空间光调制器像素处光衍射的仿真
^-|yF2>` 应用示例简述 *@C]\) H)Kt!v8 1. 系统细节 UyWKE< 光源 }z/Y
Hv% — 高斯光束 TfFuHzZZ 组件 bB#6Xx — 反射型空间光调制器组件及后续的2f系统 +1]xmnts 探测器 -$8M#n, — 视觉感知的仿真 Bv)4YU — 电磁场分布 } XJZw|n 建模/设计
F[65)"^ — 场追迹: Q~L"Mr8>V 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。 #G/
_FRo` R'.YE;leBG 2. 系统说明 _]Ei,Ua G.}Ex!8R7_ _&~y{;)S 3. 模拟 & 设计结果 :M%s:,]R Ijs"KAW
? 4. 总结 sHr!GF >~% _U+6 考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。 .).*6{_ ,XZ[L?
> 第1步 n*
7mP 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。 2qY+-yOEt z3lMD'uU3 第2步 Lh M{d 分析不同区域填充因子的对性能的影响。 IIW6;jS KT5"/fv 产生的衍射效应对SLM的光学功能以及效率具有重大影响。 ];|;") #= nKoc%TNqe 应用示例详细内容 TN=MZ{L }g? 9/)z 系统参数 -i}@o1o\ O0lQ1<= 1. 该应用实例的内容 _*.Wo"[%[X abvA*| 9bDxml1 2. 设计&仿真任务 h2Pvj37 ) $wX~k 由于制造和技术的原因,像素之间存在非功能间隔。这种典型的间隔会产生衍射效应,从而影响SLM的光学性能,并在接下来的工作中对其进行研究。 (:p&[HNuN Dyx3N5?C 3. 参数:输入近乎平行的激光束 !7:~"kk ~IB~>5U! 4~G++|NQ 4. 参数:SLM像素阵列 9J$z/j;X u.}z}'- #hBDOXHPf 5. 参数:SLM像素阵列 ^c9~~m16+ \\qw"w9 6^L4wd7) 应用示例详细内容 Y^? J3[@ SGU~LW& 仿真&结果 ?1I0VA'] olC@nQ1c* 1. VirtualLab能够模拟具有间隔的SLM C?FUc cI 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)。 y`~[R7E 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。 Z'%k`F NA,)FmQjk 2. VirtualLab的SLM模块 6m$,t-f0b ]i=\5FH e Q6cF<L`bW 为设置像素阵列,必须输入像素阵列尺寸和区域填充因子。 N[~"X**x 必须设置所设计的SLM透射函数。 ~PT(/L T/%s7!E 3. SLM的光学功能 K4vl#*qn lW,rzJ1 在第一步,我们可以研究SLM后的电磁场。 Y%UfwbX!g 为此,将区域填充因子设置为60%。 N'fE^jqU 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。 r )cGee 5]WpH0kzO su}>
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dJvl | S-"OfWg< 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。 pI>i1f=W xj/ +Z!,9 @l0#C5(: fjUyx: "8Ud&o 4. 对比:光栅的光学功能 ;a/Gs^W 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。 /5@V $c8 所示函数(Ex的振幅)相当于一个SLM,其像素提供一个常数位相函数。 `0tzQ>ZQq 通过这种光栅,能够将光衍射到几个衍射级次,衍射级次分布在x-和y-方向(由于二维光栅结构)。 1/Pou)D 级次越高振幅衰减越快,所以只有0级,1级以及2级贡献了主要的光强部分。 pJ6Z/3] 这意味着,对于SLM,我们所期望的光分布具有有较高的级次,其光强由区域填充因子决定。 lPh>8:qFM i6)$pARp
D>u1ngu C?e1 a9r C@` eYi 5. 有间隔SLM的光学功能 -hf)%o$ 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。 )5r *2I ?|8H|LBIr n|vIo) KZ/U2.{O< 1&~u:RUXe 下图显示了(Ex方向)光强分布,图中具有相同的振幅比率。 nV-A0"z_& TOo0rcl dnVl;L8L3 6. 减少计算工作量 qALlMj--m +B$o8V
'~{^c} 采样要求: nz:I\yA 至少1个点的间隔(每边)。 q/Dc*Qn
m 如在有效区域,用户指定60%区域填充因子,模块在激活区域计算5×5点的等间距采样。 k&4@$;Ap n$Z@7r 采样要求: TY[1jW~{r 同样,至少1个点的间隔。 MR/jM@8 假设指定90%区域填充因子,模块计算25×25点的等间距采样。 %EYh5W 随填充因子的增大,采样迅速增加。 `s (A&=g\ Ycypd\q/ 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。 1;<J] S$$ 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。 W is_N3M 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)。 >OVi{NyT 通过优化,计算工作量减少了4.7倍。 .
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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。 |ahleu 7. 指定区域填充因子的仿真 je1f\N45 JnCp'` 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。 m5lMh14E 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。 ?y82S*sb# 因此,可适当减小阵列尺寸到320×320像素,采样点数目为32320×32320。 [6Y6{.%~ 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)。 $}0q=Lg%wv rr fL[ +U9Gj# 8. 总结 T_bk% 考虑SLM像素间隔来研究空间光调制器的性能。 pmd=3,D'u QLYb>8?"C 第1步 ;hi+.ng_ 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。 |?6r&bT "h'0&ZP~_ 第2步 Hzs]\%" 分析不同区域填充因子的对性能的影响。 5inmFT?9Z 扩展阅读 Q#8}pBw 扩展阅读 O7|0t\) 开始视频 '+1<7jl&I - 光路图介绍 ^D 8YF
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