基于二维标量衍射的液晶光束偏转性能仿真

液晶空间光调制器(LCSLM)可用于光束偏转,针对一维衍射解析理论分析液晶光束偏转时仅能考虑衍射效率的问题,严格分析二维标量衍射数值方法的采样要求和算法实现,对液晶器件的相位调制级数和非线性进行建模,计算圆形光斑经过液晶器件和聚焦透镜后的光斑空间分布。仿真分析各种条件下液晶器件的衍射效率和偏转精度,得出不同偏转角度时相位调制级数与偏转精度和衍射效率的关系,为液晶器件的选择提供了依据。利用BNS256×256向列液晶构建光束偏转实验,同时也根据实验参数仿真分析不同偏转角度对应的偏转精度和衍射效率,实验结果与仿真基本吻合,表明二维标量衍射分析可用于液晶偏转器件的工程性能评估。     

基于液晶空间光调制器的光束偏转控制技术北大核心CSCD

为实现基于液晶空间光调制器的非机械式光束智能控制,利用像素个数为1920×1080的硅基液晶空间光调制器搭建了一个实验系统。该系统能在空间内实现大角度、高衍射效率、连续指向的单光束,同时还可将入射光分成2、3、4、5束并单独控制每个分光束的偏转角度。介绍了空间光调制器的相位调制原理、理论模型,验证了光束偏转控制及分光束功能,分析测试系统的光路及原理,最后对实验结果进行总结并提出建议与展望。     

基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法研究

针对液晶空间光调制器阵元间相位调制量偏差降低光束衍射效率的问题,提出基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法。依据泰曼-格林干涉原理,搭建了相位调制系统。对调制器加载阶梯变化的灰度图,通过计算干涉条纹移动量,绘制液晶空间光调制器相位调制曲线。采用三次样条反插值法对相位调制曲线进行校正,实现对相位调制量的相位补偿。搭建液晶空间光调制器衍射效率测试系统,对所提优化方法进行实验验证,并与随机梯度下降法进行了对比。结果表明:当光束偏转角度为1.56°、0.78°、0.39°、0.19°时,文中所提方法提高了30%~40%的光束衍射效率,相较于随机并行梯度下降法,衍射效率提高了2%~8%。该方法有效抑制了栅瓣能量,提升了主瓣光束衍射效率,克服了随机并行梯度下降法迭代次数多,优化速度慢,易陷入局部最优的缺点。     

液晶光学相控阵光束偏转效率研究(英文)

液晶光学相控阵(LCOPA)的光束偏转效率(OSE)定义为一级衍射光强与总入射光强的比值,它受很多因素的影响,因此建立一个数值分析的模型来分析光束偏转效率。这个模型将液晶光学相控阵器件当作一个相位光栅和一个振幅光栅的组合体,可控变量既包括几何结构参数又包括相位分布的参数。理论研究了光束偏转效率和三类因素即偏转角、器件参数及理想与实际相位分布误差之间的关系,提出了改善光束偏转光效率的方法。结果表明随着偏转角的增大光束偏转效率将会减小,而增大填充因子、减小像素大小会提高光束偏转效率。均匀排布像素并不能获得最佳偏转效率,需要使用如时域有限差分等方法来得到最佳的像素分布。减小相邻相移器之间的间隔、提高相位回置值可以明显提高光束偏转效率。     

基于相位型空间光调制器的光束控制技术研究

非机械伺服控制的液晶空间光调制器（LCSLM ）通过控制加载在每个像素上的电压能够实时调制波前相位实现光束偏转,基于菲涅耳透镜模型和闪耀光栅模型验证了光束偏转控制能力,包括偏转距离、衍射效率与不同模型参数之间的关系,入射光波长为1550 nm时,x轴或y轴可实现的最大偏转角度为6.96°(±3.48°),光束能够在光轴方向与二维平面偏移。针对光束的高速灵敏、精准和大角度的扫描应用需求,提出了基于LCSLM的光波前相位调控算法,通过计算需要补偿的相位建立相位变换模型并满足光束控制流程,设计并构建了基于LCSLM的光束偏转及扫描实验系统,实验结果表明光场中任意位置的光斑可在接收视场360°范围内灵活偏移控制。该研究对于自由空间无线光通信、光束敏捷控制、非机械式光束的捕获瞄准跟踪等领域具有重要的应用价值。     

基于液晶空间光调制器的光束偏转控制

液晶空间光调制器(LCSLM)通过实时调制波前倾斜实现光束偏转,与传统的快反镜相比,具有非机械调制、体积小、功耗低、轻巧灵敏等优点,可应用于空间光通信中。简单介绍了液晶实现光束偏转的原理,并测试了LCSLM的调制特性,根据调制特性设计基于LCSLM的光束偏转闭环系统。实验结果表明LCSLM能有效地抑制光束抖动,使相对误差小于±1.75%。分析了LCSLM的衍射效率对于光束质量的影响及液晶响应速度、系统传输时延和算法复杂度对控制系统带宽的制约。     

空间光调制器用于多光束二维偏转的算法研究

提出一种采用光寻址液晶空间光调制器(LCSLM)作为二维激光分束和多光束偏转的无机械光束扫描系统,可对平行入射的激光光束分束、偏转,且只用1片LCSLM就能够对每一束光的方向和强度分别控制。采用G-S相位迭代算法来实现多光束可编程控制的相位模版的生成过程与仿真。先运用子孔径法在相位模版上生成所需要的相位分布作为初始值,然后采用GS相位迭代过程优化相位分布,使各子孔径中的相位分布渐次扩展到整个相位模版,其间还提出了改进的GS相位迭代算法,最后对计算所获相位分布进行反演模拟。结果表明:所提出的多光束二维偏转的算法能够满足应用需要,且改进的GS相位迭代算法能提高多光束偏转的衍射效率,优化光束光斑强度,降低光束的均方根误差。     

泰曼-格林干涉仪测量液晶空间光调制器的相位调制特性

为了评价美同BNS公司反射式256 pixel×256 pixel纯相位液品空间光调制器(LC SLM)的性能,提出利用泰曼-格林干涉仪对相位调制特性进行干涉测量.实验结果表明,液晶空间光调制器的相化随灰度呈非线性分布,利用反插值法建立线性查找表,校正了器件的非线性.非线性度由原来的17.23%减小到2.85%;中心与边缘的相位调制,在同一灰度级最大相位差达到0.22π,中心相位调制均方根误差是边缘的4倍,说明该器件存在相位调制的不均匀性,中心相位误差较大,在波前控制中应给予校正.     

液晶光调制器的调制特性及应用研究

重点对纯相位光调制器的特性及其在光束动态偏转系统中的应用进行了分析,并介绍了斜入射下纯相位光调制器的特性及新型无源液晶光调制器等液晶光调制器的新发展趋势。     

液晶空间光调制器用于波前校正的研究

为了提高液晶空间光调制器用于波前校正的精度,测试了美国BNS公司反射式255×256像素纯相位液晶空间光调制器.由于非线性相位响应特性会降低该器件用于波前校正的性能,因此通过反插值法将相位调制曲线的非线性度减小到原来的1/8,建立了0～2π区间内相位与灰度之间的线性关系.以液晶空间光调制器作为渡前校正器,数字相移干涉仪作为波前传感器,对含有高频误差的不规则波面进行了测量和误差校正.畸变波前的峰谷值(PV)由校正前的0.78A减小到校正后的0.27A,均方根(RMS)由校正前的0.13λ减小到校正后的0.02λ.实验结果表明:液晶空间光调制器能够代替传统的变形镜,实现低成本、高分辨、高精度的波前校正.     

结合高位深相位光栅图的LC-SLM标定

为了提高对液晶空间光调制器（LC-SLM）的校准精度,采用高位深相位光栅图对LC-SLM进行了标定。在LC-SLM上加载16位深度相位光栅图,并使光束经LC-SLM调制后生成衍射光斑;测量衍射光斑中心光强,经过计算分析得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系,最终得出针对488nm激光的LC-SLM标定LUT文件（LUT16）。结果表明,在LC-SLM上加载0~2π涡旋相位,并结合LUT16文件调制光束可以得到光斑质量很好的中空光斑,这与结合LUT8文件调制的中空光斑相比,光斑质量从0.53提高到0.76,提高了1.43倍。针对特定波长,利用高位深相位光栅图标定LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载相位对光束进行有效调制,且调制效果优于结合LUT8对光束进行调制的结果,对LC-SLM的校准精度得到提高。     

采用条形光栅相位图的液晶空间光调制器的标定

为了提高液晶空间光调制器（LC-SLM）的校准精度,采用条形光栅相位图对LC-SLM进行了标定。首先基于傅里叶光学模拟计算得出了条形光栅相位图对比度与零级衍射光斑光强之间的对应关系,然后搭建实验光路并在LC-SLM上加载了条形光栅相位图,测量LC-SLM控制程序中加载的灰度图所对应的零级衍射光斑光强值,经过分析计算得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系,并最终得到了针对488 nm激光的LC-SLM的标定文件LUT。经过标定之后,相位调制曲线的线性相关度可达0.996 4,校正误差仅为0.224 0 rad。结果表明,在LC-SLM上加载复杂的高阶相位,并结合LUT文件可以调制生成高质量的双螺旋光斑。此研究结果表明:针对特定波长,利用条形光栅相位图标定的LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载的相位对光束进行有效调制,且其方法更简单。     

阵列分束激光三维成像技术

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大,导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点,提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束,将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束,调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置,使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上,提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理,提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案,研制了阵列分束激光三维成像原理样机,利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明,采用该技术后,采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源,填充因子2/3的88 APD,三维成像作用距离达到510 m,同等条件下与不分束相比,作用距离提升39.1%。     

利用快速相位反馈控制输出变换极限飞秒激光脉冲

报道了利用简化的频率分辨光学开关法快速测量飞秒激光脉冲,并形成反馈,控制液晶空间光调制器,补偿非线性光纤飞秒激光放大器输出脉冲的啁啾,获得了脉冲宽度74 fs的变换极限脉冲。     

液晶空间光调制器的斜入射特性

对液晶空间光调制器(LC-SLM)在读出光斜入射下的理论进行了推导,建立了读出光斜入射时液晶空间光调制器的理论模型,并进行了模拟计算。以正入射时液晶空间光调制器的电压—输出光强的关系,推导出液晶空间光调制器在不同调制电压下液晶分子的转角,从而进一步计算相位差。结果表明,随着入射角的增加,液晶层的相位调制深度逐渐减小;随着分子倾角的减小,相位调制深度逐渐升高,即随着写入光的增强,加到液晶层两端的电压增加;随着入射角的增加,读出光强的初相位逐渐减小,但该初相位值并不大,即使在入射角10°下达到最大,也仅为0．21π。计算结果与实验数据相吻合。     

斜入射液晶空间光调制器的特性

用读出光斜入射到液晶空间光调制器(LC-SLM)的读出面,是一种有效的提高空间光调制器(SLM)读出效率的方法。测量了读出光以不同角度入射到液晶空间光调制器的读出面上时,相位调制深度与写入光强的关系、衍射效率与二值光栅对比度的关系。得到随着入射角度的增加,最大相位调制深度减小,而衍射效率变化并不明显。在45°时有最大相位调制深度2.0936π和35.4%的正一级衍射效率。     

光寻址液晶空间光调制器用于激光光束整形的可控系统和设计算法

提出了一种利用光寻址液晶空间光调制器(LC-SLM)来实现实时可控的激光光束整形的系统和算法.用几何变换法和盖师贝格-撒克斯通(G-S)算法对有振幅调制和位相畸变光束进行均匀分布的平顶光束整形及数值模拟,用几何变换法可以得到非常好的小尺度的均匀性输出光束,而G-S算法能够有效地改善入射光束的大尺度不均匀性.为了减少输出光束的均方根误差和顶部不均匀度,提出结合几何变换方法和G-S算法,由几何变换方法得到的相位分布为G-S算法的初始相位分布.计算机设计的仿真结果表明:利用这种算法可以有效减少大尺度的不均匀度值,并得到合适的输出光束.     

基于液晶空间光调制器的变倍率激光扩束技术研究

由于激光器发出的光束通常在毫米量级,然而在激光测距、激光通信、激光全息等领域中需要较宽的光束,因此需要对激光束进行准直扩束。本文提供了一种基于LC-SLM的变倍率激光扩束方法,利用LC-SLM产生透镜的波阵面。由计算机数值模拟出焦距不同的变焦透镜相位调制图,将其加载到LC-SLM上,利用焦距不同的变焦透镜相位调制图的灰度信号来控制LC-SLM外加电压变化,实现了基于LC-SLM的变焦透镜功能。根据伽利略望远镜形式的扩束系统,本文利用LC-SLM的变焦透镜功能与匹配透镜配合,搭建了基于LC-SLM的变倍率激光扩束系统,实现对激光束的变倍扩束。实验结果表明,该系统实现了2~×~10~×连续变倍率激光扩束。系统结构简单、精度高、响应速度快,具有很大的实用价值。