背景介紹

作為一種動態可編程光學元件，液晶空間光調制器（LC-SLM）在波前整形和光束控制等精密光學調控應用中發揮著非常重要的作用。典型的純相位SLM工作原理是通過加載的電壓控制在每個液晶像素處誘導相位延遲，實現對入射光波波前的調控。

隨著光場調控技術朝著精細化方向發展，對相位型LC-SLM的調制精度提出了更高的要求。如：在超快智能加工領域需求相位型SLM實現高相位調制精度的波前精細調控；在顯微成像領域需求相位型SLM實現高信噪比、高分辨率的成像；在無接觸光學微操縱領域需求相位型SLM實現高精度、高效的微粒捕獲等。然而, 通常商用SLM會出現相位失真，導致LCOS器件在波前控制實際應用中存在諸多問題：如光利用效率低、調制精度差，最終無法實現相應的功能。

追其本源，相位失真主要由SLM物理結構和環境條件的相位調制非線性和不均勻性引起，具體可歸因于兩個因素：

1）施加在液晶（LC）上的錯誤驅動電信號；

圖1 動態調制LUT調制誤差

2） SLM襯底或背板曲率和LC層厚度不均勻引起的畸變；

圖2 SLM硬件引入畸變

前者屬于驅動模塊控制誤差導致動態相位響應誤差，可通過LUT來實現修正；而后者屬于產品器件的固有特性，會影響效率和波前質量，調制的相位輪廓的精度相對較低，直接影響了相位調制的精度。為了解決這一問題，需要對SLM的硬件（光閥）進行面型測量及修正。

SLM面型測試和校準原理

為了響應基于高精度相位調制的應用需求，同時提升SLM產品性能，中科微星基于泰曼-格林干涉法開發了測量SLM的靜態波面誤差和修正技術，系統光路示意如圖3所示，具體工作原理：在激光光束擴束和準直之后形成平面波，經分束器（BS）分成兩個光束，一束光經BS透射照射到SLM，并經SLM調制后反射；另一束光經BS反射照射到參考鏡，并經參考鏡反射，經SLM調制后的反射光與經平面鏡（M）反射的光通過BS時發生干涉，然后CCD可通過其前端配置的4f系統對干涉條紋進行采集和記錄。

圖3 泰曼格林干涉測量光路

將SLM置于圖3中所示的位置，通過光路系統中CCD采集干涉條紋，圖4為測得的SLM干涉條紋。

圖4 采集的干涉條紋圖

然后通過干涉條紋處理算法可得到SLM初始面型圖像和數據；通過面型修正算法可得到SLM修正后面型數據和圖像，并用常用的面型評價指標PV、RMS進行量化表征。下表1列舉的為測試和修正的3種SLM的測試和修正面型圖像和數據。

表1 不同類型SLM初始及修正后面型

從上表可得到：修正后面型相較于初始面型，面型基本趨于平坦度，面型精度RMS基本可達1/35λ@632.8nm。

面型校準對調制效果的影響

為了更好對比面型修正前后SLM的調制性能，通過搭建實際光場測試系統測試了3種常用光束（高斯光束、艾里光束、渦旋光束）修正前后調制效果。

表2 SLM面型修正前后對實際光場調試結果

從上述測試結果可以得到，修正后的SLM調制效果會更完美，更接近于理論效果。

產品推出

公司最新3.0軟件已經預留面型補償接口，支持相位型SLM（針對532nm和635nm）面型檢測和修正標定，根據不同工作波長配置相應的面型修正文件，并通過配套軟件實現面型修正的補償。