok információit, és széles körben alkalmazzák őket a spektrális elemzésben az iparban és a száloptikai kommunikációs rendszerekben. A szűrés a lencse mögötti fókuszsíkon történik, különböző irányokba (például nagyfrekvenciás, alacsonyfrekvenciás, x-irányú, y-irányú stb.) blokkolva a frekvenciákat. Az amplitúdómodulációs állapotban működő SLM olyan szűréseket érhet el, mint az aluláteresztő szűrés, a felüláteresztő szűrés és a résszűrés.

Egy-/kétdimenziós rács

Rekesz alakú szűrés

2. Optikai kifejezésmódszer

Amplitúdó típusú Fresnel-zónalemez: A zónalemez szükséges paraméterei alapján a számítógép a Fresnel-zónalemezek elméletét alkalmazva egy megfelelő kétdimenziós szürkeárnyalatos képet vagy bináris képet generál. Szerkezete váltakozó átlátszó és átlátszatlan gyűrűs zónák sorozatából áll. Egy térbeli fénymodulátor és egy Fresnel-zónalemez kombinációjával egy adott fényintenzitás-eloszlási minta alakítható ki, ezáltal elérve a beeső fény amplitúdómodulációját. Eközben a Fresnel-zónalemez kihasználásával lehetővé válik a fényintenzitás térbeli eloszlásának pontos szabályozása. Lézeres megmunkálás során alkalmazva a lézer egy adott fényintenzitás-eloszlást generálhat a megmunkálási területen belül, kielégítve az anyag különböző részeinek fényintenzitással szembeni követelményeit a megmunkálás során.

3. Amplitúdó hologram módszer

Az amplitúdóhologram egy olyan technológia, amely főként a tárgy fénytér-információit rögzíti és rekonstruálja a fény amplitúdóeloszlásának modulálásával. A fázishologramtól eltérően az amplitúdóhologram a fénytér-információkat csak a fény áteresztőképességének vagy visszaverődésének változtatásával kódolja. Az amplitúdómodulált csíkokat használja az eredeti tárgy fényhullámának rekonstruálására a diffrakciós hatás révén, és fontos alkalmazási területekkel rendelkezik a holografikus megjelenítésben és vetítésben, az optikai adattárolásban, a hamisítás elleni technológiában és az optikai interferometriában.

Fázis-Ttype Modulátor: Az algoritmikus művészetaHullámfront moduláció

A fázistípusú térbeli fénymodulátorokhoz lineárisan polarizált fény beesése is szükséges, és a polarizáció irányának összhangban kell lennie a folyadékkristály-molekulák hossztengelyével. Amikor feszültséget alkalmazunk a folyadékkristály-molekulák orientációjának megváltoztatására, a törésmutató ennek megfelelően változik, ami programozható fáziskésést eredményez. Ily módon a fényhullám fáziseloszlása ​​megváltoztatható, és összetettebb fénytér-modulációt lehet elérni. Pótolhatatlan előnyökkel rendelkezik olyan területeken, mint a holografikus kijelzők, az optikai csipeszek és az adaptív optika.

1. Fázis-visszakereső algoritmus
2. GS algoritmus

A legklasszikusabb fázis-helyreállító algoritmus, a Gerchberg-Saxton (GS) algoritmus, Fourier-transzformációt használ a térbeli tartomány és a frekvenciatartomány közötti iteratív mozgáshoz, fokozatosan közelítve a cél fénymezőhöz. Egyszerű elvvel és gyors számítási sebességgel rendelkezik, így kiválóan alkalmas a magas valós idejű követelményeket támasztó alkalmazási forgatókönyvekhez. Cégünk kifejlesztett egy színes holografikus rendszert, amely a GS algoritmust alkalmazza a kiszámított háromszínű hologramok betöltéséhez az SLM-re, a fénymező modulálásához egy bizonyos sebességsorozatban, és a színinformáció-megjelenítés megvalósításához az emberi szem látásának kitartása kumulatív hatása révén valósítja meg.

GS algoritmus - Színes holografikus rendszer

2. GSW algoritmus

Tekintettel arra, hogy a GS algoritmus egyszerű és hajlamos a lokális optimumokba ragadni, a GSW algoritmus egy súlyozott algoritmusmechanizmust vezet be a GS algoritmus alapján. Az iterációs folyamat során a különböző frekvenciakomponensekhez különböző súlyokat rendelnek, ezáltal javítva a rekonstrukció minőségét. Ennek alapján a GSW algoritmust több nyalábrendszer létrehozására alkalmazzák meghatározott elrendezésekben, amelyet párhuzamos feldolgozásban és többfókuszú képalkotásban alkalmaznak.

Lézeres Bam hasítófeldolgozás 2x2, 3x3 tömbökhöz

3. Hibrid hologram algoritmus

A hibrid hologram algoritmus használatának alapelve a flat-top nyalábformáláshoz egy hibrid hologram megtervezése a folyadékkristályrács diffrakciós jellemzői és a térbeli fénymodulátor (SLM) modulációs jellemzői alapján. A hibrid hologram két részből áll: egy bináris rácsból és egy geometriai maszkból. A bináris rács két különböző szürkeárnyalatot tartalmaz, amelyek a fáziskonverziós követelményeknek megfelelően állíthatók be. A geometriai maszk a nyalábformáló terület, amely bármilyen alakú lehet. Ennek a hologramnak az alakításával egy közelítőleg flat-top energiaeloszlású nyalábot lehet kapni a Gauss-centrális régióban. Eközben egy bináris szürkeárnyalatos rács tovább tervezhető az SLM nyalábintenzitás-eloszlása ​​​​szerint, hogy szabályozható legyen a formázott nyaláb alakja és intenzitáseloszlása.

A hibrid hologramformálás elve

4. Stacionárius fázisú módszer

A stacionárius fázisú módszer fontos matematikai eszköz a lézersugarak flat-top formálásában. A lézersugár Gauss-eloszlásból flat-top eloszlásba való átalakítását éri el a nyaláb fázisának modulálásával, így a beeső Gauss-eloszlású fényfoltot egyenletes intenzitású flat-top nyalábpá osztja el. Eközben az iteratív optimalizáló algoritmusokkal, például a GS algoritmussal és a szimulált hőkezeléssel kombinálva tovább javítható a flat-top nyaláb egyenletessége. Ezenkívül cégünk fázistípusú térbeli fénymodulátorával kombinálva széles körben alkalmazható lézeres anyagmegmunkálásban (vágás, hegesztés), fotolitográfiai rendszerekben, optikai ellenőrző rendszerekben stb.

Az alakítás szimulációs hatása stacionárius fázisú módszerrel

5. Véletlenszerű maszk fázisillesztési algoritmus

Az axiális többfókuszú pontok fontos alkalmazási területtel rendelkeznek az ipari feldolgozás területén. A véletlenszerű maszk fázisillesztési algoritmus alkalmazásával a különböző axiális pozíciókban lévő fázisdiagramok számítással nyerhetők. Véletlenszerű maszklemezeket terveznek a megfelelő mennyiséggel. A megfelelő pozíciókban lévő fázisinformációkat véletlenszerűen kinyerik és összegzik, így egy fázisdiagramot kapnak, amelyet betöltenek az SLM-be moduláció céljából, így megvalósítva az axiális többfókuszú pontokat. Ez jelentősen javítja az axiális többfókuszú pontok energiakonzisztenciáját, lehetővé téve az SLM szélesebb körű alkalmazását az ipari feldolgozás területén.

1×3 axiális multifókuszú pontok szimulációja

2. Optikai kifejezésmódszer

Az oktatás, a tudományos kutatás és az ipari feldolgozás területén a speciális nyalábok iránti sokrétű igényekre reagálva cégünk a térbeli fénymodulátor (SLM) technológiára támaszkodva olyan egyedi számítási módszereket és megoldásokat fejlesztett ki, amelyek strukturált fénytereken, például örvénynyalábon, Bessel-nyalábokon, Laguerre-Gauss-nyalábon stb. alapulnak. Ezek pontosan képesek kielégíteni az olyan forgatókönyvek alapvető műszaki követelményeit, mint a precíziós mikro-nano feldolgozás, az optikai manipuláció és a kvantumkommunikáció.

1. Örvénysugár

A folyadékkristályok elektrooptikai hatásának kihasználásával az SLM-et úgy valósították meg, hogy modulálja a beeső fényhullám amplitúdóját és fázisát, lehetővé téve a fényhullám hullámfront-transzformációját, és az örvényfényt hologramok betöltésével hozták létre a térbeli fénymodulátor segítségével, ami széleskörű alkalmazási lehetőségeket kínált az optikai kommunikáció és a részecskemanipuláció területén.

Különböző topológiai töltésszámoknak megfelelő örvénynyalábok

Örvénynyalábok valósítják meg a részecskemanipulációt az optikai csipeszrendszerben

2. Bessel-gerenda

A Bessel-nyaláb a nem diffrakciós nyalábok egy speciális formája. Elektromos térerősségének eloszlása ​​a keresztmetszetben a Bessel-függvényt követi. Ezenkívül a terjedési folyamat során a Bessel-nyaláb változatlanul tudja tartani a transzverzális fényintenzitás-eloszlást, és végtelen nem diffrakciós távolsággal rendelkezik. Fontos alkalmazási területekkel rendelkezik az optikai manipuláció, a lézeres precíziós megmunkálás, a mikroszkópos képalkotás és az optikai kommunikáció területén.

A Bessel-sugár fázisdiagramja és intenzitásdiagramja (M = -10)

3. Laguerre-Gauss-gerenda

A Laguerre-Gauss-sugár (LG-sugár) egy speciális, magasabb rendű lézermódus, amelynek transzverzális elektromos téreloszlását a Laguerre-polinom és a Gauss-függvény együttesen írja le. Az LG-sugár helikális fázishullámfronttal és pályamomentummal rendelkezik, és fontos alkalmazási területekkel rendelkezik olyan területeken, mint az optikai manipuláció, a kommunikáció és a kvantumoptika.

A Laguerre-Gauss (LG) nyaláb fázisdiagramja és intenzitásdiagramja (M = -10, P = 2)

4. Hermite-Gauss-gerenda

A Hermite-Gauss-nyaláb (HG-nyaláb) a lézerrezonátorban található gyakori magasabb rendű transzverzális módusok egyike, transzverzális elektromos tér eloszlását pedig a Hermite-polinom és a Gauss-függvény együttesen írja le. A HG-nyaláb a lézerfizika egyik alapvető módusa. Ortogonalitása és szabályozhatósága révén széles körben alkalmazható olyan területeken, mint a lézertechnológia, a kommunikáció, a képalkotás és a kvantumoptika.

A Hermite-Gauss (HG) nyaláb fázisdiagramja és intenzitásdiagramja (M = 2, P = 2)

5. Fázistípusú Fresnel-zónalemez

A Fresnel-zónalemez (FZP) egy diffrakciós fókuszáláson alapuló optikai elem. Hagyományosan az amplitúdó szabályozására használják. Azonban az egyes zónák és a szomszédos zónák közötti optikai útkülönbség a félhullámhossz páratlan többszöröse, ami azt eredményezi, hogy a különböző zónákon áthaladó fény azonos fázisban van a fókuszpontban, így megvalósítva a beeső fény fázisának modulációját. Ez a fázismodulációs jellemző fontos alkalmazási területeket foglal magában olyan területeken, mint az optikai képalkotás, az optikai kommunikáció és a biomedicinális képalkotás.

MI algoritmusok találkozása térbeli fénymodulátorokkal: Új korszak kezdeteaIntelligens optika!

A mesterséges intelligencia (MI) és a térbeli fénymodulátorok (SLM) mély integrációja forradalmasítja az optikai technológiát. A gépi tanulás lehetővé teszi az SLM számára a valós idejű hullámfront-korrekciót és a holografikus vetítés optimalizálását, jelentősen javítva a képminőséget és a megjelenítési effekteket AR/VR rendszerekben. A neurális hálózatok és az SLM kombinációja teljes mértékben kihasználja az optikai számítástechnika párhuzamos előnyeit. Nemcsak új architektúrákat hoz létre, mint például az optikai konvolúciós hálózatok, hanem valós idejű dinamikus holografikus vezérlést is lehetővé tesz a tüskés neurális hálózatokon keresztül. A mélytanulás tovább töri át az optika határait, lehetővé téve a legmodernebb technológiákat, mint például a lencse nélküli képalkotást és a szuperfelbontású mikroszkópiát, miközben optimalizálja az olyan alkalmazási forgatókönyveket is, mint az optikai kommunikáció. Ez az együttműködésen alapuló innováció nemcsak a meglévő rendszerek teljesítményét javítja, hanem számos áttörést jelentő alkalmazást is eredményez. Az algoritmusok és a hardverek folyamatos fejlődésével az AI+SLM technológia nagyobb potenciált mutat majd olyan területeken, mint az intelligens képalkotás, az optikai számítástechnika és a kvantumoptika. Az optikai rendszereket intelligensebb és pontosabb fejlesztési irány felé tereli.

Összefoglaló

Az optoelektronikai technológia gyors fejlődésének jelenlegi korszakában a térbeli fénymodulátor (SLM) alapvető eszközzé vált olyan területeken, mint az optikai számítástechnika, a lézeres feldolgozás és a holografikus képalkotás. Akár a hagyományos optikai számítástechnikában, akár a legmodernebb fotonikus neurális hálózatokban van szó, az SLM figyelemre méltó potenciált mutatott. Jelenleg a mélytanuló algoritmusokkal való mély integrációjának köszönhetően az SLM elősegíti az intelligens fénytér-moduláció átmenetét az elméleti paradigmából a mérnöki megvalósításba. A jövőben, az optikai számítástechnikai chipek iparosodásával és a mesterséges intelligencia algoritmusainak folyamatos optimalizálásával az SLM még fontosabb szerepet fog játszani olyan területeken, mint a kommunikáció, a számítástechnika, a képalkotás és a kvantumtechnológia.

Referenciák:

Wang Yutao. Nyalábmorfológia és minőség szabályozása hibrid hologram alapján [D]. Hubei Műszaki Egyetem, 2018.
Liu KX, Wu JC, He ZH, Cao LC. 4K-DMDNet: diffrakciós modellvezérelt hálózat 4K számítógéppel generált holográfiához. Opto-Electron Adv 6, 220135 (2023).