??SLM(Spatial Light Modulator，空間光調(diào)制器)是可以調(diào)節(jié)光波前的振幅或相位的光學(xué)器件。 基于LCOS(Liquid Crystal On Silicon, 硅基液晶)的SLM是由液晶像元組成的像素陣列，通過調(diào)節(jié)每個像素液晶分子偏轉(zhuǎn)方向，LCOS-SLM可以單獨地對入射到每個像素位置的光進(jìn)行調(diào)制。濱松LCOS-SLM液晶分子偏轉(zhuǎn)方向垂直于SLM平面，屬于相位調(diào)制類SLM，只改變光的相位，而不影響光的強(qiáng)度和偏振狀態(tài)。

??濱松的SLM相比于競品具有線性度好，相位穩(wěn)定性好的優(yōu)點，使其廣泛的應(yīng)用在在光通信、生物醫(yī)學(xué)、全息等領(lǐng)域。而通過精心設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)，選擇反射率高的反射鏡鍍膜，濱松SLM的抗損傷閾值更是在市場上遙遙領(lǐng)先，使其非常適合應(yīng)用于激光加工領(lǐng)域，包括二維碼打標(biāo)、激光打孔、表面切割，隱形切割等。

??FAQ1. 樣品加工參數(shù)與SLM的參數(shù)的關(guān)系?

??基于SLM的一次性最大加工的面積(不移動樣品，不掃描激光)等于場鏡焦距*激光波長/像素大小。因而對于1030nm/1064nm的波長，使用x13138/x13139等像素尺寸為12.5um的SLM，基本可以近似認(rèn)為加工的面積等于場鏡焦距的1/12.

??并行加工中每個點的大?。涸诠饴穬?yōu)化足夠好的條件下，每個焦點的大小與不加SLM，直接通過透鏡聚焦的點大小一致。

??并行加工點之間最小距離：等于最大加工面積/SLM像素尺寸得到的值d1與并行加工焦點大小的值d2里的最大值，即最小距離=max(d1,d2)。

??FAQ2. 基于SLM進(jìn)行并行加工，點陣的位置穩(wěn)定性如何?

??使用SLM進(jìn)行并行加工的時候，點陣的穩(wěn)定性主要取決于SLM上的相位穩(wěn)定性。根據(jù)文獻(xiàn)，使用濱松的SLM，由于相位不穩(wěn)定性導(dǎo)致的點陣的漂移可以用場鏡焦距*0.06urad計算，例如對于150mm焦距長度的場鏡，點陣漂移大概是9nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于焦點大小，可以忽略不計。

??FAQ3. 基于SLM與基于DOE加工的優(yōu)缺點?

??DOE與SLM均可以對光束進(jìn)行調(diào)制，來提高加工效果或者效率，比如生成點陣實現(xiàn)并行加工，生成縱向多焦點等。

???DOE

??優(yōu)點：由于像素尺寸可以很小，可以生成較大的加工面積，比如較大的點陣，較大的平頂光。

??缺點：相位固定，無法調(diào)節(jié)，不適合那些需要相位變換的場景，比如內(nèi)部打標(biāo)，斜面切割等。

???SLM

??優(yōu)點：相位可以通過電腦任意控制，因此非常適合那些需要相位不斷調(diào)節(jié)的加工場景，比如對于樣品不同深度進(jìn)行內(nèi)部加工，球差隨著深度產(chǎn)生變化。對于不同系統(tǒng)引入的像差，也可以使用SLM進(jìn)行校正。

??缺點：由于像素尺寸有限，單次加工面積沒有DOE大。

??FAQ4. SLM加工對比基于普通掃描鏡加工的優(yōu)點?

??普通掃描鏡加工是一點一點進(jìn)行加工的，加工速度比較低。而且隨著激光器的發(fā)展，激光器的功率越來越高，為了防止損傷加工工件，在進(jìn)行單點加工的時候，往往需要降低激光的能量，導(dǎo)致無法充分利用激光器的功率。 而使用SLM可以生成點陣實現(xiàn)并行加工，可以顯著的提高加工速度。此外因為激光功率被平均分配到點陣的各個點上，因而不需要對激光器的功率進(jìn)行衰減就可以，從而充分的利用了激光的功率。

??FAQ5. 載入CGH計算所需要的目標(biāo)圖像的時候，應(yīng)該選擇什么分辨率的圖像?

??從分辨率來說載入的目標(biāo)圖像的分辨率越小，CGH的計算速度越快(基于GS算法)。 但是對于同樣的圖案，如果是圖像分辨率比較小的話，生成的衍射圖像中可以清楚的看到圖像是由點陣組成的。

??而如果圖像分辨率分辨率足夠大，那么衍射圖像中的點陣效應(yīng)就不太明顯。 這是因為經(jīng)過SLM調(diào)制相位之后，最終是在透鏡后焦面尺寸為L*L的方形區(qū)域內(nèi)生成對應(yīng)目標(biāo)圖像的點陣，其中L=鏡頭焦距*激光波長/SLM像素大小。注意比如目標(biāo)圖像是128*128分辨率圖像，而比如上圖中HPK區(qū)域長度是64像素，那么在透鏡后焦面，HPK對應(yīng)的長度就為64/128*L; 因而點和點之間的最近距離可用L/目標(biāo)圖像的分辨率得到。所以在目標(biāo)圖像分辨率低的時候，點和點之間的距離比較大，可以看清楚。但是當(dāng)目標(biāo)圖像分辨率高的時候，點和點之間距離小，就區(qū)分不出來了。

??例如我們使用x13138的SLM，SLM像素大小是12.5um，透鏡焦距是125mm，激光器波長是800nm，則最大加工尺寸是8mm，因而如果HPK目標(biāo)圖像分辨率是128*128的話，則點與點之間最近距離是8mm/128=62.5um，遠(yuǎn)大于每個亮點的本身大小，所以看到點陣。而如果HPK目標(biāo)分辨率是1024*1024的話，則點與點之間最近距離是8um/1024=7.8125um，小于每個點的大小，因而無法看出來是點陣，而是連在一起。

??所以如果是點陣的話，可以選用分辨率比較小的目標(biāo)頭像即可。而如果目標(biāo)是生成類似于各種平頂光的話，則需要盡可能選擇大分辨率的目標(biāo)圖像。

??從圖像比例來說，因為經(jīng)過SLM調(diào)制之后，生成的衍射圖像最大范圍是一個正方形，所以目標(biāo)圖像最好也使用正方形的比例，這樣計算之后不會變形。

??FAQ6. 能否實現(xiàn)幅度調(diào)制，偏振調(diào)制?

??雖然濱松的SLM是相位調(diào)制器，但是通過恰當(dāng)?shù)呐渲靡彩强梢詫崿F(xiàn)的，可以通過在前后添加相應(yīng)的1/4玻片,偏振片等來實現(xiàn)，如下圖是一個常見的調(diào)制幅度的光路構(gòu)型。

??FAQ7. 如何同時控制兩個濱松的SLM?

??可以的，由于濱松的SLM是基于DVI進(jìn)行控制的，計算機(jī)是無法識別SLM的ID 的，因而無法通過識別ID來單獨控制每個SLM。 所以一個比較容易實現(xiàn)的的解決方案是買一個DVI轉(zhuǎn)3DVI的轉(zhuǎn)接線，這個DVI的轉(zhuǎn)接線可以把RGB三色分離到三個DVI頭，這樣就可以最多同時控制三個SLM，把一個24位的BMP彩色圖像使用MATLAB或者LabVIEW投屏到DVI所對應(yīng)的顯示器中，則其中一個SLM獲取的R通道的圖像信息，另外兩個SLM分別獲得是G通道和B通道的圖像信息。

??FAQ8.如何實現(xiàn)高幀率的相位圖更新?

??由于編程優(yōu)化的問題，使用濱松自帶軟件LcosControl在進(jìn)行圖像播放的時候，速度較低，最高可以實現(xiàn)大概1幀每秒的播放速度。為了實現(xiàn)高幀率的更換相位圖像，建議客戶自己使用MATLAB或者LabVIEW進(jìn)行編寫。此外濱松新版本的控制軟件正在測試中，本軟件是基于LabVIEW編寫，相位圖的更新速率大幅度提高，此外也加入了常見相位圖的生成功能，敬請期待。

??而對于OEM類型的SLM，可以預(yù)先將相位圖像存儲到SLM控制板內(nèi)的內(nèi)存卡中，再使用程序控制相位圖的更換，此時相位圖更換對比普通類型的SLM少了16.6ms的延遲時間，因而可以實現(xiàn)更快的更換速度。

??FAQ9. 如何提高并行加工的均勻性?

??A：并行加工中每個點強(qiáng)度的均勻性是由兩點決定的，一是IFTA算法本身。二是由于光路的偏折，激光模式不好，光路中透鏡引入的像差等。因而對于加工均勻性要求不是很高的場合，可以使用普通的GS算法就可以了。如果希望提高加工均勻性，可以使用效果比較好的算法，比如GSW,GSA算法等。而如果希望加工均勻性達(dá)到最佳，則需要使用額外的相機(jī)觀察并行光斑強(qiáng)度，基于強(qiáng)度分布反饋給SLM進(jìn)行相位優(yōu)化，從而達(dá)到最佳的效果。

??FAQ10. 消除零級光的方式

??A：零級光是由于SLM表面玻璃反射，像素間隔之間的反射，以及相位圖本身效率不高導(dǎo)致的。所以消除零級光的方式首先是改進(jìn)算法，如下圖是分別使用GSW算法(左圖)和GS算法(右圖)計算點陣得到的結(jié)果，可以看到由于GSW計算的相位圖有更高的衍射效率，所以0級光相比于GS算法得到的結(jié)果顯然更加微弱。

??此外常見的用來消除0級光的方式包括疊加菲涅爾透鏡透鏡相位(使衍射圖像和0級光在z方向分離)與疊加閃耀光柵相位(將衍射圖像和0級光在xy方向上分離，從而可以使用光擋將0級光徹底去除)。此外有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，同時疊加菲涅爾透鏡相位和閃耀光柵相位，對于消除0級光的效果更佳。此外，還有更好的方式是通過選擇合適的加工點數(shù)，使點陣中每個點的強(qiáng)度與0級光一致，從而將0級光也作為加工的點使用?；蛘呤侵鲃釉?級光區(qū)域生成一個點，且相位與0級光相反，從而可以消除0級光。

??FAQ11. 在進(jìn)行IFTA計算的時候，是否要考慮入射光的分布?

??最好可以考慮入射光強(qiáng)的分布，不過這個主要是可以提高光的衍射效率，降低0級光的影響，但是對并行加工時點陣的均勻性影響不大。

??FAQ12. 如何快速確定SLM好使?

??主要分為3步：

??連接電腦，打開SLM控制器 ，查看第二顯示器，可以看到SLM被識別，分辨率準(zhǔn)確。這步證明控制器與電腦連接沒有問題。

??直接觀察SLM表面，隨便在電腦上拖動一個文件夾到第二顯示器界面晃動，可以在SLM上文件夾的移動。這步證明SLM的頭與控制器的連接沒有問題。

??設(shè)置好波長，選擇HPK圖像，右鍵選擇create CGH， 然后在2nd monitor設(shè)置菲尼爾透鏡焦距為-400，選擇激活菲尼爾透鏡相位，此時在距離SLM大概400mm的位置，就可以看到清晰的HPK圖像了。這步證明SLM工作沒有問題。如果除了清晰的HPK圖像，還可以看到很明亮的光斑，那么大概率是入射激光的偏振方向不對或者是偏振光不過線性。

??FAQ13. 為什么疊加了校正相位，直接觀察反射光斑反而變差了?以及為什么不疊加校正相位，同時還可以得到不錯的衍射圖像。

??A：因為SLM內(nèi)部反射介質(zhì)鏡或者鋁鏡的不平整度實際上是連續(xù)的平滑的不平整，所以直接觀察反射光效果會很好。而為了校正表面不平整，疊加的相位圖大體如下圖所示

??可以看到相位中有一些0到2pi的階躍，這些階躍相位會導(dǎo)致衍射效應(yīng)，使光斑效果不佳。但是如果使用透鏡，在透鏡后焦點位置觀察衍射圖像的效果的話，效果會變的更好的。

??此外相位校正圖像是在25度的環(huán)境下測量和計算得到的。如果工作的環(huán)境與25度有偏差，也會影響最終的實驗結(jié)果的。

??而對于為什么不疊加校正相位，仍然可以得到不錯的衍射圖像，這是因為如上所述，SLM內(nèi)反射鏡不平整是平滑的很連續(xù)的，這些平滑的相位變化，在經(jīng)過透鏡之后，對衍射圖像幾乎沒有影響。所以即使不疊加校正相位，仍然可以得到不錯的衍射圖像。

審核編輯 黃宇