利用波前整形通过光纤传输多个信号

本实验的总体目标是通过单根多模光纤传输多个空间上分离的独立光信号，同时利用光纤内部的模式转换来补偿光信号的畸变。该新型技术有助于解决生物医学和通信工程领域的关键问题，特别是在需要分别输出多个生物细胞或数据信号通道时。该技术的主要优势在于能够实现空间-时间光调控，且仅需使用一个空间光调制器即可完成多个独立信号的校准与传输。

该技术的应用前景涵盖非侵入性研究以及帕金森病等神经系统功能障碍的前瞻性治疗。神经元的监测与控制需结合时空光信号的使用。通常，初学者会因光学通路对准过程费力较高而面临困难，而这一对准对于实现高质量信号传输是必不可少的。

实验在光学平台上进行。光学元件已经布置完毕。部分元件仅用于校准。

该空间光调制器是用于装置近端数据信号传输的元件之一。该CCD相机是远端的数据信号接收器。数据信号通过连接两端的多模光纤传输。

该示意图概述了装置的结构，并标明了近端和远端组件。激光器提供一束准直的相干光，该光束由偏振分束器分束。使用半波片使两束光的功率大致相等。

物光束射向远端。目前请关注射向近端的参考光束。将参考光束分成两束，每束分别通过一个光学调制器。

然后使两束光在保持空间分离的情况下沿相同路径传播。在校准过程中，来自远端的光会通过多模光纤、显微物镜和线性偏振片，使两束光叠加并最终发生干涉。最后的分束器将两束光垂直导入专用的光调制器。

在准备实验时，务必调整偏振分束器的方向，使参考光束的偏振方向与偏振敏感型空间光调制器的偏振方向对齐。为校准起见，两束光还需经过透镜并聚焦于CMOS相机上。请注意，目前特殊光调制器上尚未显示任何内容。

因此，调制器在校准过程中起到类似镜子的作用。使用实验台上的两个透镜，调节它们的位置及彼此之间的距离。

目标是获得CMOS相机中特殊光调制平面的清晰图像。现在将焦点放在装置的远端进行校准。物光束经由分束器和反射镜被转换为两个空间上分离的光束。

另一束分光器将光束导入显微镜物镜，再经由透镜聚焦至CCD相机。在光路焦点处，调节显微镜物镜使其对准多模光纤的远端。通过透镜和CCD相机观察多模光纤的后向反射光，以检查聚焦情况。

同时使用位于近端的物镜，用它来准直从多模光纤出射的光。现在在CMOS相机上观察干涉图样，并调整干涉条纹间距。

通过调节参考光路和物光路中的反射镜和分束器来实现此操作。这会改变物光束和参考光束在空间光调制器处相交的角度，该角度应小于一度。当干涉条纹间距大约为两个像素大小时，停止调节。

最后使用线性偏振片，调整其取向以匹配物光和参考光的偏振方向。这将在CMOS相机图像中产生最大对比度，显示出清晰的干涉条纹。第一次校准过程包括确定空间光调制器与CMOS相机之间的像素对应关系。

从偏振分束器之后的物光束开始。将半波片与下一个分束器之间的物光束挡住。接着，在两束参考光通过光学调制器后，立即选择其中一束进行操作。

仅遮挡其中一个光束，使另一束光照射到空间光调制器上。使用CMOS相机拍摄空间光调制器的图像。利用图形软件确定调制器左上角的坐标，该坐标将作为空间光调制器的原点位置。

完成后，移除两个光束挡块，以完成空间光调制器与CMOS相机之间像素关系的确定。下一个校准序列为信号路径的校准，此时即为光束路径的校准。

第一步是在物光束二的光路中，经过两个分束器后将其阻挡；并在光调制器后阻挡参考光束二。然后，使用 CMOS 相机采集全息图的图像。

由此计算光束第一区域的反相位。接着，移除光束中的遮挡块。然后，遮挡物光束一和参考光束一。

根据相机捕获的全息图，计算光束在第二区域的倒相位。继续操作前，务必移除所有光束挡块。透射实验的装置更为简单。

信号传输不需要CMOS相机，且物光束被阻断。此时，两束参考光从空间光调制器的两个区域反射，随后反射光束通过多模光纤传输至CCD相机。

在计算机上，为准备空间光调制器的图像，将区域一和区域二的相位反转图像排列在各自对应的位置上，然后将这些图像拼接在一起，通过空间光调制器的计算机图形端口进行显示。

在实验台处完成实验的最后准备工作。参考光束将通过光强调制器。启动两条参考光束的调制器以继续操作。

在计算机上观察并记录来自CCD相机的输出信号。这些是信号穿过两米长光纤后，在远端侧由相机记录的典型结果。图像仅对应信号一开启时的情况。

仅有两个信号开启，以及两个信号同时开启的情况。除了每幅图像中的目标峰之外，由于数字光学相位共轭技术的局限性，还存在散斑噪声。

通过使用支持更多模式的光纤，可以提高信噪比。两个周期性输出信号之间存在串扰。信号一的频谱在频率f1处显示出预期的峰值，在频率f2处显示一个较小的峰值。

同样，信号二的频谱在 f2 处具有预期的峰值，在 f1 处有一个较小的峰值。在执行此操作时，必须仔细对准空间光调制器和 CMOS 相机，以确保数字光学相位共轭能够正常工作。为了优化该过程，可采用基于模型的校准技术，在无法接触光纤远端的情况下实现光传输。

观看本视频后，您应能够充分理解如何在多模光纤中通过独立的波形调控来传输独立信号。该技术发展后，将为光遗传学领域的研究人员探索模式生物以及人诱导性多能干细胞衍生的神经元或心肌细胞中的神经退行性疾病提供新的研究途径。