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【講座回播+Q&A精選】濱松SLM升級算法詳解，滿滿干貨

2024-03-22

瀏覽量(1352)

基于大量濱松空間光調制器（LCOS-SLM）在工業場景中的應用經驗積累，并通過對全球最前沿應用研究的鉆研和消化，2024年，濱松工程師將SLM算法進行了全新升級！為物體表面（點陣、異形平頂光等）、物體內部（激光倒角、激光打孔、加工波導、三維存儲等）的SLM實際工業應用問題，提出了實實在在的解決方案，幫助工業用戶通過濱松SLM對光實現更靈活的調控，最終獲得更高的激光加工質量。

3月12日，濱松中國資深工程師王梓博士為大家帶來了一場升級算法的全面介紹。相對于往年的算法解析，本次更加側重從實際應用需求出發的算法講解，并引入了AI、GPU等概念。

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圖1 濱松中國3場SLM算法講座的對比


您可以在講座中看到：

■      SLM與相位計算

■      SLM算法介紹：表面加工

■      SLM算法介紹：內部加工

■      如何通過算法實現又快又準的加工

■     濱松中國全新算法軟件（開放售賣）

3月20日-22日，SLM最新700W產品及算法方案將在慕尼黑上海光博會亮相（點擊閱覽展前預告），歡迎各位蒞臨現場參觀交流（上海新國際博覽中心 W4.4305）。


濱松SLM算法


如講座中介紹，濱松中國目前可提供免費及收費算法（詳見下圖），如您有更多算法需求，也請聯系我們，共同探討更多的開發可能！


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圖2 濱松SLM算法方案一覽


針對免費部分，濱松中國將免費提供MATLAB算法源代碼，方便用戶掌握如何自己編寫一些常見的代碼。而對于收費部分，主要將提供基于MATLAB APP編寫的相位圖生成小程序，用戶可輸入參數/載入目標圖片來生成相位圖，默認不提供算法源代碼，如有源代碼需求，請與濱松中國銷售人員聯系溝通。


此外我們也提供一體化方案定制，以及多元件協同軟件編寫服務（基于相機的SLM反饋系統），歡迎垂詢。


Q&A精選



直播中，我們收到了許多用戶提問，這里進行了精選和歸納，并給出了更詳細的解答，希望能夠為大家答疑解惑。



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圖3 Q&A精選問題，詳情請見下文


1. SLM分多束，外圍點陣的點位精度誤差會變大，如何克服？


A：這個誤差來自于鏡頭本身的像差畸變，推薦可以使用F-θ場鏡，或者可以使用相機觀測點陣的定位位置，看看是否可以通過微調目標圖像中點的位置來實現外圍點陣的位置細調。此外如果使用脈沖很短的激光器（比如幾十飛秒的激光器），那么激光器本身波長的帶寬也會很寬，導致外圍點陣從圓形變為橢圓，這種解決方案一般是采用波長帶寬窄一些的激光器，或者盡量避免生成距離中心太遠的點。
2. 在應用端固定的情況下，直接定制化DOE相比SLM實用性是否更強？
A：加工過程中，如果加工條件（比如分光的點數，點的間距）不用變化+客戶會批量采購設備，需要批量采購DOE，那么使用DOE的確相對成本較低。但如果加工工藝過程中，需要動態對光束的整形和分束進行調節，或對加工精度要求極高，需校正臺間差/每天來自于激光器、系統光路的變化，那么使用SLM更能滿足您的需求。
3. 4f系統第一個f可以去掉嗎？因為第一個f傳輸本身就是平行光，將透鏡f1緊挨著SLM，變成3f系統可行嗎？
A：如下圖所示，4f系統主要起的作用有三個：
1、將SLM成像到物鏡/場景的后焦面，因為有些物鏡的后焦面實際上是在物鏡內部，所以SLM實際上是無法放置在物鏡后焦面的，但使用4f系統就可以實現；
2、我們推薦入射到SLM上的光斑直徑為8~10 mm，而有些物鏡和場鏡的入瞳小于這個尺寸，因而可以使用f2＜f1的4f系統，將光斑縮束，從而避免能量損失；
3、可以在下圖中Image Plane的位置放置一些光闌或者光擋，配合疊加的閃耀光柵相位等，可以用來消除0級光的影響。


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圖4 基于SLM的激光加工系統的常見4F光路（此處光路激光器為示例，濱松SLM可搭配多種不同波段、不同類型激光器）


4. 物鏡的后焦面在哪，如何模擬物鏡后光場分布呢？


A：有的物鏡廠家會在物鏡的后焦面有具體標注。如果沒有標注，一般可以認為是在物鏡的螺紋口位置。
物鏡后光場分布，如果是小NA的物鏡，使用普通的傍軸近似，基于FFT變換即可；如果是大NA的物鏡，可能就需使用debye 近似，可以參考的書籍有顧敏老師的《advanced optical imaging theory》和這個文章《Efficient full-path optical calculation of scalar and vector diffraction using the Bluestein method》。對于高NA物鏡的快速的GSW計算，可參考吳東老師的《 Highly uniform parallel microfabrication using a large numerical aperture system》。
5. GS算法生成的全息圖需要通過一個透鏡在頻譜面成像，通過4f系統過濾掉0級光后，在空域成像的全息圖需要使用什么算法進行計算？
A：這里描述的應該是屬于complex modulation了，可以參考這個文章中的公式?！禝ndependent phase and amplitude control of a laser beam by use of a single-phase-only spatial light modulator》。
6. 如果需要貝塞爾光束的聚焦光斑，是直接利用SLM生成該聚焦光斑的相位嗎？有必要用SLM先生成貝塞爾光束，然后再進行聚焦嗎？
A：對于貝塞爾光束，是在SLM上載入了axicon beam的相位之后，直接在SLM之后的區域產生貝塞爾光束，然后再通過后面的一套4f系統，在樣品位置生成縮小的貝塞爾光束。




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圖5 箭頭位置是SLM之后產生貝塞爾光束的位置，然后經過L和MO組成的4F系統，成像在物體位置

7. 使用SLMControl3.exe程序來控制SLM，在計算相圖時如果圖片尺寸稍大一些會出現無響應，但是遠沒有達到計算機的性能限制，如何解決？利用SDK控制能改善嗎？


A：因為我們的SDK在進行圖像處理的時候，可能會存在一定的時間。圖片越大，處理時間越長。因而可以考慮自己基于SDK編寫程序，然后使用異步編程，將軟件的UI和dll的計算過程分離開，這樣就會很流暢，具體代碼案例可以參考濱松中國技術網站的文章


8. SLM可以生成三維點陣么？材料內每層球差不同，都可以通過球差校正消除嗎？


A：可以的，具體參考文章《Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction》中的公式即可。
9. 為什么SLM生成點陣時會有雜散衍射級光斑，如何消除？
A：對于分布范圍在透鏡焦距*波長/SLM像素尺寸之外的衍射光斑，是來自于高階衍射。對于這個內部的衍射光斑，可以認為是因為相位數值化/像素化分布導致的結果。比如理想的閃耀光柵相位，應該是非常連續平滑的鋸齒波，但由于SLM像素尺寸不能無限小，相位灰度是8bit，所以實際上相位是階梯狀的鋸齒波。這導致存在一些這里提到的雜散衍射級光斑。解決方案是：
1、采用效率比較高的算法（比如GS，GSW算法，點陣的達曼光柵）；
2、降低相位圖的復雜度（盡可能不生成分布范圍太大的點陣，球差校正的時候，只校正球差部分，而不校正球差導致的焦點移動）。
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圖6 SLM衍射效率隨著閃耀光柵周期的變化

10. 平頂光的公式


A：基于非球面相位的平頂光公式可以參考《 The generation of flat-top beams by complex amplitude modulation  with a phase-only spatial light modulator》。
11. 純相位的SLM可以加偏振片實現振幅調制嗎？原理是？調制振幅時相位也會被同時調制嗎？能不能控制只調制振幅呢？ 
A：純相位的空間調制器也可以實現振幅調制。主要是基于SLM只對水平偏振的光引入相位調制，對于垂直偏振的光不引入相位調制。那么如入射一個45度偏振的光到SLM上，輸出的光就會成為橢圓偏振光，橢圓的形狀跟SLM上對水平偏振引入的相位大小有關。因而額外加入偏振片，就可以實現振幅調制。這種方法，調節振幅會同時調制相位。如果想獨立調節振幅和相位，可以采用complex modulation的方法。具體內容可以參考此前講座：LCOS-SLM應用與算法方案。


文獻列表

1.A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures (1972)

2.Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction（2010）

3.Kinoform design with an optimal-rotation-angle method（1994）

4.An adaptive approach for uniform scanning in multifocal multiphoton microscopy with a spatial light modulator（2012）

5.Large-Scale Uniform Optical Focus Array Generation with a Phase Spatial Light Modulator (2019)

6.Speckle-reduced holographic beam shaping with modified Gerchberg–Saxton algorithm(2019)

7.Independent phase and amplitude control of a laser beam by use of a single-phase-only spatial light modulator (2004)

8.Dynamic laser beam shaping for material processing using hybrid holograms(2017)

9.Phase hologram optimization with bandwidth constraint strategy for speckle-free optical reconstruction (2021)

10.Weighted Constraint Iterative Algorithm for Phase Hologram Generation (2020)

11.Phase hologram optimization with Speckle-free compact holographic near-eye display using camera-in-the-loop optimization with phase constraint(2022)

12.Bessel and annular beams for materials processing (2012)

13.High-aspect-ratio, high-quality microdrilling by electron density control using a femtosecond laser Bessel beam (2016)

14.Single-Shot High Aspect Ratio Bulk Nanostructuring of Fused Silica Using Chirp-Controlled Ultrafast Laser Bessel Beams(2014)

15.Realising high aspect ratio 10 nm feature size in laser materials processing in air at 800 nm wavelength in the far-field by creating a high purity longitudinal light field at focus (2022)

16.Shaping the on-axis intensity profile of generalized Bessel beams by iterative optimization methods (2018)

17.Two-photon polymerization of microstructures by a non-diffraction multifoci pattern generated from a superposed Bessel beam.(2017)

18.Generating flat-top beams with extended depth of focus (2018)

19.Protecting the Edge: Ultrafast Laser Modified C-shaped Glass Edges (2021)

20.High-quality tailored-edge cleaving using aberration-corrected Bessel-like beams (2018)

21.Airy beams and accelerating waves: An overview of recent advances (2021)

22.Observation of Accelerating Airy Beams (2007)

23.Ballistic dynamics of Airy beams (2008)

24.Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction(2010)

25.Beam shaping for ultrafast materials processing (2019)

26.A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity (2024)

27.Predictive aberration correction for multilayer optical data storage (2006)

28.Multifocal array with controllable polarization in each focal spot (2015)

29.Rapid Two-Photon Polymerization of an Arbitrary 3D Microstructure with 3D Focal Field Engineering （2019）

30.Simultaneous compensation for aberration and axial elongation in three-dimensional laser nanofabrication by a high numerical-aperture objective (2013)

31.Optimized hologram generation method for real-time spontaneous manipulation (2023)

32.Real-time optical micro-manipulation using optimized holograms generated on the GPU (2010)

33.Optimized hologram generation method for real-time spontaneous manipulation (2023)

34.Gerchberg-Saxton algorithm for fast and efficient atom rearrangement in optical tweezer Traps(2019)

35.DeepCGH: 3D computer-generated holography using deep learning (2020)

36.Two-photon polymerization of femtosecond high-order Bessel beams with aberration correction(2023)

37.In situ wavefront correction and its application to micromanipulation (2010)

38.Spherical aberration correction suitable for a wavefront controller （2009）

39.Adaptive optics for direct laser writing with plasma emission aberration sensing （2010）

40.Automated aberration correction of arbitrary laser modes in high numerical aperture systems （2016）

41.Ultrafast laser writing of homogeneous longitudinal waveguides in glasses (2008)

42.Three_dimensional_laser_microfabrication_in_diamond using dual adaptive optics system (2011)

43.Efficient full-path optical calculation of scalar and vector diffraction using the Bluestein method (2020)

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