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(shí)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(diǎn)，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(lái)，純相位液晶空間光調(diào)制器（LCSLM，Liquid Crystal Spatial Light Modulators）因能動(dòng)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(wú)運(yùn)動(dòng)部件

2、、驅(qū)動(dòng)電壓低、集成度高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，用純相位 LCSLM產(chǎn)生動(dòng)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(gè)控制目標(biāo)。提高對(duì)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(kāi)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(shí)間與控制精度的互相制約，

3、使其在實(shí)際應(yīng)用中難以滿足對(duì)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(duì)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(shí)在相位生成算法上存在的計(jì)算時(shí)間與控制精度矛盾的問(wèn)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(shí)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(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)，本課題對(duì)上述

4、參數(shù)進(jìn)行了深入的理論及實(shí)驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下，
　　（1）針對(duì) LCSLM固有相位誤差對(duì)分束器光強(qiáng)均勻度的不利影響，研究一典型的臺(tái)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(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ITMPG可產(chǎn)生關(guān)于衍射0級(jí)對(duì)稱的4束光束，并可被對(duì)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(shuō)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　?。?）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(shí)，為達(dá)到對(duì)三維多光點(diǎn)總功率常見(jiàn)的控制精度，存在計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)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(diǎn)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(diǎn)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(jiǎn)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(jì)算時(shí)間在μs量級(jí)。理論上，使用具有1600個(gè)線性相位臺(tái)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(diǎn)總功率期望值方法相比，計(jì)算時(shí)間少2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，由此

7、解決了傳統(tǒng)GSW算法存在的計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題。
　?。?）為驗(yàn)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(guó)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(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(guò)線性控制和隨機(jī)控制三維單光點(diǎn)光功率實(shí)驗(yàn)，對(duì)二元相位可調(diào)光柵控制方法進(jìn)行初步驗(yàn)證。最后，通過(guò)2×2三維點(diǎn)陣總功率控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證二元相位可調(diào)光柵方法控制多光束總功率的性能。實(shí)驗(yàn)中，采用調(diào)節(jié)光