空间光调制器常见问题解答
作者：上海尤谱光电科技有限公司 来源：本站 发布日期：2020-7-7 16:28:22 点击次数：2872
常见问题
Q1： SLM的参数与加工参数的关系？ Q2： 使用SLM加工稳定性 Q3： SLM加工与DOE优点 Q4： SLM加工与基于普通扫描镜加工的优点 Q5：载入目标图像的时候，应该选择什么大小的图像？ Q6：能否实现幅度调制，偏振调制？ Q7：能否可以实现同时控制两个SLM？ Q8：如何实现高帧率更换图像（matlab labview， OEM）？ Q9：如何提高并行加工的均匀性？ Q10：消除零级光的方式（光栅和菲涅尔对比，小block方式） Q11：在进行IFTA计算的时候，是否要考虑入射光的分布？ Q12： 如何快速确定SLM好使（，SLM上有图像， -400mm菲尼尔） Q13： 为什么加了校正相位，直接观察反射光斑反而变差了，如下图左图为不叠加校正相位，右图为叠加校正相位。 以及为什么不叠加校正相位，同时还可以得到不错的衍射图像。 Q14： SLM生成平顶光的几种方案 Q15： SLM生成纵向多焦点的方案） Q16： SLM适合的领域和不适合的领域） Q17： JIZAI的主要优势 Q18： SLM产生平顶光的几个思路 Q19： SLM产生纵向多焦点的几个思路 Q20： 如果SLM上载入了相位，但是在透镜后焦面没有产生效果，主要原因是什么？ Q21： 如果SLM入射角度大于5度，主要会发生什么？
Q1：SLM的参数与加工参数的关系？
最大加工的面积等于场镜焦距*激光波长/像素大小。因而对于1030nm/1064nm的波长，基本可以近似认为加工的面积等于场镜/物镜焦距的1/12。
并行加工中每个点的大小：在优化足够好的条件下，每个焦点的大小与不加SLM，直接通过透镜聚焦的点大小一致。
并行加工点之间最小距离：等于最大加工面积/SLM像素尺寸得到的值与并行加工焦点大小的值里的最大值。
Q2：使用SLM加工稳定性
使用SLM进行并行加工的时候，点阵的稳定性主要取决于SLM上的相位稳定性。根据文献使用滨松的SLM，由于相位不稳定性导致的点阵的漂移可以用公式场镜焦距*0.06urad计算，例如对于150mm焦距长度的场镜，点阵漂移大概是9nm，远远小于焦点大小，可以忽略不计。
Q3： SLM加工与DOE优点
DOE与SLM均可以对光束进行调制，来提高加工效果或者效率，比如生成点阵实现并行加工，生成纵向多焦点等。然而DOE本身在加工之后，相位调制就固定了，无法更改，并且成本也相对较高。而SLM具有可编程特性，同一个SLM可以生成多种类型的相位，可以根据具体的应用以及加工参数随时更改，优化加工效果，从而为客户降低成本。而且SLM可以校正系统引入的各种像差，这对DOE是无法想象的。
Q4： SLM加工与基于普通扫描镜加工的优点
普通扫描镜加工是一点一点进行加工的，加工速度比较低。而且随着激光器的发展，激光器的功率越来越高，而为了防止损伤工件，在进行单点加工的时候，往往需要降低激光的能量，导致无法充分利用激光器的功率。 而使用SLM可以生成点阵实现并行加工，可以显著的提高加工速度。此外因为激光功率被平均分配到点阵的各个点上，因而不需要对激光器的功率进行衰减就可以，从而充分的利用了功率。
Q5：载入目标图像的时候，应该选择什么大小的图像？
从分辨率来说载入的目标图像的分辨率越小，CGH的计算速度越快。 但是对于同样的图案，如果是图像分辨率比较小的话，生成的衍射图像中可以清楚的看到图像是由点阵组成的。
而如果图像分辨率分辨率足够大，那么衍射图像中的点阵效应就不太明显。 这是因为经过SLM调制相位之后，在透镜后焦面最终是在最大加工面积内（镜头焦距*波长/像素大小）生成对应目标图像的点阵的（像素值为255，则为亮点，为0，则为黑色）。因而点和点之间的最近距离可以用（镜头焦距*波长/像素大小）/目标图案的分辨率得到。所以在目标图像分辨率低的时候，点和点之间的距离比较大，可以看清楚。但是当目标图像分辨率高的时候，电和点之间距离小，就区分不出来了。
从图像比例来说，因为经过SLM调制之后，生成的衍射图像最大范围是一个正方形，所以目标图像最好也使用正方形的比例，这样计算之后不会变形。
Q6：能否实现幅度调制，偏振调制？
虽然滨松的SLM是相位调制器，但是通过恰当的配置也是可以实现的，可以通过在前后添加相应的1/4玻片,偏振片等来实现，如下图是一个常见的调制幅度的光路构型。
Q7：能否可以实现同时控制两个SLM？
可以的，由于滨松的SLM是基于DVI进行控制的，本身是无法识别SLM的ID 的，所以一个比较容易实现的又不容易混乱的解决方案是买一个DVI转3DVI的转接线，这个DVI的转接线可以把RGB三色分离到三个DVI头，这样就可以最多同时控制三个SLM，把一个8it的BMP彩色图像使用matlab或者labview投屏到DVI所对应的显示器中，则其中一个SLM获取的R通道的图像信息，另外两个SLM分别获得是G通道和B通道的图像信息。
Q8：如何实现高帧率更换图像（matlab labview， OEM）？
滨松自带的软件由于编程优化问题，在进行图像播放的时候，速度较低，最高只可以实现大概1帧每秒的播放速度。为了实现高帧率的更换相位图像，建议客户自己使用matlab或者labview进行编写。而对于OEM类型的SLM，可以预先将相位图像存储到SLM控制板内的内存卡中，再使用程序控制相位图的更换，此时相位图更换对比普通类型的SLM少了16.6ms的延迟时间，因而可以实现更快的更换速度。
Q9： 如何提高并行加工的均匀性？
并行加工中每个点强度的均匀性是由两点决定的，一是IFTA算法本身的计算效果。二是光路的偏折，激光模式不好，光路中透镜引入的像差等。因而对于加工均匀性要求不是特别高的场合，可以使用普通的GS算法就可以了。如果希望提高加工均匀性，可以使用效果比较好的算法，比如GSW,GSA算法等。而如果希望加工均匀性达到最佳，则需要使用额外的相机观察并行光斑强度，基于这个强度分布反馈给SLM进行优化，从而达到最佳。
Q10：消除零级光的方式（光栅和菲涅尔对比，小block方式）
零级光是由于SLM表面玻璃反射，像素间隔之间的反射，以及相位图本身效率不高导致的。所以消除零级光的方式首先是改进算法，如下图是分别使用GSW算法（左图）和GS算法（右图）计算点阵得到的结果，可以看到由于GSW计算的相位图有更高的衍射效率，所以0级光相比于GS算法得到的结果显然更佳微弱。
此外常见的用来消除0级光的方式包括叠加菲涅尔透镜透镜相位（使衍射图像和0级光在z方向分离）与叠加闪耀光栅相位（将衍射图像和0级光在xy方向上分离，从而可以使用光挡将0级光彻底去除）。此外有文献发现，同时叠加菲涅尔透镜相位和闪耀光栅相位，对于消除0级光的效果更佳。
Q11：在进行IFTA计算的时候，是否要考虑入射光的分布？
最好可以考虑入射光强的分布，不过这个主要是可以提高光的衍射效率，降低0级光的影响，但是对并行加工时点阵的均匀性影响不大。
Q12：如何快速确定SLM好使（SLM上有图像， -400mm菲尼尔）
主要分为3步：
1、连接电脑，打开SLM，查看第二显示器，可以看到SLM被识别，分辨率准确。这步证明控制器与电脑连接没有问题。
2、直接观察SLM表面，随便在电脑上拖动一个文件夹到第二显示器界面晃动，可以在SLM上文件夹的移动。这步证明SLM的头与控制器的连接没有问题。
3、设置好波长，选择HPK图像，右键选择create CGH， 然后在2nd monitor设置菲尼尔透镜焦距为-400，选择激活菲尼尔透镜相位，此时在距离SLM大概400mm的位置，就可以看到清晰的HPK图像了。这步证明SLM工作没有问题，对于不执著于使用相机和透镜进行观测的客户，就可以完成验收了。
Q13： 为什么加了校正相位，直接观察反射光斑反而变差了，如下图左图为不叠加校正相位，下图为叠加校正相位。 以及为什么不叠加校正相位，同时还可以得到不错的衍射图像。
因为SLM内部反射介质镜或者铝镜的不平整度实际上是连续的平滑的不平整，所以直接观察反射光效果会很好。而为了校正表面不平整，叠加的相位图大体如下图所示
可以看到相位中有一些0到2pi的阶跃，这些阶跃相位会导致衍射效应，使光斑效果不佳。但是如果使用透镜，在透镜后焦点位置观察衍射图像的效果的话，效果会变的更好的。 此外相位校正图像是在25度的环境下测量和计算得到的。如果工作的环境与25度偏差角度，也会影响最终的实验结果的。
而对于为什么不叠加校正相位，仍然可以得到不错的衍射图像，这是因为如上所述，SLM内反射镜不平整是平滑的很连续的，这些平滑的相位变化，在经过透镜之后，对衍射图像几乎没有影响。所以即使不叠加校正相位，仍然可以得到不错的衍射图像。
Q14： SLM生成平顶光的几种方案
生成平顶光整体有四种主流方案：
第一种是模拟非球面镜相位来直接在透镜后焦面生成平顶光。
第二种是在SLM上生成光阑型相位，只选取光斑中间部分，然后进行放大，从而生成各种形状的评定光。
第三种是利用SLM与小孔光阑的配合，在光阑后经过透镜准直后光斑的强度和相位分布与SLM上的相位分布有关，因而可以在保证平顶光的同时，相位也很平整。
第四种是简单的将目标图像设置为平顶形状，然后使用GS算法进行计算即可。但是由于GS算法无法保证透镜后焦面光斑的相位分布，所以可能会存在一些pi相位，或者涡旋相位，导致某些区域光斑相消，出现强度0点，从而降低均匀性。为了解决这个问题，可以采用MRAF算法等。
Q15： SLM生成纵向多焦点的方案
生成纵向多焦点大概有三种方案：
第一种是根据每个多焦点的位置，然后计算出来为了生成这个焦点，所需要加载的菲涅尔透镜相位，然后把所有多焦点对应的菲涅尔透镜的相位叠加起来。优点：算法特别简单，计算速度快。缺点：均匀性一般，点之间干扰严重。
第二种是直接使用三维的GSW或者ORA算法；优点：均匀性显著提高，点之间干扰也改善。缺点：算法较为复杂。
第三种是利用空间光强度分布和其k空间的互为傅里叶变换的关系，然后k空间相位可以直接通过投影得到SLM上所需要的相位信息的原理进行计算的。 由于是直接对焦点区域的整个三维空间分布进行，所以得到的结果无论从均匀性，还是从点之间的干扰，都有特别好的效果。此外，也会考虑高数值孔径的情况。因而是最优的算法。缺点：三维的FFT和IFFT可能没有直接的函数，需要用于自己编写。
Q16： SLM适合的领域和不适合的领域
#适合的领域：
1、在加工过程中，相位需要变化的领域。比如隐形切割需要对不同层进行加工，不同层所需要的校正像差的相位不同。或者比如斜面贝塞尔切割，不同角度需要的相位也不同。比如内部打标，不同样品的厚度不同，需要加载的像差校正行为也不同。
2、尺寸超小的并行加工。比如微型光存储，细胞级别，微纳米级别的加工 。
3、精度很高要求的加工，由于SLM相位稳定性好，所以加工精度可以获得比振镜更好的效果 。
4、多点同时扫描的加工，比如分成多点同时进行切槽 。
#不适合的领域：
1、大范围的打标，由于SLM像素尺寸有限，所以加工幅面不是很大，对于大尺寸的打标，往往基于振镜反而有更快的效果。
2、成本要求很低的应用 。
3、相位要求一成不变的应用，很多时候会被DOE所取代。
Q17： JIZAI的主要优势
稳定性和可重复性超级高，能够保证客户批量购买之后，每台都提供非常接近的性能。 根据客户的需求，我们可以从硬件，光学，电学，软件等多个方向提供定制。方便客户使用。
Q18： SLM产生平顶光的几个思路
a) 是直接使用普通的IFTA算法，将目标图像设置为方形或者圆形即可。本方法优点是算法简单，可以生成任意图像，衍射效率较高。这种方法的缺点是是由于vortex之类的存在，最终生成的平顶光有较强的speckle noise。 可以采用类似于MRAF算法来改进这个问题。
b) 第二种是直接使用现成的非球面相位公式来生成平顶光。优点是衍射效率高，均匀性较好。可以通过叠加光栅相位来生成多个平顶光。缺点是均匀性没有办法到极致，并且形状有限制，只能为方形，圆形，线型平顶光。
c) 第三种是类似于基于可变型光阑的方式，优点是均匀性很高，可以任意形状。缺点是无法生成多个平顶光，并且衍射效率相对较低。
d) 第四种是采用在4f系统中放置一个光阑的思路来实现的。优点是可以同时调制光的强度和相位，并且平顶光的景深更深。缺点是需要采用反馈机制来实现调节，并且对光路调节要求较高。
Q19： SLM产生纵向多焦点的几个思路
a) 直接把不同层的图像，叠加不同焦距的菲涅尔透镜相位，得到不同的相位图A,B,C，然后把各个相位图叠加起来。优点:算法简单，速度很快。缺点：均匀性一般，层与层之间的干扰比较大。
b) 采用类似于三维GSW和ORA等算法。直接对整个点阵进行计算，没有后叠加的过程。优点：均匀性好。缺点：速度一般，层与层之间的干扰也比较大。
c) 直接对焦点的整个光场分布进行三维FT和IFT计算。优点：均匀性高，层与层干扰小，可以实现各种异型光束。缺点：内存占用大，对计算机要去较高。
d) 采用分区域菲涅尔透镜方式。优点：均匀性高，层与层干扰小。缺点：只能适合每层有一个焦点的类型。
Q20： 如果SLM上载入了相位，但是在透镜后焦面没有产生效果，主要原因是什么？
这种情况，一般可以考虑输入光的偏振是否有问题。需要保证光是水平偏振，如果感觉SLM根本不好使一样，那大概光是垂直偏振了。
Q21： 如果SLM入射角度大于5度，主要会发生什么？
在将SLM相位设置为2pi的情况下，SLM实际加载的相位与光的入射角度关系为下图