Name: 利用相位空间光调制器建立激光光束的振幅和相位 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-28T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 39 s
Description: 学习利用相位空间光调制器和共路干涉仪对激光光束进行振幅和相位编码的完整方法。该技术通过单一相位元件实现复杂光场调控，为光学工程领域的激光整形应用提供高精度解决方案。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究得到了巴伦西亚自治区政府（PROMETEO 2016-079）、卡斯特利翁哈乌梅一世大学（UJI）（UJIB2016-19）以及经济与竞争力部（MINECO）（FIS2016-75618-R）的资助。作者对哈乌梅一世大学科研核心设施（SCIC）提供飞秒激光设备的使用表示衷心感谢。

1. 将复数场编码为单个相位元素
<ol>
	<li>根据空间光调制器（SLM）的技术参数，查找其空间分辨率（例如 1920 像素 × 1800 像素）。</li>
	<li>定义并生成所需的振幅 A(x,y）和相位 φ(x,y）模式作为数字图像。
	<ol>
		<li>将上述数字图像的空间分辨率设置为与SLM显示器相同。</li>
		<li>将上述数字图像设置为灰度格式。</li>
		<li>将振幅图像的最小值和最大值分别设置为 0 和 255，相位图像的最小值和最大值分别设置为 -π/2 和 π/2。</li>
		<li>设置 A最大 = 2 代入公式 2 和公式 3，并通过计算机生成相位图样 ϑ(x,y）和 θ(x,y）从中获取。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>计算机生成棋盘格图案 M1(x,y）和 M2(x,y).
	<ol>
		<li>将这些棋盘格图案的空间分辨率设置为与SLM显示器的空间分辨率相同。</li>
		<li>为减少像素串扰的影响，生成其他几组棋盘格图案 M1(x,y）和 M2(x,y）由不同像素单元构成，其像素数量增加（例如：2×2、3×3 和 4×4 像素单元， 等等。). 
		警告：增大像素单元时，必须保持棋盘格图案的总像素数不变，且等于空间光调制器（SLM）的空间分辨率。在修改像素单元后，应确保所有棋盘格图案的最终像素总数保持一致。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>计算机生成单相元件 α(x,y）来自公式 5。 
	注意：有关本方案第1步的相关操作，请参见补充材料“MATLAB_code_1.m”。</li>
</ol>
2. 复场的重建
<ol>
	<li>使用准直的线偏振空间相干激光束作为光源。</li>
	<li>使用具有至少 2π 相位范围的纯相位型空间光调制器（SLM）。</li>
	<li>必要时，使用合适的扩束器将光束尺寸调整至与空间光调制器（SLM）显示区域尺寸相匹配。</li>
	<li>必要时，使用光学偏振片将激光束的偏振方向设置为水平方向。这对于纯相位型空间光调制器（SLM）的正常工作通常至关重要，因为这类调制器通常设计用于调制沿水平方向振荡的电磁场的空间相位，而保持其垂直分量不变。</li>
	<li>为了向空间光调制器（SLM）发送相位图案，请遵循SLM制造商提供的标准通信协议，将SLM与计算机连接并进行控制。 
	注意：常用的协议包括使用校准曲线将弧度值（由于涉及角度的数学运算）转换为灰度值，随后由空间光调制器（SLM）的电子控制单元最终将灰度值转换为电压水平。此外，由于SLM作为具有独立屏幕的外部设备连接至计算机，通常需要扩展计算机屏幕，并配备适当的程序将相应的灰度图像发送至该扩展屏幕。此类代码示例也作为补充材料提供（请参见MATLAB_code_2.m）。</li>
	<li>实现一个图像光学系统，并将SLM的显示置于该系统的输入平面。
	<ol>
		<li>使用焦距为的折射透镜 f 构建一个 2f × 2f 光学成像系统（一个4f 光学系统也适用于此任务）。根据复场的预期输出尺寸、光束宽度、光的波长以及可用的物理空间，选用具有合适技术参数（如镀膜、尺寸、焦距）的单个或多个透镜， 等等。).</li>
		<li>为确定成像系统输出平面的位置，需发送相位图案 α(x,y) 移动至 SLM，并根据相机位置目视寻找空间分辨率最佳的记录图像。 
		警告：对于小尺寸像素单元（例如，1×1 像素单元）以及像素宽度为几微米的 SLM 显示器（例如， 8 µm），只有光束传播能在编码的均匀波之间产生干涉，从而获得不包含成像系统中圆形光阑的重建图像。使用小尺寸像素单元来确定输出平面的位置。</li>
		<li>在光学系统的傅里叶平面上放置一个直径可调的圆形虹膜光阑，并将其中心与激光束焦点的中心对准。</li>
		<li>为调节傅里叶平面上圆形虹膜的尺寸，输入相位图案 α(x,y并目视寻找空间分辨率最佳的记录图像（取决于环形虹膜的直径）。 
		警告：对于大尺寸像素单元（例如，4×4 像素单元），编码的均匀波之间的干涉基本通过空间滤波器实现。使用大尺寸像素单元来调节圆形光阑的大小。在本方案中，“小尺寸”和“大尺寸”指像素单元内包含的像素数量。然而，上述干涉现象也取决于像素宽度。应采用像素宽度等于或小于 8 µm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>发送与相位元素对应的灰度图像 α(x,y) 加入到 SLM 中。
	<ol>
		<li>为尽量减少串扰效应，应选择最佳的像素单元尺寸，以获得空间分辨率最高的记录图像。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 测量重建的复场
<ol>
	<li>采用基于偏振的相移技术8。
	<ol>
		<li>放置并调整位于空间光调制器（SLM）之前的第一个光学偏振片的旋转角度（见图2）。为设定第一个偏振片的旋转角度，通过旋转偏振片，目视观察成像系统输出平面处CCD相机中的透射光强最大值和最小值。记录下对应的两个角度，并将偏振片的最终角度固定在先前记录的两个角度之间的中间位置。</li>
		<li>放置并调整位于成像系统傅里叶平面之后的第二个光学偏振片的旋转角度（见图2）。为设定第二个偏振片的旋转角度，在将相位图案α(x,y)加载至SLM后，目视观察CCD相机（位于成像系统的输出平面）中图像最清晰和最模糊的状态。记录下对应的两个角度，并将第二个偏振片的最终角度固定在先前记录的两个角度之间的中间位置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>记录干涉图。
	<ol>
		<li>将CCD相机保持在成像系统的输出平面位置。</li>
		<li>为记录第一幅干涉图，向相位元素α(x,y)添加一个0弧度的矩阵，并将其发送至SLM。使用CCD记录对应的图像I1(x,y)。</li>
		<li>为记录第二幅干涉图，向相位元素α(x,y)添加一个π/2弧度的矩阵，并将其发送至SLM。使用CCD相机记录对应的图像I2(x,y)。</li>
		<li>为记录第三幅干涉图，向相位元素α(x,y)添加一个π弧度的矩阵，并将其发送至SLM。使用CCD相机记录对应的图像I3(x,y)。</li>
		<li>为记录第四幅也是最后一幅干涉图，向相位元素α(x,y)添加一个3π/2弧度的矩阵，并将其发送至SLM。使用CCD相机记录对应的图像I4(x,y)。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>重建复振幅场。 
	注：有关本步骤的相关操作，请参见补充材料“MATLAB_code_3.m”。
	<ol>
		<li>利用以下表达式提取复振幅场的振幅Aretrieved(x,y)： 
		<img alt="光学吸收分析方程，包含强度差和光谱方法。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq8.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 8"> (8)</li>
		<li>利用以下表达式提取复振幅场的相位φretrieved(x,y)： 
		<img alt="使用反正切公式的相位恢复过程；光学分析的实验示意图。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq9.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 9"> (9)</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Hsueh, C. K., Sawchuk, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computer-generated+double-phase+holograms%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Computer-generated double-phase holograms.</a> Applied Optics. 17 (24), 3874-3883 (1978).</li>
<li>Arrizón, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complex+modulation+with+a+twisted-nematic+liquid-crystal+spatial+light+modulator%3A+double-pixel+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Complex modulation with a twisted-nematic liquid-crystal spatial light modulator: double-pixel approach.</a> Optics Letters. 28 (15), 1359-1361 (2003).</li>
<li>Arrizón, V., Ruiz, U., Carrada, R., González, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pixelated+phase+computer+holograms+for+the+accurate+encoding+of+scalar+complex+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Optical+Society+of+America+A%22%5BJournal%5D)">Pixelated phase computer holograms for the accurate encoding of scalar complex fields.</a> Journal of the Optical Society of America A. 24 (11), (2007).</li>
<li>Shibukawa, A., Okamoto, A., Takabayashi, M., Tomita, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+cross+modulation+method+using+a+random+diffuser+and+phase-only+spatial+light+modulator+for+constructing+arbitrary+complex+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Spatial cross modulation method using a random diffuser and phase-only spatial light modulator for constructing arbitrary complex fields.</a> Optics Express. 22 (4), 3968-3982 (2014).</li>
<li>Martínez-Fuentes, J. L., Moreno, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Random+technique+to+encode+complex+valued+holograms+with+on+axis+reconstruction+onto+phase-only+displays%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Random technique to encode complex valued holograms with on axis reconstruction onto phase-only displays.</a> Optics Express. 26 (5), 5875-5893 (2018).</li>
<li>Clark, T. W., Offer, R. F., Franke-Arnold, S., Arnold, A. S., Radwell, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+beam+generation+techniques+using+a+phase+only+spatial+light+modulator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Comparison of beam generation techniques using a phase only spatial light modulator.</a> Optics Express. 24 (6), 6249-6264 (2016).</li>
<li>Mendoza-Yero, O., Mínguez-Vega, G., Lancis, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Encoding+complex+fields+by+using+a+phase-only+optical+element%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Encoding complex fields by using a phase-only optical element.</a> Optics Letters. 39 (7), 1740-1743 (2014).</li>
<li>Yamaguchi, I., Zhang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase-shifting+digital+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Phase-shifting digital holography.</a> Optics Letters. 22 (16), 1268-1270 (1997).</li>
<li>Shao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Addressable+multiregional+and+multifocal+multiphoton+microscopy+based+on+a+spatial+light+modulator%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Addressable multiregional and multifocal multiphoton microscopy based on a spatial light modulator.</a> Journal of Biomedical Optics. 17 (3), 030505(2012).</li>
<li>Mendoza-Yero, O., Carbonell-Leal, M., Mínguez-Vega, G., Lancis, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+multifocal+irradiance+patterns+by+using+complex+Fresnel+holograms%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Generation of multifocal irradiance patterns by using complex Fresnel holograms.</a> Optics Letters. 43 (5), 1167-1170 (2018).</li>
<li>Kuang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffractive+Multi-beam+Ultra-fast+Laser+Micro-processing+Using+a+Spatial+Light+Modulator+%28Invited+Paper%29%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Lasers%22%5BJournal%5D)">Diffractive Multi-beam Ultra-fast Laser Micro-processing Using a Spatial Light Modulator (Invited Paper).</a> Chinese Journal of Lasers. 36 (12), 3093-3115 (2009).</li>
<li>Kuang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+throughput+diffractive+multi-beam+femtosecond+laser+processing+using+a+spatial+light+modulator%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Surface+Science%22%5BJournal%5D)">High throughput diffractive multi-beam femtosecond laser processing using a spatial light modulator.</a> Applied Surface Science. 255, 2284-2289 (2008).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

在本方案中，相位仅型空间光调制器（SLM）的像素宽度或计算机生成图案中像素单元所包含的像素数量等实际参数，是成功实施编码方法的关键因素。在方案的步骤1.2、1.3和1.4中，像素宽度越短，重建所得的振幅和相位图案的空间分辨率越高。此外，由于在SLM上对相邻像素间突变的相位调制进行编码可能引发非预期的相位响应（像素串扰），因此应将棋盘格图案的构建（如步骤1.3所述）与像素单元内像素数量的增加相关联。这样做的主要目的是减轻像素串扰对重建振幅和相位图案的影响。然而，当增加像素单元内的像素数量时，记录的复场图案Aretrieved(x,y) 和 φretrieved(x,y) 的空间分辨率会降低。因此，使用像素宽度小、空间分辨率高的SLM，可在不显著损失重建振幅和相位图案空间分辨率的前提下，有效降低可能的串扰效应。
此外，在实验方案的步骤1.2.3中，复数场的相位被定义为从 -π/2 到 π/2。设定该相位范围的主要原因是为了生成一个从 -...

几乎所有的激光应用都与光的波前调控密切相关。在近轴近似条件下，与激光辐射相关的复振幅场可以用两个参量来描述：振幅和相位。为了能够任意调控激光光束的时间和空间结构，必须对这两个参量实现精确控制。通常情况下，可以通过多种方法来有效改变激光光束的振幅和相位，这些方法包括使用各种光学元件，从单一的块状透镜、分束器和反射镜，到更复杂的器件如可变形反射镜或空间光调制器。本文介绍一种基于双相位全息理论1 和共路干涉仪的相干激光光束复振幅场编码与重建方法。
目前，已有多种方法可用于编码激光束的复杂光场2,3,4,5。在这些方法中，一些成熟的技术依赖于数字全息图来实现相位和振幅调制6。这些方法的共同点是需要产生空间偏移，以将期望的输出光束与来自空间光调制器（SLM）显示屏表面反射产生的零级衍射光分离开。这些方法基本上采用离轴配置（通常利用光栅的一级衍射），不仅利用相位光栅对相位进行编码，还引入必要的振幅调制。具体而言，振幅调制通过空间上降低光栅高度来实现，这显然会降低衍射效率。全息图重建过程大多只能近似而非精确地重建目标复场的振幅和相位。理论与实验之间的差异似乎源于振幅信息编码不准确，以及在对一级衍射光进行空间滤波过程中出现的其他实验问题，或由SLM像素化效应引起。此外，输入光束的强度分布可能对输出功率造成限制。
相比之下，采用所提出的方法7，所有光路管理均在光轴上进行，这在实验上非常方便。此外，该方法在近轴近似下，将与激光束相关的复场视为两个均匀波的叠加，从而加以利用。振幅信息通过这两个均匀波的干涉得以合成。在实际操作中，这种干涉是通过对给定成像系统傅里叶平面上的光频率进行空间滤波来实现的。在此之前，与均匀波相关的相位图样被空间复用并编码至一个纯相位空间光调制器（SLM）中（该调制器位于成像系统的输入平面）。因此，整个光学装置可被视为一种共路干涉仪（对机械振动、温度变化或光学失调具有很强的鲁棒性）。请注意，上述干涉过程也可通过其他光学构型实现：例如，在典型的双臂干涉仪中合理放置两个纯相位SLM，或在光学系统中预先引入参考镜后，将两个相位图样按时间顺序依次编码到同一SLM中。在这两种情况下，无需进行空间滤波，因而不会损失空间分辨率，但代价是光学系统的复杂性以及对准过程的难度增加。此处还应强调，采用这种编码方法，在滤除除零级以外的所有衍射级次后，所需复场的完整频谱可在傅里叶平面上被精确重建。
另一方面，该方法的效率取决于多个因素：空间光调制器（SLM）的制造商规格（例如填充因子、反射率或衍射效率）、编码图案的大小，以及光入射到 SLM 的方式（以小入射角反射，或通过使用分束器实现正入射）。在适当的实验条件下，测得的总光效率可超过 30%。但需注意，仅由于使用 SLM 所导致的总光效率可能低于 50%。光学系统中缺乏随机或散射元件，使得能够无相干噪声（散斑）地重建振幅和相位图案。其他值得注意的重要方面包括：采用直接编码算法而非迭代过程，以及能够在 SLM 的频率刷新时间内（根据当前技术可达数百赫兹）实现任意且独立的振幅与相位调制。
原则上，该方法7适用于输入平面波，但并不限于此。例如，当高斯光束入射到空间光调制器（SLM）时，可通过在SLM中编码适当的振幅图案来调节系统输出端的辐照度分布。然而，由于输出光束在任何横向位置（x,y）的强度均不能超过输入光束的强度，因此振幅整形是通过部分相消干涉过程引起的强度损耗来实现的。
编码方法所依据的理论7如下所述。任何以形式 U(x,y)= A(x,y)eiφ(x,y) 表示的复数场，也可重写为：
<img alt="波的干涉；公式 U(x,y)=e^(iθ(x,y))，相位相互作用的可视化；数学概念。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 1"> (1)
其中
<img alt="反射相位计算公式：θ(x,y)=φ(x,y)+cos⁻¹[A(x,y)/Amax]；方程显示。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 2"> (2)
<img alt="相函数公式，包含三角函数分量的方程，数学表达式。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 3"> (3)
在公式 1-3 中，二维复场的振幅和相位 U(x,y)由 A 给出(x,y）和 φ(x,y），分别。请注意，术语 A最大 （最多） A(x,y）和 B = A最大值/2 不依赖于横向坐标（x,y)根据理论，如果我们设定 A最大值=2，则 B =1. 因此，复数场 U(x,y）可以通过均匀波的相干叠加以一种简单的方式获得 是iϑ(x,y) 和 是iθ(x,y)在实际操作中，这通过由单一相位元件构成的共路干涉仪实现 α(x,y)，置于成像系统的输入平面。该单相位元件通过相位项的空间复用构建而成 ϑ(x,y)
利用二维二元光栅（棋盘图案）M1(x,y) 和 M2(x,y) 如下提取 θ(x,y)
<img alt="波的干涉方程、符号表示、相位偏移、光学研究、复振幅。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 4"> (4)
因此，
<img alt="α(x,y)=M₁(x,y)θ(x,y)+M₂(x,y)β(x,y) 的数学表达式；公式表示。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq5.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 5"> (5)
这些二进制模式满足条件 M1(x,y) + M2(x,y) = 1。需要注意的是，如果不将相位元素α(x,y)中包含的信息进行混合，则均匀波的干涉无法发生。在本方法中，这一过程通过使用空间滤波器实现，该滤波器能够阻挡除零级以外的所有衍射级次。通过这种方式，在傅里叶平面完成滤波过程后，编码相位函数的频谱H(u,v)= F{eiα(x,y)} 与复场频谱F{U(x,y)} 之间的关系可由以下表达式表示：
<img alt="图像处理分析的傅里叶变换方程，H(u,v)P(u,v)=F{U(x,y)}/2。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq6.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 6"> (6)
在公式（6）中，(u,v) 表示频率域中的坐标，P(u,v) 代表空间滤波器，而给定函数 Θ(x,y) 的傅里叶变换表示为 F{Θ(x,y)}。由公式（6）可知，在成像系统的输出平面，所恢复的复场 URET(x,y)（不考虑常数因子）等于放大且空间反转的复场 U(x,y) 与滤波掩模的傅里叶变换的卷积。即：
<img alt="菲涅耳衍射方程，U_REF(x,y)=U(-x/Mag,-y/Mag)⊗F{P(u,v)}，光学研究中的公式。" src="/files/ftp_upload/59158/59158eq7.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 7"> (7)
在公式（7）中，卷积运算用符号 <img alt="显示折射和焦点分析的光线路径的光学透镜示意图" src="/files/ftp_upload/59052/59052eq10.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 10"> 表示，而项 Mag 代表成像系统的放大倍率。因此，除了由于卷积运算导致的部分空间分辨率损失外，U(x,y) 的振幅和相位在输出平面上被完全恢复。

<table><tbody><tr><td>消色差双合透镜</td><td>THORLABS</td><td>AC254-100-B-ML</td><td>透镜直径 25.4 mm，焦距 100 mm</td></tr><tr><td>消色差伽利略式扩束镜</td><td>THORLABS</td><td>GBE05-A</td><td>增透膜：400 - 650 nm</td></tr><tr><td>Basler 相机</td><td>BASLER</td><td>avA1600-50gm GigE 相机</td><td>传感器尺寸 8.8 mm × 6.6 mm，像素尺寸 5.5 微米</td></tr><tr><td>带安装座的零孔径光阑</td><td>THORLABS</td><td>ID12Z/M</td><td>最大孔径 12 mm</td></tr><tr><td>薄膜分束镜</td><td>THORLABS</td><td>CM1-BP145B2</td><td>反射:透射比 45:55，镀膜范围：700 - 900 nm</td></tr><tr><td>PLUTO 空间光调制器</td><td>HOLOEYE Photonics AG</td><td>NIR-II</td><td>纯相位空间光调制器（优化波长范围 700 - 1000 nm）</td></tr><tr><td>两个薄膜激光偏振片</td><td>EKSMA OPTICS</td><td>420-0526M</td><td>材料 BK7，直径 50 mm，波长范围 780-820 nm</td></tr></tbody></table>

使用纯相位空间光调制器调控激光束的振幅与相位

Shaping the Amplitude and Phase of Laser Beams by Using a Phase-only Spatial Light Modulator

本文旨在直观展示一种干涉测量方法，用于编码与相干激光辐射相关的复场。该方法基于两个均匀平面波的相干叠加，这两个平面波的相位信息先前已通过相位的空分复用方式编码至纯相位型空间光调制器（SLM）中。此处，干涉过程通过在特定成像系统的傅里叶平面处对光频进行空间滤波来实现。正确实施该方法可在光学系统输出端恢复任意的相位和振幅信息。
这是一种同轴而非离轴的编码技术，具有直接的处理算法（而非迭代循环），且无相干噪声（散斑）影响。除了由于频率滤波过程导致的某些分辨率损失外，复场可以在光学系统的输出端被精确重建。该方法的主要局限性可能在于其无法在高于空间光调制器（SLM）刷新率的频率下工作。其应用包括但不限于线性和非线性显微成像、光束整形，或材料表面的激光微加工。

所采用的纯相位空间光调制器（SLM）的空间分辨率为1920像素 × 1080像素，像素间距为 8 µm选定的振幅 A(x,y）和相位 φ(x,y复杂场的振幅和相位分别由两幅不同的灰度图像定义，这两幅图像对应于著名的Lenna图片（振幅图案）和一位年轻女孩吐舌头的照片（相位图案）。通常情况下，生成所需图案以及对空间光调制器（SLM）的控制均通过Matlab代码实现。这些图像的空间分辨率设定为1920像素 × 1080像素。随后，利用公式2和公式3计算相应的相位图案。 ϑ(x,y）和 θ(x,y）用于 A最大值 = 2. 注意，赋予的数值 A最大值 保证该条款 B = 1，因此，该复数场 U(x,y) 如公式 (1...

我们展示了如何利用单一相位元件对激光束的复场进行编码。通过使用共路干涉仪，将显示在纯相位空间光调制器上的相位信息进行混合，最终在光学成像系统的输出端重建出所需的复场分布。

本文旨在直观展示利用干涉测量法对与相干激光相关的复场进行编码的应用。

该方案可用于仅通过使用一种衍射光学元件并将其称为纯相位空间光调制器，来实现光束整形或空间回波HALO激光束。本方案所采用的技术简单但具有高回波密度，能够同时对激光束的相位进行空间上的精确微调。利用空间光调制器和计算机对复杂光场进行编码。根据光调制器的技术参数确定其空间分辨率。接着，转到计算机上定义振幅和相位图案。将所需的振幅图案定义为灰度格式的数字图像，其数值范围为 0 至 255。对于所需的相位图案，将其定义为灰度格式，其值范围从负二分之π到二分之π。在定义相位和振幅后，计算机使用公式二和公式三生成这两种不同的相位图案。注意，A_max 设置为 2。同时定义两个二维二值化阶梯图案，其空间分辨率与空间光调制器显示相同。这些图案呈现为棋盘格形式，分别在垂直或水平方向上移动一个方格，使得叠加后产生高度为一的均匀图案。为帮助减少像素串扰的影响，可生成其他棋盘格图案对用于二值化相位阶梯，其中不同像素单元包含更多像素以增加像素数量。总像素数量应保持相同，并等于空间光调制器的空间分辨率。要构建单个相位元件，需将每个二进制灰阶与不同的相位项配对，然后对每一对进行空间复用，并将结果相加。这是为先前定义的相位和分级所生成的相位元素，其像素单元大小为1。请注意，改变像素单元大小会影响最终单个相位元素的空间分辨率。该示意图展示了实验初始设置的总体概览。将空间光调制器放置在其可编程表面朝向CCD相机的位置。使一束准直的线偏振、空间相干激光束射向一个分束器，该分束器将光束重定向至空间光调制器。来自空间光调制器的光透过分束器进入一个44F光学成像系统。将CCD置于成像系统的输出平面。这是实验台上所示的装置。激光束通过扩束镜以调节其尺寸。两面镜子将输出光束引导至分束器。此处的分束器位于空间光调制器前方。两片透镜将来自空间光调制器的光聚焦到CCD相机上。设置光学系统时，将计算机生成的具有最小像素单元的相位图案发送至光调制器。沿光轴方向将CCD相机置于多个不同位置，对相位图案进行成像。通过寻找分辨率最佳的位置，确定输出平面。将相机固定在分辨率最佳的位置。然后将一个圆形光阑置于光路中第一片透镜的焦平面处，并使光阑中心与激光束对齐。再次使用CCD相机拍摄来自空间光调制器的相位图案，同时调整光阑孔径大小。调整虹膜光圈至空间分辨率最佳的位置。接下来，执行类似的步骤以最小化串扰。在空间光调制器的相位元件上，尝试不同的像素单元尺寸。针对每种情况，选择在CCD相机上产生最高分辨率图像的孔径大小。为最小化串扰，应选择允许最高空间分辨率的像素单元尺寸和虹膜光圈。测量时采用基于偏振的相移技术。在空间光调制器前放置一个光学偏振片。将相位元件成像到相机上，并通过观察CCD相机中对应最清晰和最模糊图像的角度来调整偏振片的旋转角度。将偏振片固定在这两个角度之间。接下来，将第二个偏振片放置在成像系统的后焦平面与相机之间。通过在CCD相机中寻找对应最清晰和最模糊图像的角度，确定偏振片的旋转角度。将偏振片的角度固定在这两个角度之间。现在，在保持相机位于输出平面的情况下记录干涉图。将相位元件的矩阵设为零弧度，并将其发送到空间光调制器。用CCD记录相应的图像。对于第二个干涉图，向相位元件添加一个 π/2 弧度的矩阵，并将其发送到空间光调制器。使用 CCD 相机记录其图像。向相位元件添加一个 π 弧度的矩阵，并将其发送到空间光调制器，以使用 CCD 相机记录其干涉图。最后，向相位元素添加一个大小为三π除以二弧度的矩阵。将该矩阵用于空间光调制器，以用相机记录第四幅干涉图。干涉图记录完成后，将数据传输至计算机。此处，每个干涉图均按其记录顺序进行标注，从零矩阵到二分之三π矩阵。这是复场重建得到的振幅。为了找到它，应用此表达式，该表达式利用干涉图数据。为了重建复场的相位，执行剩余代码，使用干涉图数据计算该表达式。此图像定义了实验中复场的振幅。该图像定义了其相位。相移技术需要利用相位分别移动 0、π/2、π 和 3π/2 弧度的干涉图进行测量。这些干涉图可通过简单的算法同时重建出复场的振幅和相位信息。我建议您逐步进行。从简单的振幅和相位图案开始，并注意我们方案的细节，包括显著着色等补充任务。请注意，虹膜侧面取决于选择性部件本身。然而，过度增大像素单元会显著降低所恢复复场的空间分辨率。该单一方法可根据特定应用进行调整，但也可广泛用于各种光束整形目的，例如增强微加工中材料的处理或诺丽娜显微镜。

shaping-amplitude-phase-laser-beams-using-phase-only-spatial-light

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

利用相位空间光调制器建立激光光束的振幅和相位

本文介绍了一种用于存储具有任意调制方式、波长和数据速率的光数据包的方法。这些数据包是现代电信技术的基础。...

光学数据包的准光存储

本文所述系统采用了一种传统的光镊，以及一条独立的全息光镊线，能够创建和操控多个光阱。这使得可形成复杂的折射微粒几何排列，同时还能对生物酶的活性进行高速、高分辨率的同步测量。...

具备常规与全息光镊功能的高分辨率显微镜构建

大型激光干涉仪正在被建造，以开创基于引力波的新型天文学。与许多其他高精度实验一样，其灵敏度正接近基本噪声极限，例如其组件的原子振动。我们正率先采用新型激光光束形状的技术，以突破这些极限。...

用于高精度干涉测量的高阶拉盖尔-高斯光束的产生

本文介绍了一种用于检测并自动实现预调节非线性偏振旋转光纤激光器锁模的方案。该方法利用锁模发生时输出偏振态的突变进行检测，并据此控制腔内偏振控制器的调节，以寻找锁模条件。...

通过输出偏振测量实现非线性偏振旋转光纤激光器的锁模自动化

在此，我们利用直接激光写入技术，制备出三维聚合物微/纳米结构，其形状和分子取向均可实现纳米级精度的精确调控。多种类型的液晶弹性体微结构在光照下产生的形变可在微观尺度上进行控制。...

自由形态光驱动器——微观尺度下驱动的制备与控制

我们提出了一种利用高分辨率库仑爆炸成像装置创建分子转动波包实时电影的实验方案。...

直接成像激光驱动的超快分子转动

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。...

利用波前整形通过光纤传输多个信号

我们描述了一种快速连续波受激布里渊散射（CW-SBS）光谱仪的构建方法。该光谱仪采用单频二极管激光器和原子蒸气陷波滤光片，能够以比现有CW-SBS光谱仪快达100倍的速度，对浑浊或非浑浊样品进行高光谱分辨率的透射光谱测量。这一改进实现了高速布里渊材料分析。<br...

用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪

本文介绍了一种用于多光子显微镜、内窥镜和光医学等潜在应用的定制低成本锁模飞秒光纤激光器的构建方法。该激光器采用市售元器件和基本的光纤熔接技术制成。...

低成本定制化全正色散飞秒光纤激光器的制备及其锁模运行用于多光子显微成像

本文介绍了包含光学相控阵的氮化硅集成光子电路的操作方法。该电路可用于发射近红外波段的低发散激光束，并在二维方向上进行光束...

晶圆级测试平台上氮化硅集成光学相控阵的表征

本方案详细介绍了无标记自体荧光多谐波（SLAM）显微技术的逐步操作流程，包括激光光源的产生、组织样本的制备、成像过程的实施以及数据的分析方法。SLAM技术通过检测四种互补的无标记对比信号，推动了非线性显微成像技术的发展，可用于研究组织微环境。...

无标记自体荧光多谐波显微成像同步观测

学习利用相位空间光调制器和共路干涉仪对激光光束进行振幅和相位编码的完整方法。该技术通过单一相位元件实现复杂光场调控，为光学工程领域的激光整形应用提供高精度解决方案。

使用纯相位空间光调制器调控激光束的振幅与相位

探索更多视频