基于空间光调制器的动态全息再现技术研究

为了使空间光调制器实时产生大景深的再现像,运用GS算法计算出不同参数下的全息图。通过计算全息重建算法仿真得到不同傅里叶全息图下的再现像。在无傅里叶变换透镜的情况下,利用计算机将不同参数下的傅里叶全息图输出到空间光调制器,通过分析二维实时动态显示的再现像表明,当傅里叶全息图的采样点数为1 024×768,采样间隔为18μm时,再现像景深为275 cm,该参数下再现像景深最大;通过分析不同参数的傅里叶全息图再现像,实验结果表明相位图像元尺寸越小再现像景深越大,并且在相同参数下有傅里叶变换透镜时的再现像景深小于无傅里叶变换透镜时的再现像景深。     

基于液晶空间光调制器的全息显示

在传统的纯相位全息显示系统中, 一般基于快速傅里叶变换(FFT)算法来计算相位全息图, 在FFT的计算中需要遵循Nyquist采样定理, 因此, 重建图像的尺寸往往受限于空间光调制器的固定采样率. 这个限制可以通过卷积算法或者两步菲涅耳衍射算法来解决, 但是需要使用多个FFT的计算, 导致计算量增大. 鉴于此, 提出了一种基于透镜的纯相位全息图计算方法. 在全息图的计算中, 通过透镜的成像原理建立一个采样率可变的虚拟全息面, 通过调节相应的距离参数使得在全息图的计算中可以任意调节原始图像的采样率, 摆脱了传统方法中液晶空间光调制器带宽积对重建图像尺寸的限制, 并且这种算法只需使用一次FFT就能达到变采样率的衍射计算, 大幅提高了全息图的计算速度. 数值模拟及光学实验结果证明了此方法可以在全息显示光学系统中清晰地重建不同尺寸的图像. 同时该系统可以有效地消除由空间光调制器的像素化结构带来的零级衍射.     

基于光学全息的任意矢量光的生成方法

基于光学全息的角度复用特性, 根据空间光调制器对光场的相位和振幅调制原理, 通过加载产生任意矢量光所需要的相位分布, 设计了一种生成任意矢量光的方法. 该方法首先利用光学全息技术记录空间光调制器加载的相位, 从而制作一个全息光栅; 再现过程中, 两束具有相同入射角度的参考光照射全息光栅, 使得两束再现光相干叠加, 进而获得可调控的任意矢量光. 该方法能够避免复杂偏振态的出现, 并且具有生成光路简单、方便操作、生成矢量光的偏振纯度高等优势. 通过计算机模拟生成了任意矢量光, 获得了很好的效果.     

利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束

本文采用反射式纯相位液晶空间光调制器产生了实验需要的高阶拉盖尔高斯光束。理论上详细计算了生成高阶拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian)光束的最优参数选择,用MATLAB编写程序,制作产生高阶LG光束的相息图。通过CCD采集图像数据,观测了以平面波入射生成拉盖尔高斯光束的强度分布,并利用干涉法验证了产生高阶拉盖尔高斯光束的螺旋相位分布。在此基础上,对实验测得一维强度轮廓进行拟合分析并估算了实验产生LG光束的纯度。     

基于纯位相液晶空间光调制器的可变焦透镜的实现

提出一种基于纯位相液晶空间光调制器(LC-SLM)实现变焦透镜的方法。根据液晶空间光调制器的位相调制原理,以相息图控制LC-SLM来调制入射光波,并衍射产生透镜波面,改变相息图的衍射距离,可实现变焦位相菲涅耳透镜的功能。分析衍射孔径、衍射距离、相息图位相阶数等参数对变焦位相菲涅耳透镜的影响,并以点光源相息图为例对该方法的可行性进行了实验验证。实验结果表明:通过改变计算衍射距离,提出的方法可得到焦距不同的透镜,且易于控制,为三维扫描显示的实现提供了可行性依据。     

泽尼克多项式校正全息阵列光镊像差的实验研究

像差会影响光镊对粒子的捕获效果. 全息阵列光镊中, 像差不仅来自光学元件, 由特定算法设计的光阱相位片也会在光路中引入像差. 本文通过液晶空间光调制器加载泽尼克多项式相位图, 对全息阵列光镊中由光栅透镜组型算法引起的像差进行校正. 结果显示: 利用三阶泽尼克多项式可有效消除光路中由光栅透镜组型算法引 起的慧差, 使得捕获2 μm聚苯乙烯小球的阵列光阱刚度提高了约40%; 对比不同项的像差校正结果发现, 全息阵列光镊中由算法引起的慧差 与光学元件引起的像差一样, 也会对阵列光阱的捕获效果产生较大影响; 同时根据一阶像差校正结果可得光栅透镜 组型算法对于一阶泽尼克像差具有鲁棒性. 实验结果表明, 对全息阵列光镊中由 算法引起的像差进行校正, 对于提高光阱的捕获效果和深化对算法特性的认识都具有重要意义.     

基于像素结构空间光调制器的全息再现像问题研究

基于纯相位空间光调制器的全息显示系统在重构显示时,再现像的视觉效果受到空间光调制器像素结构引起的多级衍射光和多级再现像的干扰。在分析具有有限填充因子空间光调制器的像素结构对再现像影响的基础上,提出了一种提高全息再现像的视觉效果并且再现像成像位置和大小可调节的方法。先加载闪耀光栅到纯相位全息图,其次通过叠加会聚球面波相位,分离再现像与空间光调制器像素结构引起的多级衍射光的聚焦平面的位置,再利用光阑和高通滤波器的共同作用,消除高级衍射光、多级再现像以及零级光干扰对重构视觉效果的影响,最后引入成像透镜,调节再现像的成像位置与大小。建立了一套基于硅基液晶的全息显示系统用于实验验证。实验结果表明,最终的单一再现像清晰且可以方便地调节成像位置和大小。该方法同样适用于各种基于像素结构空间光调制器的全息光学系统。     

基于空间光调制器的飞秒并行加工方法研究

针对飞秒激光微加工中能量利用率和加工效率低的问题,提出一种基于空间光调制器的飞秒并行加工方法。在讨论衍射光栅入射角与衍射角关系的基础上,分析了叠加多个衍射光栅产生多光束的原理,运用GS算法对目标多光束进行优化并计算出相应的相位全息图,将该全息图加载到空间光调制器中获得了多光束。采用脉宽100 fs、波长800 nm的飞秒激光,进行聚焦PMMA样品内部的并行加工实验,观察到PMMA上多点组合的一和工字型,得到了光束能量均匀的图形。实验结果论证了该方法对于多光束并行加工控制的有效性。     

基于空间光调制器的计算全息成像特性

把基于高分辨空间光调制器(SLM)的动态计算全息波面变换系统看作一个相干光学成像系统,分析并推导了该系统的点扩展函数（PSF）,进而研究了SLM像素结构所引起的固有切趾和展宽效应. 通过计算机模拟考察了SLM填充因子和衍射距离对系统分辨率的影响,给出了满足抽样定理所要求的系统的最小衍射距离. 最后提出了一种消除SLM像素结构影响的物波频谱预处理方法. 这一研究为优化系统设计,完善波面变换系统提供了新的途径.     

光折变光子晶格中空间二次谐波的产生

用干涉法在自散焦光折变晶体 LiNbO₃：Fe中写入光子晶格的动态过程中，发现了双光束干涉条纹一分为二，四光束干涉点阵一分为四的分裂现象. 研究证明：这是干涉条纹空间频率的倍频现象，是入射的干涉光场与写入的光子晶格之间相互作用的结果. 本实验说明利用光折变效应可以容易地实现干涉光场空间频率的倍频和空间高次谐波的产生，并可利用产生的空间谐波感应出二倍频和高倍频的光折变光子晶格. 关键词： 光折变晶体 光子晶格 空间谐波     

基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器的研制

为了产生制导武器仿真系统中所需的逼真的目标背景图像,建立了基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器。给出了模拟器图像输出的实际效果图以及光学参量的测试方法和数据。测试表明,该装置有较好的亮度、对比度和均匀性,与传统的阴极射线管显示技术相比有效减轻了图像闪烁问题,能够提供稳定的视频输出,更有利于仿真系统中对动态目标的识别,是一种较为理想的图像模拟装置。同时给出了双复眼光学系统初始结构的计算方法并推导出简单的计算公式,该算法可以应用于其他双复眼照明系统中。     

基于硅基液晶微显示立体投影光学引擎的设计

从平衡两路图像对比度的角度,采用双硅基液晶(LCoS)芯片设计了一种实用的微型立体投影光学引擎。光学引擎中双LCoS芯片分别用于调制左右眼的图像,一个白光LED作为投影光源,两个标准的MacNeille偏振分光棱镜(PBS)用于产生两路偏振方向相互垂直的高偏振度光束。整个引擎设计简单,结构紧凑,其尺寸约为105mm×28mm×25mm。测量了本设计中光学引擎的各部件的实际参数值,根据所测量的数据通过理论计算得到:左右两光路的对比度完全平衡且均为64…1,光效率均为3.61%,整机的光通量为20lm。     

可编程菲涅耳相位透镜应用于多平面全息投影

研究了基于菲涅耳相位透镜实现多平面全息投影的方法,采用硅基液晶相位调制器建立了多平面全息投影系统.首先,利用可编程菲涅耳相位透镜代替傅里叶透镜,将计算机生成的相位全息图与菲涅耳透镜的相位结合;其次,基于时分复用和空分复用原理提出了加载菲涅耳相位透镜与相位全息图到相位空间光调制器上的两种方法;最后,讨论了在多平面全息投影中每个单一平面实现旋转物体动态360°视角显示的方法.实验结果表明:在距离硅基液晶分别为500、800、1 100和1 400mm处的四个重构平面可以获得全息投影图像;通过动态地改变菲涅耳相位透镜的焦距,可以实现多平面全息投影.     

一种用于光学成像系统的新型液晶相位调制器

研制出新型平行排列的二维阵列液晶相位调制器(LCPM),利用此相位调制器在Zygo干涉仪上进行了泽尼克(Zernike)多项式的产生和畸变波前调制的实验。能够很好地产生泽尼克多项式的前2~8项面形,用16项泽尼克模式对畸变波前进行了调制,峰谷(PV)值可由调制前的0.831λ减小到调制后的0.444λ,均方根(RMS)由调制前的0.181λ减小到调制后0.066λ,斯特列尔比(Strehl ratio,SR)由调制前的0.257达到调制后的0.844。实验结果表明,在光学成像系统中,利用平行排列的液晶相位调制器,进行波前像差的调制可以使成像质量得到很好的改善。     

基于相位硅基液晶的光衍射演示实验

计算虚拟物体的衍射光场相位分布,然后加载到相位硅基液晶器件,利用平行光照射硅基液晶器件,可在光屏上看到虚拟物体的实像.根据相位硅基液晶的采样间隔,计算出虚拟物体的采样间隔,可预计虚拟物体大小.演示结果表明:处于菲涅尔衍射区域,衍射图像清晰,亮度高;而夫琅禾费衍射区的衍射图像虽然清晰,但比较暗淡.     

Design and Performance Evaluation of Optical Ethernet Switching Architecture with Liquid Crystal on Silicon-Based Beam-Steering Technology

A non-blocking optical Ethernet switching architecture with liquid crystal on a silicon-based beam-steering switch and optical output buffer strategies are proposed. For preserving service packet sequencing and fairness of routing sequence, priority and round-robin algorithms are adopted at the optical output buffer in this research. Four methods were used to implement tunable fiber delay modules for the optical output buffers to handle Ethernet packets with variable bit-rates. The results reported are based on the simulations performed to evaluate the proposed switching architecture with traffic analysis under a traffic model captured from a real-core network.     

基于液晶可调滤光片的广角多光谱成像光学系统设计

基于液晶可调滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF)的分光原理,设计一种工作谱段为400~720nm,焦距4.5mm,视场角140°,F数为1.28的广角多光谱成像光学系统。该光学系统由前端光学镜头、LCTF和成像镜头组成,其中前端光学系统镜头将入射光束进行扩束,同时将入射光束的广角视场缩小至LCTF可接收角度范围内;LCTF利用液晶材料的电控双折射效应,实现对某一波长光信号的选择透过。根据多光谱成像系统的总体方案,对光学系统的各光学参数进行合理选取。设计结果表明,整个系统在120lp/mm的空间频率处轴上及轴外的调制传递函数MTF均大于0.4。     

Prototype Demonstration of Discrete Correlation Processor-2 Based on High-Speed Optical Image Steering for Large-Fan-Out Reconfigurable Optical Interconnections

We present a discrete correlation processor-2 (DCP-2), which is an optical processor with reconfigurability of interconnection patterns for large-fan-out optical interconnection systems. To our knowledge, there is no reconfigurable optical processor satisfying the requirements for large fan-outs such as high-speed reconfiguration of interconnection pattern, high optical efficiency, and high contrast ratio, because existing spatial light modulators (SLM#x0027;s) lack at least one of these features. The DCP-2 architecture fulfills the requirements by using a hybrid configuration composed of a high-speed image steerer and a spatial light modulator, which work in a complementary manner to shorten the setup time of the SLM. We constructed two kinds of prototype demonstrators based on this architecture. In the experiment, reconfiguration speed of the DCP-2 prototype with shift-invariant optical interconnections, in which a liquid crystal SLM cooperated with a two-dimensional acousto-optic beam deflector, was about 26,000 times faster than that of the standalone SLM at the cost of 50#x0025; energy loss by the deflector.     

基于衍射光学元件的全光分幅成像技术

超快成像技术可用于研究爆炸、高压放电等超快现象,其中,全光分幅成像技术可克服光电转换的时间限制,具有很大的发展前景.利用衍射光学元件和窄带滤波片搭建了全光空间分幅成像系统,成功实现阵列分幅成像,并分析了不同波段的成像效果.实验结果表明,所设计的全光空间分幅成像系统,可在不同波段内实现4×4阵列的16分幅成像;且图像幅间...