純相位液晶空間光調(diào)制器的多光束光功率控制技術(shù)研究.pdf

1、多光束控制技術(shù)是一種同時控制激光束數(shù)量、指向、能量分布的技術(shù)。因其具有強(qiáng)并行處理能力、大吞吐量、高集成度、多功能等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)和激光通訊、激光雷達(dá)、生物工程及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，成為激光技術(shù)領(lǐng)域的重要分支。
　　近年來，純相位液晶空間光調(diào)制器（LCSLM，Liquid Crystal Spatial Light Modulators）因能動態(tài)模擬相位型衍射光學(xué)元件，且具有高空間分辨率、高相位分辨率、無運(yùn)動部件

2、、驅(qū)動電壓低、集成度高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，用純相位 LCSLM產(chǎn)生動態(tài)可控多光束可使多光束控制技術(shù)向高集成度、小型化、多功能方向發(fā)展。
　　在多光束控制技術(shù)中光功率是極其重要的一個控制目標(biāo)。提高對光功率控制的響應(yīng)速度和精度，有利于增強(qiáng)多光束控制技術(shù)的功能，有利于開發(fā)新型多光束工作模式而擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。但目前基于純相位 LCSLM的多光束光功率控制技術(shù)受到 LCSLM相位誤差的不利影響，以及響應(yīng)時間與控制精度的互相制約，

3、使其在實際應(yīng)用中難以滿足對多光束控制技術(shù)快速、高精度的要求。
　　本論文“純相位液晶空間光調(diào)制器的多光束光功率控制技術(shù)研究”的目的是：針對純相位 LCSLM相位誤差導(dǎo)致光功率控制精度下降，以及用于多光束光功率控制時在相位生成算法上存在的計算時間與控制精度矛盾的問題，提出抑制相位誤差的可行方法，并在保證光功率控制精度的前提下提出響應(yīng)時間更短的多光束光功率控制方法。其中，主要涉及多光束的光強(qiáng)比和衍射效率這兩個關(guān)鍵控制參數(shù)，本課題對上述

4、參數(shù)進(jìn)行了深入的理論及實驗研究，主要研究內(nèi)容和實驗結(jié)果如下，
　?。?）針對 LCSLM固有相位誤差對分束器光強(qiáng)均勻度的不利影響，研究一典型的臺階式1×4分束器——等腰三角形多階相位光柵（ITMPG）的分束原理，指出其能夠產(chǎn)生指向可控的等光強(qiáng)多光束，并可通過調(diào)節(jié)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)（相位φh）方法控制其多光束光強(qiáng)均勻度。實驗結(jié)果表明，ITMPG可產(chǎn)生關(guān)于衍射0級對稱的4束光束，并可被對稱地偏轉(zhuǎn)；與線性補(bǔ)償方法相比，調(diào)節(jié)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)方法獲得

5、的光強(qiáng)均勻度要高5％，即使在采用線性補(bǔ)償方法后，調(diào)節(jié)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)方法仍可進(jìn)一步改進(jìn)光強(qiáng)均勻度，說明該方法具有較強(qiáng)的抑制相位誤差能力，為光束總功率的高精度控制提供了理論基礎(chǔ)與實驗依據(jù)。
　　（2）當(dāng)純相位 LCSLM由傳統(tǒng) GSW算法（加權(quán)蓋師貝格-撒克斯通算法）產(chǎn)生可控多光束時，為達(dá)到對三維多光點總功率常見的控制精度，存在計算時間過長問題。為此提出GSW算法與二元相位可調(diào)光柵結(jié)合的控制方法，即先由 GSW算法產(chǎn)生未經(jīng)最終優(yōu)化的相位

6、全息圖，生成未達(dá)到多光點總功率期望值的多光束，然后再疊加二元相位可調(diào)光柵，利用二元相位可調(diào)光柵的特點快速、精確地控制多光束總功率。該方法以光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)（相位調(diào)制深度φ）為變量，按簡單的余弦函數(shù)規(guī)律控制多光束總功率，其二元相位光柵的計算時間在μs量級。理論上，使用具有1600個線性相位臺階數(shù)的純相位LCSLM，能以等分?jǐn)?shù)500線性地控制歸一化總功率，與僅使用GSW算法獲取同等精度的多光點總功率期望值方法相比，計算時間少2個數(shù)量級以上，由此

7、解決了傳統(tǒng)GSW算法存在的計算時間過長問題。
　　（3）為驗證二元相位可調(diào)光柵控制方法的精確性及隨機(jī)可控性，我們采用美國BNS公司的純相位LCSLM產(chǎn)生可控多光束。首先，與GSW算法進(jìn)行比較實驗，驗證二元相位可調(diào)光柵控制方法的有效性；進(jìn)而，分別通過線性控制和隨機(jī)控制三維單光點光功率實驗，對二元相位可調(diào)光柵控制方法進(jìn)行初步驗證。最后，通過2×2三維點陣總功率控制實驗，驗證二元相位可調(diào)光柵方法控制多光束總功率的性能。實驗中，采用調(diào)節(jié)光