算法驅(qū)動光場革命：SLM技術(shù)引領(lǐng)智能光學(xué)新時代

?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?、相位或偏振狀態(tài)進(jìn)行空間分布調(diào)制的動態(tài)光學(xué)器件，我司自主研發(fā)的SLM產(chǎn)品采用硅基液晶技術(shù)，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(xué)系統(tǒng)中的“智能畫布”，能夠在光路中生成各種復(fù)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(yīng)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(qiáng)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(biāo)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(xué)調(diào)控的橋梁。

?振幅型空間光調(diào)制器：算法驅(qū)動的光強(qiáng)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(dāng)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(xué)信息處理、圖像投影等領(lǐng)域的重要工具。

01繪圖法

1.針對振幅型空間光調(diào)制器進(jìn)行直接編碼將目標(biāo)光強(qiáng)分布線性映射為SLM的灰度值，生成各類簡單及復(fù)雜圖案，進(jìn)行可編程振幅掩膜，通過實時更新SLM圖案滿足不同光學(xué)實驗需求，比如應(yīng)用于我司教學(xué)系統(tǒng)干涉衍射實驗?zāi)K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(guān)的各類教育教學(xué)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(xué)系統(tǒng)傅里葉頻譜面通過高精度灰度控制生成復(fù)雜標(biāo)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(yīng)用于行業(yè)內(nèi)光譜分析及光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用中；在透鏡后的焦平面上進(jìn)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(xué)表達(dá)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(jī)中生成對應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)的空間分布進(jìn)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(qiáng)分布，滿足材料加工對不同部位光強(qiáng)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(shù)。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(yīng)重建原始物光波，在全息顯示與投影、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、防偽技術(shù)及光學(xué)干涉測量方面有著重要應(yīng)用。

?相位型調(diào)制器：波前調(diào)控的算法藝術(shù)?

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(yīng)與液晶分子長軸保持一致，當(dāng)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(fù)雜的光場調(diào)控，在全息顯示、光鑷、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。

01相位恢復(fù)算法

1.GS算法

最經(jīng)典的相位恢復(fù)算法GS算法，采用傅里葉變換在空間域和頻域之間反復(fù)迭代，逐步逼近目標(biāo)光場。原理簡單、運算速度快，非常適合實時性要求高的應(yīng)用場景。我司開發(fā)出彩色全息系統(tǒng)，應(yīng)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(jìn)行光場調(diào)制，通過人眼視覺暫留的累積效應(yīng)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(chǔ)上引入加權(quán)算法機(jī)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。基于此采用GSW算法生成多束具有特定排布的光束陣列，應(yīng)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(jìn)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(shè)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(shè)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(jìn)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(qiáng)度分布進(jìn)一步設(shè)計二進(jìn)制灰度級光柵來實現(xiàn)對整形光束形狀及強(qiáng)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(xué)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(qiáng)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(jìn)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(xué)檢測系統(tǒng)等都有著廣泛應(yīng)用。

穩(wěn)相法整形仿真效果

5.隨機(jī)掩膜相位匹配算法

軸向多焦點在工業(yè)加工領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，采用隨機(jī)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(shè)計對應(yīng)數(shù)量隨機(jī)掩膜版，隨機(jī)提取對應(yīng)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(lǐng)域更加廣泛的應(yīng)用。

1x3軸向多焦點仿真

02光學(xué)表達(dá)式法

針對教學(xué)科研與工業(yè)加工領(lǐng)域?qū)μ厥夤馐亩鄻踊枨?，我司依托空間光調(diào)制器（SLM）技術(shù)，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(zhǔn)匹配精密微納加工、光學(xué)操控、量子通信等場景的核心技術(shù)需求。

1. 渦旋光束

利用液晶的電光效應(yīng)，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(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。

不同拓?fù)浜蓴?shù)對應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)分布不變，具有無限長的無衍射距離，在光學(xué)操控、激光精密加工顯微成像及光通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

貝塞爾光束相位圖與強(qiáng)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(xué)操控、通信和量子光學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

LG光束相位圖與強(qiáng)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(chǔ)模式之一，憑借其正交性和可調(diào)控性，在激光技術(shù)、通信、成像和量子光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

HG光束相位圖與強(qiáng)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(xué)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(xué)成像、光通信、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

?AI算法遇上空間光調(diào)制器：開啟智能光學(xué)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(xué)技術(shù)革新。機(jī)器學(xué)習(xí)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(luò)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(xué)卷積網(wǎng)絡(luò)等新型架構(gòu)，又通過脈沖網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)動態(tài)全息實時調(diào)控。深度學(xué)習(xí)進(jìn)一步突破光學(xué)極限，使無透鏡成像、超分辨顯微等尖端技術(shù)成為可能，同時優(yōu)化了光通信等應(yīng)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(yīng)用。隨著算法與硬件的持續(xù)進(jìn)步，AI+SLM技術(shù)將在智能成像、光計算和量子光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)更大潛力，推動光學(xué)系統(tǒng)向更智能、精準(zhǔn)的方向發(fā)展。

?總結(jié)?

在光電技術(shù)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(lǐng)域的核心器件，無論是傳統(tǒng)的光學(xué)計算，還是前沿的光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，SLM都展現(xiàn)出了強(qiáng)大的潛力。當(dāng)前，通過與深度學(xué)習(xí)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(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮更關(guān)鍵的作用。

引用文獻(xiàn)：

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(xué);

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