利用相位空间光调制器建立激光光束的振幅和相位
2019年1月28日
我们展示了如何使用单相单元对激光束的复杂场进行编码。采用共径干涉仪将显示的相位信息混合到仅相位的空间光调制器中, 最终在光学成像系统的输出端检索所需的复杂场模式。
该协议可用于执行光束整形或空间回声光环激光束，只需使用一个除法光学元件，并调用它到相位空间眼调制。创建它的技术，这个协议给你一个简单但高回声的densital，能够空间修改和微微极小，都优于激光束的相位，同时。使用空间光调制器和计算机对复杂场进行编码。
从其技术规格中查找光调制器的空间分辨率。接下来，移动到计算机以定义振幅和相位模式。将所需的振幅模式定义为灰色级别格式的数字图像，值范围从 0 到 255。
对于所需的相位模式，以灰色级别格式定义它，其值范围从负 pi 超过 2 到 pi 超过 2。在定义了相位和振幅后，计算机使用方程二和三生成这两种不同的相位模式。请注意，A 最大值设置为 2。
还要定义空间分辨率等于空间光调制器显示的二维二进制分级。这些显示为棋盘图案，垂直或水平移动一个正方形，因此当叠加时，它们会产生具有高度 1 的统一图案。为了帮助降低像素串扰的影响，为具有不同像素单元格的像素数增加的二进制相位分级生成其他棋盘模式对。
像素总数应相同，并且等于空间光调制器的空间分辨率。要构造单个相位元素，请将每个二进制分级与不同的相位项配对。然后以空间多路复用每对并添加结果。
这是以前定义的相位和具有像素单元格大小为 1 的分级的相位元素。请注意，更改像素单元格大小会影响最终单相元素的空间分辨率。此原理图概述了实验的初始设置。
放置空间光调制器，使其可编程表面面具有 CCD 摄像机。让准直线性偏振、空间相干激光束进入光束分离器，将光束重定向到空间光调制器。来自空间光调制器的光通过光束分离器进入 44F 光学图像系统。
将 CCD 放在成像系统的输出平面上。这是出现在长凳上的设置。激光束通过光束膨胀器来调整其大小。
两个反射镜将输出光束引导到分束器。这里是空间光调制器前面的光束分子器。两个镜头将来自空间光调制器的光线聚焦到 CCD 摄像机上。
设置光学系统时，将计算机生成的具有最低像素单元的相位模式发送到光调制器。使用 CCD 摄像机沿光轴放置在多个不同位置的相位模式进行图像。将输出平面确定为具有最佳分辨率的位置。
将摄像机固定到与最佳分辨率相关的位置。接下来，在光路中第一个镜头的焦平面上放置一个圆形光圈，以激光束为中心。同样，使用 CCD 摄像机从空间光调制器成像相位模式，同时更改光圈光圈。
将光圈光圈调整为具有最佳空间分辨率的位置。接下来，执行类似的步骤，以尽量减少串扰。在空间光调制器上的相位元素中试验不同的像素单元格大小。
对于每个摄像机，选择在 CCD 摄像机上提供最高分辨率图像的光圈大小。要最小化串扰，请选择允许最高空间分辨率的像素单元格大小和光圈光圈。对于测量，请使用基于极化的相位移位技术。
将光学偏振器放在空间光调制器之前。通过可视化搜索与 CCD 相机中最清晰、最模糊的图像对应的角度，在相机上对相位元素进行图像成像，并设置偏振器的旋转角度。在两个角度之间固定偏振器。
接下来，将第二个偏振器放在想象系统的后平面之后，放在相机之前。通过搜索与 CCD 相机中最清晰、最模糊的图像对应的角度来设置其旋转角度。固定这两个角度之间的偏振角。
现在，记录干涉图，同时保持摄像机在输出平面。在零弧度矩阵中到相位元素，并将其发送到空间光调制器。使用 CCD 记录相应的图像。
对于第二个干涉图，在相位元素中添加两个弧形的 pi 矩阵，并将其发送到空间光调制器。使用 CCD 摄像机录制其图像。将 pi radians 矩阵添加到相位元素，并将其发送到空间光调制器，以使用 CCD 摄像机记录其干涉图。
最后，在相位元素中添加一个三个 pi 的矩阵，超过两个弧迪亚。在空间光调制器中使用它，使用相机记录第四个干涉图。记录干涉图后，将数据传输到计算机。
在这里，每个干涉图都按记录的顺序进行标记。从涉及零矩阵的矩阵到两个矩阵中的三个 pi。这是复杂场的检索幅度。
要找到它，请实现此表达式，该表达式使用干涉图数据。要检索复杂字段的相位，请实现剩余的代码，使用干涉图数据计算此表达式。此图像定义实验的复杂场的振幅。
此图像定义其相位。相移技术要求使用相移的相位测量干涉图，在两个弧度上移动的相位、2 个的 pi、pi 和三个 pi。这些干涉图允许使用简单的算法检索复杂场的振幅和相位。
我建议你一步一步。从简单的振幅和相位模式开始，并注意我们的协议细节，包括互补任务，如显著着色。请注意，虹膜侧取决于选择性片本身。
但是，像素单元格的增加太多会显著降低检索的复杂字段的空间分辨率。这种单一的方法在订单中得到特定的应用，但它可以是Westbury用于任何重塑的目的，增强，例如，微加工移动材料或诺利纳显微镜。
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概述
这项研究展示了一种使用单一相位元件对激光束复杂场进行编码的方法。通过使用共路径干涉仪，相位信息被混合到仅相位空间光调制器中，以检索所需的复杂场模式。
关键研究组成部分
科学领域
- 光学工程
- 激光技术
- 干涉测量学
背景
- 激光束可以具有需要精确操作的复杂场。
- 仅相位空间光调制器对修改光模式至关重要。
- 共路径干涉仪为相位测量提供了一种稳定的方法。
- 理解光束整形对光学领域的各种应用至关重要。
研究目的
- 通过单一光学元件简化光束整形过程。
- 增强对激光束进行空间修改的能力。
- 展示仅相位空间光调制器在检索复杂场模式方面的有效性。
使用的方法
- 利用共路径干涉仪。
- 将相位信息整合到空间光调制器中。
- 使用计算机定义振幅和相位模式。
- 创建灰度格式的数字图像用于振幅模式。
主要结果
- 该方法成功地从激光束中检索复杂的场模式。
- 在修改后的激光束中实现了高回波密度。
- 以高精度进行空间修改。
- 该协议展示了一种简单的光束整形方法。
结论
- 本研究提供了一种激光束整形的新技术。
- 使用单一相位元件显著简化了过程。
- 未来的应用可能从各种光学系统中受益于这种方法。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables precise control over laser beam amplitude and phase using a phase-only spatial light modulator, supporting high-fidelity beam shaping for advanced optical applications. The technique provides a direct, non-iterative approach to complex field retrieval, reducing system complexity and avoiding coherent noise artifacts. It enhances predictive confidence in downstream processes requiring spatially resolved optical modulation, such as precision material processing or high-resolution imaging.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of optical hypotheses through precise spatial modulation of coherent light sources.
- Operational Value: Supports functional validation of optical components in laser-based assay systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of standardized optical inputs for downstream detection systems.
- Operational Value: Promotes assay reproducibility through stable, speckle-free beam shaping.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant imaging systems by enabling accurate laser beam delivery.
- Operational Value: Ensures continuity from discovery through preclinical validation via consistent optical output.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery workflows where laser-based technologies require precise spatial control before integration into screening or imaging platforms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via controlled optical stimulation in cellular or subcellular imaging.
- Screening: Enhances assay readiness by providing uniform, quantifiable laser illumination.
- Analytics: Enables quantitative measurements through retrievable amplitude and phase data for signal normalization.
- Translational Research: Connects to preclinical imaging by ensuring beam fidelity across scales.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable optical calibration tool for laser-dependent platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in optical experiments through exact complex field retrieval.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via direct processing algorithm and noise-free output.
- Strategic Value: Reduced late-stage failure risk in optical systems through early-stage beam validation.
- Portfolio Impact: Informed go/no-go decisions for laser-based technology investments.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical alignment and interferometric setup.
- Dependent on spatial light modulator refresh rate for dynamic applications.
- Necessitates calibration of iris aperture and pixel cell size to minimize crosstalk.
- Requires polarization-based phase shifting for accurate interferogram acquisition.
- Limited by spatial resolution trade-offs from frequency filtering in the Fourier plane.
