空間光調(diào)制器的相位調(diào)制特性

賀騰 李建強 王輝 安俊鑫

摘要： 載波的相位對其參考相位的偏離值隨調(diào)制信號的瞬時值成比例變化的調(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：TN761 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）03-0120-02

0 引言

空間光調(diào)制器是一種對光波的光場分布進行調(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）以制作簡單，價格低，耗能低，易控制，易制成二維器件，且易構(gòu)成并行光學信息處理器件等優(yōu)點，倍受國內(nèi)外研究學者的關(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、光學投影等方面具有應(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)過擴束準直后，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)制器具有實時復(fù)制模式，便可將電腦上所示的圖片實時地復(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，使通過楊氏雙縫的兩束光經(jīng)雙縫（為了得到更細的雙縫，使用透鏡對雙縫進行成像）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，因而使用一個顯微物鏡將其放大，用于電腦相連的CCD對放大后的條紋進行采集。實驗原理圖如圖1所示。

空間光調(diào)制器上加載的灰度分成兩個部分，一部分灰度始終保持為0，另一部分從0開始每隔5度改變一次，直至255度，如圖2中（a）～（c）所示。經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后的光束經(jīng)過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）會在空間光調(diào)制器上產(chǎn)生一組雙縫，將其中一個縫的相位發(fā)生變化，作為測試組，另一個縫無相位改變，作為參考組。入射光透過雙縫在CCD記錄面上產(chǎn)生干涉條紋。改變其中一個縫對應(yīng)的相位值，干涉條紋會產(chǎn)生相對移動，移動量反應(yīng)出相位的變化。相移量與條紋的相對位移的關(guān)系為：Φ=δ/ω（2π）。

其中，δ為干涉條紋的相對位移，ω為干涉條紋的周期。

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

2 實驗步驟

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固定好準直透鏡，前后移動，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個像素的模式，加載如圖2中（c）所示的圖片，打開空間光調(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)制器的一個偏振片，在光屏上觀察所成圖像，當左右兩邊光強度一樣時，固定偏振片，此時空間光調(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相連的電腦上實時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 實驗結(jié)果

首先，應(yīng)先對數(shù)據(jù)進行分析，但因為數(shù)據(jù)量相對較大，而且部分得干涉條紋會出現(xiàn)模糊，對比度不明顯等問題。這樣，就會對數(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時所記錄的干涉條紋。

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

但在實際的編程處理過程中發(fā)現(xiàn)，加載灰度值不同時，干涉條紋的清晰度也有所差別，因而，得到的橫截面強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)單一的橫截面強度曲線來確定干涉條紋的相對移動量和周期，會使實驗結(jié)果不夠準確。因此，對相對移動量和周期的測量采用平均值的方法來減小誤差。

通過上述方法的初步計算，得出像素點大小為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)果相對較低，只能達到1.01π左右，即相位延遲為3.174πad。而像素點大小為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)備和實驗中系統(tǒng)和測量誤差的原因，當干涉圖像的灰度值從0變化到255時，空間光調(diào)制器相位的變化并沒有達到2π，也只能達到1.7π左右，即相位延遲為5.352。

因此選擇對像素點大小為26？滋m的空間光調(diào)制的相位特性進行分析。用上述同樣的方法，對條紋圖像選擇不同的行讀取其橫截面強度曲線，選擇條紋中心點讀三組數(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，得到一組相對較為準確的空間光調(diào)制的相移量，并繪出其曲線圖。

即實驗中，以波長為532nm的綠色激光器為光源，采用雙縫干涉法測出的像素點大小為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量空間光調(diào)制器相位特性曲線的實驗原理圖，搭建實驗的基礎(chǔ)光路。在搭建光路中，最基礎(chǔ)也是最重要的，就是要搭建好擴束準直系統(tǒng)。在按照要求搭建好實驗系統(tǒng)后我們要多次實驗并修正，最終找到干涉條紋最好的狀態(tài)。

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