背景介紹

作為一種動態(tài)可編程光學元件，液晶空間光調制器（LC-SLM）在波前整形和光束控制等精密光學調控應用中發(fā)揮著非常重要的作用。典型的純相位SLM工作原理是通過加載的電壓控制在每個液晶像素處誘導相位延遲，實現對入射光波波前的調控。

隨著光場調控技術朝著精細化方向發(fā)展，對相位型LC-SLM的調制精度提出了更高的要求。如：在超快智能加工領域需求相位型SLM實現高相位調制精度的波前精細調控；在顯微成像領域需求相位型SLM實現高信噪比、高分辨率的成像；在無接觸光學微操縱領域需求相位型SLM實現高精度、高效的微粒捕獲等。然而, 通常商用SLM會出現相位失真，導致LCOS器件在波前控制實際應用中存在諸多問題：如光利用效率低、調制精度差，最終無法實現相應的功能。

追其本源，相位失真主要由SLM物理結構和環(huán)境條件的相位調制非線性和不均勻性引起，具體可歸因于兩個因素：

1）施加在液晶（LC）上的錯誤驅動電信號；

圖1 動態(tài)調制LUT調制誤差

2） SLM襯底或背板曲率和LC層厚度不均勻引起的畸變；

圖2 SLM硬件引入畸變

前者屬于驅動模塊控制誤差導致動態(tài)相位響應誤差，可通過LUT來實現修正；而后者屬于產品器件的固有特性，會影響效率和波前質量，調制的相位輪廓的精度相對較低，直接影響了相位調制的精度。為了解決這一問題，需要對SLM的硬件（光閥）進行面型測量及修正。

SLM面型測試和校準原理

為了響應基于高精度相位調制的應用需求，同時提升SLM產品性能，中科微星基于泰曼-格林干涉法開發(fā)了測量SLM的靜態(tài)波面誤差和修正技術，系統(tǒng)光路示意如圖3所示，具體工作原理：在激光光束擴束和準直之后形成平面波，經分束器（BS）分成兩個光束，一束光經BS透射照射到SLM，并經SLM調制后反射；另一束光經BS反射照射到參考鏡，并經參考鏡反射，經SLM調制后的反射光與經平面鏡（M）反射的光通過BS時發(fā)生干涉，然后CCD可通過其前端配置的4f系統(tǒng)對干涉條紋進行采集和記錄。

圖3 泰曼格林干涉測量光路

將SLM置于圖3中所示的位置，通過光路系統(tǒng)中CCD采集干涉條紋，圖4為測得的SLM干涉條紋。

圖4 采集的干涉條紋圖

然后通過干涉條紋處理算法可得到SLM初始面型圖像和數據；通過面型修正算法可得到SLM修正后面型數據和圖像，并用常用的面型評價指標PV、RMS進行量化表征。下表1列舉的為測試和修正的3種SLM的測試和修正面型圖像和數據。

表1 不同類型SLM初始及修正后面型

從上表可得到：修正后面型相較于初始面型，面型基本趨于平坦度，面型精度RMS基本可達1/35λ@632.8nm。

面型校準對調制效果的影響

為了更好對比面型修正前后SLM的調制性能，通過搭建實際光場測試系統(tǒng)測試了3種常用光束（高斯光束、艾里光束、渦旋光束）修正前后調制效果。

表2 SLM面型修正前后對實際光場調試結果

從上述測試結果可以得到，修正后的SLM調制效果會更完美，更接近于理論效果。

產品推出

公司最新3.0軟件已經預留面型補償接口，支持相位型SLM（針對532nm和635nm）面型檢測和修正標定，根據不同工作波長配置相應的面型修正文件，并通過配套軟件實現面型修正的補償。