空间光调制器像素处光衍射的仿真

空间光调制器(SLM.0002 v1.1)

 

应用示例简述
 

1. 系统细节

 光源

— 高斯光束

 组件

— 反射型空间光调制器组件及后续的2f系统

 探测器

— 视觉感知的仿真

— 电磁场分布

 建模/设计

— 场追迹：

 一个SLM像素阵列处光传播的仿真，仿真中包括了SLM像素间无功能间隔引起的衍射效应。

 

2. 系统说明

 

 

3. 模拟 & 设计结果

 

4. 总结
 

考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。

 

第1步

将像素间隔引入到一个先前设计的用于光束整形的SLM透射函数。

 

第2步

分析不同区域填充因子的对性能的影响。

 

产生的衍射效应对SLM的光学功能以及效率具有重大影响。
 

应用示例详细内容
 

系统参数
 

1. 该应用实例的内容

 

 

2. 设计&仿真任务
 

由于制造和技术的原因，像素之间存在非功能间隔。这种典型的间隔会产生衍射效应，从而影响SLM的光学性能，并在接下来的工作中对其进行研究。

 

3. 参数：输入近乎平行的激光束

 

 

4. 参数：SLM像素阵列
 

 

5. 参数：SLM像素阵列

 

 

应用示例详细内容
 

仿真&结果
 

1. VirtualLab能够模拟具有间隔的SLM

 由于可以嵌入组件，VirtualLab可以轻松的实现反射系统(如反射镜，2f系统等)。

 内置的SLM模式可以实现从简单透射函数到包含像素和间隔的阵列的自动转换。

 

2. VirtualLab的SLM模块

 为设置像素阵列，必须输入像素阵列尺寸和区域填充因子。

 必须设置所设计的SLM透射函数。因此，需要输入文件SLM_Transmission_Function.ca2的路径。

 

3. SLM的光学功能
 

 在第一步，我们可以研究SLM后的电磁场。

 为此，将区域填充因子设置为60%。

 首先，获得场(Ex方向)的振幅，分别显示了SLM像素及其间隔的影响。

 

所用文件: SLM.0002_Diffraction_Pixels_SLM_01_Nearfield.lpd

 

 此处，场(Ex方向)的（Wrapped）位相如下图所示，其中所有的间隔的相位值都为一个常数值。

 

所用文件: SLM.0002_Diffraction_Pixels_SLM_02_2DGrating.lpd

 

4. 对比：光栅的光学功能

 上述的像素效应可以用相似光学功能的2D周期结构的进行比较。

 所示函数(Ex的振幅)相当于一个SLM，其像素提供一个常数位相函数。

 通过这种光栅，能够将光衍射到几个衍射级次，衍射级次分布在x-和y-方向(由于二维光栅结构)。

 级次越高振幅衰减越快，所以只有0级，1级以及2级贡献了主要的光强部分。

 这意味着，对于SLM，我们所期望的光分布具有有较高的级次，其光强由区域填充因子决定。

所用文件: SLM.0002_Diffraction_Pixels_SLM_02_2DGrating.lpd
 

5. 有间隔SLM的光学功能

现在，基于像素阵列的区域填充因子，我们可以在傅里叶平面研究SLM的光学功能。

 

所用文件: SLM.0002_Diffraction_Pixels_SLM_03_2DGrating.lpd

 

下图显示了(Ex方向)光强分布，图中具有相同的振幅比率。

 

 

6. 减少计算工作量

 

 

采样要求：

 至少1个点的间隔(每边)。

 如在有效区域，用户指定60%区域填充因子，模块在激活区域计算5×5点的等间距采样。

 

采样要求：

 同样，至少1个点的间隔。

 假设指定90%区域填充因子，模块计算25×25点的等间距采样。

 随填充因子的增大，采样迅速增加。

 

 为优化大填充因子条件下的计算工作量，减小相关阵列尺寸是非常有效的方法。

 如果被照明区域小于阵列尺寸(标记区域包含光强的90%)，这种简化是非常适用的。

 如果只考虑标记的范围，仅计算SLM的320×320个像素即可(SLM模块自动删除了透射函数边界)。

 通过优化，计算工作量减少了4.7倍。

 

 

减小SLM阵列尺寸后计算所得的振幅分布几乎和全阵列一样。

 

7. 指定区域填充因子的仿真
 

 由于间隔非常狭窄，Hamamatsu’s X10468 指定填充因子为98%，需要更多的采样点进行计算。

 全阵列尺寸798×600像素将需要79992×60600个采样点，需要极高的计算量。

 因此，可适当减小阵列尺寸到320×320像素，采样点数目为32320×32320。

 在优化的帮助下，可对指定区域填充因子进行研究(该仿真仍需约256GB的内存)。

 

8. 总结

考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。

 

第1步

将像素间隔引入到一个先前设计的用于光束整形的SLM透射函数。

 

第2步

分析不同区域填充因子的对性能的影响。

扩展阅读

扩展阅读

 开始视频

-    光路图介绍

 该应用示例相关文件：

-     SLM.0001：用于生成高帽光束的SLM位相调制器设计
-     SLM.0003： 一个基于SLM光束整形系统的中透镜像差的研究