Name: 通过光纤使用波前整形多个信号的传输 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 43 s
Description: 学习利用空间光调制器进行波前整形，通过单根多模光纤传输多个独立光信号。该方法可补偿光失真，在生物光子学和通信工程领域具有重要应用价值。

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感谢德国研究基金会（DFG，项目编号：CZ 55/30-1）为本工作的部分研究提供资金支持。

1. 组装实验装置
<ol>
	<li>准备近端光路
	<ol>
		<li>放置并固定提供准直光束的激光器——或者使用在光纤出射端面带有准直光学元件的光纤耦合激光器。</li>
		<li>放置偏振分束器（PBS），将激光束分为参考光束和物光束。通过旋转半波片（HWP）支架上的半波片来调节其取向，使参考光束和物光束（在远端）的功率大致相等。通过在参考光束和物光束中分别插入屏幕来检查光强是否均衡。调整PBS的方向，使参考光束的偏振方向与偏振敏感的空间光调制器（SLM）匹配。</li>
		<li>在参考光路中插入一个分束器（BS），将参考光束分成两束。放置光学调制器（OM），使来自BS1的两束光分别通过OM1和OM2。</li>
		<li>利用两个反射镜，在BS2处将经过OM1和OM2的两束光合并。调节分束器和反射镜，使两束光在空间上分离。</li>
		<li>仔细调节BS5，确保两束光入射到空间光调制器（SLM）像素平面的方向垂直，初始阶段可忽略BS3和BS4。此时SLM上尚未显示任何图案，i.e.，在完成校准前（即第2步结束前），SLM仅起到镜面作用。</li>
		<li>调节构成开普勒望远镜的两个透镜（L）的位置和间距，以在互补金属氧化物半导体（CMOS）相机上获得清晰的SLM平面像。注意L1和L2的正确朝向（平面相对），以最小化像差。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>准备远端光路
	<ol>
		<li>使用BS7将物光束分成两束，并通过两个反射镜在BS8处重新合并。再次调节分束器和反射镜，使两束光在空间上分离。</li>
		<li>利用BS9偏转两束光，使其对准显微物镜（OBJ）。将OBJ2聚焦于多模光纤（MMF）的远端面。通过使用L3和电荷耦合器件（CCD）相机观察来自MMF的背向反射光来检查聚焦情况。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>连接近端与远端光路
	<ol>
		<li>使用OBJ1对从多模光纤（MMF）出射的物光束进行准直。</li>
		<li>使用BS6分束物光束，初始阶段可忽略线性偏振片（LP）。通过一个反射镜，在BS3和BS4处将两束物光分别与两束参考光合并。调节分束器和反射镜，使每对参考光与物光在SLM上重叠，并以一个小角度（小于1°）相交。</li>
		<li>根据步骤1.1.2，通过调节HWP的取向，确保参考光束与物光束的功率大致相等。</li>
		<li>在CMOS相机上观察干涉图样（离轴全息图），并相应调节相交角度。增大该角度，直至干涉条纹间距大致等于CMOS相机上两个像素的尺寸。</li>
		<li>调节线性偏振片（LP）的取向，使物光束与参考光束的偏振方向一致，从而在CMOS相机图像中获得最大的干涉图样对比度，使图像呈现清晰可辨的条纹。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 系统校准
<ol>
	<li>校准 SLM 与 CMOS 之间的像素对应关系
	<ol>
		<li>仅使用一束参考光照射整个空间光调制器，并遮挡另一束参考光和物光。</li>
		<li>使用CMOS相机拍摄SLM的图像。</li>
		<li>获取SLM在CMOS相机图像中左上角的坐标， 例如 使用计算机上的图形软件和鼠标光标。将这些像素坐标作为相对于空间光调制器（SLM）的原点。</li>
		<li>移除所有光束挡块。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>校准信号通路
	<ol>
		<li>同时遮挡参考光束2和物光束2。</li>
		<li>使用CMOS相机拍摄全息图。采用角谱法分析记录的全息图中的相位信息19. 计算光束1相应区域的倒相位。</li>
		<li>移除之前的光束挡块，现在同时遮挡参考光束1和物光束1。</li>
		<li>使用CMOS相机拍摄全息图图像。再次利用角谱法测量记录的全息图中的相位。计算光束2对应区域的反相相位。</li>
		<li>移除所有挡光块。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 信号的传递
<ol>
	<li>遮挡物光束。</li>
	<li>将计算得到的相位反转图像在光束1和光束2对应的区域进行拼接，并通过计算机图形端口将其完整图像显示在空间光调制器（SLM）上。</li>
	<li>通过激活OM1和OM2，开始对输入信号1和信号2进行调制。</li>
	<li>在CCD相机上观察输出信号1和信号2。</li>
</ol>

<ol><li>Richardson, D. J., Fini, J. M., Nelson, L. E. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v7/n5/full/nphoton.2013.94.html">Space-division multiplexing in optical fibres.</a> Nat. Photonics. 7 (5), 354-362 (2013).</li>
<li>Kreysing, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+operation+of+optical+fibres+beyond+the+single-mode+regime+facilitates+the+orientation+of+biological+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Dynamic operation of optical fibres beyond the single-mode regime facilitates the orientation of biological cells.</a> Nat. Commun. 5 (5481), 1-6 (2014).</li>
<li>Winzer, P. J. <a target="_blank" href="http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_26/march_2015/features/scaling_optical_fiber_networks_challenges_and_solu/">Scaling optical fiber networks: Challenges and solutions.</a> Opt. Photonics News. 26 (3), 28-35 (2015).</li>
<li>Cižmár, T., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shaping+the+light+transmission+through+a+multimode+optical+fibre%3A+complex+transformation+analysis+and+applications+in+biophotonics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Shaping the light transmission through a multimode optical fibre: complex transformation analysis and applications in biophotonics.</a> Opt. Express. 19 (20), 18871-18884 (2011).</li>
<li>Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Millisecond-timescale%2C+genetically+targeted+optical+control+of+neural+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.</a> Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).</li>
<li>Philipp, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volumetric+HiLo+microscopy+employing+an+electrically+tunable+lens%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens.</a> Opt. Express. 24 (13), 15029-15041 (2016).</li>
<li>Büttner, L., Leithold, C., Czarske, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interferometric+velocity+measurements+through+a+fluctuating+gas-liquid+interface+employing+adaptive+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Interferometric velocity measurements through a fluctuating gas-liquid interface employing adaptive optics.</a> Opt. Express. 21 (25), 30653-30663 (2013).</li>
<li>Vellekoop, I. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feedback-based+wavefront+shaping%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Feedback-based wavefront shaping.</a> Opt. Express. 23 (9), 12189-12206 (2015).</li>
<li>Mahalati, R. N., Askarov, D., Wilde, J. P., Kahn, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+control+of+input+field+to+achieve+desired+output+intensity+profile+in+multimode+fiber+with+random+mode+coupling%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Adaptive control of input field to achieve desired output intensity profile in multimode fiber with random mode coupling.</a> Opt. Express. 20 (13), 14321-14337 (2012).</li>
<li>Caravaca-Aguirre, A. M., Niv, E., Conkey, D. B., Piestun, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+resilient+focusing+through+a+bending+multimode+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Real-time resilient focusing through a bending multimode fiber.</a> Opt. Express. 21 (10), 12881-12887 (2013).</li>
<li>Cižmár, T., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploiting+multimode+waveguides+for+pure+fibre-based+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging.</a> Nat. Commun. 3, 1027(2012).</li>
<li>Yaqoob, Z., Psaltis, D., Feld, M. S., Yang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+phase+conjugation+for+turbidity+suppression+in+biological+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Optical phase conjugation for turbidity suppression in biological samples.</a> Nat. Photonics. 2 (2), 110-115 (2008).</li>
<li>Ma, C., Xu, X., Liu, Y., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-reversed+adapted-perturbation+%28TRAP%29+optical+focusing+onto+dynamic+objects+inside+scattering+media%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Time-reversed adapted-perturbation (TRAP) optical focusing onto dynamic objects inside scattering media.</a> Nat. Photonics. 8 (12), 931-936 (2014).</li>
<li>Lee, K., Lee, J., Park, J. H., Park, J. H., Park, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One-wave+optical+phase+conjugation+mirror+by+actively+coupling+arbitrary+light+fields+into+a+single-mode+reflector%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">One-wave optical phase conjugation mirror by actively coupling arbitrary light fields into a single-mode reflector.</a> Phys. Rev. Lett. 115 (15), 153902(2015).</li>
<li>Cui, M., Yang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implementation+of+a+digital+optical+phase+conjugation+system+and+its+application+to+study+the+robustness+of+turbidity+suppression+by+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Implementation of a digital optical phase conjugation system and its application to study the robustness of turbidity suppression by phase conjugation.</a> Opt. Express. 18 (4), 3444-3455 (2010).</li>
<li>Hillman, T. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+optical+phase+conjugation+for+delivering+two-dimensional+images+through+turbid+media%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Digital optical phase conjugation for delivering two-dimensional images through turbid media.</a> Sci. Rep. 3, UK. (2013).</li>
<li>Papadopoulos, I. N., Farahi, S., Moser, C., Psaltis, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Focusing+and+scanning+light+through+a+multimode+optical+fiber+using+digital+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Focusing and scanning light through a multimode optical fiber using digital phase conjugation.</a> Opt. Express. 20 (10), 10583-10590 (2012).</li>
<li>Czarske, J. W., Haufe, D., Koukourakis, N., Büttner, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transmission+of+independent+signals+through+a+multimode+fiber+using+digital+optical+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation.</a> Opt. Express. 24 (13), 15128-15136 (2016).</li>
<li>Kim, M. K. <a target="_blank" href="http://spie.org/Publications/Journal/10.1117/6.0000006">Principles and techniques of digital holographic microscopy.</a> SPIE Rev. 1 (1), 01800501-01800550 (2010).</li>
<li>Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+flexible+multi-mode+fiber+endoscope%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Design of flexible multi-mode fiber endoscope.</a> Opt. Express. 23 (21), 26905-26918 (2015).</li>
<li>Katz, O., Small, E., Bromberg, Y., Silberberg, Y. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v5/n6/full/nphoton.2011.72.html">Focusing and compression of ultrashort pulses through scattering media.</a> Nat. Photonics. 5 (6), 372-377 (2011).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

组装实验装置（方案中的步骤1）需要对光学元件进行彼此之间的精确对准。最重要的方面是参考光束以矩形入射角照射到空间光调制器（SLM）上，以确保获得高的衍射效率（PBR）。
为了增强系统以支持两个以上传输信号，可使用额外的分束器。另一种替代方案是采用基于光纤的实现方式，其结构更紧凑、更稳定，可使系统具备便携性 原位 生物光子学研究。如果仅能实现单侧接触，则采用基于模型的校准方案20 需要在未来的步骤中完成。传输的信号越多，所需的模式数量就越多，因此在空间光调制器（SLM）和CMOS相机上需要参与的像素也越多，以实现PBR。此外，像素数量应大于或等于模式数量。同时，SLM的像素尺寸应为近端散斑最小直径的两倍。进一步建议SLM的位深度至少为4 bit。CMOS相机的像素数量应超过SLM的像素数量。然而，除CMOS相机外，也可采用其他类型的探测器。 例如 CCD。对于标记为CCD的相机同样适用。
该方法的一个局限性在于，光源需要具有较长的相干长度（较低的...

多模光纤（MMF）中多个光信号的传输在通信工程1和生物光子学2领域均有显著体现。在通信工程中，空分复用（SDM）被认为是一种可行的解决方案，可通过更高效地利用有限空间来提升光纤的传输容量，相较于使用多根单模光纤，更有利于未来数据传输应用的发展3。在生物光子学中，可通过多模光纤内窥镜传输光来操控生物样本4。例如，在光遗传学中，利用多模光纤内窥镜独立光学调控单个神经元，有助于研究大脑中的神经网络5。然而，投射到多模光纤输入端面的光在传播至输出端面的过程中，会因模式混合和色散而发生畸变。因此，光的传播特性被改变，导致信号传输面临挑战。
波前整形方法6,7 利用空间光调制器（SLM）在散射介质中应用，能够补偿光传播过程中因散射引起的畸变8。存在基于光学反馈进行输出优化的迭代方法9。由于需要大量迭代以及高自由度（对应于大量调制器单元），这些方法通常较为耗时。另一种方法是通过多模光纤的传输矩阵完全确定其内部畸变10。当需要传输的模式数量较大时，该方法同样耗时。相比之下，数字光学相位共轭（DOPC）被认为在此情况下具有快速且优越的优势，因为只需在多模光纤的输出端面生成少量焦点。相位共轭方法也已成功应用于透过生物组织的聚焦或成像12,13,14。
迄今为止，DOPC 仅被用于单一时间信号的传输15,16，并应用于通过多模光纤（MMF）传输光信号17。针对多个独立信号的 DOPC 方法尚未实现。我们开发了一种增强型 DOPC 方法，利用单个仅相位调制的空间光调制器（SLM），通过为每个信号独立进行波前整形，实现多个光信号的独立传输18。为此，将 SLM 划分为多个区域，每个区域对应一个待传输信号。所提出的实验装置如图1所示，其中在 b) 进行实际传输之前，首先在 a) 中完成校准。
<img alt="光学装置示意图：激光校准与透射，用于光束分析的空间光调制。" src="/files/ftp_upload/55407/55407fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：实验装置。 BS = 分束器，CCD = 电荷耦合器件，OM = 光学调制器，CMOS = 互补金属氧化物半导体，HWP = 半波片，L = 透镜，LP = 线性偏振片，MMF = 多模光纤，OBJ = 显微镜物镜，PBS = 偏振分束器，SLM = 空间光调制器（仅相位调制）——仅显示了与（a）校准和（b）透射相关的光路 <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55407/55407fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>空间光调制器</td><td>Holoeye</td><td>PLUTO-VIS-016</td><td></td></tr><tr><td>CMOS 相机</td><td>Mikrotron</td><td>MC4082</td><td></td></tr><tr><td>二极管泵浦固体激光器</td><td>Laser Quantum</td><td>torus 532</td><td></td></tr><tr><td>CCD 相机</td><td>IDS</td><td>U3-3482LE-M CMOS</td><td>相机；同样适用</td></tr><tr><td>透镜 1</td><td>Qioptiq</td><td>G063204000</td><td></td></tr><tr><td>透镜 2</td><td>Qioptiq</td><td>G063203000</td><td></td></tr><tr><td>透镜 3</td><td>Thorlabs</td><td>AC508-180-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>多模光纤</td><td>Thorlabs</td><td>M14L02</td><td></td></tr><tr><td>分束镜</td><td>Thorlabs</td><td>BS013</td><td>9个</td></tr><tr><td>偏振分束镜</td><td>Thorlabs</td><td>PBS251</td><td></td></tr><tr><td>反射镜</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td>5个</td></tr><tr><td>显微物镜</td><td>Thorlabs</td><td>RMS20X</td><td>2个</td></tr><tr><td>半波片</td><td>Thorlabs</td><td>WPH10M-532</td><td>2个</td></tr><tr><td>线性偏振器</td><td>Thorlabs</td><td>LPVISB050-MP2</td><td></td></tr><tr><td>光学调制器</td><td>Thorlabs</td><td>MC2000B-EC</td><td>2个</td></tr><tr><td>CMOS 相机用线性及旋转平台</td><td>Thorlabs</td><td>XYR1/M</td><td></td></tr><tr><td>光纤连接器</td><td>Thorlabs</td><td>S120-SMA</td><td>2个</td></tr><tr><td>显微物镜用减径环</td><td>Qioptiq</td><td>G061621000</td><td>2个</td></tr><tr><td>物镜适配器用 XY 调节装置</td><td>Qioptiq</td><td>G061025000</td><td>2个</td></tr><tr><td>光纤适配器用 Z 向平移架</td><td>Thorlabs</td><td>SM1Z</td><td>2个</td></tr><tr><td>用于光纤与物镜对准的杆</td><td>Qioptiq</td><td>G061210000</td><td>8个</td></tr><tr><td>透镜 1 和 2 以及两个假体安装座的支架</td><td>Qioptiq</td><td>G061047000</td><td>4个</td></tr><tr><td>物镜和透镜支架用导轨滑块</td><td>Qioptiq</td><td>G061372000</td><td>6个</td></tr><tr><td>导轨滑块用导轨</td><td>Qioptiq</td><td>G061359000</td><td>2个</td></tr><tr><td>CCD 相机至单柱适配器</td><td></td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>激光器至四柱适配器</td><td></td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>透镜 3 支架</td><td>Thorlabs</td><td>LMR2/M</td><td></td></tr><tr><td>半波片支架</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1D/M</td><td>2个</td></tr><tr><td>反射镜支架</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td>5个</td></tr><tr><td>线性偏振器支架</td><td>Thorlabs</td><td>RSP05/M</td><td></td></tr><tr><td>分束镜和空间光调制器支架</td><td>Thorlabs</td><td>KM100PM/M</td><td>11个</td></tr><tr><td>分束镜和空间光调制器用夹紧臂</td><td>Thorlabs</td><td>PM4/M</td><td>11个</td></tr><tr><td>支架、导轨滑块和适配器用立柱</td><td>Thorlabs</td><td>TR75/M</td><td>29个</td></tr><tr><td>立柱用支架</td><td>Thorlabs</td><td>PH50/M</td><td>29个</td></tr><tr><td>支架用底座</td><td>Thorlabs</td><td>BE1/M</td><td>29个</td></tr><tr><td>底座用夹紧叉</td><td>Thorlabs</td><td>CF125</td><td>29个</td></tr></tbody></table>

利用波前整形通过光纤传输多个信号

Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping

利用波前整形技术补偿光在多模光纤中传播时产生的畸变，可实现多个独立光学信号通过单根多模光纤的传输。本方法基于数字光学相位共轭技术，仅使用一个空间光调制器，其中不同区域分别独立调制不同的光信号，每个信号对应调制器上的一个特定区域。与其他波前整形方法（例如需完整测定光纤中光传播特性的方法）相比，数字光学相位共轭技术通常具有更快的处理速度。而本文所述方法在时间效率上更具优势，因为它对每个光信号仅需进行一次校准。该方法在通信工程中的空间分复用领域具有潜在应用价值。此外，在生物光子学中的内窥成像光传输领域，尤其是需要以高空间和时间分辨率对生物组织中的单个细胞进行选择性照明的光遗传学应用中，也具有广泛前景。

2米长光纤远端的典型输出信号如图所示 图2需要注意的是，理想的聚焦光斑（峰值）伴随有不期望的散斑图案（背景），这是由于DOPC本身原理上的不完美性所致。相应的峰值与背景比（PBR）在此分别为53（仅信号1开启）、36（仅信号2开启）和20（信号1与信号2均开启）。当使用支持更多导模数量（目前为1710）的光纤时，PBR可进一步提高。
由于有限的PBR，输出信号之间会产生串扰，如图3所示。两个频率分别为f1和f2的周期性信号之间的串扰为-24 dB（从信号2到信号1）和-29 dB（从信号1到信号2）。
<img alt="10 µm 颗粒的显微镜分析，强度标尺，颗粒分布研究示意图。" src="/files/ftp_upload/55407/55407fig2.jp...

我们展示了利用单个空间光调制器进行波前整形，通过多模光纤传输多个独立信号的方法。通过分别调制每个信号的波前，可实现空间分离焦点的传输。该技术的潜在应用包括通信工程中的多路复用数据传输以及生物光子学中的内窥镜光传输。

通过使用波前整形来补偿……，实现了多个独立光信号在多模光纤中的传输。

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中的关键问题，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时空光调控，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潜在治疗。神经元的监测与调控需结合时空光信号的使用。通常，初学者会因光学通路准直过程极为耗时而面临困难，而这一过程对于实现高质量信号传输是不可避免的。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侧数据信号传输的元件之一。该CCD相机是远端侧的数据信号接收器。数据信号通过连接两侧的多模光纤进行传输。该示意图概述了装置的结构，并标明了近端和远端元件。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保持大致相等。物光束射向远端。目前请关注射向近端的参考光束。将参考光束分为两束，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。在标定过程中，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。最后一个分束器将两束光垂直导入空间光调制器。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。出于校准目的，两束光还需通过透镜并聚焦于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，校准过程中调制器的作用类似于一面镜子。在实验台上使用两个透镜，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。现在将焦点置于装置的远端进行校准。物光束经由分束器和反射镜被分成两条空间上分离的光束。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相机观察多模光纤中光的后向反射，以检查焦点状态。同样使用位于近端的物镜，用它来准直多模光纤出射的光。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。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。仅遮挡其中一束光，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。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。下一个校准步骤针对信号路径，此时即为光束路径。第一步是在物光束二的光路中，于其经过两个分束器后立即将其遮挡，并在光调制器后遮挡参考光束二。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。随后，移除光束中的遮挡物。接着，遮挡物光束一和参考光束一。根据相机捕获的全息图，计算光束第二区域的倒置相位。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相应的位置上，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。在实验台前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CCD相机输出的信号。这些是信号经过两米长光纤传输后，在远端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 处显示出一个较小的峰值。类似地，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波形调控实现独立信号的传输。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途径。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

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