相位计

引言：空间光调制器（一般指相位型SLM）可以对光的振幅、相位、偏振态等进行调制，在光学研究领域拥有广泛和悠久的历史。目前相位型空间光调制器在全息光学，全息光镊，激光并行加工，自适应光学，双光子/三光子/多光子显微成像，散射或浑浊介质中的成像，脉冲整形，光学加密，量子计算，光通信，湍流模拟等领域应用广泛。很多的科研人员在使用空间光调制器时，往往会受到零级光的困扰，零级光对研究结果也产生了非常大的影响。可以说大家苦零级光久矣。本文对液晶空间光调制器零级光的产生原因及其消除方法进行了阐述。Meadowlark Optics公司拥有40年纯相位SLM研发经验，可以提供模拟寻址的纯相位空间光调制器（1920x1200 & 1024x1024分辨率），产品工作波段可以覆盖400-1700nm，相位稳定性可以达到0.1%，帧频可以到1436Hz，损伤阈值可以达到200W/cm2以上。 关键词：空间光调制器、SLM，液晶空间光调制器，纯相位，LCOS，零级光，一级衍射空间光调制器零级光产生的原因？要想了解SLM零级光产生的原因，我们需要先了解下空间光调制器的结构构成。如下图所示，LC-SLM光学头主要由：保护玻璃，透明电极，液晶层，像素电极层（Wafer）构成。1） 保护玻璃的透过率窗口片保护玻璃的透过率在相应的工作波段（400-800nm,500-1200nm,850-1650nm）内通常在98.5-99.5%范围内，因此有少量的光被直接反射回去。2）透明电极的透过率透明电极的透过率一般都在99%以上，该部分造成的零级光基本可以忽略。3）空间光调制器填充率像素电极层（Wafer）由一个个的独立像元构成，从而SLM可以实现针对单个像元的独立调制。相邻像元之间会有微小的缝隙，缝隙部分无法加载电压，因此对应的液晶层无法加载相位，这部分未被调制的光会反射回去，产生零级光。4）入射光照射到非工作区域如果入射光照射到了非工作区域，则这部分光也会不被调制，直接反射回光路，产生零级光。5）入射光的偏振态或者偏振方向错误目前市面上所有的相位型空间光调制器（SLM）均要求线偏光入射，线偏方向与液晶的e轴平行（extraordinary axis）。如果入射光与e轴存在夹角，或者入射光的偏振态不是线偏光，则会有一部分分量的光不被调制，从而产生零级光。Meadowlark公司SLM零级光消除方法？硬件方面：1）提高空间光调制器的填充率，蕞小化缝隙影响。Meadowlark Optics公司可以提供1024x1024的纯相位空间光调制器，填充因子可以达到目前世界蕞高的97.2%，大大减小了缝隙产生的影响。2）提高空间光调制器的线性度。1920x1200的液晶空间光调制器，MLO公司在出厂前会对每一台SLM进行高精度的校准，保证每一台空间光调制器都具有高度的线性准确性，从而提高相位调制精度，达到蕞优的调制效果。软件方面：a)叠加闪耀光栅Meadowlark公司的SLM控制软件提供生成任意周期闪耀光栅的功能，该光栅可以方便的与客户的全息图进行叠加，从而把结果偏转到1级位置，客户只需要用光阑将零级光滤掉，只让一级光通过即可。b)叠加菲涅尔透镜MLO公司的调制器控制软件提供生成任意焦距菲涅尔透镜的功能，用户可以将全息图与该菲涅尔灰度图进行叠加，从而零级光与衍射光的焦平面会发生错位，零级光在衍射光的焦平面上会发散掉，从而减小零级光的影响。光路方面：1）光路中添加偏振片和半波片，提高入射光的偏振态准确性为了使用SLM作为相位调制器，入射偏振必须是线性的，并且与LC分子对齐。为了确保入射光的偏振是线性的，建议在激光光源后放置一个偏振器。为了确保偏振与LC分子对齐，建议在偏振器和SLM之间放置半波片，通过半波片的旋转可以将0级光调到最小。2）光路中添加使用0阶块（0th order block），阻挡零级光上海昊量光电设备有限公司可以提供什么样的空间光调制器？1）1920x1200纯相位空间光调制器（标准速度） 2）1024x1024纯相位空间光调制器（超高速度）关于昊量光电：昊量光电可以给客户提供SLM样品试用，以及全面的技术支持。上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商，代理品牌均处于相关领域的发展前沿；产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。您可以通过昊量光电的官方网站了解更多的产品信息，或直接来电咨询。

使用Moku锁相放大器和相位表进行开环和闭环相位检测的选择指南高精确度及高灵敏度相位检测在众多测试测量场景都至关重要。例如，测量电流和电压之间的相移可以显示设备或元件的复阻抗。可以通过光学干涉仪的控制臂和测量臂之间的相移来测量极小的位移。Liquid Instruments的Moku设备可以提供两种检测射频信号相位的仪器：锁相放大器和数字相位测量仪。在本应用说明中，我们将介绍这两个仪器的工作原理，并为不同的应用场景提供仪器选择指南。介绍锁相放大器和相位表（数字相位测量仪）是两种常用于从振荡信号中获取相位信息的仪器。锁相放大器可以被视为开环相位检测器。相位是由本地振荡器、混频器和低通滤波器直接计算出来的。相比而言，相位表则采用数字锁相环（PLL）作为其相位检测器，使用一个反馈信号来实时调节本地振荡器的频率。这可以被视为一种闭环相位检测方法。在我们介绍这两种仪器之前，我们先来总结一下Moku:Pro锁相放大器和相位表（用于相位检测）的区别。请注意，本表中的参数规格是基于Moku:Pro的。工作原理锁相放大器原理如图1所示，锁相放大器有三个关键组成部分：一个本地振荡器、一个混频器和一个低通滤波器。图1: 锁相放大器的简化原理图输入信号Vin和本地振荡器VLO可以用正弦和余弦函数来描述。A1和A2代表振荡器的振幅。ωin和ωLO代表输入和本地振荡器的频率。∆ϕ 表示输入信号和本地振荡器之间的相位角差。混频器的输出Vmixer是输入和本地振荡器的产生的。应用三角函数示意假设 ωLO ≅ ωin= ω, Vmixer可写为低通滤波器过滤掉了高频率分量sin(2×2ωt+∆j)。假设输入信号和本地振荡器的振幅是固定的，输出信号Vout可以表示为在此有几个需要注意的地方：单相锁相放大器的输出与sin(∆ϕ)成正比，而不是与成正比。这大大限制了相位检测的线性动态范围，因为正弦函数是一个周期性的函数，它只在一个非常小的范围内提供（近乎）线性响应。另外，任何振幅的波动都可能引起一些系统误差。Liquid Instruments的Moku锁相放大器提供了双相解调的选项，可有效地区分了来自振幅和相位对输出的影响（可以通过此链接更深入了解双相位解调）但线性动态范围仍然限制在2π以内。另一方面，锁相放大器的数字信号处理（DSP）比相位表简单得多。这使锁相放大器能够以更高的速率处理数据，从而提供更宽的解调带宽。用户也可从外部设备输入一个本地振荡器作为参考，以直接测量两个振荡器之间的相对相位差。锁相放大器的开环特性确保仪器能够提供有效即时的响应，不容易受信号突变或损失造成的影响。因此，用户可使用锁相放大器测量接近或处于输入本底噪声的信号。相位表/PLL 原理相位表的核心相位检测单元是一个锁相环（PLL）。相位表的基本测量原理是将一个内部振荡器锁定在输入信号上，然后从内部振荡器的已知相位推断出输入信号的相位。图2显示了PLL的运作原理。锁相环的运作原理与锁相放大器非常相似，但有两个重要的区别：1）本地振荡器被一个压控振荡器（VCO）所取代；2）低通滤波器的输出反馈形成一个闭环。 图2: 锁相环的简化原理图VCO的输出 VVCO可以表述为 ωset是VCO的设定/中心频率。K是VCO的灵敏度 VCO, VVCOinput 是VCO的输入。AVCO是VCO的振幅。K和AVCO在正常工作时都保持不变。在不深入了解闭环控制理论的情况下，这种配置试图保持输入信号Vin和VCO之间的瞬时频率差为零。因此：由于ωset和K都是基于已知的仪器设置，输入的频率可以根据VVCOinput来计算。同时，ωset在时间t的累积相位可以表示为输入信号的累积相位可以用来近似表示。这里我们把K∙Vvcoinput项定义为ωdiff。因此，输入信号和参考信号（振荡器在设定的频率下）之间的累积相位差可以通过测算环路的频率差/误差信号积分获取。这种方法为相位检测提供了一个原生的相位解包支持，使输出与相位差呈线性关系。输入信号的瞬时频率也通过进行测量。此外，相位表有一个内置的二级振荡器来计算输入信号的振幅，类似于一个双相锁相放大器。除了来自环外积分器的相位，相位表的输出可以被设置为直接从数控振荡器（NCO；它可以被认为是数字的VCO）生成输入信号的正弦锁相副本，具有任意的振幅和可调相位。另一方面，输入和NCO之间的稳定锁定是PLL正常运行所必须的，不连续的输入可能会导致测量中断。由于这个原因，PLL在非常低的频率上保持稳定的锁定更具挑战性，相位表对比于锁相放大器在低载波频率边界更受限制，因此不建议用于测量接近输入本底噪声的信号。应用中考量因素和演示在本节中，我们将通过演示讨论在对Moku锁相放大器和相位表之间进行选择时的一些实际注意事项。在这个演示中，通过多仪器模式（MIM）（点此详细了解MIM）同时开启波形发生器、锁相放大器、相位表和示波器功能。一个10MHz的相位调制信号以单相和双相模式输入Moku:Pro的锁相放大器和相位表。相位检测的输出通过示波器进行记录。

近日，中国科学院上海高等研究院王中阳团队提出基于相位恢复算法的单次曝光定量相位显微技术。相关研究成果以Phase microscopy using band-limited image and its Fourier transform constraints为题，发表在Optics Letters上。相位恢复技术作为非干涉的定量相位重构技术，为透明细胞结构和三维表面形貌等提供了无标记、无接触、无损伤的重要测量手段。然而，以迭代投影算法为核心的相位恢复技术，其有效性依赖于解的唯一性和算法的收敛性。在现有同类技术中，X射线相干衍射成像技术（CDI）需要成像物体的先验信息（如准确的成像物体尺寸）来施加“紧”约束条件使算法收敛到正确的相位信息。进一步发展的叠层成像技术和傅里叶叠层显微技术通过物面或傅里叶面的多帧冗余测量来提高算法的收敛性。然而，在实际的生物成像中，准确的物体尺寸通常难以获得，且多帧冗余测量降低了成像的时间分辨率。上述问题限制了它在无标记生物动态成像中的应用。基于此，王中阳团队提出了新型的单次曝光定量相位显微技术，称为BIFT（Bandlimited Image and its Fourier Transform）显微镜。科研人员在传统光学显微镜上引入分束器和傅里叶透镜，同时采集显微物体的像以及透镜变换后的傅里叶像。BIFT显微装置如图a所示。研究通过利用显微系统中固有的视场、频谱受限以及有限照明等作为约束条件，从而避免了成像物体的先验约束，去除了CDI技术中常见的三类模糊解（即无法区分原始物体的平移、共轭旋转以及全局相移），提升了解的唯一性和算法的收敛性。同时，该技术的空间带宽积（SBP，衡量显微系统成像信息容量的不变量）仅受显微物镜参数限制，打破了CDI技术成像系统SBP依赖于采样率，会因其过采样需求而SBP降低至少一半的限制。由于采集了像的幅度信息，该技术的采样率相比CDI技术降低了一半，同时改进的算法提升了算法收敛速度和相位重构精度。此外，该工作还讨论了采样率、像素响应、噪声等因素对相位恢复的影响。实验演示了光栅和血红细胞的单次曝光相位成像。在血红细胞的定量相位恢复的实验研究中显示，该技术单次曝光的条件下即达到了数字全息显微中10帧图像才能达到的效果。重构的红细胞光学高度如图b所示。因此，该技术单次曝光相位成像的能力有望在无标记生物动态成像中得到广泛应用。研究工作得到上海市科学技术委员会的支持。相关技术已得到国内专利授权，并申请国际PCT专利。显微系统装置示意图与血红细胞重构结果文章链接：https://doi.org/10.1364/OL.487626