Summary
אנו מראים כיצד לקודד מורכבים בתחום קרני לייזר באמצעות רכיב חד-פאזי. Interferometer קומון-נתיב הוא מועסק כדי לערבב את המידע שלב המוצג לתוך פאזה בלבד מאפנן אור מרחבי סוף סוף לאחזר את התבנית הרצויה שדה מורכבים על הפלט של מערכת הדמיה אופטית.
Abstract
מטרת מאמר זה היא להדגים באופן חזותי את הניצול של שיטת interferometric לקידוד השדות מורכב המשויכים קרינת לייזר קוהרנטי. השיטה מבוססת על הסכום קוהרנטי של שני גלים אחיד, בעבר להצפינם של פאזה בלבד מאפנן אור מרחבי (SLM) מאת ריבוב מרחבי של שלבים שלהם. כאן, תהליך התערבות מתבצעת על-ידי סינון מרחבי של תדרי אור על המטוס פורייה של מערכת הדמיה מסוימים. יישום נכון של שיטה זו מאפשרת שלב שרירותי ומידע משרעת אחזור על הפלט של המערכת האופטית.
זה על ציר, יותר מאשר מהציר קידוד טכניקה, עם אלגוריתם עיבוד ישיר (לא איטרטיבי ללולאה), והוא חינם מרעש קוהרנטי (חודרני). השדה מורכב ניתן לאחזר בדיוק על הפלט של המערכת האופטית, פרט לאובדן חלק רזולוציה עקב תהליך הסינון תדר. המגבלה העיקרית של השיטה אולי מגיעים חוסר היכולת לפעול במחירים בתדר גבוה יותר קצב הרענון של הסים. היישומים כוללים, אך אינם מוגבלים, מיקרוסקופיה ליניאריים ולא -לינארי, קרן בעיצוב או מיקרו-עיבוד לייזר של משטחים גשמי.
Introduction
כמעט כל יישומי לייזר הן ביחס קרוב עם הנהלת חזית גל אופטי של אור. בקירוב paraxial, השדה מורכבים הקשורים קרינת לייזר יכולה להיות מתוארת על ידי שני המונחים, משרעת את השלב. שיש לך שליטה מונחים שני אלה הוא הכרחי לשינוי הזמני והן המבנה המרחבי של קרני לייזר יהיה. באופן כללי, את משרעת ואת השלב של קרן לייזר ניתן כראוי לשנות באמצעות מספר שיטות כולל השימוש של רכיבים אופטיים הטווח של עדשות בצובר יחיד, מפצלי הקרן ומראות התקנים המורכבים ביותר כמו מראות deformable או אור מרחבי מאפננים. כאן, אנו מראים שיטת קידוד, שיחזור מורכבים בתחום קרני לייזר קוהרנטי, אשר מבוססת על התיאוריה הולוגרמה כפול-שלב1, לבין הניצול של interferometer נתיב משותף.
כיום, קיים מגוון רחב של שיטות לקידוד השדות מורכב של לייזר קורות2,3,4,5. בהקשר זה, כמה שיטות ומבוססת לייצר שלב, אפנון משרעת להסתמך על השימוש הולוגרמות דיגיטלי6. נקודת נפוצות בכל השיטות האלה. זה מה שחשוב של יצירת היסט המרחבי להפריד את קרן הפלט הרצוי סדר האפס מגיע השתקפות האור על התצוגה הסים שיטות אלה הם בעצם מהציר (בדרך כלל יישום ההזמנה הראשונה עקיפה של הסורג), העסקת פומפיה שלב לא רק כדי לקודד את השלב, אלא גם להציג אפנון משרעת הכרחי. בפרט, אפנון משרעת מתבצע על-ידי במרחב הנמכת גובה הסורג, אשר בבירור מבזה את היעילות עקיפה. תהליך שחזור הולוגרמה מקבל בעיקר באמצעות עבודות שיקום משוער, אבל לא מדויק, של משרעת ו שלב של השדה מורכב הרצוי. סתירות בין התיאוריה לבין הניסוי נראה להופיע מהקידוד לא מדויק של המידע משרעת, כמו גם בנושאים אחרים ניסיוני מתרחש במהלך הסינון המרחבי של הצו הראשון עקיפה או בשל תופעות pixilation הסים. בנוסף, לפרופיל בעוצמה של קרן קלט יכול להציג את ההגבלות על הכוח פלט.
לעומת זאת, עם שיטת הציג7, כל ניהול אור מבוצעת על ציר, אשר נוח מאוד נקודת מבט ניסיוני. בנוסף, היא מנצלת בהתחשב, בקירוב paraxial, השדה מורכבים הקשורים עם קרני לייזר כסכום של שני גלים אחיד. המידע משרעת הוא synthetized על-ידי התערבותו של הגלים המדים האלה. בפועל, הפרעה כזו מבוצעת על-ידי סינון מרחבי של תדרי אור על המטוס פורייה של מערכת הדמיה נתונה. בעבר, הדפוסים שלב הקשורים עם הגלים אחיד במרחב מרובב, להצפינם הסים פאזה בלבד (ממוקם על המטוס הכניסה של מערכת הדמיה זו). לפיכך, הגדרת כל אופטי יכול היה להיחשב interferometer קומון-נתיב (מאוד חזקים נגד תנודות מכניות, שינויי טמפרטורה או misalignments אופטי). שימו לב כי תהליך התערבות הנ ל ניתן לחלופין לבצע זאת על-ידי שימוש בפריסות אחרות אופטי: עם זוג SLMs פאזה בלבד כמו שצריך להציב בתוך interferometer אופייני של שני הזרוע, או על ידי הזמן ברצף קידוד השניים שלב תבניות לתוך הסים (הקודם מבוא של מראה הפניה בכיוונון אופטי). בשני המקרים, יש אין צורך של סינון מרחבי, וכתוצאה מכך אין איבוד רזולוציה מרחבית, על חשבון הגברת מורכבות המערכת האופטית, כמו גם את תהליך היישור. כאן, חשוב גם להדגיש כי באמצעות שיטת הקידוד הזה, מלוא הספקטרום של השדה מורכב הרצויה ניתן בדיוק לאחזר את המטוס פורייה, לאחר סינון כל ההזמנות עקיפה אבל את האפס אחד.
מצד שני, יעילות השיטה תלויה במספר גורמים: במפרטי היצרן של הסים (למשל, מילוי פקטור, השתקפות או עקיפה יעילות), גודל התבנית מקודד, ואת הדרך שבה האור שפוגע אל הסים (השתקפות עם זווית מכה קטנה או שכיחות רגילה על-ידי שימוש במפצל קרן). בשלב זה, בתנאים ראויים ניסיוני, יעילות אור נמדד יכול להיות יותר מ- 30%. עם זאת, שימו לב כי יעילות אור הכולל רק עקב השימוש הסים יכול להיות פחות מ- 50%. חוסר אקראית או מפזר רכיבים בתוך האופטי התקנה מאפשרת לאחזר את דפוסי משרעת ושלב ללא רעש קוהרנטי (חודרני). היבטים משמעותיים אחרים להצביע הם הניצול של אלגוריתם קודיפיקציה ישירה ולא הליכים איטרטיבי ואת יכולתו לבצע שרירותי ובלתי תלוי משרעת אפנון פאזה בתדר רענון שעת הסים (עד מאות של הרץ על פי הטכנולוגיה הנוכחית).
בעקרון, שיטת7 נועד לשמש עם גלים קלט, אבל זה לא מוגבלת. למשל, אם קרן גאוסיאנית היא להכות את הסים, זה אפשרי לשנות את צורתה irradiance על הפלט של המערכת על-ידי קידוד דפוס משרעת מתאים לתוך הסים. עם זאת, ככל האינטנסיביות של קרן פלט אינו יכול לחרוג של קרן קלט במיקום כלשהו חציה (x, y), עיצוב משרעת מתבצע על ידי עוצמת הפסדים נוצרה על-ידי תהליך התאבכות הורסת חלקית.
התיאוריה להדגיש את שיטת קידוד7 הוא כדלקמן. בכל תחום מורכב מיוצג בצורת U(x,y)= A(x,y)eאניφ(x,y) יכולה להיכתב גם בתור:
(1)
איפה
(2)
(3)
במשוואות 1-3, משרעת ושלב של המתחם מימדי שדה U(x,y)ניתנת על ידי A(x,y) ואת φ(x,y), בהתאמה. שימו לב, תנאי מקס (מקסימום של A(x,y)) ו- B = מקסימום/2 אינם תלויים הקואורדינטות חציה (x,y). מן התיאוריה, אם מקסימום= 2, אז B =1. לפיכך, השדה מורכב U(x,y) ניתן להשיג, באופן פשוט, מן הסכום קוהרנטי של גלים אחיד להיותאניϑ(x,y) , להיות iθ (x,y). בפועל, זו מושגת עם interferometer קומון-נתיב מורכב חד-פאזי רכיב α(x,y), מניחים על המטוס הקלט של מערכת הדמיה. הרכיב חד-פאזי בנוי על ידי ריבוב מרחבי של שלב תנאי ϑ(x,y)
ו θ באמצעות (x,y) עם העזרה של מימדי מיכסים בינארי (תבניות לוח שחמט) M1(x,y) ו- M2(x,y) כדלקמן
(4)
לפיכך,
(5)
הדפוסים הללו בינארי למלא את תנאי מ'1(x,y) + M2(x,y) = 1. שימו לב, ההפרעה של גלים אחיד לא יכול לקרות אם אנחנו אל תערבב בין המידע הכלול את שלב רכיבα(x,y). בשיטה הנוכחית, זה מתבצע באמצעות מסנן מרחבי מסוגל לחסום את כל ההזמנות עקיפה אבל את האפס אחד. בדרך זו, לאחר תהליך הסינון על המטוס פורייה, הספקטרום H(u,v)= F{eiα(x,y)} של שלב מקודד הפונקציה קשורה הספקטרום של השדה מורכב נ{U(x,y)} על-ידי הביטוי
(6)
ב הציוד (6), (u,v) מציינות קואורדינטות בתחום התדר, P(u,v) מחזיק המסנן המרחבי, ואילו התמרת פורייה של פונקציה נתונה Θ(x,y) מיוצג בצורה F {Θ(x,y)}. מן הציוד (6), שבעקבותיה, על המטוס פלט של מערכת הדמיה, השדה מורכב שאוחזרו URET(x,y), (בלי לקחת בחשבון גורמים קבועים), ניתנת על ידי קונבולוציה של המוגדל והמרגשים התעשת מורכבים U(x,y) עם התמרת פורייה של מסיכת מסנן. כלומר:
(7)
ב הציוד (7), פעולת קונבולוציה זה מסומן על ידי הסימן 
, ואת המונח Mag מייצג את ההגדלה של מערכת הדמיה. לפיכך, משרעת ושלב של U(x,y) מאוחזר באופן מלא על המטוס פלט, פרט לאובדן חלק רזולוציה מרחבית עקב ניתוח קונבולוציה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. קידוד את השדה מורכב לתוך רכיב חד-פאזי
- מן המפרט הטכני של הסים, למצוא את הרזולוציה המרחבית שלה (למשל 1920 פיקסלים x 1800 פיקסלים).
- להגדיר וצור את משרעת הרצוי A(x,y) ותבניות שלב φ(x,y) כמו תמונות דיגיטליות.
- הגדר את הרזולוציה המרחבית של הנ ל תמונות דיגיטליות שווה לזה של התצוגה הסים.
- הגדר הנ ל תמונות דיגיטליות בפורמט רמת האפור.
- הגדר את ערכי המינימום והמקסימום של משרעת ושלב התמונות מ- 0 עד 255 ומ - π/2 π/2, בהתאמה.
- הגדר מקסימום = 2 במשוואות 2 ו- 3 ולהפיק המחשב-שלב דפוסים ϑ(x,y) של θ באמצעות(x,y) מהם.
- המחשב ליצור את דפוסי לוח שחמט מ'1(x,y) ו- M2(x,y).
- הגדר את הרזולוציה המרחבית של הדפוסים הללו לוח שחמט שווה לזה של התצוגה הסים.
- כדי לצמצם את ההשפעה של פיקסל crosstalk, ליצור זוגות אחרים של תבניות לוח שחמט מ'1(x,y) ו- M2(x,y) נבנה עם תאים פיקסלים שונים שיש גדל מספר הפיקסלים (למשל: 2 x 2, 3 x 3 ו- 4 x 4 תאים פיקסל, וכו ').
התראה: בעת הגדלת תא פיקסל, המספר הכולל של פיקסלים של לוח שחמט דפוסי חייב להישמר ללא שינוי, השווה הרזולוציה המרחבית של הסים. ודא הסופי מספר הפיקסלים של כל לוח שחמט דפוסי נשאר זהה לאחר שינוי תאי הפיקסלים שלהם.
- המחשב ליצור את חד-פאזי רכיב α(x,y) מתוך המשוואה 5.
הערה: ראה תוספת חומר בשם "MATLAB_code_1.m" עבור הפעילויות הקשורות על שלב 1 של פרוטוקול זה.
2. שחזור של השדה מורכב
- להשתמש קרן לייזר מקבילות, ליניארי מקוטב, ואחידה במרחב בתור מקור אור.
- השתמש של הסים פאזה בלבד לפחות בטווח לשלב 2π.
- בעת הצורך, נשתמש במותחן קרן נכונה כדי להתאים את גודל הקרן בהתאם לגודל התצוגה הסים.
- בעת הצורך, השתמש עם מקטב אופטי כדי להגדיר קיטוב קרן לייזר לכיוון אופקי. זה חשוב בדרך כלל לשם פעולה תקינה של פאזה בלבד SLMs, אשר בדרך כלל נועדו לווסת את השלב המרחבי של השדה האלקטרו-מגנטי אשר נעים בכיוון אופקי, שמירה ללא שינוי מרכיביו אנכי.
- כדי לשלוח דפוס שלב הסים, בצע בפרוטוקולי תקשורת רגילה שניתן על-ידי היצרן של הסים כדי לחבר ולשלוט על הסים עם המחשב.
הערה: פרוטוקול משותף למטרה זו כוללת את השימוש עקומת כיול להפוך את הערכים ברדיאנים (עקב פעולות מתמטיות עם זוויות) רמת האפור אלה, אשר יחידת בקרה אלקטרונית של הסים ולבסוף ממיר מתח רמות. בנוסף, כפי הסים מחובר למחשב כמו התקן חיצוני עם מסך משלו, הרחבה של מסך המחשב הוא בדרך כלל הכרחי, כמו גם תוכנית נכונה כדי לשלוח תמונות רמת האפור המתאימה למסך נוסף זה. דוגמה של קודים אלה כלולה גם כחומר משלים (נא ראה MATLAB_code_2.m). - ליישם מערכת אופטית תמונה ולשים את התצוגה של הסים המטוס הקלט של מערכת זו.
- להשתמש עדשות לתיקון הראייה בלייזר אורך המוקד f כדי לבנות מערכת תמונה אופטיf 2f x 2 (מערכת אופטית 4f היא גם חוקית עבור משימה זו). לפי גודל פלט הצפוי של השדה מורכב, רוחב הקרן, אורך הגל של אור ושל השטח הפיזי זמין, מעסיקים עדשה/עדשות עם מפרט טכני מתאים (למשל, ציפוי, גודל, אורך מוקד, וכו ').
- כדי למצוא את המיקום של המטוס פלט של מערכת ההדמייה, שלח את שלב דפוס α(x,y) הסים, מבחינה ויזואלית לחפש את התמונה מוקלטות (תלוי המיקום של המצלמה) עם הרזולוציה המרחבית בצורה הטובה ביותר.
שים לב: במקרה של תאים נמוך-גודל פיקסל (למשל, 1 x 1 פיקסל תאים) ומציג הסים עם פיקסל רוחבי של כמה מיקרון (למשל, 8 מיקרומטר), רק קרן הפצת יכול לייצר הפרעה בין הגלים אחיד מקודד, מקבלים תמונות המשוחזרת בלי לכלול את הקשתית מעגליות במערכת דימות. השתמש נמוך-גודל פיקסל תאים כדי לאתר את המיקום של המטוס פלט. - המקום של איריס מעגלית של קוטר משתנה על המטוס פורייה של מערכת אופטית ויישר את המרכז שלו עם זה של המוקד קרן לייזר.
- כדי להתאים את גודל האישון עגול על המטוס פורייה, לשלוח את שלב דפוס α(x,y), לחפש באופן חזותי את התמונה מוקלטות (בהתאם לקוטר האישון עגול) עם רזולוציה מרחבית בצורה הטובה ביותר.
התראה: במקרה של תאים ארוכת בגודל פיקסל (למשל, תאים 4 x 4 פיקסלים), ההפרעות בין הגלים אחיד מקודד בעיקרון מתבצעת עם המסנן מרחבית. השתמש ארוכת בגודל פיקסל תא כדי להתאים את גודל האישון עגול. ב פרוטוקול זה, תנאי נמוך- וגודל ארוכת בגודל נקראים מספר הפיקסלים הכלולים בתוך תא פיקסל. עם זאת, ההפרעות הנ ל תלוי גם רוחב פיקסלים. מעסיקים SLMs עם פיקסלים רוחב שווה או פחות מ- 8 מיקרומטר.
- שלח את התמונה ברמת אפור התואם שלב רכיב α(x,y) הסים.
- כדי לצמצם את ההשפעה crosstalk, חפש גודל התא פיקסל הטובה אשר מאפשרים להשגת התמונה מוקלט ברזולוציה מרחבית גבוהה יותר.
3. למדוד את השדה מורכב המשוחזרת
- ליישם את השלב מבוססי קיטוב הסטה טכניקה8.
- למקם וליישר את זווית הסיבוב של מקטב אופטי הראשון, הממוקם ממש לפני הסים (ראה איור 2). כדי לקבוע את זווית הסיבוב של מקטב הראשון, מבחינה ויזואלית לחפש להדמיה אור מינימלי ומקסימלי CCD מצלמה (ממוקם על המטוס פלט של מערכת הדמיה), בהתאם הרוטציה של מקטב. . תרשום את הזוויות המתאימות שני של מקטב לתקן את זווית הסופי מקטב זה בין הזוויות הקודם רשמה שני.
- למקם וליישר את זווית הסיבוב של מקטב אופטי השני, אחרי המטוס פורייה של מערכת הדמיה (ראה איור 2). כדי לקבוע את זווית הסיבוב של מקטב השני, מבחינה ויזואלית לחפש את החדה ותמונות מטושטשים ביותר למצלמה CCD (ממוקם על המטוס פלט של מערכת ההדמייה) לאחר לשלוח את שלב דפוס α(x,y) הסים. . תרשום את הזוויות המתאימות שני של מקטב לתקן את הזווית הסופי של מקטב השני זה בין הזוויות הקודם מוקלטת.
- להקליט את interferograms.
- לשמור את מצלמת CCD המטוס פלט של מערכת הדמיה.
- כדי להקליט את interferogram הראשונה, להוסיף מטריצה של רדיאנים 0 שלב רכיב α(x,y), ושלחו הסים. תואם הוא מוסד אני1(x,y) עם ה-CCD.
- כדי להקליט את interferogram השנייה, מטריצה של π/2 רדיאנים להוסיף שלב רכיב α(x,y), ושלחו הסים. תואם הוא מוסד לי2(x,y) עם מצלמת CCD.
- כדי להקליט את interferogram השלישי, מטריצה של π רדיאנים להוסיף שלב רכיב α(x,y), ושלחו הסים. תואם הוא מוסד אני3(x,y) עם מצלמת CCD.
- כדי להקליט את interferogram הרביעי והאחרון, מטריצה של 3 π/2 רדיאנים להוסיף שלב רכיב α(x,y), ושלחו הסים. תואם הוא מוסד אני4(x,y) עם מצלמת CCD.
- לשחזר את השדה מורכב.
הערה: ראה תוספת חומר בשם "MATLAB_code_3.m" עבור הפעילויות הקשורות לנושא זה של הפרוטוקול.- לאחזר את משרעת של השדה מורכב לאחזר(x,y) באמצעות הביטוי
(8) - לאחזר את השלב של השדה מורכב φלאחזר(x,y) באמצעות הביטוי
(9)
- לאחזר את משרעת של השדה מורכב לאחזר(x,y) באמצעות הביטוי
(8)
(9)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הרזולוציה המרחבית של מועסקים אודיע פאזה בלבד הוא 1920 פיקסלים x 1080 פיקסלים, עם זריקה פיקסל של 8 מיקרומטר. משרעת שנבחר A(x,y) ושלב φ(x,y) של השדה מורכב מוגדרים על-ידי שתי תמונות שונות אפור ברמה המתאימה התמונה של Lenna ידועים (תבנית משרעת), נערה צעירה בולט הלשון שלה (שלב תבנית), בהתאמה. באופן כללי, עבור, הדור של דפוסי הכרחי, וגם את השליטה הסים, מנוצלים קודי Matlab. הרזולוציה המרחבית של תמונות אלה מוגדר להיות 1920 פיקסלים x 1080 פיקסלים. לאחר מכן, משוואות 2 ו- 3 משמשים כדי לקבוע את שלב דפוסים ϑ(x,y) ואת θ באמצעות(x,y) מקסימום= 2. הערה, הערך המספרי שגבה Aמקסימום guaranties את המונח הזה, B = 1, וכתוצאה מכך, השדה מורכב U(x,y) מתוארת על ידי הציוד (1) יכול להיות מובן כסכום של שני גלים אחיד הפשוטה הטופס U(x,y) = eאניϑ(x,y) + eiθ(x,y). עכשיו, זוגות שונים של תבניות לוח שחמט בינארי מ'1(x,y) ו- M2(x,y) (עבור מוגברת פיקסל הגדלים תא), אבל שווה רזולוציה מרחבית (1920 פיקסלים x 1080 פיקסלים), הן ממוחשבות. במיוחד, תבניות לוח שחמט 1 x 1, 2, פרק 2, 3 x 3 ו- 4 x 4 תאים פיקסל דיגיטלית נבנות באמצעות פונקציה programed Matlab. כל הנ ל דפוסי A(x,y), φ(x,y), ϑ(x,y), θ באמצעות(x,y), מ'1(x, y), M2(x,y) מוצגים חלקים A, B, C, D, E ו- F של איור 1, בהתאמה. בחלקים E ו- F, רק כדי לקבל פריט חזותי טוב יותר של המבנה של תבניות לוח שחמט, התאים המרכיבים אותה פיקסל הם של 240 פיקסלים x 240 פיקסלים. מ 5 הציוד, ערכה של שלב אלמנטים α(x,y) עבור כל זוג של לוח שחמט מעוצב בעבר דפוסי נבנות דיגיטלית.
איור 1: המחשב שנוצר דפוסי המשויך שיטת קידוד הציג. (א) על-ידי המשתמש משרעת תבנית של השדה מורכב. (B) על-ידי המשתמש שלב תבנית של השדה מורכב. (ג) שלב הדפוס המקביל גל אחיד הראשון במשוואה 1. (ד) שלב הדפוס המתאים הגל אחיד השני במשוואה 1. (E) הראשון תבנית לוח-שחמט בעקבות תהליך הדגימה תיאר עם המשוואה 4. (F) השני תבנית לוח-שחמט בעקבות תהליך הדגימה תיאר עם המשוואה 4. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
בשלב זה, השדה מורכב הצפוי U(x,y) השפעול תאוחזר על המטוס פלט במערכת דימות, ברגע שלב רכיב α(x,y) נשלחת את הסים פאזה בלבד ואת ההפרעות בין הגלים אחיד מקודד מתקיים. כדי לבצע את ההתערבות, מסנן מרחבי (למשל, איריס מעגלית) מותאם גודל כדי לחסום את כל התדרים אבל את האפס אחד על המטוס פורייה של מערכת הדמיה (איור 2).
איור 2: הגדרת אופטי להשתמש כדי להשיג את שיטת קידוד. מערכת הדמיה מורכבת מאפנן אור מרחבי (SLM), קרן ספליטר (BS), עדשה השבירה בודדת (L) של אורך מוקד 200 מ"מ. בפורייה המטוס כלולה איריס קשה, אשר מועסק כמסנן המרחבי (SF) כדי לחסום את כל התדרים אבל אפס אחד. בנוסף, על הפלט המטוס של מערכת ההדמייה מושם על המצלמה (CCD) כדי להקליט דפוסי משרעת, ו interferograms. רק כדי למדוד את השדה מורכבת שנוצרה באמצעות שלב מבוסס קיטוב הסטה טכניקה, זוג polarizers אופטי (P) ממוקמים כראוי בתוך הגדרת אופטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
כמקור אור, הטירמיסו: ספיר לייזר מתנד (עובד מצב נעול במצב פולטים קרינת לייזר ומעין מונוכרומטי כ-10 ננומטר בעוצמה רוחב חצי מקסימום (FWHM) ואת מרוכז בכל 800 ננומטר) הוא מועסק. בנוסף, כדי למלא כמעט כל האזור הפעיל של התצוגה הסים (8.64 ס"מ x 15.36 ס מ) בעזרת קרן לייזר, משמש במותחן קרן טלסקופ מסחרי x 5. קרן הלייזר נשלחת (באירוע נורמלי) הצגת הסים בעזרת מפצל קרן קרומית. עדשה השבירה של אורך מוקד 100 מ מ הוא ממוקם 200 מ"מ לאחר הסים, מיושר ביחס לציר האופטי של קרן הלייזר שמשתקף בחזרה הסים. כדי לאתר את המיקום של המטוס פלט של מערכת ההדמייה, הקליט התמונה של A(x,y) ה-CCD מצלמה נמצאה. פעולה זו מתבצעת פעם אחת שלב רכיב α(x,y) (תקין עם תאים 1 x 1 פיקסל) נשלחת את הסים. לאחר מכן, איריס מעגלית שהוצב המטוס פורייה של מערכת אופטית, מיושר ביחס המוקד של קרן הלייזר. בנוסף, כדי להתאים את גודל האישון עגול, קוטרו מגוון עד שיחזור תמונה טובה יותר מושגת על ידי בדיקה ויזואלית מצלמה CCD. למטרה זו, שלב רכיב α(x,y) (דיגיטלית נבנה עם תאים 4 x 4 פיקסלים) נשלח בעבר הסים. כדי למזער את ההשפעה של פיקסל crosstalk, נמצא את הטוב שלב רכיב α(x,y) (בהתאם לגודל התא פיקסל) המאפשר השגת את התמונה עם רזולוציה מרחבית גבוהה יותר ב- CCD.
כדי לאמת כי השדה מורכב הרצוי הוא שיחזר על המטוס פלט של מערכת ההדמייה, הנזכרת כבר מבוסס קיטוב השלב הסטה טכניקה משמש למדידת שלה משרעת ושלב. לעשות, כמה polarizers p (אחד הממוקמים לפני את הסים, ועוד אחרי המטוס פלט של מערכת ההדמייה) מיושרים כראוי בתוך האופטי ההתקנה הבאים (ראה איור 2), ההליך שתואר בשלבים 3.1.1 ו- 3.1.2 של פרוטוקול. . אז, interferograms המשויך שלב ארבעה שלבים הסטה טכניקה אני1(x,y), אני2(x, y), אני3(x, y), ו4(x, y) נרשמות עם מצלמת CCD (כבר הניח על המטוס פלט מערכת הדמיה). כאן, יש לזכור, כי אלה interferograms ארבע נרשמים עם המצלמה לאחר התוספת של 0, π/2 π, 3 π/2 ל- שלב רכיב α(x,y) (ראה שלבים 3.2.2 - 3.2.5 של פרוטוקול לקבלת פרטים). לבסוף, בעזרת משוואות 8 ו-9, משרעת של שלב של השדה מורכב המשוחזרת ניתן לאחזר. עבור ניסוי זה, התוצאות מוצגות באיור3.
איור 3: תוצאות ניסויית נציג בתאורה ומעין מונוכרומטי. (א) על-ידי המשתמש משרעת תבנית של השדה מורכב. (B) על-ידי המשתמש שלב תבנית של השדה מורכב. Interferograms (ג) המשויך לשלב מבוסס קיטוב הסטה טכניקה שפותחה בארבעה שלבים והשיג לאחר הוספת 0, π/2 π, 3 π/2 ל- שלב רכיב α(x,y). (ד) Retrieved משרעת ניסיוני דפוס. (E) Retrieved ניסויי שלב דפוס. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
פרוטוקול זה, הם הפרמטרים מעשיים כמו רוחב פיקסלים את הסים פאזה בלבד או את מספר הפיקסלים הכלולים בתוך תאים פיקסל של דפוס ממוחשב נקודות מפתח ליישם בהצלחה את שיטת קידוד. שלבים 1.2, 1.3 ו- 1.4 של הפרוטוקול, קצרה יותר רוחב פיקסלים, יותר הרזולוציה המרחבית של הדפוסים משרעת ושלב שאוחזרו. בנוסף, כפי קודיפיקציה לתוך הסים של האפנון שלב פיקסל לפיקסל פתאומי יכולות לנבוע שלב בלתי צפויות תגובות (crosstalk פיקסל), בניית תבניות לוח שחמט (כפי שמתואר בשלב 1.3) צריך להיות מקושר התוספת מספר הפיקסלים בתוך התאים פיקסל. הסיבה העיקרית לכך היא לרכך את ההשפעות של פיקסל crosstalk על משרעת שאוחזרו ודפוסי שלב. עם זאת, בעת הגדלת מספר הפיקסלים בתוך התאים פיקסל, הרזולוציה המרחבית של הדוגמאות מוקלטות שדה מורכבים לאחזר(x,y), φלאחזר(x,y) היא ירד. לפיכך, בעל רזולוציה מרחבית גבוהה SLMs עם רוחב פיקסלים נמוכה מאפשר הפחתת תופעות אפשריות crosstalk, מבלי לאבד רזולוציה מרחבית משמעותי משרעת שאוחזרו, שלב דפוסים.
יתר על כן, בשלב 1.2.3 של הפרוטוקול, השלב של השדה מורכב מוגדר-π/2 π/2. הסיבה העיקרית לקביעת בטווח לשלב כזה היא לייצר את שלב רכיב α(x,y) ועד - π π, אשר ניתן ליישם לתוך הסים עם 2π בטווח לשלב. עם זאת, אם טווח שלב הסים זמין גדול יותר 2π, השלב של השדה מורכב ניתן להגדיר בתוך טווח מורחבת (למשל: עבור φ(x,y) ועד - π π, שלב רכיב α(x,y ) ייתכן טווח מ- 3 π/2 כדי 3 π/2, וצריך כתוצאה מכך שלב טווח הסים, לפחות 3 π).
המאפיינים של קרן הלייזר יכול גם להשפיע על התוצאות של שיטת קידוד. תשומת לב מיוחדת אל המדרגות 2.1 2.4, הגדרת את הכיוון הנכון קיטוב, collimation וגודל חציה של קרן לייזר לפני השלבים הנותרים של הפרוטוקול. יתר על כן, כמו SLMs פאזה בלבד הם בעצם דיפרקטיבית תלויי התקנים אופטיים המבוסס על תופעת ההפרעות, יש צורך להשתמש קרני לייזר עם קוהרנטיות מרחבית גבוהה/טוב.
מצד שני, במקום תאורה פעמו ומעין מונוכרומטי, ultrashort גם מאפשר השגת תוצאות טובות. במקרה זה, הרכיבים השונים ספקטרלי של הדופק הם שלב מאופנן (בצורה מאוד דומה) רק חד-פאזי רכיב α(x,y). כאן, כדי להראות את ההשפעה של מקור אור בפס רחב על שיטת קידוד, אנו חוזרים כל השלבים של הפרוטוקול, אבל הפעם קרינה פעמו (הדופק ultrashort של בערך 12 fs FWHM, שמרכזו בנקודה 800 nm, רוחב הפס ספקטרלי של 100 ננומטר FWHM, הנפלטת הטירמיסו נעול במצב : ספיר הלייזר femtolaser, בקצב החזרה 75 מגה-הרץ). התוצאות מוצגות באיור4. שים לב כי, עקב השילוב של הרכיבים השונים ספקטרלי של הדופק, הדפוסים שאוחזרו קרובים מאוד לתוצאות הצפויות.
איור 4: נציג תוצאות ניסויית בתאורה פעמו ultrashort. (א) על-ידי המשתמש משרעת תבנית של השדה מורכב. (B) על-ידי המשתמש שלב תבנית של השדה מורכב. Interferograms (ג) המשויך לשלב מבוסס קיטוב הסטה טכניקה שפותחה בארבעה שלבים והשיג לאחר הוספת 0, π/2 π, 3 π/2 ל- שלב רכיב α(x,y). (ד) Retrieved משרעת ניסיוני דפוס. (E) Retrieved ניסויי שלב דפוס. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
קרני לייזר הם שדות מורכבים בעיקרם, ולכן ביישומים הפוטנציאליים ביותר אמור להיות מסוגל לשנות את משרעת ואת שלב, בו זמנית. השיטה הנוכחית מאפשרת לעשות זאת על-ידי רכיב חד-פאזי (יושם או לא בקטע של הסים פאזה בלבד). אנו מאמינים, כי בעתיד הקרוב, שיטה זו יכולה להיות מועסק, למשל בנתיב תאורה של מיקרוסקופים9,10 עבור עירור ליניארית ולא לינארי סימולטני של אזורים שונים של דגימות ביולוגיות, או במקביל מיקרו-עיבוד11,12 של חומרים. ביישומים שני תפקידו של אפנון משרעת בולטת, בינתיים אפנון פאזה יכול להיות מנוצל, באותו זמן, פיצויים של סטייה אופטית על המטוס מדגם/עיבוד. לבסוף, יצוין כי שיטת קידוד תיאר עם פרוטוקול הנוכחי אינה מוגבלת כדי הניצול של SLMs. קבוע לשלב אלמנטים α(x,y) נבנה עם טכניקות אחרות (למשל: photolithographic טכניקות) יכול להיות שונה, אבל באותה מידה אפשרות ליישם פרוטוקול זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי Generalitat Valenciana ("פרומתאוס" 2016-079), Universitat Jaume אני (UJI) (UJIB2016-19); ו- y Ministerio דה Economía Competitividad (MINECO) (FIS2016-75618-R). המחברים מודים מאוד SCIC של Universitat Jaume אני לשימוש של לייזר הפמטו-שנייה.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Achromatic Doublet | THORLABS | AC254-100-B-ML | Lens Diameter 25.4 mm, focal length 100 mm |
| Achromatic Galilean Beam Expander | THORLABS | GBE05-A | AR Coated: 400 - 650 nm |
| Basler camera | BASLER | avA1600-50gm GigE camera | sensor size 8.8 mm x 6.6 mm, pizel size 5.5 microns |
| Mounted Zero-Aperture Iris | THORLABS | ID12Z/M | Max Aperture 12 mm |
| Pellicle Beamsplitter | THORLABS | CM1-BP145B2 | 45:55 (R:T), Coating: 700 - 900 nm |
| PLUTO Spatial Light Modulator | HOLOEYE Photonics AG | NIR-II | Phase Only Spatial Light Modulator (Optimized for 700 -1000 nm) |
| Two thin film laser polarizers | EKSMA OPTICS | 420-0526M | material BK7, diameter 50 mm, wavelength 780-820 nm |
References
- Hsueh, C. K., Sawchuk, A. A.
- Arrizón, V. Complex modulation with a twisted-nematic liquid-crystal spatial light modulator: double-pixel approach. Optics Letters. 28 (15), 1359-1361 (2003).
- Arrizón, V., Ruiz, U., Carrada, R., González, L. A. Pixelated phase computer holograms for the accurate encoding of scalar complex fields. Journal of the Optical Society of America A. 24 (11), (2007).
- Shibukawa, A., Okamoto, A., Takabayashi, M., Tomita, A. Spatial cross modulation method using a random diffuser and phase-only spatial light modulator for constructing arbitrary complex fields. Optics Express. 22 (4), 3968-3982 (2014).
- Martínez-Fuentes, J. L., Moreno, I. Random technique to encode complex valued holograms with on axis reconstruction onto phase-only displays. Optics Express. 26 (5), 5875-5893 (2018).
- Clark, T. W., Offer, R. F., Franke-Arnold, S., Arnold, A. S., Radwell, N. Comparison of beam generation techniques using a phase only spatial light modulator. Optics Express. 24 (6), 6249-6264 (2016).
- Mendoza-Yero, O., Mínguez-Vega, G., Lancis, J. Encoding complex fields by using a phase-only optical element. Optics Letters. 39 (7), 1740-1743 (2014).
- Yamaguchi, I., Zhang, T.
- Shao, Y., et al. Addressable multiregional and multifocal multiphoton microscopy based on a spatial light modulator. Journal of Biomedical Optics. 17 (3), 030505 (2012).
- Mendoza-Yero, O., Carbonell-Leal, M., Mínguez-Vega, G., Lancis, J. Generation of multifocal irradiance patterns by using complex Fresnel holograms. Optics Letters. 43 (5), 1167-1170 (2018).
- Kuang, Z., et al. Diffractive Multi-beam Ultra-fast Laser Micro-processing Using a Spatial Light Modulator (Invited Paper). Chinese Journal of Lasers. 36 (12), 3093-3115 (2009).
- Kuang, Z., et al. High throughput diffractive multi-beam femtosecond laser processing using a spatial light modulator. Applied Surface Science. 255, 2284-2289 (2008).
