?背景引入?

空間光調(diào)制器本質(zhì)上是一種能夠?qū)獠ǖ恼穹⑾辔换蚱駹顟B(tài)進行空間分布調(diào)制的動態(tài)光學器件，我司自主研發(fā)的SLM產(chǎn)品采用硅基液晶技術，通過電信號控制液晶分子的排列狀態(tài)，實現(xiàn)對入射光波的精確調(diào)控。這種精確調(diào)控能力使得SLM成為光學系統(tǒng)中的“智能畫布”，能夠在光路中生成各種復雜的光場分布。

?空間光調(diào)制器原理?

振幅型空間光調(diào)制器TSLM023-A

振幅型SLM通過液晶的旋光作用和檢偏器的消光效應來實現(xiàn)振幅調(diào)制。

相位型空間光調(diào)制器FSLM-2K73-P03HR

相位型SLM利用電壓改變液晶分子的排列方向，從而調(diào)整其折射率，產(chǎn)生可編程的相位延遲。

空間光調(diào)制器強大之處在于其可編程性，而這種可編程性的實現(xiàn)依賴于各類相位圖生成算法。這些算法根據(jù)目標光場的分布，計算出需要加載到SLM上的相位圖案，是連接數(shù)字計算與光學調(diào)控的橋梁。

?振幅型空間光調(diào)制器：算法驅(qū)動的光強精確調(diào)控?

振幅型空間光調(diào)制器需要線偏振光入射，通過控制光波的振幅分布來實現(xiàn)光場調(diào)控，當入射線偏振光的偏振方向與起偏器一致時，液晶分子的旋光作用會改變光的偏振狀態(tài)，通過檢偏器后形成振幅調(diào)制，是光學信息處理、圖像投影等領域的重要工具。

01繪圖法

1.針對振幅型空間光調(diào)制器進行直接編碼將目標光強分布線性映射為SLM的灰度值，生成各類簡單及復雜圖案，進行可編程振幅掩膜，通過實時更新SLM圖案滿足不同光學實驗需求，比如應用于我司教學系統(tǒng)干涉衍射實驗模塊的單縫、雙縫、圓孔及其他各類形狀（三角形、五角星、矩形、六邊形）等，可滿足涉及干涉、衍射相關的各類教育教學實驗需求。

單縫/雙縫實驗

圓孔衍射

矩孔衍射

2.圖像濾波方面，在光學系統(tǒng)傅里葉頻譜面通過高精度灰度控制生成復雜標線圖案，例如：一維光柵、二維光柵等，可分散光波的信息，廣泛應用于行業(yè)內(nèi)光譜分析及光纖通信系統(tǒng)應用中；在透鏡后的焦平面上進行濾波，遮擋不同方向的頻率（高頻、低頻、x方向、y方向等），工作在振幅調(diào)制狀態(tài)的SLM可以實現(xiàn)低通、高通、狹縫等濾波。

一維/二維光柵

孔形濾波

02光學表達式法

振幅型菲涅爾波帶片：根據(jù)需要的波帶片參數(shù)，以菲涅爾波帶片理論在計算機中生成對應的二維灰度圖像或二值圖像，其結(jié)構(gòu)由一系列交替的透明和不透明環(huán)帶組成。運用空間光調(diào)制器結(jié)合菲涅爾波帶片即可形成特定光強分布圖案，實現(xiàn)對入射光的振幅調(diào)制，同時利用菲涅爾波帶片可以實現(xiàn)對光強的空間分布進行精確控制，運用于激光加工中，可使激光在加工區(qū)域形成特定的光強分布，滿足材料加工對不同部位光強的要求。

03振幅全息圖法

振幅全息圖主要通過調(diào)制光的振幅分布來記錄和重建物體光場信息的技術。與相位全息圖不同，振幅全息圖僅通過改變光的透射率或反射率來編碼光場信息，利用振幅調(diào)制的條紋通過衍射效應重建原始物光波，在全息顯示與投影、光學數(shù)據(jù)存儲、防偽技術及光學干涉測量方面有著重要應用。

?相位型調(diào)制器：波前調(diào)控的算法藝術?

相位型空間光調(diào)制器同樣需要線偏振光入射，且偏振方向應與液晶分子長軸保持一致，當施加電壓改變液晶分子取向時，折射率隨之變化，產(chǎn)生可編程的相位延遲，以此來改變光波的相位分布從而實現(xiàn)更復雜的光場調(diào)控，在全息顯示、光鑷、自適應光學等領域具有不可替代的優(yōu)勢。

01相位恢復算法

1.GS算法

最經(jīng)典的相位恢復算法GS算法，采用傅里葉變換在空間域和頻域之間反復迭代，逐步逼近目標光場。原理簡單、運算速度快，非常適合實時性要求高的應用場景。我司開發(fā)出彩色全息系統(tǒng)，應用GS算法在SLM上加載計算好的三色全息圖，以一定的速率順序進行光場調(diào)制，通過人眼視覺暫留的累積效應二實現(xiàn)彩色信息顯示。

GS算法-彩色全息系統(tǒng)

2.GSW算法

考慮到GS算法簡單且容易陷入局部最優(yōu)，而GSW算法是在GS算法基礎上引入加權(quán)算法機制，在迭代過程中對不同頻率成分施加不同權(quán)重，從而改善重建質(zhì)量?；诖瞬捎肎SW算法生成多束具有特定排布的光束陣列，應用于并行加工、多焦點成像。

2x2、3x3陣列激光分束加工

3. 混合全息圖算法

利用混合全息圖算法進行平頂光整形原理即根據(jù)液晶光柵衍射特性與空間光調(diào)制器（SLM）調(diào)制特性，設計出混合全息圖，混合全息圖由兩部分組成，分別為二元光柵和幾何掩膜。其中二元光柵包括兩個不同灰度等級，可根據(jù)相位轉(zhuǎn)換需求設置灰度等級，幾何掩膜為光束整形區(qū)域，可以為任何形狀。利用該全息圖進行整形即能獲得高斯中心區(qū)域能量近似平頂?shù)墓馐?，同時也可根據(jù)SLM光束強度分布進一步設計二進制灰度級光柵來實現(xiàn)對整形光束形狀及強度分布的控制。

混合全息圖整形原理

4.穩(wěn)相法

穩(wěn)相法在激光光束平頂光整形中是一種重要的數(shù)學工具，通過對光束相位調(diào)制將入射高斯光斑重新分布為均勻強度的平頂光束來實現(xiàn)激光光束從高斯分布到平頂分布的轉(zhuǎn)換，同時結(jié)合GS算法、模擬退火等迭代優(yōu)化算法可進一步提高平頂光束均勻性，同時，結(jié)合我司相位型空間光調(diào)制器在激光材料加工（切割、焊接）、光刻系統(tǒng)、光學檢測系統(tǒng)等都有著廣泛應用。

穩(wěn)相法整形仿真效果

5.隨機掩膜相位匹配算法

軸向多焦點在工業(yè)加工領域有著重要的應用，采用隨機掩膜相位匹配算法，通過計算得到不同軸向位置的相位圖，設計對應數(shù)量隨機掩膜版，隨機提取對應位置相位信息并求和得到一張相位圖，加載到SLM調(diào)制從而實現(xiàn)軸向多焦點，很大程度上提升軸向多焦點能量一致性從而實現(xiàn)SLM在工業(yè)加工領域更加廣泛的應用。

1x3軸向多焦點仿真

02光學表達式法

針對教學科研與工業(yè)加工領域?qū)μ厥夤馐亩鄻踊枨?，我司依托空間光調(diào)制器（SLM）技術，開發(fā)了基于渦旋光（Vortex Beam）、貝塞爾光束（Bessel Beam）、拉蓋爾-高斯光束（Laguerre-Gaussian Beam）等結(jié)構(gòu)化光場的定制化計算方法與解決方案，可精準匹配精密微納加工、光學操控、量子通信等場景的核心技術需求。

1. 渦旋光束

利用液晶的電光效應，實現(xiàn)了空間光調(diào)制器對入射光波的振幅和相位調(diào)制，使光波實現(xiàn)波前變換，利用空間光調(diào)制器加載全息圖形成了渦旋光，在光通信和微粒操縱領域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應用。

不同拓撲荷數(shù)對應的渦旋光束

渦旋光束在光鑷系統(tǒng)實現(xiàn)微粒操控

2.貝塞爾光束

貝塞爾光束是一種特殊形式的非衍射光束，電場強度分布在橫截面遵循貝塞爾函數(shù)，且貝塞爾光束在傳播過程中能保持橫向光強分布不變，具有無限長的無衍射距離，在光學操控、激光精密加工顯微成像及光通信領域具有重要應用。

貝塞爾光束相位圖與強度圖（m=-10）

3.拉蓋爾-高斯光束

拉蓋爾-高斯光束（LG光束）是一種特殊的高階激光模式，其橫向電場分布由拉蓋爾多項式和高斯函數(shù)共同描述。LG光束具有螺旋相位波前和軌道角動量，在光學操控、通信和量子光學等領域有重要應用。

LG光束相位圖與強度圖（m=-10，p=2）

4.厄米高斯光束

厄米-高斯光束（HG光束）是激光諧振腔中常見的高階橫模之一，其橫向電場分布由厄米多項式和高斯函數(shù)共同描述。HG光束是激光物理的基礎模式之一，憑借其正交性和可調(diào)控性，在激光技術、通信、成像和量子光學等領域具有廣泛應用。

HG光束相位圖與強度圖（m=2，p=2）

5.相位型菲涅爾波帶片

菲涅爾波帶片（FZP）是基于衍射聚焦的光學元件，傳統(tǒng)上用于控制振幅，但其每個環(huán)帶與相鄰環(huán)帶之間的光程差為半波長的奇數(shù)倍，使得透過不同環(huán)帶的光在焦點處具有相同的相位，從而實現(xiàn)對入射光相位的調(diào)制，這種相位調(diào)制特性在光學成像、光通信、生物醫(yī)學成像等領域有著重要應用。

?AI算法遇上空間光調(diào)制器：開啟智能光學新時代！?

人工智能與空間光調(diào)制器（SLM）的深度融合正在推動光學技術革新。機器學習賦能SLM實現(xiàn)實時波前校正和全息投影優(yōu)化，顯著提升成像質(zhì)量與AR/VR顯示效果。神經(jīng)網(wǎng)絡與SLM的結(jié)合充分發(fā)揮光計算并行優(yōu)勢，既構(gòu)建了光學卷積網(wǎng)絡等新型架構(gòu)，又通過脈沖網(wǎng)絡實現(xiàn)動態(tài)全息實時調(diào)控。深度學習進一步突破光學極限，使無透鏡成像、超分辨顯微等尖端技術成為可能，同時優(yōu)化了光通信等應用場景。這種協(xié)同創(chuàng)新不僅提升了現(xiàn)有系統(tǒng)性能，更催生了許多突破性應用。隨著算法與硬件的持續(xù)進步，AI+SLM技術將在智能成像、光計算和量子光學等領域展現(xiàn)更大潛力，推動光學系統(tǒng)向更智能、精準的方向發(fā)展。

?總結(jié)?

在光電技術飛速發(fā)展的今天，空間光調(diào)制器（SLM）已成為光計算、激光加工、全息成像等領域的核心器件，無論是傳統(tǒng)的光學計算，還是前沿的光子神經(jīng)網(wǎng)絡，SLM都展現(xiàn)出了強大的潛力。當前，通過與深度學習算法的深度融合，SLM正推動智能光場調(diào)控從理論范式向工程化躍遷。未來，隨著光計算芯片的產(chǎn)業(yè)化和AI算法的持續(xù)優(yōu)化，SLM將在通信、計算、成像、量子技術等領域發(fā)揮更關鍵的作用。

引用文獻：

汪于濤;基于混合全息圖的光束形態(tài)及質(zhì)量控制[D];湖北工業(yè)大學;

2018Liu KX, Wu JC, He ZH, Cao LC. 4K-DMDNet: diffraction model-driven network for 4K computer-generated holography. Opto-Electron Adv 6, 220135 (2023).

審核編輯 黃宇