基于SLM搭建平顶光束实验系统

摘要：空间光调制器（SLM）是可以生成平顶光的器件，基于SLM生成平顶光的方法多样且快捷。本文介绍了基于HDSLM80R搭建平顶光束实验光路，并通过实验分析了束腰半径、输出光斑大小、焦距、光斑分析仪与透镜间的距离、SLM的位深等参数对调制效果的影响。

关键词：空间光调制器 平顶光束 束腰半径 光斑大小 焦距 位深

平顶光束是一种特殊的激光束，在较大区域内具有均匀的强度分布，边缘处能量迅速下降至零，‌形状多样，可以是正方形、矩形、圆形或其他任何形状。平顶光束不是‌自由空间模式，其在自由空间中传播时强度形状会发生变化，边缘越陡形状变化越大‌。相比传统高斯光束，平顶光束具有诸多优势：扁平且稳定的能量分布、更大的加工深度范围和更宽的加工范围、更小的热影响区域等。

1 实验原理

文献1给出了一种可直接用于SLM控制高斯光斑为均匀线光源以及平顶光束的方法，其实验光路图如图1所示。

图1 实验光路图

其相位表达式为一个简单双曲线函数，可以写作

其中a1表示入射高斯光斑直径，a2表示出射线光源直径（在傅里叶平面处），f表示透镜的焦距，该方法产生均匀线光源的示意图如图4所示。同时，文献1指出，该方法和鲍威尔棱镜的方法通过一定的数学变换，两者是等效的，因此也可以将其称为鲍威尔棱镜算法。考虑到文献1的方法给出的参量物理意义明确，对于确定输出面的线宽有明确需求的情况下可以采该方法。

当然该相位加载在SLM上时，需要进行一步取模操作，即

2 设计并搭建光路

UPOLabs团队基于空间光调制器搭建了平顶光实验系统。

1）搭建光路所需的实验器材

2）搭建步骤

第一步：首先，先对SLM处的光斑束腰半径进行测量。调整激光器水平，借助可变光阑（开孔约2mm），光阑在激光器的近处和远处，分别调节激光夹持器的水平俯仰旋钮，反复2次即可将激光器调平，最终使出射激光束与光学平台台面平行；

然后，依次放置半波片、衰减片和偏振分光棱镜，使光刚好穿过光学器件的正中央；

最后在如图所示SLM的位置放置光斑分析仪。

第二步：将第一步中的光斑分析仪替换为SLM，并与入射光呈一定小角度(5-10°)反射；

透镜摆放在一级衍射光附近，使一级衍射光正好穿过透镜正中央；

在距离透镜f=300mm处放置光斑分析仪。

搭建好的最终光路如下图所示。

图2 实验光路图

3 实验操作

首先进行第一步：打开光斑分析仪软件进行光斑分析，结果如图所示。

图3 光斑分析仪软件界面

束腰半径的定义为强度的1/e2，所以对应于13.5%X和13.5%Y的数据。在这里测得的X、Y轴的束腰直径分别为693.45μm和645.15μm，并记录两个数据。

以上步骤为第一步。完成第一步后，调整光路为第二步。

以下为第二步：打开MagicHolo光场调控系统软件，选择型号为HDSLM80R，选择光束整形，选择平顶光束。像元大小设置为8um，波长设置为激光器波长532nm。平顶光束参数对应高斯光源打到SLM前表面的束腰直径a1x、a1y设置为0.69mm和0.64mm。输出的光斑半径对应a2x和a2y设置为0.5mm，透镜的焦距对应f设置为300mm。

图4 MagicHolo预设置界面

采集正常设置下的平顶光结果，然后改变束腰半径、输出光斑大小、参数焦距、光斑分析仪与透镜间的距离、SLM位深等参数，探究不同参数对平顶光结果的影响。

4 实验结果

（1）正常设置下的结果：

在这里，我们首先对参数进行设置，如图5所示。型号选择HDSLM80R，点击光束整形。设置a1x和a1y为束腰半径，分别为0.69mm和0.64mm。输出光斑大小a2x和a2y设置为0.5mm和0.5mm。焦距设置为300mm。勾选闪耀光栅用于偏离0级光干扰，周期选择为8。

参数设置:

我们在实际调制过程中可能会由于光斑没有照射在调制器正中央，导致调制效果不佳。因此，可以在调制软件中的“”、“”、“”、“”调整相位图在SLM中的位置。在这里，我们实验时的最佳位置为-126，177。

在MagicHolo软件中依次勾选线X方向、线Y方向、矩形、圆形，在光斑分析仪软件观察分析线光斑、矩形、圆形等平顶光质量。

线X方向的结果如图6所示。从截面图中可以得出，线光斑中央强度较为均匀，两端略有坡度，与理想的一个矩形截面图有些差距，这可能是由于束腰计算不精准导致的。

图5 线X方向平顶光的设置

图6 线X方向平顶光的结果图

然后，我们对线Y方向的光斑进行调制，设置如图7所示。线Y方向的结果如图8所示。从截面图中可以得出，线光斑中央强度较为均匀，近似为一个矩形。

图7 线Y方向平顶光的设置

图8 线Y方向平顶光的结果图

然后，我们还对矩形光斑进行调制，设置如图9所示。矩形光斑的结果如图10所示。从X、Y轴截面图中可以得出，在矩形光斑的中央强度较为均匀，在两端存在强度减弱的现象。这可能是由于光路中存在噪声，调制中精度不准确导致的。

图9 矩形平顶光的设置

图10 矩形平顶光的结果图

最后，我们进行了圆形光斑的调制，设置如图11所示。圆形光斑的结果如图12所示。从X、Y轴截面图中可以得出，在圆形光斑的中央强度较为均匀，在两端也存在强度减弱的现象。

图11 圆形平顶光的设置

图12 圆形平顶光的结果图

（2）改变束腰半径得到的平顶光结果

为了验证束腰半径对调制结果的影响，我们在这里仅改变束腰半径，不更改其他参数及光路进行测试。

（3）改变输出光斑大小得到的平顶光结果

为了验证输出光斑大小对调制结果的影响，我们在这里仅改变光斑大小，不更改其他参数及光路进行测试。

(4)改变参数焦距得到的平顶光结果

为了验证焦距对调制结果的影响，我们在这里仅改变焦距，不更改其他参数及光路进行测试。

(5) 改变光斑分析仪与透镜间的距离得到的平顶光结果

为了验证光斑分析仪与透镜间的距离对调制结果的影响，我们在这里仅改变光斑分析仪与透镜间的距离，不更改其他参数及光路进行测试。

(6) 改变SLM的位深得到的平顶光结果

为了探究SLM的位深对结果的影响，在这里我们对原加载的8bit图进行转换，转换成10bit图，并对SLM的位深进行修改成10bit。采用MagicHolo10bit软件进行自定义加载图像。

6 实验分析

在正常光路和参数下，线X和线Y方向的平顶光调制结果呈现中央为均匀强度，两端存在一定的坡度下降。矩形和圆形光斑的周围可能会存在较弱的强度，中央呈现的强度较为均匀。

改变束腰半径，会使得光斑调制存在巨大变化。当束腰半径设置的偏小时，呈现中央强度弱，两侧强度大的现象。当束腰半径设置的过大时，呈现中央强度强，两侧强度弱的现象。过大和过小都会使得中央强度存在不均匀的现象。

改变光斑大小也会使得调制存在巨大变化。光斑存在最小宽度，当半径设置的过小时，结果趋向于椭圆与圆形，导致中央强度不均匀。当光斑大小设置的过大时不会出现异常调制。

改变焦距参数并不会特别影响调制效果，只会影响调制出的光斑大小。

改变光斑分析仪到透镜间的距离会使结果发生巨大变化。当光斑分析仪到透镜间的距离小于透镜焦距时，变化较小，与正常参数和光路下的结果相同。当光斑分析仪到透镜间的距离大于透镜焦距时，结果出现离焦现象，部分区域的强度存在衰减，导致一部分区域的强度弱，一部分区域强度弱。

改变SLM的位深并不会改变调制效果。

7 实验结论

本平顶光实验系统基于空间光调制器搭建而成，通过MagicHolo光场调控软件生成平顶光束，并结合光斑分析仪软件采集平顶光束结果，实验结果表明在正常光路和参数下所获得的平顶光束中央强度均匀，效果较好。通过改变不同的参数或会改变调制效果，或不会改变调制效果，进一步分析了不同参数对实验结果的影响。本实验对于理解和学习SLM工作原理、平顶光束原理有着重要的意义。

8 参考文献

[1] Dirk, Nodop, Jan, et al.Hyperbolic phase function used in a spatial light modulator for flat top focus generation.[J].Optics Letters, 2019.

DOI:10.1364/OL.44.002169.