使用纯相位空间光调制器调控激光束的振幅与相位

该方案可用于仅通过使用一种衍射光学元件并将其称为纯相位空间光调制器，来实现光束整形或空间回波HALO激光束。本方案所采用的技术简单但具有高回波密度，能够同时对激光束的相位进行空间上的精确微调。利用空间光调制器和计算机对复杂光场进行编码。

根据光调制器的技术参数确定其空间分辨率。接着，转到计算机上定义振幅和相位图案。将所需的振幅图案定义为灰度格式的数字图像，其数值范围为 0 至 255。

对于所需的相位图案，将其定义为灰度格式，其值范围从负二分之π到二分之π。在定义相位和振幅后，计算机使用公式二和公式三生成这两种不同的相位图案。注意，A_max 设置为 2。

同时定义两个二维二值化阶梯图案，其空间分辨率与空间光调制器显示相同。这些图案呈现为棋盘格形式，分别在垂直或水平方向上移动一个方格，使得叠加后产生高度为一的均匀图案。为帮助减少像素串扰的影响，可生成其他棋盘格图案对用于二值化相位阶梯，其中不同像素单元包含更多像素以增加像素数量。

总像素数量应保持相同，并等于空间光调制器的空间分辨率。要构建单个相位元件，需将每个二进制灰阶与不同的相位项配对，然后对每一对进行空间复用，并将结果相加。

这是为先前定义的相位和分级所生成的相位元素，其像素单元大小为1。请注意，改变像素单元大小会影响最终单个相位元素的空间分辨率。该示意图展示了实验初始设置的总体概览。

将空间光调制器放置在其可编程表面朝向CCD相机的位置。使一束准直的线偏振、空间相干激光束射向一个分束器，该分束器将光束重定向至空间光调制器。来自空间光调制器的光透过分束器进入一个44F光学成像系统。

将CCD置于成像系统的输出平面。这是实验台上所示的装置。激光束通过扩束镜以调节其尺寸。

两面镜子将输出光束引导至分束器。此处的分束器位于空间光调制器前方。两片透镜将来自空间光调制器的光聚焦到CCD相机上。

设置光学系统时，将计算机生成的具有最小像素单元的相位图案发送至光调制器。沿光轴方向将CCD相机置于多个不同位置，对相位图案进行成像。通过寻找分辨率最佳的位置，确定输出平面。

将相机固定在分辨率最佳的位置。然后将一个圆形光阑置于光路中第一片透镜的焦平面处，并使光阑中心与激光束对齐。再次使用CCD相机拍摄来自空间光调制器的相位图案，同时调整光阑孔径大小。

调整虹膜光圈至空间分辨率最佳的位置。接下来，执行类似的步骤以最小化串扰。在空间光调制器的相位元件上，尝试不同的像素单元尺寸。

针对每种情况，选择在CCD相机上产生最高分辨率图像的孔径大小。为最小化串扰，应选择允许最高空间分辨率的像素单元尺寸和虹膜光圈。测量时采用基于偏振的相移技术。

在空间光调制器前放置一个光学偏振片。将相位元件成像到相机上，并通过观察CCD相机中对应最清晰和最模糊图像的角度来调整偏振片的旋转角度。将偏振片固定在这两个角度之间。

接下来，将第二个偏振片放置在成像系统的后焦平面与相机之间。通过在CCD相机中寻找对应最清晰和最模糊图像的角度，确定偏振片的旋转角度。将偏振片的角度固定在这两个角度之间。

现在，在保持相机位于输出平面的情况下记录干涉图。将相位元件的矩阵设为零弧度，并将其发送到空间光调制器。用CCD记录相应的图像。

对于第二个干涉图，向相位元件添加一个 π/2 弧度的矩阵，并将其发送到空间光调制器。使用 CCD 相机记录其图像。向相位元件添加一个 π 弧度的矩阵，并将其发送到空间光调制器，以使用 CCD 相机记录其干涉图。

最后，向相位元素添加一个大小为三π除以二弧度的矩阵。将该矩阵用于空间光调制器，以用相机记录第四幅干涉图。干涉图记录完成后，将数据传输至计算机。

此处，每个干涉图均按其记录顺序进行标注，从零矩阵到二分之三π矩阵。这是复场重建得到的振幅。

为了找到它，应用此表达式，该表达式利用干涉图数据。为了重建复场的相位，执行剩余代码，使用干涉图数据计算该表达式。此图像定义了实验中复场的振幅。

该图像定义了其相位。相移技术需要利用相位分别移动 0、π/2、π 和 3π/2 弧度的干涉图进行测量。这些干涉图可通过简单的算法同时重建出复场的振幅和相位信息。

我建议您逐步进行。从简单的振幅和相位图案开始，并注意我们方案的细节，包括显著着色等补充任务。请注意，虹膜侧面取决于选择性部件本身。

然而，过度增大像素单元会显著降低所恢复复场的空间分辨率。该单一方法可根据特定应用进行调整，但也可广泛用于各种光束整形目的，例如增强微加工中材料的处理或诺丽娜显微镜。