空间光调制器LCOS-SLM的衍射效率

1. SLM衍射效率的概念

一级衍射效率是LCOS真正的“衍射效率”，是通过加载闪耀光栅时（将LCOS作为光栅使用）一级衍射光的能量占不加光栅时的零级光能量的百分比来定义的。

Diffraction efficiency = I1st/Iave[%]

其中，I1st是加光栅时一级光的能量，Iave是不加光栅时零级光的能量。

2. SLM衍射效率的参数

3. SLM衍射效率的测试方法

搭建一个如下图所示的小角度入射光路。入射光偏振方向和液晶分子排列方向相同，入射角小于10°，光阑直径10mm。

在空间光调制器上加载光栅的相位图，产生闪耀光栅的调制效果，衍射光栅可以设置为2阶、4阶、8阶、16阶，如下图所示:

根据相位调制和灰度值的关系，可以制作出以下几个光栅相位图。

将这些光栅相位图分别加载到SLM上，就可以得到经过光栅分光的光斑。

测量一级光和零级光的能量，根据公式 Diffraction efficiency = I1st/Iave[%] 进行计算即可。

4. SLM衍射效率的相关计算

衍射效率是与空间分辨率相关的，加载的光栅阶书越高，衍射效率越高，空间分辨率就越低。关系如下：

对于2 steps的光栅，一个线对包含一明一暗两条线，每条线占一个像素。

对于4 steps的光栅，一个线对包含明暗不同的四条线，每条线占一个像素。

对于8 steps的光栅，一个线对包含明暗不同的八条线，每条线占一个像素。

对于16 steps的光栅，一个线对包含明暗不同的16条线，每条线占一个像素。

光栅steps越多，每个线对中明暗（灰度，对应相位）分的级次就越多，包含的信息也就越多，可以将更多地光闪耀到一级光斑上，所以衍射效率就越高；但是由于LCOS每个像素每次只能设置一个灰度值，因此越高step的光栅就需要越多的像素来表达，这样就导致了高级次的光栅空间分辨率的下降，也就是在提高衍射效率的同时，必须牺牲空间分辨率。就好比一张报纸，每篇新闻写的越详细（相当于衍射效率高），能报道的新闻总数就越少（相当于空间分辨率）。

X10468系列的单像素宽度为20μm。

对于2 steps的光栅，每个线对2个像素，相当于40μm/lp，换算得25lp/mm。

对于4 steps的光栅，每个线对4个像素，相当于80μm/lp，换算得12.5p/mm。

对于8 steps的光栅，每个线对8个像素，相当于160μm/lp，换算得6.25lp/mm。

对于16 steps的光栅，每个线对16个像素，相当于320μm/lp，换算得3.125lp/mm。

X13267/X13138/X15213/X15223系列的单像素宽度为12.5μm。

对于2 steps的光栅，每个线对2个像素，相当于25μm/lp，换算40lp/mm。

对于4 steps的光栅，每个线对4个像素，相当于50μm/lp，换算得20p/mm。

对于8 steps的光栅，每个线对8个像素，相当于100μm/lp，换算得10lp/mm。

对于16 steps的光栅，每个线对16个像素，相当于200μm/lp，换算得5lp/mm。

根据光栅公式可得，理论上的衍射效率计算方法为：

其中，N为光栅每个周期内的液晶像素列数，例如2阶光栅N=2

可以看到，滨松的LCOS-SLM一级衍射效率是非常接近理论值的。

审核编辑：汤梓红