מהפכת שדה אור מונעת אלגוריתמים: טכנולוגיית SLM מובילה לעידן חדש של אופטיקה חכמה
מודולטור אור מרחבי (SLM) הוא למעשה מכשיר אופטי דינמי המסוגל לווסת את האמפליטודה, הפאזה או מצב הקיטוב של גלי אור במרחב. מוצרי ה-SLM שפיתחנו בעצמנו משתמשים בטכנולוגיית גביש נוזלי מבוססת סיליקון כדי לשלוט בסידור מולקולות הגביש הנוזלי באמצעות אותות חשמליים כדי להשיג ויסות מדויק של גלי אור פוגעים. יכולת בקרה מדויקת זו הופכת את מודולטור האור המרחבי (SLM) ל"בד ציור חכם" בתוך מערכות אופטיות. הוא מסוגל לייצר מגוון רחב של התפלגויות שדה אור מורכבות בתוך הנתיב האופטי.
עִקָרוֹןשֶׁלמודולטור אור מרחבי
מודולטור אור מרחבי מסוג אמפליטודה TSLM023-A
מודולטור האור המרחבי של משרעת (SLM) משיג אפנון משרעת באמצעות אפקט הסיבוב האופטי של גבישים נוזליים ואפקט ההכחדה של המקטב.
מודולטור אור מרחבי מסוג פאזה FSLM-2K73-P03HR
מודולטור אור מרחבי (SLM) מסוג פאזה משתמש במתח כדי לשנות את כיוון היישור של מולקולות גביש נוזלי, ובכך להתאים את מקדם השבירה שלהן כדי ליצור השהיית פאזה הניתנת לתכנות. כוחו של מודולטור אור מרחבי (SLM) טמון ביכולת התכנות שלו, ומימוש יכולת התכנות הזו מסתמך על אלגוריתמים שונים ליצירת דיאגרמת פאזה. אלגוריתמים אלה מחשבים את דפוסי הפאזה שיש לטעון על ה-SLM בהתאם להתפלגות שדה האור של המטרה. הם משמשים כגשר המחבר בין חישוב דיגיטלי למודולציה אופטית.
מודולטור אור מרחבי מסוג אמפליטודה: אלגוריתם-דאפנון מדויק של ריבןשֶׁלעוצמת האור
אפנן אור מרחבי מסוג אמפליטודה דורש אור מקוטב ליניארי כדי שיוצא. הוא משיג שליטה על שדה האור על ידי מניפולציה של פיזור האמפליטודה של גל האור. כאשר כיוון הקיטוב של האור המקוטב ליניארי הפוגע תואם לזה של המקטב, אפקט הסיבוב האופטי של מולקולות הגביש הנוזלי ישנה את מצב הקיטוב של האור. לאחר המעבר דרך המנתח, נוצר אפנון אמפליטודה. סוג זה של אפנן אור מרחבי משמש ככלי חשוב בתחומים כמו עיבוד מידע אופטי והקרנת תמונה.
1.Gרפימשיטה
עבור מודולטור אור מרחבי מסוג אמפליטודה (SLM), מתבצע קידוד ישיר. התפלגות עוצמת האור של המטרה ממופה באופן ליניארי לערכי גווני האפור של ה-SLM, ויוצר דפוסים פשוטים ומורכבים שונים, ומיישום מיסוך אמפליטודה הניתן לתכנות. על ידי עדכון דפוסי ה-SLM בזמן אמת, ניתן לעמוד בדרישות ניסוי אופטיות שונות. לדוגמה, ניתן ליישם זאת על חריץ יחיד, חריץ כפול, צמצם עגול וצורות אחרות (כגון משולש, כוכב מחומש, מלבן, משושה וכו') במודול ניסוי ההפרעה והדיפרקציה של מערכת ההוראה של החברה שלנו. הוא יכול לעמוד בדרישות ניסוי חינוכיות והוראה שונות הקשורות להפרעה ודיפרקציה.
ניסוי חריץ יחיד/כפול
דיפרקציה בצמצם מעגלי
דיפרקציה בצמצם מלבני
2. מבחינת סינון תמונה, דפוסי רשתית מורכבים נוצרים באמצעות מניפולציה של גווני אפור בדיוק גבוה על מישור ספקטרום התדרים פורייה של המערכת האופטית. לדוגמה, סריג חד-ממדי, סריג דו-ממדי וכו', יכולים לפזר את המידע של גלי אור והם מיושמים באופן נרחב בניתוח ספקטרלי בתעשייה וביישומי מערכות תקשורת סיבים אופטיים. הסינון מתבצע על מישור המוקד שמאחורי העדשה, וחוסם תדרים בכיוונים שונים (כגון תדר גבוה, תדר נמוך, כיוון x, כיוון y וכו'). ה-SLM הפועל במצב אפנון אמפליטודה יכול להשיג סינון כגון סינון מעביר נמוכים, סינון מעביר גבוה וסינון חריצים.
סורג חד-ממדי/דו-ממדי
סינון בצורת צמצם
2. שיטת ביטוי אופטית
לוחית אזור פרנל מסוג אמפליטודה: בהתבסס על הפרמטרים הנדרשים של לוחית האזור, נוצרת תמונה דו-ממדית בגווני אפור או תמונה בינארית תואמת במחשב באמצעות תורת לוחות אזור פרנל. המבנה שלה מורכב מסדרה של אזורים טבעתיים שקופים ואטומים לסירוגין. באמצעות מודולטור אור מרחבי בשילוב עם לוחית אזור פרנל, ניתן ליצור דפוס פיזור עוצמת אור ספציפי, ובכך להשיג את אפנון האמפליטודה של האור הפוגע. בינתיים, מינוף לוחית אזור פרנל מאפשר שליטה מדויקת על הפיזור המרחבי של עוצמת האור. כאשר הוא מיושם בעיבוד לייזר, הוא יכול לגרום ללייזר לייצר פיזור עוצמת אור ספציפי בתוך אזור העיבוד, תוך מילוי הדרישות של חלקים שונים של החומר לעוצמת האור במהלך העיבוד.
3. שיטת הולוגרמת משרעת
הולוגרמת אמפליטודה היא טכנולוגיה אשר מקליטה ומשחזרת בעיקר את מידע שדה האור של האובייקט על ידי אפנון פיזור האמפליטודה של האור. בשונה מהולוגרמת פאזה, הולוגרמת האמפליטודה מקודדת את מידע שדה האור רק על ידי שינוי העברת האור או החזרתו. היא משתמשת בשוליים המווסתים באמפליטודה כדי לשחזר את גל האור המקורי של האובייקט באמצעות אפקט הדיפרקציה, ויש לה יישומים חשובים בתצוגה והקרנה הולוגרפית, אחסון נתונים אופטי, טכנולוגיית נגד זיופים ואינטרפרומטריה אופטית.
שָׁלָב-טמודולטור ype: אמנות האלגוריתםשֶׁלאפנון חזית גל
מודולטורים של אור מרחבי מסוג פאזה דורשים גם אור מקוטב ליניארי שייכנס, וכיוון הקיטוב צריך להיות עקבי עם הציר הארוך של מולקולות הגביש הנוזלי. כאשר מופעל מתח כדי לשנות את כיוון מולקולות הגביש הנוזלי, מקדם השבירה משתנה בהתאם, וכתוצאה מכך נוצרת עיכוב פאזה הניתן לתכנות. בדרך זו, ניתן לשנות את התפלגות הפאזה של גל האור כדי להשיג אפנון שדה אור מורכב יותר. יש לו יתרונות שאין להם תחליף בתחומים כמו תצוגה הולוגרפית, פינצטה אופטית ואופטיקה אדפטיבית.
- אלגוריתם אחזור פאזות
- אלגוריתם GS
אלגוריתם שחזור הפאזה הקלאסי ביותר, אלגוריתם גרכברג-סקסטון (GS), משתמש בטרנספורמציית פורייה כדי לפעול באופן איטרטיבי בין התחום המרחבי לתחום התדר, תוך התקרבות הדרגתית לשדה האור המטרה. יש לו עיקרון פשוט ומהירות חישוב מהירה, מה שהופך אותו מתאים מאוד לתרחישי יישומים עם דרישות זמן אמת גבוהות. חברתנו פיתחה מערכת הולוגרפית צבעונית, המיישמת את אלגוריתם GS כדי לטעון את ההולוגרמות בעלות שלוש הצבעים המחושבות על גבי ה-SLM, לווסת את שדה האור ברצף קצב מסוים, ולממש את תצוגת מידע הצבע באמצעות ההשפעה המצטברת של ראיית העין האנושית.
אלגוריתם GS - מערכת הולוגרפית צבעונית
- אלגוריתם GSW
בהתחשב בכך שאלגוריתם GS הוא פשוט ונוטה להילכד באופטימומים מקומיים, אלגוריתם GSW מציג מנגנון אלגוריתם משוקלל המבוסס על אלגוריתם GS. במהלך תהליך האיטרציה, משקלים שונים מוקצים לרכיבי תדר שונים, ובכך משפרים את איכות השחזור. בהתבסס על כך, אלגוריתם GSW מאומץ ליצירת מערכי אלומה מרובים עם סידורים ספציפיים, המיושם בעיבוד מקבילי ובהדמיה מרובת מיקודים.
עיבוד פיצול Bam בלייזר עבור מערכים 2x2, 3x3
- אלגוריתם הולוגרמה היברידי
עקרון השימוש באלגוריתם הולוגרמה היברידית לעיצוב קרן שטוחה הוא לעצב הולוגרמה היברידית המבוססת על מאפייני הדיפרקציה של סריג הגביש הנוזלי ומאפייני המודולציה של מודולטור האור המרחבי (SLM). ההולוגרמה ההיברידית מורכבת משני חלקים: סריג בינארי ומסכה גיאומטרית. הסריג הבינארי כולל שתי רמות אפור שונות, אותן ניתן להגדיר בהתאם לדרישות המרת הפאזה. המסכה הגיאומטרית היא אזור עיצוב הקרן, שיכול להיות בכל צורה שהיא. באמצעות הולוגרמה זו לעיצוב, ניתן להשיג קרן עם פיזור אנרגיה שטוח בקירוב באזור המרכזי הגאוסיאני. בינתיים, ניתן לתכנן סריג בינארי ברמת אפור בהתאם לפיזור עוצמת הקרן של ה-SLM כדי לשלוט בצורה ובפיזור העוצמה של הקרן המעוצבת.
עקרון עיצוב ההולוגרמה ההיברידית
- שיטת פאזה נייחת
שיטת הפאזה הנייחת היא כלי מתמטי חשוב בעיצוב שטוח של קרני לייזר. היא משיגה את ההמרה של קרן הלייזר מהתפלגות גאוסית להתפלגות שטוחה על ידי אפנון פאזת הקרן כדי לפזר מחדש את נקודת האור הגאוסית הפוגעת לאלומת שטוחה בעלת עוצמה אחידה. בינתיים, שילוב עם אלגוריתמי אופטימיזציה איטרטיביים כגון אלגוריתם GS וחישול מדומה יכול לשפר עוד יותר את אחידות הקרן השטוחה. בנוסף, בשילוב עם מודולטור האור המרחבי מסוג פאזה של חברתנו, יש לה מגוון רחב של יישומים בעיבוד חומרי לייזר (חיתוך, ריתוך), מערכות פוטוליתוגרפיה, מערכות בדיקה אופטיות וכו'.
אפקט הסימולציה של עיצוב בשיטת הפאזה הנייחת
- אלגוריתם התאמת פאזות של מסכה אקראית
לנקודות מרובות מוקדים ציריות יש יישומים חשובים בתחום העיבוד התעשייתי. על ידי אימוץ אלגוריתם התאמת פאזות של מסכה אקראית, מתקבלות דיאגרמות פאזה במיקומים ציריים שונים באמצעות חישוב. מתוכננים לוחות מסכה אקראיים עם הכמות המתאימה. מידע הפאזה במיקומים המתאימים מופק באופן אקראי ומסוכם כדי לקבל דיאגרמת פאזה, אשר נטענת על גבי ה-SLM לצורך אפנון, ובכך מממשות את נקודות מרובות המוקדים הציריות. זה משפר משמעותית את עקביות האנרגיה של נקודות מרובות המוקדים הציריות, ומאפשר יישום נרחב יותר של ה-SLM בתחום העיבוד התעשייתי.
סימולציה של נקודות מוקד מרובות ציריות 1×3
- שיטת ביטוי אופטית
בתגובה לדרישות המגוונות לאלומות מיוחדות בתחומי ההוראה, המחקר המדעי והעיבוד התעשייתי, חברתנו, בהסתמך על טכנולוגיית מודולטור האור המרחבי (SLM), פיתחה שיטות ופתרונות חישוב מותאמים אישית המבוססים על שדות אור מובנים כגון אלומת מערבולת, אלומת בסל (Bessel beam), אלומת לגואר-גאוס (Laguerre-Gaussian) ועוד. אלו יכולים לעמוד במדויק בדרישות הטכניות המרכזיות של תרחישים כגון עיבוד מיקרו-ננו מדויק, מניפולציה אופטית ותקשורת קוונטית.
1. קרן מערבולת
באמצעות ניצול האפקט האלקטרו-אופטי של גבישים נוזליים, ה-SLM מומש כדי לווסת את האמפליטודה והפאזה של גל האור הפוגע, מה שמאפשר את טרנספורמציית חזית הגל של גל האור, ואור המערבולת נוצר על ידי טעינת הולוגרמות באמצעות מודולטור אור מרחבי, שהגשים מגוון רחב של יישומים בתחום התקשורת האופטית ומניפולציית חלקיקים.
קרני מערבולת המתאימות למספרי מטען טופולוגיים שונים
קרני מערבולת מממשות מניפולציה של חלקיקים במערכת פינצטה אופטית
- קרן בסל
קרן בסל היא צורה מיוחדת של קרן שאינה מתרחשת בעיוות. פיזור עוצמת השדה החשמלי שלה בחתך הרוחב עוקב אחר פונקציית בסל. יתר על כן, במהלך תהליך ההתפשטות, קרן בסל יכולה לשמור על פיזור עוצמת האור הרוחבי ללא שינוי ויש לה מרחק אינסופי ללא עקיפה. יש לה יישומים חשובים בתחומי המניפולציה האופטית, עיבוד שבבי מדויק בלייזר, הדמיה מיקרוסקופית ותקשורת אופטית.
דיאגרמת פאזה ודיאגרמת עוצמה של קרן בסל (M = -10)
- קרן לגואר-גאוסית
קרן לגואר-גאוס (קרן LG) היא מצב לייזר מיוחד מסדר גבוה, ופיזור השדה החשמלי הרוחבי שלה מתואר במשותף על ידי פולינום לגואר ופונקציית גאוס. לקרן LG יש חזית גל פאזה סלילית ותנע זוויתי מסלולי, ויש לה יישומים חשובים בתחומים כמו מניפולציה אופטית, תקשורת ואופטיקה קוונטית.
דיאגרמת פאזה ודיאגרמת עוצמה של קרן לגואר-גאוס (LG) (M = -10, P = 2)
- קרן הרמיט-גאוסית
קרן הרמיט-גאוס (קרן HG) היא אחד מהמודים הרוחביים הנפוצים מסדר גבוה בתהודה של לייזר, ופיזור השדה החשמלי הרוחבי שלה מתואר במשותף על ידי הפולינום הרמיט ופונקציית גאוס. קרן HG היא אחד מהמודים הבסיסיים בפיזיקה של לייזר. בזכות האורתוגונליות והיכולת לבקרה שלה, יש לה מגוון רחב של יישומים בתחומים כמו טכנולוגיית לייזר, תקשורת, הדמיה ואופטיקה קוונטית.
דיאגרמת פאזה ודיאגרמת עוצמה של קרן הרמיט-גאוסית (HG) (M = 2, P = 2)
- לוחית אזור פרנל מסוג פאזה
לוחית אזור פרנל (FZP) היא רכיב אופטי המבוסס על מיקוד דיפרקציה. באופן מסורתי, היא משמשת לשליטה באמפליטודה. עם זאת, הפרש הנתיב האופטי בין כל אזור לאזור הסמוך לו הוא כפולה אי-זוגית של חצי אורך גל, מה שגורם לאור העובר דרך אזורים שונים להיות בעל אותה פאזה בנקודת המוקד, ובכך מממש את האפנון של הפאזה של האור הפוגע. למאפיין אפנון פאזה זה יש יישומים חשובים בתחומים כמו הדמיה אופטית, תקשורת אופטית והדמיה ביו-רפואית.
אלגוריתמי בינה מלאכותית פוגשים מודולטורי אור מרחביים: פתח לעידן חדששֶׁלאופטיקה חכמה!
השילוב העמוק של בינה מלאכותית (AI) ומווסת אור מרחבי, SLM, מוביל מהפכה בטכנולוגיה האופטית. למידת מכונה מאפשרת ל-SLM להשיג תיקון חזית גל בזמן אמת ואופטימיזציה של הקרנה הולוגרפית, ומשפרת משמעותית את איכות ההדמיה ואת אפקטי התצוגה במערכות AR/VR. השילוב של רשתות עצביות ו-SLM מנצל באופן מלא את היתרונות המקבילים של מחשוב אופטי. הוא לא רק בונה ארכיטקטורות חדשות כגון רשתות קונבולוציוניות אופטיות, אלא גם מאפשר בקרה הולוגרפית דינמית בזמן אמת באמצעות רשתות עצביות מרשימות. למידה עמוקה פורצת עוד יותר את גבולות האופטיקה, ומאפשרת טכנולוגיות מתקדמות כמו הדמיה ללא עדשה ומיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה, תוך אופטימיזציה של תרחישי יישומים כגון תקשורת אופטית. חדשנות שיתופית זו לא רק משפרת את ביצועי המערכות הקיימות, אלא גם מולידה יישומים פורצי דרך רבים. עם ההתקדמות המתמשכת של אלגוריתמים וחומרה, טכנולוגיית AI+SLM תדגים פוטנציאל גדול יותר בתחומים כגון הדמיה חכמה, מחשוב אופטי ואופטיקה קוונטית. היא תניע מערכות אופטיות לכיוון פיתוח חכם ומדויק יותר.
לְסַכֵּם
בעידן הנוכחי של התפתחות מהירה של טכנולוגיה אופטואלקטרונית, מודולטור האור המרחבי (SLM) הפך למכשיר מרכזי בתחומים כמו מחשוב אופטי, עיבוד לייזר והדמיה הולוגרפית. בין אם במחשוב אופטי מסורתי או ברשתות עצביות פוטוניות מתקדמות, ל-SLM יש פוטנציאל יוצא דופן. כיום, באמצעות שילוב עמוק עם אלגוריתמי למידה עמוקה, ה-SLM מקל על המעבר של אפנון שדה אור חכם מפרדיגמה תיאורטית למימוש הנדסי. בעתיד, עם התיעוש של שבבי מחשוב אופטיים ואופטימיזציה מתמשכת של אלגוריתמי בינה מלאכותית, ל-SLM יהיה תפקיד מרכזי יותר בתחומים כמו תקשורת, מחשוב, הדמיה וטכנולוגיה קוונטית.
הפניות:
וואנג יוטאו. בקרת מורפולוגיה ואיכות של קרן על סמך הולוגרמה היברידית [D]. אוניברסיטת הוביי לטכנולוגיה, 2018.
Liu KX, Wu JC, He ZH, Cao LC. 4K-DMDNet: רשת מונעת מודל דיפרקציה עבור הולוגרפיה שנוצרה על ידי מחשב ברזולוציית 4K. Opto-Electron Adv 6, 220135 (2023).