空間光調(diào)制器的相位調(diào)制特性

賀騰 李建強(qiáng) 王輝 安俊鑫

摘要： 載波的相位對(duì)其參考相位的偏離值隨調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值成比例變化的調(diào)制方式，稱為相位調(diào)制，或稱調(diào)相。本文擬采用楊氏干涉裝置，測(cè)量其相位調(diào)制特性。具體內(nèi)容包括搭建楊氏干涉光路，完成數(shù)據(jù)的采集以及實(shí)現(xiàn)干涉條紋的處理，得到相位調(diào)制特性。

Abstract： The phase modulation or phase refers to a modulation way in which the carrier phase will proportionally change along with the instantaneous value of the modulated signal to the reference phase deviation value modulation. This paper plans to use Young's interference device to measure the phase modulation characteristic. The specific contents include building Young's interference light path， completing the data collection， and achieving the process of interference fringes， obtaining the phase modulation characteristics.

關(guān)鍵詞： 相位調(diào)制；楊氏干涉；干涉條紋

Key words： phase modulation；Young's interference；interference fringe

中圖分類號(hào)：TN761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）03-0120-02

0 引言

空間光調(diào)制器是一種對(duì)光波的光場(chǎng)分布進(jìn)行調(diào)制的元件，廣泛地應(yīng)用于光信息處理、光束變換、輸出顯示等諸多應(yīng)用領(lǐng)域。液晶空間光調(diào)制器（SLM）以制作簡(jiǎn)單，價(jià)格低，耗能低，易控制，易制成二維器件，且易構(gòu)成并行光學(xué)信息處理器件等優(yōu)點(diǎn)，倍受國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。目前在光鑷技術(shù)、螺旋位相相襯成像、飛秒脈沖整形、自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)投影等方面具有應(yīng)用。

1 空間光調(diào)制器的相位調(diào)制原理

激光器發(fā)出的平行光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，照射在處于相位調(diào)制模式的空間光調(diào)制器上。由于空間光調(diào)制器具有實(shí)時(shí)復(fù)制模式，便可將電腦上所示的圖片實(shí)時(shí)地復(fù)制于空間光調(diào)制器上。在電腦上顯示左右灰度值不同的圖片，使通過(guò)楊氏雙縫的兩束光經(jīng)雙縫（為了得到更細(xì)的雙縫，使用透鏡對(duì)雙縫進(jìn)行成像）后獲得干涉條紋，由于獲得的干涉條紋較密，不利于圖像處理，因而使用一個(gè)顯微物鏡將其放大，用于電腦相連的CCD對(duì)放大后的條紋進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。

空間光調(diào)制器上加載的灰度分成兩個(gè)部分，一部分灰度始終保持為0，另一部分從0開(kāi)始每隔5度改變一次，直至255度，如圖2中（a）～（c）所示。經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器調(diào)制后的光束經(jīng)過(guò)透鏡的聚焦和顯微物鏡的放大后，CCD記錄其兩束光的干涉條紋，可以得到一系列干涉條紋圖樣。

楊氏雙縫（如圖2中（d）所示）會(huì)在空間光調(diào)制器上產(chǎn)生一組雙縫，將其中一個(gè)縫的相位發(fā)生變化，作為測(cè)試組，另一個(gè)縫無(wú)相位改變，作為參考組。入射光透過(guò)雙縫在CCD記錄面上產(chǎn)生干涉條紋。改變其中一個(gè)縫對(duì)應(yīng)的相位值，干涉條紋會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，移動(dòng)量反應(yīng)出相位的變化。相移量與條紋的相對(duì)位移的關(guān)系為：Φ=δ/ω（2π）。

其中，δ為干涉條紋的相對(duì)位移，ω為干涉條紋的周期。

通過(guò)對(duì)比所采集的一系列條紋圖樣，來(lái)算出空間光調(diào)制器在不同灰度值下的相位移動(dòng)量，從而得到空間光調(diào)制器的相位特性曲線。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

①固定好激光器，通上電源，用光屏接收出射光斑，前后移動(dòng)光屏，調(diào)節(jié)支架上的螺絲，使出射光斑大小保持不變且水平。固定好擴(kuò)束鏡，調(diào)節(jié)位置，使出射的光斑中心亮度保持均衡。

②固定好準(zhǔn)直透鏡，前后移動(dòng)，使出射光斑大小保持不變且水平。固定好雙縫，使空間光調(diào)制器的中心與雙縫中心在一條線上（這樣通過(guò)雙縫的光線便具有不同的相位）。

③將空間光調(diào)制器與電腦鏈接好，調(diào)整電腦顯示屏，使其處于1024×768個(gè)像素的模式，加載如圖2中（c）所示的圖片，打開(kāi)空間光調(diào)制器電源，觀察空間光調(diào)制器是否顯示電腦上所顯示的圖片。固定好空間光調(diào)制器，讓光斑完全照射空間光調(diào)制器，旋轉(zhuǎn)空間光調(diào)制器的一個(gè)偏振片，在光屏上觀察所成圖像，當(dāng)左右兩邊光強(qiáng)度一樣時(shí)，固定偏振片，此時(shí)空間光調(diào)制器便處于相位調(diào)制模式。

④固定好透鏡，移動(dòng)透鏡使其于雙縫的距離大于2f，將顯微物鏡放在透鏡后光束匯聚的光點(diǎn)位置，用光屏在顯微物鏡后找到干涉條紋的清晰像，用CCD采集，在與CCD相連的電腦上實(shí)時(shí)觀察所采集的干涉條紋，調(diào)整光路，得到最好的干涉條紋，改變加載圖片，保存所采集的一系列干涉圖樣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先，應(yīng)先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但因?yàn)閿?shù)據(jù)量相對(duì)較大，而且部分得干涉條紋會(huì)出現(xiàn)模糊，對(duì)比度不明顯等問(wèn)題。這樣，就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)分析和處理造成了一定的困難。

如圖3所示的（a）～（c）分別是灰度值為0，40，80時(shí)所記錄的干涉條紋。

以圖中（a）為例，將灰度值為0時(shí)所記錄的干涉圖像進(jìn)行濾波，對(duì)濾波后的圖樣沿白線所示行的干涉條紋讀出對(duì)應(yīng)的橫截面強(qiáng)度值。得到以橫坐標(biāo)為像素的坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為不同像素位置所對(duì)應(yīng)的橫截面強(qiáng)度值的曲線圖。

但在實(shí)際的編程處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，加載灰度值不同時(shí)，干涉條紋的清晰度也有所差別，因而，得到的橫截面強(qiáng)度曲線或多或少地存在毛刺，如上圖（b）中圓形區(qū)域所示，因而，如果根據(jù)單一的橫截面強(qiáng)度曲線來(lái)確定干涉條紋的相對(duì)移動(dòng)量和周期，會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此，對(duì)相對(duì)移動(dòng)量和周期的測(cè)量采用平均值的方法來(lái)減小誤差。

通過(guò)上述方法的初步計(jì)算，得出像素點(diǎn)大小為16m空間光調(diào)制器所采集到的干涉條紋的周期為97rad，相位變化結(jié)果相對(duì)較低，只能達(dá)到1.01π左右，即相位延遲為3.174πad。而像素點(diǎn)大小為26？滋m的空間光調(diào)制所采集的干涉條紋的周期為135，但由于設(shè)備和實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)和測(cè)量誤差的原因，當(dāng)干涉圖像的灰度值從0變化到255時(shí)，空間光調(diào)制器相位的變化并沒(méi)有達(dá)到2π，也只能達(dá)到1.7π左右，即相位延遲為5.352。

因此選擇對(duì)像素點(diǎn)大小為26？滋m的空間光調(diào)制的相位特性進(jìn)行分析。用上述同樣的方法，對(duì)條紋圖像選擇不同的行讀取其橫截面強(qiáng)度曲線，選擇條紋中心點(diǎn)讀三組數(shù)據(jù)，取平均值，再獲得兩組數(shù)據(jù)。將這三組數(shù)據(jù)平均，得到一組相對(duì)較為準(zhǔn)確的空間光調(diào)制的相移量，并繪出其曲線圖。

即實(shí)驗(yàn)中，以波長(zhǎng)為532nm的綠色激光器為光源，采用雙縫干涉法測(cè)出的像素點(diǎn)大小為26？滋m的空間光調(diào)制器的相位調(diào)制特性曲線，如4圖所示，相位變化為1.69π，相位延遲為5.309πad。

4 總結(jié)

本文中的重要步驟就是依照雙縫干涉法測(cè)量空間光調(diào)制器相位特性曲線的實(shí)驗(yàn)原理圖，搭建實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)光路。在搭建光路中，最基礎(chǔ)也是最重要的，就是要搭建好擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。在按照要求搭建好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后我們要多次實(shí)驗(yàn)并修正，最終找到干涉條紋最好的狀態(tài)。

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