Algoritme-gedreven lichtveldrevolutie: SLM-technologie leidt tot een nieuw tijdperk van slimme optica

Spatial Light Modulator (SLM) is in wezen een dynamisch optisch apparaat dat in staat is tot ruimtelijk verdeelde modulatie van de amplitude, fase of polarisatietoestand van lichtgolven. Onze zelfontwikkelde SLM-producten maken gebruik van siliciumgebaseerde vloeibaar-kristaltechnologie om de rangschikking van vloeibaar-kristalmoleculen te regelen met behulp van elektrische signalen, wat resulteert in een nauwkeurige regeling van invallende lichtgolven. Deze nauwkeurige regeling maakt de Spatial Light Modulator (SLM) tot een "intelligent canvas" binnen optische systemen. Hij is in staat om een ​​breed scala aan complexe lichtveldverdelingen binnen het optische pad te genereren.

Beginselvanruimtelijke lichtmodulator

Ruimtelijke lichtmodulator van het amplitudetype TSLM023-A

De Amplitude Spatial Light Modulator (SLM) bereikt amplitudemodulatie door het optische rotatie-effect van vloeibare kristallen en het uitdovingseffect van de polarisator.

Fase-type ruimtelijke lichtmodulator FSLM-2K73-P03HR

De fasetype Spatial Light Modulator (SLM) gebruikt spanning om de uitlijningsrichting van vloeibaar-kristalmoleculen te veranderen en zo hun brekingsindex aan te passen, wat resulteert in een programmeerbare fasevertraging. De kracht van een Spatial Light Modulator (SLM) ligt in de programmeerbaarheid, en de realisatie hiervan is afhankelijk van verschillende algoritmen voor het genereren van fasediagrammen. Deze algoritmen berekenen de fasepatronen die in de SLM moeten worden geladen op basis van de verdeling van het doellichtveld. Ze dienen als een brug tussen digitale berekeningen en optische modulatie.

Ruimtelijke lichtmodulator van het amplitudetype: algoritme-Dgespleten Precieze ModulatievanLichtintensiteit

Een ruimtelijke lichtmodulator van het amplitudetype vereist lineair gepolariseerd licht om in te vallen. Deze modulator regelt het lichtveld door de amplitudeverdeling van de lichtgolf te manipuleren. Wanneer de polarisatierichting van het invallende lineair gepolariseerde licht consistent is met die van de polarisator, zal het optische rotatie-effect van de vloeibaar-kristalmoleculen de polarisatietoestand van het licht veranderen. Na passage door de analysator ontstaat amplitudemodulatie. Dit type ruimtelijke lichtmodulator is een belangrijk hulpmiddel in vakgebieden zoals optische informatieverwerking en beeldprojectie.

1.GraphischMethiek

Voor de amplitude-type ruimtelijke lichtmodulator (SLM) wordt directe codering uitgevoerd. De verdeling van de beoogde lichtintensiteit wordt lineair afgebeeld op de grijswaarden van de SLM, waardoor diverse eenvoudige en complexe patronen worden gegenereerd en programmeerbare amplitudemaskering wordt geïmplementeerd. Door de SLM-patronen in realtime bij te werken, kan aan verschillende optische experimentvereisten worden voldaan. Het kan bijvoorbeeld worden toegepast op de enkelspleet, dubbelspleet, cirkelvormige opening en andere vormen (zoals een driehoek, vijfpuntige ster, rechthoek, zeshoek, enz.) in de interferentie- en diffractie-experimentmodule van ons onderwijssysteem. Het kan voldoen aan diverse educatieve en onderwijsexperimentele vereisten met betrekking tot interferentie en diffractie.

Enkel-/dubbelspleetexperiment

Circulair-apertuur diffractie

Rechthoekige-apertuur diffractie

2. Wat betreft beeldfiltering, worden complexe reticlepatronen gegenereerd door middel van zeer nauwkeurige grijswaardenmanipulatie op het Fourier-frequentiespectrumvlak van het optische systeem. Zo kunnen eendimensionale roosters, tweedimensionale roosters, enz. de informatie van lichtgolven verspreiden en worden ze veel toegepast in spectrale analyse binnen de industrie en in glasvezelcommunicatiesystemen. Filtering vindt plaats op het brandpuntsvlak achter de lens, waarbij frequenties in verschillende richtingen worden geblokkeerd (zoals hoge frequentie, lage frequentie, x-richting, y-richting, enz.). De SLM die in de amplitudemodulatietoestand werkt, kan filtering uitvoeren zoals laagdoorlaatfiltering, hoogdoorlaatfiltering en spleetfiltering.

Een-/tweedimensionaal rooster

Apertuurvormige filtering

2.Optische expressiemethode

Fresnel-zoneplaat van het amplitudetype: Op basis van de vereiste parameters van de zoneplaat wordt een corresponderend tweedimensionaal grijswaardenbeeld of binair beeld gegenereerd in de computer met behulp van de theorie van Fresnel-zoneplaten. De structuur bestaat uit een reeks afwisselend transparante en ondoorzichtige ringvormige zones. Door gebruik te maken van een ruimtelijke lichtmodulator in combinatie met een Fresnel-zoneplaat, kan een specifiek lichtintensiteitsverdelingspatroon worden gevormd, waardoor amplitudemodulatie van het invallende licht wordt bereikt. Tegelijkertijd maakt het gebruik van de Fresnel-zoneplaat een nauwkeurige controle van de ruimtelijke lichtintensiteitsverdeling mogelijk. Bij toepassing in laserbewerking kan het ervoor zorgen dat de laser een specifieke lichtintensiteitsverdeling binnen het bewerkingsgebied genereert, waardoor wordt voldaan aan de eisen van verschillende delen van het materiaal wat betreft lichtintensiteit tijdens de bewerking.

3. Amplitude Hologram Methode

Het amplitudehologram is een technologie die voornamelijk de lichtveldinformatie van een object registreert en reconstrueert door de amplitudeverdeling van het licht te moduleren. Anders dan het fasehologram codeert het amplitudehologram de lichtveldinformatie alleen door de transmissie of reflectie van het licht te veranderen. Het maakt gebruik van de amplitudegemoduleerde fringes om de oorspronkelijke lichtgolf van een object te reconstrueren via het diffractie-effect. Het heeft belangrijke toepassingen in holografische weergave en projectie, optische dataopslag, namaakbestrijding en optische interferometrie.

Fase-Type Modulator: De algoritmische kunstvanGolffrontmodulatie

Fase-type ruimtelijke lichtmodulatoren vereisen ook lineair gepolariseerd licht dat invalt, en de polarisatierichting moet consistent zijn met de lange as van de vloeibaar-kristalmoleculen. Wanneer een spanning wordt aangelegd om de oriëntatie van de vloeibaar-kristalmoleculen te veranderen, verandert de brekingsindex dienovereenkomstig, wat resulteert in een programmeerbare fasevertraging. Op deze manier kan de faseverdeling van de lichtgolf worden aangepast om complexere lichtveldmodulatie te bereiken. Dit biedt onvervangbare voordelen in gebieden zoals holografische displays, optische pincetten en adaptieve optica.

1. Fase-ophaalalgoritme
2. GS-algoritme

Het meest klassieke faseherstelalgoritme, het Gerchberg-Saxton (GS)-algoritme, gebruikt Fouriertransformatie om iteratief te werken tussen het ruimtelijke domein en het frequentiedomein, waarbij het lichtveld geleidelijk wordt benaderd. Het heeft een eenvoudig principe en een hoge rekensnelheid, waardoor het zeer geschikt is voor toepassingsscenario's met hoge realtime-eisen. Ons bedrijf heeft een kleurenholografisch systeem ontwikkeld dat het GS-algoritme gebruikt om de berekende driekleurige hologrammen op de SLM te laden, het lichtveld in een bepaalde frequentievolgorde te moduleren en de weergave van kleurinformatie te realiseren via het cumulatieve effect van het voortbestaan ​​van het menselijk oog.

GS-algoritme - kleurenholografisch systeem

2. GSW-algoritme

Aangezien het GS-algoritme eenvoudig is en vatbaar voor lokale optima, introduceert het GSW-algoritme een gewogen algoritmemechanisme op basis van het GS-algoritme. Tijdens het iteratieproces worden verschillende gewichten toegekend aan verschillende frequentiecomponenten, waardoor de reconstructiekwaliteit verbetert. Op basis hiervan wordt het GSW-algoritme gebruikt om meerdere bundelarrays met specifieke configuraties te genereren, wat wordt toegepast bij parallelle verwerking en multi-focus imaging.

Laser Bam-splitsingsverwerking voor 2x2-, 3x3-arrays

3. Hybride hologram-algoritme

Het principe van het gebruik van het hybride hologramalgoritme voor flat-top beam shaping is het ontwerpen van een hybride hologram op basis van de diffractiekarakteristieken van het vloeibaar-kristalrooster en de modulatiekarakteristieken van de ruimtelijke lichtmodulator (SLM). Het hybride hologram bestaat uit twee delen: een binair rooster en een geometrisch masker. Het binaire rooster bevat twee verschillende grijstinten, die kunnen worden ingesteld op basis van de faseconversievereisten. Het geometrische masker is het beam-shapinggebied, dat elke gewenste vorm kan hebben. Door dit hologram te gebruiken voor shaping, kan een beam worden verkregen met een energieverdeling die ongeveer flat-top is in het Gaussische centrale gebied. Een binair grijstintrooster kan vervolgens verder worden ontworpen op basis van de beam-intensiteitsverdeling van het SLM om de vorm en intensiteitsverdeling van de gevormde beam te regelen.

Het principe van hybride hologramvorming

4. Stationaire fasemethode

De stationaire-fasemethode is een belangrijk wiskundig hulpmiddel bij het vormgeven van laserstralen met een vlakke top. Deze methode converteert de laserstraal van een Gaussische verdeling naar een vlakke topverdeling door de bundelfase te moduleren en zo de invallende Gaussische lichtvlek te herverdelen in een vlakke topbundel met een uniforme intensiteit. Tegelijkertijd kan de combinatie met iteratieve optimalisatiealgoritmen zoals het GS-algoritme en simulated annealing de uniformiteit van de vlakke topbundel verder verbeteren. Bovendien biedt de methode, in combinatie met de fasetype ruimtelijke lichtmodulator van ons bedrijf, een breed scala aan toepassingen in lasermateriaalbewerking (snijden, lassen), fotolithografiesystemen, optische inspectiesystemen, enz.

Het simulatie-effect van vormgeving met de stationaire fasemethode

5. Willekeurig masker fase matching algoritme

Axiale multifocale punten hebben belangrijke toepassingen in de industriële verwerking. Door gebruik te maken van het algoritme voor willekeurige maskerfaseaanpassing worden de fasediagrammen op verschillende axiale posities berekend. Er worden willekeurige maskerplaten met de bijbehorende grootheid ontworpen. De fase-informatie op de corresponderende posities wordt willekeurig geëxtraheerd en opgeteld om een ​​fasediagram te verkrijgen. Dit wordt vervolgens in de SLM geladen voor modulatie, waardoor de axiale multifocale punten worden gerealiseerd. Dit verbetert de energieconsistentie van de axiale multifocale punten aanzienlijk, waardoor de SLM breder kan worden toegepast in de industriële verwerking.

Simulatie van 1×3 axiale multi-focale punten

2. Optische expressiemethode

Als antwoord op de uiteenlopende vraag naar speciale stralenbundels op het gebied van onderwijs, wetenschappelijk onderzoek en industriële verwerking heeft ons bedrijf, met behulp van de technologie van ruimtelijke lichtmodulator (SLM), op maat gemaakte berekeningsmethoden en -oplossingen ontwikkeld op basis van gestructureerde lichtvelden zoals vortexstralen, Besselstralen, Laguerre-Gaussische stralenbundels, enz. Deze kunnen nauwkeurig voldoen aan de technische kernvereisten van scenario's zoals nauwkeurige micro- en nanoverwerking, optische manipulatie en kwantumcommunicatie.

1. Vortexstraal

Door gebruik te maken van het elektro-optische effect van vloeibare kristallen kon de SLM de amplitude en fase van de invallende lichtgolf moduleren, waardoor de golffronttransformatie van de lichtgolf mogelijk werd. Bovendien werd er een wervellicht gevormd door hologrammen te laden met behulp van de ruimtelijke lichtmodulator, wat een breed scala aan toepassingen op het gebied van optische communicatie en deeltjesmanipulatie mogelijk maakte.

Wervelstralen die overeenkomen met verschillende topologische ladingsgetallen

Vortexstralen realiseren deeltjesmanipulatie in het optische pincetsysteem

2. Bessel-balk

De Bessel-bundel is een speciale vorm van een niet-diffracterende bundel. De verdeling van de elektrische veldsterkte in de dwarsdoorsnede volgt de Bessel-functie. Bovendien kan de Bessel-bundel tijdens het voortplantingsproces de transversale lichtintensiteitsverdeling onveranderd houden en heeft hij een oneindige niet-diffracterende afstand. De Bessel-bundel heeft belangrijke toepassingen op het gebied van optische manipulatie, laserprecisiebewerking, microscopische beeldvorming en optische communicatie.

Fasediagram en intensiteitsdiagram van de Bessel-bundel (M = -10)

3. Laguerre-Gaussiaanse bundel

De Laguerre-Gaussische bundel (LG-bundel) is een speciale lasermodus van hogere orde, waarvan de transversale elektrische veldverdeling gezamenlijk wordt beschreven door de Laguerre-polynoom en de Gaussische functie. De LG-bundel heeft een spiraalvormig fasegolffront en een orbitaal impulsmoment, en kent belangrijke toepassingen in gebieden zoals optische manipulatie, communicatie en kwantumoptica.

Fasediagram en intensiteitsdiagram van de Laguerre-Gaussische (LG) straal (M = -10, P = 2)

4. Hermite-Gaussische straal

De Hermite-Gaussische bundel (HG-bundel) is een van de meest voorkomende transversale modi van hogere orde in de laserresonator, en de transversale elektrische veldverdeling ervan wordt gezamenlijk beschreven door de Hermite-polynoom en de Gaussische functie. De HG-bundel is een van de fundamentele modi in de laserfysica. Dankzij zijn orthogonaliteit en regelbaarheid kent hij een breed scala aan toepassingen in vakgebieden zoals lasertechnologie, communicatie, beeldvorming en kwantumoptica.

Fasediagram en intensiteitsdiagram van de Hermite-Gaussische (HG) straal (M = 2, P = 2)

5. Fase-type Fresnel Zone Plaat

De Fresnel Zone Plate (FZP) is een optisch element gebaseerd op diffractiefocussering. Traditioneel wordt het gebruikt om de amplitude te regelen. Het optische padverschil tussen elke zone en de aangrenzende zone is echter een oneven veelvoud van een halve golflengte, waardoor het licht dat door verschillende zones gaat dezelfde fase heeft in het brandpunt, waardoor de fase van het invallende licht wordt gemoduleerd. Deze fasemodulatie is van groot belang in vakgebieden zoals optische beeldvorming, optische communicatie en biomedische beeldvorming.

AI-algoritmen ontmoeten ruimtelijke lichtmodulatoren: een nieuw tijdperk inluidenvanIntelligente optica!

De diepgaande integratie van kunstmatige intelligentie (AI) en ruimtelijke lichtmodulatoren (SLM) zorgt voor een revolutie in optische technologie. Machine learning stelt SLM in staat om realtime golffrontcorrectie en holografische projectie-optimalisatie te bereiken, wat de beeldkwaliteit en de weergave-effecten in AR/VR-systemen aanzienlijk verbetert. De combinatie van neurale netwerken en SLM benut de parallelle voordelen van optische computing ten volle. Het construeert niet alleen nieuwe architecturen zoals optische convolutionele netwerken, maar maakt ook realtime dynamische holografische besturing mogelijk via spiking neurale netwerken. Deep learning doorbreekt de grenzen van de optica verder en maakt geavanceerde technologieën zoals lensloze beeldvorming en superresolutiemicroscopie mogelijk, terwijl tegelijkertijd toepassingsscenario's zoals optische communicatie worden geoptimaliseerd. Deze gezamenlijke innovatie verbetert niet alleen de prestaties van bestaande systemen, maar leidt ook tot talloze baanbrekende toepassingen. Met de voortdurende vooruitgang van algoritmen en hardware zal de AI+SLM-technologie een groter potentieel tonen op gebieden zoals intelligente beeldvorming, optische computing en kwantumoptica. Het zal optische systemen naar een intelligentere en nauwkeurigere ontwikkelingsrichting stuwen.

Samenvatten

In het huidige tijdperk van snelle ontwikkeling van opto-elektronische technologie is de ruimtelijke lichtmodulator (SLM) een essentieel onderdeel geworden in sectoren zoals optische computing, laserverwerking en holografische beeldvorming. Of het nu gaat om traditioneel optisch computing of geavanceerde fotonische neurale netwerken, de SLM heeft een opmerkelijk potentieel aangetoond. Door de diepgaande integratie met deep learning-algoritmen vergemakkelijkt de SLM momenteel de overgang van intelligente lichtveldmodulatie van een theoretisch paradigma naar een technische realisatie. In de toekomst, met de industrialisatie van optische computerchips en de voortdurende optimalisatie van AI-algoritmen, zal de SLM een cruciale rol spelen in sectoren zoals communicatie, computing, imaging en kwantumtechnologie.

Referenties:

Wang Yutao. Controle van bundelmorfologie en -kwaliteit op basis van hybride hologrammen [D]. Hubei University of Technology, 2018.
Liu KX, Wu JC, He ZH, Cao LC. 4K-DMDNet: diffractiemodelgestuurd netwerk voor computergegenereerde 4K-holografie. Opto-Electron Adv 6, 220135 (2023).