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光调制器可实现对光的“操纵”
点击: 添加时间:2016-07-19 15:02 信息来源:未知

众所周知,光具有反射和折射的特性,这使得我们可以通过平面镜,棱镜和透镜来控制或校正其传播方向,进而对它进行更有效的利用。比如镜子作为一个简单的光学器件,可使光方向翻转180度,从而显示出我们的影像以作为每天形象检查的必要参考;此外,相机镜头或人的眼睛可使通过透镜(晶状体)的光折射,并汇聚至一个单点来形成一幅图像,以此执行"聚焦"的工作。

  而除了这些日常可见的应用以外,还有许多专业性强、应用特殊、甚至超出了我们普通人认知的应用,比如"光相位的调制"。

  光具有粒子性和波动性,从波动性的角度考虑,我们可以把光当成是一种电磁波,那它便具有电磁波所具有的参数--振幅、相位、波长等。而我们使用反射镜、透镜等元件进行的反射、聚焦,从波动的角度看,都是改变了波的相位。

  也就是说,对光的相位进行操控,便可以实现例如聚焦等效果。而相位调制除了实现简单的聚焦,还可以进行更复杂的调制,形成更高级的光斑,或者将复杂的信息通过相位编码的方式调制到光束中,来实现光通信的目的。在光通信、自适应光学、光镊等众多专业应用领域中,都涉及到光的相位调制。

  那么,如何调制光的相位?很简单,通过滨松家族中一位神秘的"光操纵"能力者,就可以实现啦!那就是:空间光调制器。

  空间光调制器(SLM)是一个光学仪器,它可以按照所需空间模式对光进行调制。如上所言,光是一种电磁波,它具有电磁波的各种属性,而滨松的LCOS-SLM通过对光相位的调制,实现了对一个周期内光程的调制。

  SLM的表面是由一个个像素构成的,每个像素都相当于一个可以用电控制前后位置的反射镜。在光路中,需要调制的光照射到SLM的表面上,通过软件来控制SLM的每个像素的位置,就相当于改变了每个像素对应光线的相位。这样,经过SLM的反射,便得到了调制后的光。

  SLM对光相位的调制

  滨松SLM只调节光的相位而不会改变光的强度和偏振方向,使用DVI线连接SLM和计算机,使用软件将相应的灰度图像加载到SLM上,每个像素便会根据该像素上的图像灰度值所对应的相位来调节入射到该像素的光。

  某型号SLM在特定波长下灰度与相位对应关系示意图

  对激光进行调制

  使用SLM对激光进行调制,可以广泛的应用于光纤通信等领域,使得关于高斯光、贝塞尔光、轨道角动量、光聂等的研究有了突飞猛进的发展。SLM能灵活地产生激光涡旋、进行飞秒激光脉冲整形以及使激光3D多点聚焦等。

  生成拉格朗日-高斯光所需加载到SLM上的图像(左)和相应的激光光斑(右)

  矫正成像系统的像差

  在成像方面(包括显微系统、望远系统、照相系统等所有成像系统),SLM可以用于像差的矫正。对于一个成像系统,系统的成像质量往往受像差影响,例如球差、彗差、像散、场曲、畸变等。而传统的方法是通过复杂而昂贵的光学设计来消除像差,需要大量的软件计算,复杂的镜片制作工艺等等。

  SLM的诞生,像差的问题便迎刃而解了。只要通过SLM对光路进行校准,针对每一个光路生成一个矫正图样,通过对每个像素相位调制的方式,将成像系统的像差完全消除。这就相当于使用了一个面型复杂的非球面镜代替了复杂的透镜系统,有些情况下甚至代替了整个成像系统,而这个非球面镜不需要光学加工,只需要简单的向它输入一张校正图,它就自行变成需要的面型。

  使用SLM代替复杂的像差校正透镜组

  而且不像传统的非球面镜,只能针对一个系统使用一次,SLM可以重复使用,适应各种不同的系统,而使用者所要做的就是加载不同的图像上去而已。这在大大降低成本的同时,省去了一切光学设计和制造的麻烦。

  波前矫正

  在自适应光学系统中,通过波前探测器的反馈,SLM对光路进行相应的相位调制,从而达到波前矫正的目的。如下图中所示,未校正的波前是一个曲面,经过SLM的反射,由于SLM通过增加靠前像素的光程而减小靠后相位的光程,使得反射光的波前位于同一个平面上。

  使用SLM进行波前校正

  OK,经过以上的介绍,我们对"操纵光"也有了一个新概念。然而,光的世界是奇妙的,充满着无限的未知,目前我们对光的了解和利用也十分有限,虽然在一定意义上是可以"操纵光",但是,要想更多的让它为我们所用,还需要更多的探索。而这,也是滨松做为一个光子技术企业而一直秉承的愿景。

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