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[技术]空间光调制器像素处光衍射的仿真 [复制链接]

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科学家

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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2024-11-11

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

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