Algoritmu vadīta gaismas lauka revolūcija: SLM tehnoloģija ved uz jaunu viedās optikas ēru

Telpiskais gaismas modulators (SLM) būtībā ir dinamiska optiska ierīce, kas spēj telpiski izkliedēti modulēt gaismas viļņu amplitūdu, fāzi vai polarizācijas stāvokli. Mūsu pašu izstrādātie SLM produkti izmanto uz silīcija bāzes veidotu šķidro kristālu tehnoloģiju, lai kontrolētu šķidro kristālu molekulu izvietojumu, izmantojot elektriskos signālus, lai panāktu precīzu krītošo gaismas viļņu regulēšanu. Šī precīzā vadības spēja padara telpisko gaismas modulatoru (SLM) par "inteliģentu audeklu" optiskajās sistēmās. Tas spēj ģenerēt plašu sarežģītu gaismas lauka sadalījumu klāstu optiskajā ceļā.

Princips notelpiskās gaismas modulators

Amplitūdas tipa telpiskais gaismas modulators TSLM023-A

Amplitūdas telpiskais gaismas modulators (SLM) panāk amplitūdas modulāciju, izmantojot šķidro kristālu optiskās rotācijas efektu un polarizatora ekstinkcijas efektu.

Fāzes tipa telpiskais gaismas modulators FSLM-2K73-P03HR

Fāzes tipa telpiskais gaismas modulators (SLM) izmanto spriegumu, lai mainītu šķidro kristālu molekulu izvietojuma virzienu, tādējādi pielāgojot to refrakcijas indeksu, lai ģenerētu programmējamu fāzes aizkavi. Telpiskā gaismas modulatora (SLM) jauda slēpjas tā programmējamībā, un šīs programmējamības realizācija balstās uz dažādiem fāžu diagrammu ģenerēšanas algoritmiem. Šie algoritmi aprēķina fāžu modeļus, kas jāielādē SLM, atbilstoši mērķa gaismas lauka sadalījumam. Tie kalpo kā tilts, kas savieno digitālo aprēķinu un optisko modulāciju.

Amplitūdas tipa telpiskais gaismas modulators: algoritms-Dprecīza modulācija noGaismas intensitāte

Amplitūdas tipa telpiskajam gaismas modulatoram ir nepieciešama lineāri polarizēta gaisma. Tas panāk gaismas lauka kontroli, manipulējot ar gaismas viļņa amplitūdas sadalījumu. Kad lineāri polarizētās gaismas polarizācijas virziens sakrīt ar polarizatora virzienu, šķidro kristālu molekulu optiskās rotācijas efekts mainīs gaismas polarizācijas stāvokli. Pēc iziešanas caur analizatoru veidojas amplitūdas modulācija. Šāda veida telpiskais gaismas modulators kalpo kā svarīgs instruments tādās jomās kā optiskā informācijas apstrāde un attēlu projekcija.

1.Ggrafisks Mmetode

Amplitūdas tipa telpiskajam gaismas modulatoram (SLM) tiek veikta tieša kodēšana. Mērķa gaismas intensitātes sadalījums tiek lineāri kartēts uz SLM pelēktoņu vērtībām, ģenerējot dažādus vienkāršus un sarežģītus modeļus un ieviešot programmējamu amplitūdas maskēšanu. Atjauninot SLM modeļus reāllaikā, var izpildīt dažādas optisko eksperimentu prasības. Piemēram, to var pielietot viena spraugas, divu spraugu, apaļai apertūrai un citām formām (piemēram, trīsstūrim, piecstaru zvaigznei, taisnstūrim, sešstūrim utt.) mūsu uzņēmuma mācību sistēmas interferences un difrakcijas eksperimentu modulī. Tas var apmierināt dažādas izglītības un mācību eksperimentālās prasības, kas saistītas ar interferenci un difrakciju.

Vienas/divas spraugas eksperiments

Apļveida apertūras difrakcija

Taisnstūra apertūras difrakcija

2. Attēlu filtrēšanas ziņā sarežģīti tīkliņu raksti tiek ģenerēti, izmantojot augstas precizitātes pelēktoņu manipulācijas optiskās sistēmas Furjē frekvenču spektra plaknē. Piemēram, viendimensiju režģi, divdimensiju režģi utt. var izkliedēt gaismas viļņu informāciju un tiek plaši izmantoti spektrālajā analīzē rūpniecībā un optisko šķiedru sakaru sistēmu lietojumos. Filtrēšana tiek veikta fokusa plaknē aiz objektīva, bloķējot frekvences dažādos virzienos (piemēram, augstā frekvencē, zemā frekvencē, x virzienā, y virzienā utt.). SLM, kas darbojas amplitūdas modulācijas stāvoklī, var panākt tādu filtrēšanu kā zemfrekvences filtrēšana, augstās frekvenču filtrēšana un spraugas filtrēšana.

Viendimensiju/divdimensiju režģis

Atveres formas filtrēšana

2. Optiskās izteiksmes metode

Amplitūdas tipa Frenela zonas plāksne: pamatojoties uz zonas plāksnes nepieciešamajiem parametriem, datorā, izmantojot Frenela zonas plākšņu teoriju, tiek ģenerēts atbilstošs divdimensiju pelēktoņu attēls vai binārs attēls. Tās struktūra sastāv no virknes mainīgu caurspīdīgu un necaurspīdīgu gredzenveida zonu. Izmantojot telpisko gaismas modulatoru kombinācijā ar Frenela zonas plāksni, var izveidot noteiktu gaismas intensitātes sadalījuma modeli, tādējādi panākot krītošās gaismas amplitūdas modulāciju. Tikmēr Frenela zonas plāksnes izmantošana ļauj precīzi kontrolēt gaismas intensitātes telpisko sadalījumu. Pielietojot lāzerapstrādē, tas var likt lāzeram ģenerēt noteiktu gaismas intensitātes sadalījumu apstrādes zonā, izpildot dažādu materiāla daļu prasības attiecībā uz gaismas intensitāti apstrādes laikā.

3. Amplitūdas hologrammas metode

Amplitūdas hologramma ir tehnoloģija, kas galvenokārt ieraksta un rekonstruē objekta gaismas lauka informāciju, modulējot gaismas amplitūdas sadalījumu. Atšķirībā no fāzes hologrammas, amplitūdas hologramma kodē gaismas lauka informāciju, tikai mainot gaismas caurlaidību vai atstarošanu. Tā izmanto amplitūdas modulētās joslas, lai rekonstruētu sākotnējo objekta gaismas vilni, izmantojot difrakcijas efektu, un tai ir svarīgi pielietojumi hologrāfiskā attēlošanā un projekcijā, optisko datu glabāšanā, viltošanas novēršanas tehnoloģijā un optiskajā interferometrijā.

Fāze-Ttype modulators: algoritmiskā māksla noViļņu frontes modulācija

Fāzes tipa telpiskajiem gaismas modulatoriem ir nepieciešama arī lineāri polarizēta gaisma, un polarizācijas virzienam jāatbilst šķidro kristālu molekulu gareniskajai asij. Pielietojot spriegumu, lai mainītu šķidro kristālu molekulu orientāciju, attiecīgi mainās refrakcijas indekss, kā rezultātā rodas programmējama fāzes aizture. Tādā veidā var mainīt gaismas viļņa fāzes sadalījumu, lai panāktu sarežģītāku gaismas lauka modulāciju. Tam ir neaizstājamas priekšrocības tādās jomās kā hologrāfiskais displejs, optiskie pincetes un adaptīvā optika.

1. Fāzes atgūšanas algoritms
2. GS algoritms

Klasiskākais fāzes atgūšanas algoritms, Gerchberga-Sakstona (GS) algoritms, izmanto Furjē transformāciju, lai iteratīvi darbotos starp telpisko domēnu un frekvenču domēnu, pakāpeniski tuvojoties mērķa gaismas laukam. Tam ir vienkāršs princips un liels skaitļošanas ātrums, padarot to ļoti piemērotu lietojumprogrammu scenārijiem ar augstām reāllaika prasībām. Mūsu uzņēmums ir izstrādājis krāsu hologrāfisku sistēmu, kas izmanto GS algoritmu, lai ielādētu aprēķinātās trīs krāsu hologrammas SLM, modulētu gaismas lauku noteiktā ātruma secībā un realizētu krāsu informācijas attēlošanu, izmantojot cilvēka acs redzes noturības kumulatīvo efektu.

GS algoritms — krāsu hologrāfiskā sistēma

2. GSW algoritms

Ņemot vērā, ka GS algoritms ir vienkāršs un tam ir tendence iestrēgt lokālajā optimumā, GSW algoritms ievieš svērtu algoritma mehānismu, kas balstīts uz GS algoritmu. Iterācijas procesa laikā dažādām frekvenču komponentēm tiek piešķirti dažādi svari, tādējādi uzlabojot rekonstrukcijas kvalitāti. Pamatojoties uz to, GSW algoritms tiek izmantots, lai ģenerētu vairākus staru masīvus ar īpašu izkārtojumu, kas tiek izmantots paralēlajā apstrādē un daudzfokusu attēlveidošanā.

Lāzera BAM sadalīšanas apstrāde 2x2, 3x3 masīviem

3. Hibrīda hologrammas algoritms

Hibrīda hologrammas algoritma izmantošanas princips plakanas virsmas staru kūļa veidošanai ir hibrīda hologrammas izstrāde, kuras pamatā ir šķidro kristālu režģa difrakcijas raksturlielumi un telpiskā gaismas modulatora (SLM) modulācijas raksturlielumi. Hibrīda hologramma sastāv no divām daļām: binārā režģa un ģeometriskās maskas. Binārais režģis ietver divus dažādus pelēktoņu līmeņus, kurus var iestatīt atbilstoši fāzes konversijas prasībām. Ģeometriskā maska ​​ir staru kūļa veidošanas zona, kurai var būt jebkura forma. Izmantojot šo hologrammu veidošanai, var iegūt staru kūli ar aptuveni plakanas virsmas enerģijas sadalījumu Gausa centrālajā reģionā. Tikmēr bināro pelēktoņu režģi var tālāk izstrādāt atbilstoši SLM staru kūļa intensitātes sadalījumam, lai kontrolētu veidotā staru kūļa formu un intensitātes sadalījumu.

Hibrīda hologrammas veidošanas princips

4. Stacionārās fāzes metode

Stacionārās fāzes metode ir svarīgs matemātisks rīks lāzera staru plakanvirsmas veidošanā. Tā panāk lāzera stara pārveidošanu no Gausa sadalījuma uz plakanvirsmas sadalījumu, modulējot stara fāzi, lai pārdalītu krītošo Gausa gaismas punktu plakanvirsmas starā ar vienmērīgu intensitāti. Tikmēr, apvienojot to ar iteratīviem optimizācijas algoritmiem, piemēram, GS algoritmu un simulētu atkvēlināšanu, var vēl vairāk uzlabot plakanvirsmas stara vienmērīgumu. Turklāt, apvienojumā ar mūsu uzņēmuma fāzes tipa telpisko gaismas modulatoru, tai ir plašs pielietojumu klāsts lāzera materiālu apstrādē (griešana, metināšana), fotolitogrāfijas sistēmās, optiskās pārbaudes sistēmās utt.

Veidošanas simulācijas efekts, izmantojot stacionārās fāzes metodi

5. Nejaušas maskas fāzes saskaņošanas algoritms

Aksiāliem daudzfokusa punktiem ir svarīgs pielietojums rūpnieciskās apstrādes jomā. Izmantojot nejaušas maskas fāžu saskaņošanas algoritmu, ar aprēķinu palīdzību tiek iegūtas fāžu diagrammas dažādās aksiālās pozīcijās. Tiek izstrādātas nejaušas maskas plāksnes ar atbilstošu daudzumu. Fāžu informācija atbilstošajās pozīcijās tiek nejauši iegūta un summēta, lai iegūtu fāžu diagrammu, kas tiek ielādēta SLM modulācijai, tādējādi realizējot aksiālos daudzfokusa punktus. Tas ievērojami uzlabo aksiālo daudzfokusa punktu enerģijas noturību, ļaujot SLM plašāk pielietot rūpnieciskās apstrādes jomā.

1×3 aksiālo daudzfokālo punktu simulācija

2. Optiskās izteiksmes metode

Reaģējot uz daudzveidīgo pieprasījumu pēc īpašiem stariem mācību, zinātniskās pētniecības un rūpnieciskās apstrādes jomās, mūsu uzņēmums, paļaujoties uz telpiskās gaismas modulatora (SLM) tehnoloģiju, ir izstrādājis pielāgotas aprēķinu metodes un risinājumus, kuru pamatā ir strukturēti gaismas lauki, piemēram, virpuļveida stars, Besela stars, Lagēra-Gausa stars utt. Tie var precīzi izpildīt tādu scenāriju galvenās tehniskās prasības kā precīza mikro-nano apstrāde, optiskā manipulācija un kvantu komunikācija.

1.Vortex stars

Izmantojot šķidro kristālu elektrooptisko efektu, tika realizēts SLM, lai modulētu krītošās gaismas viļņa amplitūdu un fāzi, nodrošinot gaismas viļņa viļņu frontes transformāciju, un virpuļveida gaisma tika veidota, ielādējot hologrammas, izmantojot telpisko gaismas modulatoru, kas realizēja plašu pielietojumu klāstu optiskās komunikācijas un daļiņu manipulācijas jomā.

Vorteksa stari, kas atbilst dažādiem topoloģiskajiem lādiņu skaitļiem

Vortex stari realizē daļiņu manipulāciju optisko pincešu sistēmā

2. Besela sija

Besela stars ir īpaša nedifraktējoša stara forma. Tā elektriskā lauka intensitātes sadalījums šķērsgriezumā atbilst Besela funkcijai. Turklāt izplatīšanās procesā Besela stars var saglabāt nemainīgu šķērsvirziena gaismas intensitātes sadalījumu un tam ir bezgalīgs nedifrakcijas attālums. Tam ir svarīgi pielietojumi optiskās manipulācijas, lāzera precīzās apstrādes, mikroskopiskās attēlveidošanas un optiskās komunikācijas jomās.

Besela stara fāzes diagramma un intensitātes diagramma (M = -10)

3. Lagerre-Gausa stars

Lagēra-Gausa stars (LG stars) ir īpašs augstas kārtas lāzera režīms, un tā šķērsvirziena elektriskā lauka sadalījumu kopīgi apraksta Lagēra polinoms un Gausa funkcija. LG staram ir spirālveida fāzes viļņu fronte un orbitālais leņķiskais moments, un tam ir svarīgi pielietojumi tādās jomās kā optiskā manipulācija, komunikācija un kvantu optika.

Lagera-Gausa (LG) stara fāzes diagramma un intensitātes diagramma (M = -10, P = 2)

4. Hermita-Gausa stars

Hermita-Gausa stars (HG stars) ir viens no izplatītākajiem augstas kārtas šķērsvirziena režīmiem lāzera rezonatorā, un tā šķērsvirziena elektriskā lauka sadalījumu kopīgi apraksta Hermita polinoms un Gausa funkcija. HG stars ir viens no lāzerfizikas fundamentālajiem režīmiem. Pateicoties tā ortogonalitātei un vadāmībai, tam ir plašs pielietojumu klāsts tādās jomās kā lāzertehnoloģijas, komunikācija, attēlveidošana un kvantu optika.

Hermīta-Gausa (HG) stara fāzes diagramma un intensitātes diagramma (M = 2, P = 2)

5. Fāzes tipa Frenela zonas plāksne

Frenela zonas plāksne (FZP) ir optiskais elements, kas balstīts uz difrakcijas fokusēšanu. Tradicionāli to izmanto amplitūdas kontrolei. Tomēr optiskā ceļa starpība starp katru zonu un tai blakus esošo zonu ir nepāra reizinājums no pusviļņa garuma, kas nodrošina, ka gaismai, kas iet caur dažādām zonām, ir vienāda fāze fokusa punktā, tādējādi realizējot krītošās gaismas fāzes modulāciju. Šai fāzes modulācijas īpašībai ir svarīgs pielietojums tādās jomās kā optiskā attēlveidošana, optiskā komunikācija un biomedicīniskā attēlveidošana.

Mākslīgā intelekta algoritmi satiekas ar telpiskās gaismas modulatoriem: jaunas ēras sākums noInteliģenta optika!

Dziļā mākslīgā intelekta (MI) un telpisko gaismas modulatoru (SLM) integrācija veicina revolūciju optiskajās tehnoloģijās. Mašīnmācīšanās ļauj SLM panākt viļņu frontes korekciju reāllaikā un hologrāfiskās projekcijas optimizāciju, ievērojami uzlabojot attēlveidošanas kvalitāti un displeja efektus AR/VR sistēmās. Neironu tīklu un SLM kombinācija pilnībā izmanto optiskās skaitļošanas paralēlās priekšrocības. Tā ne tikai veido jaunas arhitektūras, piemēram, optiskos konvolucionālos tīklus, bet arī nodrošina dinamisko hologrāfisko vadību reāllaikā, izmantojot neironu tīklus ar impulsu ģenerēšanu. Dziļā mācīšanās vēl vairāk lauž optikas robežas, padarot iespējamas tādas progresīvas tehnoloģijas kā bezobjektīva attēlveidošana un augstas izšķirtspējas mikroskopija, vienlaikus optimizējot arī tādus lietojumprogrammu scenārijus kā optiskā komunikācija. Šī sadarbības inovācija ne tikai uzlabo esošo sistēmu veiktspēju, bet arī rada daudzus revolucionārus pielietojumus. Līdz ar nepārtrauktu algoritmu un aparatūras attīstību MI+SLM tehnoloģija demonstrēs lielāku potenciālu tādās jomās kā viedā attēlveidošana, optiskā skaitļošana un kvantu optika. Tā virzīs optiskās sistēmas uz viedāku un precīzāku attīstības virzienu.

Apkopot

Pašreizējā optoelektroniskās tehnoloģijas straujās attīstības laikmetā telpiskais gaismas modulators (SLM) ir kļuvis par galveno ierīci tādās jomās kā optiskā skaitļošana, lāzerapstrāde un hologrāfiskā attēlveidošana. Neatkarīgi no tā, vai tas ir tradicionālajā optiskajā skaitļošanā vai modernākajos fotoniskajos neironu tīklos, SLM ir parādījis ievērojamu potenciālu. Pašlaik, pateicoties dziļai integrācijai ar dziļās mācīšanās algoritmiem, SLM veicina intelektuālās gaismas lauka modulācijas pāreju no teorētiskas paradigmas uz inženiertehnisku realizāciju. Nākotnē, industrializējoties optiskajām skaitļošanas mikroshēmām un nepārtraukti optimizējot mākslīgā intelekta algoritmus, SLM spēlēs vēl nozīmīgāku lomu tādās jomās kā komunikācija, skaitļošana, attēlveidošana un kvantu tehnoloģija.

Atsauces:

Vans Jutao. Stara morfoloģijas un kvalitātes kontrole, kuras pamatā ir hibrīdhologramma [D]. Hubei Tehnoloģiju universitāte, 2018.
Liu KX, Wu JC, He ZH, Cao LC. 4K-DMDNet: difrakcijas modeļa vadīts tīkls 4K datorģenerētai hologrāfijai. Opto-Electron Adv 6, 220135 (2023).