Preview only show first 10 pages with watermark. For full document please download

Spatial Light Modulator (slm)

   EMBED


Share

Transcript

Spatial Light Modulator (SLM) Workshop, BFY 2012 Conference  Douglas Martin and Shannon O’Leary  Lawrence University and Lewis & Clark College      Briefly, a spatial light modulator (SLM) is a liquid crystal device that acts as a variable  waveplate.  Each of the 1024x768 pixels can retard a wave by 0‐ radians with 8 bit precision.   The individual pixels are addressable via a VGA cable – in essence, the SLM acts as a display  driven by a computer graphics card.  When sent a black pixel, the SLM acts as a 0 waveplate;  when sent a white pixel, the SLM acts as a /2 () waveplate.  Gray is in between; color is  disregarded.    In the workshop, we used the SLM in three different ways:  1. A display  2. A diffractive object  3. A spatial filter in the transform plane of a lens.    The overall setup is sketched below.      1. SLM as video display.  We use a laptop to drive the SLM.  The SLM acts as a second monitor, but the SLM itself only  changes the phase of the reflected light.  To change the amplitude (and see something), a pair  of polarizers is necessary.  Steps to get the SLM up and running:  a) Plug SLM power in (this turns the SLM on)  b) Connect the SLM video in to the laptop video out with a VGA cable.  c) Setup the laptop to drive a second monitor (in Windows, we extend the desktop onto  the 2nd monitor).  d) With the SLM’s taped‐on polarizer in place, you should be able to see the desktop  background by directly looking at the SLM (it will be tiny).   e) Setup the optical system sketched above, without the “object” or 200 mm lens on the  incoming rail.  The beam expander just after the laser should be used to create a  collimated beam, parallel to the incident rail and optical bench, that covers (or just over‐ fills) the SLM surface.  An iris placed on the rail (on a rail carrier, at the right height), can  help align the beam.  The beam reflected of the SLM should be parallel to the optical  table and the outgoing rail.  f) Remove the taped‐on polarizer (but save).  Use the 100 mm lens after the SLM to create  an image of the SLM surface on a far screen (we use a wall 5‐10 ft away).    g) Linearly polarize the incident light (polarized laser or polaroid) and then rotate the linear  polarizer in the output beam until the display is as crisp as possible.  The incoming  polarization matters – so you may need to rotate the incoming polarization as well.  h) To control what is sent to the SLM, we use PowerPoint.  In Windows, under the “Slide  Show” menu is an option “Show On” – use the drop‐down menu to select second  display.  Then, a PowerPoint slideshow will be sent to the SLM (the second display).  We  tend to play around with black and white objects, but gray scale works as well (color is  ignored).    2. SLM as diffractive object.  The SLM acts as an aperture for incident light – a phase aperture if no polarizers are present, or  an amplitude aperture if polarizers are in place, as in #1 above.  Removing the 100 mm lens will  cause the diffraction pattern of the aperture to appear on the far screen (at infinity).  That  diffraction pattern can be brought onto a screen placed a finite distance away using a lens.      In the workshop, we used the SLM to create a 2‐slit aperture (two white lines on a black  background in PowerPoint), a 4‐slit aperture, a quasi‐crystal aperture, and a computer  generated hologram aperture.  On the far screen, the diffraction patterns of these apertures  were formed.  Steps to get use the SLM as a diffractive aperture:   a) Remove the beam expansion optics (the microscope objective and 200 mm lens) – use  of a post collar on the post will help with realignment later.  b) Now the unexpanded beam should be incident on a small portion of the SLM surface.   With the 100 mm lens in place to image the surface of the SLM, use PowerPoint to put  your favorite diffraction aperture on the SLM surface.  The far screen should show the  aperture. You may need to move the aperture in PowerPoint to ensure it is centered in  the incident beam.  With the slideshow running, click on an object in PowerPoint (say,  c) d) e) f) the vertical line).  Then, use the arrow keys to move it around.  The object will be moved  around on the SLM surface.  To continue the slideshow, be sure to click the small box  “resume slideshow.”  Remove the 100 mm lens, and the diffraction pattern should appear on the far screen.    Vary the aperture as desired (we changed the slit‐width, inserted a quasicrystal, and  used a computer generated hologram following Thad Walker, http://www‐ atoms.physics.wisc.edu/papers/holo.pdf, using the MATLAB code in this post  http://tinyurl.com/d662n7o).   It is possible to create a sharper diffraction pattern.  Re‐insert the 100 mm lens – the  diffraction pattern will appear in the transform plane, one focal length downstream.   Use a second lens (short focal length, say 50 or 100 mm) to magnify the transform plane  onto a far screen.  Note that the diffraction pattern remains the same with an amplitude aperture (with  polarizers in place) or phase aperture (without polarizers in place).  Hecht has a nice  discussion in section 11.3.3 of Optics, 4th ed.    3. SLM as spatial filter.  By inserting the SLM in the transform plane of a lens, the SLM can be used to manipulate the  Fourier transform of an object.   In the workshop, we used the SLM as a variable amplitude  aperture (with polarizers) to remove a kitty from its cage by removing the cage information in  the transform plane.  Steps to get the SLM working as a spatial filter:  a) Re‐expand the incoming beam, using the microscope objective and 200 mm lens.  b) Print your object on a transparency – we used a picture of a kitten in a cage with with  lines spaced about 0.5 mm apart.  The narrower the line spacing, the wider the spots in  the diffraction pattern, and vice versa.    c) Place the transparency in the beam along the incident rail, more than 200 mm from the  SLM.  Insert a 200 mm lens on the rail exactly 200 mm before the SLM surface.  To  ensure the transform plane is on the SLM surface, the following trick may be helpful.   First, remove the transparency and the 200 mm lens, and send a crisp image to the SLM.   Use the 100 mm lens after the SLM to focus the surface of the SLM onto a far screen.   Now, change the PowerPoint slide to a blank, white slide.  Re‐insert the transparency  with object and the 200 mm lens into the incident beam.  Move the 200 mm lens (not  the 100 mm lens) until the Fourier transform of the object, viewed on the far screen, is  in crisp focus.  Since the far screen is an image of the SLM surface, when the transform  is exactly on the SLM, it will also be enlarged and in focus on the far wall.  d) Insert your spatial filtering aperture into PowerPoint.  You can create a complicated  aperture – but positioning is difficult (the SLM pixels are about 10 m across).   Alternately, as we did in the workshop, black bars can be used to filter an entire row of  spots.  In our case, we arranged the cage so that the bars were vertical.  The transform,  therefore, appeared as horizontal line of spots.  The spots on either side of the zero‐ order were removed with black bars, positioned in PowerPoint (another trick: holding  down the control key (Windows) while using the arrow keys to move objects around  within PowerPoint allows for very fine control of object position).    e) To see the result, remove the 100 mm lens in the outgoing beam path.  We use a blank  slide immediately after the spatial filter slide to be able to go back and forth between  filtered and unfiltered image in PowerPoint.  f) A few notes:  at 633 nm (red He‐Ne), the SLM can only delay the phase by 0.8 ,  resulting in an imperfect amplitude aperture.  Shifting to green (543 nm He‐Ne or 532  nm DPSS) allows the phase delay to be increased to closer to  (0.95  at 532 nm).  This  may help improve the aperture filtering.  Other fun filters include a low‐pass filter  (simply a small white circle on a black background – this removes the high‐frequency  information, resulting in a blurred image; a high‐pass filter (small black circle on a white  background), which removes the DC component (that is, the mean intensity), which  tends to make dark regions bright and vice versa; and a “razor‐blade” filter, with two  large black rectangles surrounding a narrow white slit – using this and a square‐grid  object allows either the horizontal or vertical lines of the grid to be removed (in fact, a  filter with actual razor blades in the transform plane, no SLM, works fantastically for this  spatial filter).     Doug Martin  [email protected]  Shannon O’Leary  [email protected]      Parts List used in the workshop  Part  Source  5 mW polarized HeNe  or 5 mW laser pointer  Spatial Light Modulator  2’ x 4’ x 2” breadboard  2 x 24” rails  5 x rail carriers  4 x post holder bases  4 x base clamps  6 x 2” post holders  1 x 1” post holder  2 x 3” post holders  1 x 1” post  8 x 2” posts  1 x 1” f=100 mm plano‐convex  lens  2 x 1” f=200 mm plano‐convex  lenses  3 x lens mounts  2 x 1” glass linear polarizer  2 x rotation mount  1 x kinematic mirror mount  1 x 1” round mirror  1 x 10x microscope objective  1 x microscope objective  mount  1 x iris  screws & allen wrenches  Thorlabs HNL050L  eBay, etc. (downside: ugly beam profile)  Cambridge Correlators SDE1024  Vere 24482E1FM   Thorlabs RLA2400  Thorlabs RC1  Thorlabs BA1S  Thorlabs CL5  Thorlabs PH2  Thorlabs PH1  Thorlabs PH3  Thorlabs TR1  Thorlabs TR2  Thorlabs LA1509  Approx  Cost.  $1300  $15  $1000  $930  $280  $115  $20  $16  $47  $7  $17  $5  $42  $20  Thorlabs LA1708  $40  Thorlabs LMR1  Edmund Optics NT54‐926   Thorlabs RSP1  Thorlabs KM100  Thorlabs ME1‐G01  Newport L‐10X  Thorlabs OMR  $47  $50  $160  $40  $14  $200  $25  Thorlabs ID25  Thorlabs HW‐Kit2 & CCHK  or McMaster‐Carr        $53  $140  $40        images on transparency  Laptop to drive SLM      A few notes:   eBay is a great source for used optomechanics – we’ve had good luck with used parts.  Used  optical breadboards can also save quite a bit of money.    Thorlabs offers a “new lab” discount, typically around 10% ‐ ask for it if you decide to set up a  new SLM lab.  Any laser with good beam quality will work, but the liquid crystal in the SLM is apparently  degraded by UV light – so 405 nm may not be a wise choice.  With just a little more equipment (~$500‐1000 more), we run an entire optics course of labs.