Summary
Mostramos como codificar o complexo campo de feixes de laser, usando um elemento de fase única. Um caminho comum-Interferômetro é empregado para misturar as informações de fase exibidas em um fase somente modulador espacial luz para finalmente recuperar o padrão de campo complexo desejado na saída de um sistema óptico de imagem.
Abstract
O objetivo deste artigo é demonstrar visualmente a utilização de um método interferométricas para codificação campos complexos associados com radiação laser coerente. O método é baseado na soma de duas ondas uniformes, previamente codificados em um só fase espacial luz modulador (SLM) por multiplexação espacial de suas fases coerente. Aqui, o processo de interferência é realizado pela filtragem espacial de frequências de luz no plano de Fourier de determinado sistema da imagem latente. A correcta implementação deste método permite que a fase arbitrário e amplitude informação para ser obtida na saída do sistema óptico.
É uma técnica de codificação no eixo, ao invés de fora do eixo, com um algoritmo de processamento direto (não um ciclo iterativo) e livre de ruído coerente (speckle). O complexo campo pode ser obtida exatamente na saída do sistema óptico, exceto por alguma perda de resolução devido ao processo de filtragem de frequência. A principal limitação do método pode vir da incapacidade de operar em taxas de frequência mais elevadas do que a taxa de atualização do SLM. Aplicações incluem, mas não estão limitadas a, microscopia linear e não linear, feixe moldar ou laser microprocessamento de superfícies do materiais.
Introduction
Quase todas as aplicações de laser estão em estreita relação com a gestão da frente de onda óptica de luz. Na aproximação paraxial, o campo complexo associado com a radiação laser pode ser descrito por dois mandatos, a amplitude e a fase. Tendo controle sobre estes dois termos é necessário modificar o temporal e a estrutura espacial de raios laser no Irão. Em geral, a amplitude e a fase de um feixe de laser podem ser devidamente alterados por vários métodos, incluindo o uso de componentes ópticos que variam de lentes em massa única, divisores de feixe e espelhos para dispositivos mais complexos como espelhos deformáveis ou luz espacial moduladores. Aqui, nós mostramos um método para codificação e reconstruir o complexo campo de feixes de laser coerente, que se baseia na teoria de holograma dual-fase1e a utilização de um interferômetro de caminho comum.
Hoje em dia, existe uma grande variedade de métodos para codificar os campos complexos de feixes laser2,3,4,de5. Neste contexto, alguns métodos bem estabelecidos para produzir fase e modulação de amplitude dependem do uso de hologramas digital6. Um ponto comum em todos estes métodos é a necessidade de gerar um deslocamento espacial para separar o feixe de saída desejada de ordem zeroth provenientes da reflexão da luz para o visor SLM. Esses métodos são basicamente fora do eixo (geralmente aplicar para a primeira ordem de difração da esfregação), empregando o grating fase não apenas para codificar a fase, mas também para introduzir o necessária modulação de amplitude. Em particular, modulação de amplitude é executada, espacialmente, diminuindo a altura da grade, que degrada claramente a eficiência de difração. O processo de reconstrução do holograma principalmente Obtém uma reconstrução aproximada, mas não exata, da amplitude e fase do campo complexo desejado. Discrepâncias entre teoria e experimento parecem aparecer de uma codificação impreciso da informação de amplitude, bem como outras questões experimentais acontecendo durante a filtragem espacial da primeira ordem de difração ou devido a efeitos de pixilation SLM. Além disso, o perfil de intensidade do feixe de entrada pode introduzir restrições sobre a potência de saída.
Em contraste, com o método introduzido7, luz todo o gerenciamento é realizado no eixo, que é muito conveniente do ponto de vista experimental. Além disso, leva vantagem de considerar, na aproximação paraxial, o campo complexo associado com feixes de laser como uma soma de duas ondas de uniformes. A informação de amplitude é synthetized pela interferência destas ondas uniforme. Na prática, tal interferência é realizada pela filtragem espacial de frequências de luz no plano de Fourier de um dado sistema de imagem. Anteriormente, os padrões de fase associados as ondas uniformes espacialmente são multiplexados e codificados em uma fase somente SLM (colocado no plano de entrada deste sistema de imagem). Portanto, a configuração toda óptica pode ser considerada como um interferômetro comum-caminho (muito robusto contra vibrações mecânicas, mudanças de temperatura ou desalinhamentos ópticos). Por favor, note que o processo de interferência acima referido pode ser realizado alternativamente usando outros layouts ópticos: com um par de Sims somente fase corretamente colocado dentro de um interferômetro de dois-braço típico, ou por tempo sequencialmente codificação dois fase padrões para o SLM (introdução anterior de um espelho de referência na configuração da óptica). Em ambos os casos, não há nenhuma necessidade de filtragem espacial e, consequentemente, sem perda de resolução espacial, à custa de aumentar a complexidade do sistema óptico, bem como o processo de alinhamento. Aqui, deve-se também ressaltar que usando este método de codificação, todo o espectro do campo complexo desejado pode ser obtida exatamente no plano de Fourier, após filtragem de todas as ordens de difração mas o zeroth um.
Por outro lado, a eficiência do método depende de vários fatores: as especificações do fabricante do SLM (por exemplo, preenchimento difração, refletividade ou fator de eficiência), o tamanho do padrão codificado e a maneira na qual a luz colide com o SLM (reflexão com um pequeno ângulo bater, ou incidência normal usando um divisor de feixe). Neste momento, sob condições experimentais adequadas, a eficiência luminosa total medida pode ser mais de 30%. No entanto, observe que que a eficiência total de luz apenas devido ao uso do SLM pode ser inferior a 50%. A falta de forma aleatória ou elementos de difusor dentro da óptica instalação permite a recuperação dos padrões de amplitude e fase sem ruído coerente (speckle). Outros aspectos significativos de assinalar são a utilização de um algoritmo de codificação direta ao invés de procedimentos iterativos e sua capacidade de executar arbitrária e independente de amplitude e fase modulação na frequência refresh tempo do SLM (até centenas de hertz, de acordo com a tecnologia atual).
Em princípio, o método7 destina-se a ser usado com ondas de entrada de avião, mas não está limitado a isso. Por exemplo, se um feixe Gaussiano é bater o cartão Sim, é possível modificar sua forma de irradiação para a saída do sistema de codificação de um padrão adequado de amplitude para o SLM. No entanto, que a intensidade do feixe de saída não pode exceder o do feixe de entrada em qualquer posição transversal (x, y), a formação da amplitude é realizada por perdas de intensidade originadas por um processo de interferência parcialmente destrutivos.
A teoria sublinhando a codificação método7 é a seguinte. Qualquer campo complexo representado sob a forma de U(x,y)= A(x,y)eeuφ(x,y) pode também ser reescrito como:
(1)
Onde
(2)
(3)
Nas equações 1-3, a amplitude e a fase do complexo bidimensional de campo U(x,y)é dado por um(x,y) e φ(x,y), respectivamente. Observe que, para termos ummáximo (máximo da A(x,y)) e B = ummáximo/2 não dependem as coordenadas transversais (x,y). Da teoria, se nós ummáximo= 2, então B =1. Portanto, o campo complexo U(x,y) pode ser obtido, de forma simples, da soma coerente de ondas uniforme sereuϑ(x,y) e ser iθ (x,y). Na prática, isso é realizado com um interferômetro comum-caminho composto de uma única fase elemento α(x,y), colocado no plano de entrada de um sistema de imageamento. O elemento de fase monofásica é construído pela multiplexação espacial do termos de fase ϑ(x,y)
e θ (x,y) com a ajuda dos gratings binários bidimensionais (padrões de xadrez) M1(x,y) e M2(x,y) como segue
(4)
por isso,
(5)
Esses padrões binários cumprir a condição M1(x,y) + M2(x,y) = 1. Observe que, a interferência de ondas uniformes não pode acontecer se nós não misturar as informações contidas no elemento faseα(x,y). No presente método, isto é realizado usando um filtro espacial capaz de bloquear todas as ordens de difração mas o zero um. Desta forma, após o processo de filtragem no plano de Fourier, o espectro H(u,v)= F{eiα(x,y)} da fase codificada função está relacionada com o espectro do complexo campo F{U(x,y)} pela expressão
(6)
Na EQ. (6), (u,v) denotar coordenadas no domínio da frequência, P(u,v) detém para o filtro espacial, Considerando que a transformada de Fourier de uma função dada Θ(x,y) é representada na forma F {Θ(x,y)}. Da EQ. (6), ele segue que, no plano da saída do sistema de imagem, o campo complexo obtido URET(x,y), (sem considerar fatores constantes), é dada pela convolução do ampliada e espacialmente inverteu o complexo campo U(x,y) com a transformada de Fourier da máscara do filtro. Isto é:
(7)
Na EQ. (7), a operação de convolução é denotada pelo símbolo 
e o termo Mag representa a ampliação do sistema de geração de imagens. Portanto, a amplitude e a fase de U(x,y) é totalmente recuperado no plano de saída, exceto por alguma perda de resolução espacial devido a operação de convolução.
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Protocol
1. o complexo campo de codificação em um elemento de fase única
- Desde as especificações técnicas do SLM, encontre sua resolução espacial (por exemplo 1920 pixéis x 1800 pixels).
- Definir e gerar a amplitude desejada A(x,y) e padrões de fase φ(x,y) como imagens digitais.
- Defina a resolução espacial do supracitado imagens digitais igual do visor SLM.
- Definido acima referidas imagens digitais em formato de nível de cinza.
- Defina os valores mínimos e máximos das imagens amplitude e fase de 0 a 255 e de - π/2 para π/2, respectivamente.
- Definir ummáximo = 2 nas equações 2 e 3 e computador-gerar a fase padrões ϑ(x,y) e θ(x,y) com eles.
- Computador gerar os padrões de xadrez M1(x,y) e M2(x,y).
- Defina a resolução espacial desses padrões de xadrez igual do visor SLM.
- Para reduzir o efeito do crosstalk pixel, gerar outros pares de padrões de xadrez M1(x,y) e M2(x,y) construído com células de pixel diferentes tendo um aumentou o número de pixels (por exemplo: células de pixel de 2x2, 3x3 e 4x4, etc).
Cuidado: Quando aumentando a célula do pixel, o número total de pixels de padrões de xadrez deve ser mantido inalterado e igual à resolução espacial do SLM. Certifique-se de que o número final de pixels de todos os padrões de xadrez permanece a mesma após modificar suas células de pixel.
- Computador gerar a fase monofásica elemento α(x,y) da equação 5.
Nota: Consulte o material suplementar, chamado "MATLAB_code_1.m" para tarefas relacionadas na etapa 1 do presente protocolo.
2. reconstrução do complexo campo
- Use um feixe de laser de colimada, linear polarizada e espacialmente coerente como uma fonte de luz.
- Use um SLM fase somente pelo menos 2 π intervalo de fase.
- Quando necessário, use um expansor de feixe adequada para ajustar o tamanho do feixe para o tamanho do visor SLM.
- Quando necessário, use um polarizador óptico para definir a polarização do feixe de laser para a direção horizontal. Isto geralmente é importante para o bom funcionamento da fase somente Sims, que são normalmente concebidos para modular a fase espacial do campo electromagnético que oscilam na direção horizontal, mantendo inalterados seus componentes verticais.
- A fim de enviar um padrão de fase para o SLM, segui os protocolos de comunicação padrão indicados pelo fabricante do cartão do sim para conectar e controlar o cartão Sim com o computador.
Nota: Um protocolo comum para este efeito inclui o uso de uma curva de calibração para transformar os valores em radianos (devido a operações matemáticas com ângulos) em nível de cinza queridos, que a unidade de controle eletrônico do SLM finalmente irá converter em níveis de tensão. Além disso, como o SLM é conectado ao computador como um dispositivo externo com sua própria tela, uma extensão da tela do computador é geralmente necessário, bem como um programa adequado para enviar as imagens de nível de cinza correspondentes a esta tela extra. Um exemplo destes códigos também é incluído como material suplementar (por favor, veja MATLAB_code_2.m). - Implementar um sistema óptico de imagem e colocar a exibição do SLM no plano de entrada deste sistema.
- Use uma lente de refração de um comprimento focal f para construir um sistema de imagem óptica def 2f x 2 (um sistema óptico 4f também é válido para esta tarefa). Acordo com o tamanho de saída esperada de campo complexo, largura de feixe, comprimento de onda da luz e o espaço físico disponível, empregam lente/lentes com especificações técnicas adequadas (por exemplo, revestimento, tamanho, distância focal, etc.).
- Para localizar a posição do avião de saída do sistema de geração de imagens, enviar o padrão de fase α(x,y) para o cartão Sim e procurar visualmente a imagem gravada (dependendo da posição da câmera) com a melhor resolução espacial.
Atenção: No caso de baixo-tamanho pixel células (por exemplo, 1 x 1 pixel) e SLM ecrãs com larguras de pixel de alguns mícrons (por exemplo, 8 µm), propagação de feixe só pode produzir interferência entre ondas uniformes codificadas, recebendo uma imagens reconstruídas sem incluir a íris circular no sistema da imagem latente. Use células de baixo-tamanho pixel para localizar a posição do avião de saída. - Coloque uma íris circular, de diâmetro variável no plano de Fourier do sistema óptico e alinhar seu centro com que o foco do feixe do laser.
- Para ajustar o tamanho da íris circular no plano de Fourier, enviar o padrão de fase α(x,y) e visualmente, procure a imagem gravada (dependendo do diâmetro da íris circular) com melhor resolução espacial.
Atenção: No caso de long-tamanho pixel células (por exemplo, 4 x 4 pixels), a interferência entre ondas uniformes codificadas é basicamente realizada com o filtro espacial. Célula de longo-tamanho de pixel de uso para ajustar o tamanho da íris circular. Neste protocolo, os termos baixo-tamanho e tamanho longo são referidos o número de pixels contido dentro de uma célula do pixel. No entanto, a referida interferência depende também o pixel de largura. Emprega o Sims com pixel de largura igual ou inferior a 8 µm.
- Envie a imagem cinza de nível correspondente a fase elemento α(x,y) para o cartão Sim.
- Para minimizar o efeito crosstalk, procure o melhor tamanho de célula do pixel que permitem atingir a imagem gravada com a maior resolução espacial.
3. medir o campo complexo reconstruído
- Implemente a fase baseada na polarização mudança técnica8.
- Coloque e alinhar o ângulo de rotação do primeiro polarizador óptico, localizado antes do SLM (ver Figura 2). Para definir o ângulo de rotação do primeiro polarizador, procure visualmente a transmitância de luz máxima e mínima na câmera do CCD (colocada no plano de saída do sistema de geração de imagens), dependendo da rotação do polarizador. Anote os dois ângulos correspondentes do polarizador. Corrigi o ângulo final do polarizador para que entre os dois ângulos anteriores gravadas.
- Coloque e alinhar o ângulo de rotação do segundo polarizador óptico, localizado após o plano de Fourier do sistema da imagem latente (ver Figura 2). Para definir o ângulo de rotação do segundo polarizador, visualmente Olhe para as imagens mais nítidas e mais turva na câmera CCD (colocado no plano de saída do sistema de imagem) depois de enviar o padrão de fase α(x,y) para o cartão Sim. Anote os dois ângulos correspondentes do polarizador. Corrigi o ângulo final do segundo polarizador àquela entre os ângulos anteriores gravadas.
- Registro do interferograms.
- Mantenha a câmera CCD no plano da saída do sistema de geração de imagens.
- Para gravar a primeira interferogramas, adicionar uma matriz de 0 radianos para o elemento de fase α(x,y) e enviá-lo para o cartão Sim. Imagem correspondente registro eu1(x,y) com o CCD.
- Para gravar a segunda interferogramas, adicionar uma matriz de π/2 radianos para o elemento de fase α(x,y) e enviá-lo para o cartão Sim. Imagem correspondente registro eu2(x,y) com a câmera do CCD.
- Para gravar a terceira interferogramas, adicionar uma matriz de π radianos para o elemento de fase α(x,y) e enviá-lo para o cartão Sim. Imagem correspondente registro eu3(x,y) com a câmera do CCD.
- Para gravar a quarta e última interferogramas, adicionar uma matriz de 3π/2 radianos para o elemento de fase α(x,y) e enviá-lo para o cartão Sim. Imagem correspondente registro 4(x,y) com a câmera do CCD.
- Reconstrua o campo complexo.
Nota: Consulte o material suplementar, chamado "MATLAB_code_3.m" para tarefas relacionadas neste ponto do protocolo.- Recuperar a amplitude do campo complexo umobtida(x,y), usando a expressão
(8) - Recuperar a fase do complexo campo φobtida(x,y), usando a expressão
(9)
- Recuperar a amplitude do campo complexo umobtida(x,y), usando a expressão
(8)
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Representative Results
A resolução espacial do empregado somente fase SLM é 1920 pixels de x 1080 pixels, com uma densidade de pixel de 8 µm. A amplitude selecionada A(x,y) e a fase φ(x,y) do complexo campo são definidos por dois diferentes cinza nível imagens correspondentes a imagens do Lenna o bem conhecido (padrão de amplitude) e uma jovem mostra a língua (padrão de fase), respectivamente. Em geral, para tanto, a geração de padrões necessários e o controle da SLM, Matlab códigos são utilizados. A resolução espacial dessas imagens é definida para ser 1920 pixéis x 1080 pixels. Então, as equações 2 e 3 são usadas para determinar a fase padrões ϑ(x,y) e θ(x,y) para ummáximo= 2. Nota que, numericamente o valor dado para Amáxima garante esse termo B = 1 e, consequentemente, o campo complexo U(x,y) descrita pela EQ. (1) pode ser entendido como a soma de duas ondas uniformes na a forma mais simples de U(x,y) = eeuϑ(x,y) + eiθ(x,y). Agora, pares diferentes de padrões de xadrez binário M1(x,y) e M2(x,y) (para os tamanhos célula maior pixel), mas igual resolução espacial (1920 pixels x 1080 pixels), são geradas por computador. Particularmente, padrões de xadrez, constituídos por células de pixel 1x1, 2x2, 3x3 e 4x4 digitalmente são construídos usando uma função programada do Matlab. Todos os acima referidos padrões A(x,y), φ(x,y), ϑ(x,y), θ(x,y), M1(x, y), e M2(x,y) são mostrados em partes A, B, C, D, E e F da Figura 1, respectivamente. Em partes E e F e apenas para obter uma melhor visualização da estrutura dos padrões de xadrez, as células constituintes de pixel são de pixels 240 pixels x 240. Da EQ. 5, um conjunto de fase elementos α(x,y) para cada par de padrões previamente concebidos quadriculado digitalmente são construídos.
Figura 1: computador gerados padrões associados com o método de codificação introduzido. (A) amplitude definida pelo usuário padrão do campo complexo. (B) padrão de fase definida pelo usuário do campo complexo. (C) padrão de fase correspondente à primeira onda uniforme na equação 1. (D) padrão de fase correspondente à segunda onda uniforme na equação 1. (E) primeiro padrão quadriculado seguindo o processo de amostragem descrito com a equação 4. (F) segundo padrão quadriculado seguindo o processo de amostragem descrito com a equação 4. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Neste ponto, o esperado complexo campo U(x,y) pode ser experimentalmente recuperado no plano de saída de um sistema de imageamento, uma vez que o elemento de fase α(x,y) é enviado para o SLM somente fase e a interferência entre ondas uniformes codificadas tem lugar. Para executar esta interferência, um filtro espacial (por exemplo, uma íris circular) é ajustado em tamanho para bloquear todas as frequências, mas o zeroth um no plano de Fourier do sistema de geração de imagens (Figura 2).
Figura 2: configuração óptica usada para realizar o método de codificação. Sistema de imagem composto de um modulador espacial de luz (SLM), divisor de feixe (BS) e única lente refrativa (L) de distância focal de 200 mm. Em Fourier o avião é incluído uma íris difícil, que é empregada como um filtro espacial (SF) para bloquear todas as frequências, mas o zero um. Além disso, na saída do avião do sistema de imagem é colocado uma câmera (CCD) para gravar padrões de amplitude e interferograms. Apenas para medir o campo complexo gerado através da fase baseada na polarização técnica de movimento, um par de polarizadores ópticos (P) estão corretamente localizados dentro a configuração óptica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Como uma fonte de luz, uma Ti: oscilador de safira laser (trabalho fora o modo bloqueado condição para emitir uma radiação quase monocromática laser de cerca de 10 nm intensidade largura total no máximo meia (FWHM) e centrada em 800 nm) é empregado. Além disso, para preencher quase toda a área ativa do display SLM (8,64 x 15,36 cm) com o feixe de laser, um expansor de feixe de telescópio 5 x comercial é usado. O feixe de laser é enviado (incidente normal) para a exibição do SLM por meio de um divisor de feixe pellicle. Uma lente refrativa de distância focal 100mm é colocado 200 mm após o SLM e alinhado em relação ao eixo óptico do feixe de laser reflectido volta a SLM. Para localizar a posição do avião de saída do sistema de imagem, a imagem da A(x,y) gravou o CCD câmera foi encontrada. Isto é feito uma vez a fase elemento α(x,y) (formado com células de 1x1 pixel) é enviado para o cartão Sim. Em seguida, uma íris circular é colocada no plano de Fourier do sistema óptico e alinhada em relação o foco do raio laser. Além disso, para ajustar o tamanho da íris circular, seu diâmetro é variado, até alcançar a melhor reconstrução de imagem por inspeção visual na câmera CCD. Para este efeito, a fase elemento α(x,y) (construído digitalmente com células de pixel de 4 x 4) previamente enviada para o SLM. Para minimizar o efeito da interferência de pixel, encontra-se a melhor fase elemento α(x,y) (dependendo do tamanho de célula do pixel) que permite alcançar a imagem com maior resolução espacial no CCD.
A fim de confirmar que o complexo campo desejado é reconstruído no plano da saída do sistema de geração de imagens, a já mencionado baseada na polarização fase técnica de movimento é usada para medir a sua amplitude e fase. Para fazer isso, um par de polarizadores p (um colocado antes do SLM e outra depois que o avião de saída do sistema de imagem) estão devidamente alinhados dentro da óptica setup (ver Figura 2), a seguir o procedimento descrito nos passos 3.1.1 e 3.1.2 do protocolo. Em seguida, o interferograms associada com a fase de quatro etapas, mudando a técnica 1(x,y), eu2(x, y), eu3(x, y) e4(x, y) são gravados com a câmera do CCD (já colocada no plano de saída do sistema de geração de imagens). Aqui, convém recordar que estes quatro interferograms são gravados com a câmera após a adição de 0, π/2, π e 3π/2 para o elemento de fase α(x,y) (ver passos 3.2.2 - 3.2.5 do protocolo para obter detalhes). Finalmente, usando equações 8 e 9, a amplitude e a fase do campo complexo reconstruído podem ser recuperados. Para este experimento, os resultados são mostrados na Figura 3.
Figura 3: resultados experimentais representativos sob iluminação quase monocromática. (A) amplitude definida pelo usuário padrão do campo complexo. (B) padrão de fase definida pelo usuário do campo complexo. (C) Interferograms associada com a fase baseada na polarização, deslocando a técnica desenvolvida em quatro etapas e obtidos após a adição de 0, π/2, π e 3π/2 para o elemento de fase α(x,y). (D) padrão de amplitude experimental obtido. (E) obtido experimental fase padrão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Neste protocolo, parâmetros práticos como a largura de pixel do SLM somente fase ou o número de pixels contido dentro das células de pixel de um padrão gerado pelo computador são pontos-chave para implementar com êxito o método de codificação. Em passos 1.2, 1.3 e 1.4 do protocolo, quanto menor a largura de pixel, melhor a resolução espacial dos padrões obtidos de amplitude e fase. Além disso, como a codificação para o SLM das modulações de fase de pixel a pixel abruptas pode originar-se respostas de fase inesperado (interferência de pixel), a construção de padrões de xadrez (conforme descrito na etapa 1.3) deve ser vinculada para o incremento do número de pixels dentro de células de pixel. A principal razão para isso é a atenuar os efeitos do crosstalk pixel sobre a amplitude obtida e padrões de fase. No entanto, ao aumentar o número de pixels dentro das células de pixel, a resolução espacial dos padrões gravado campo complexo umobtida(x,y) e φobtida(x,y) é diminuiu. Daí, ter alta resolução espacial Sims com larguras de baixa pixel permite reduzir efeitos de interferência possível, sem perder resolução espacial significativa nos padrões de fase e amplitude obtida.
Além disso, no passo 1.2.3 do protocolo, a fase do complexo campo definida de - π/2 para π/2. A principal razão para a criação de tal escala de fase é gerar uma fase elemento α(x,y) que varia de - π a π, que pode ser implementado em um SLM com 2 π de intervalo de fase. No entanto, se o intervalo de fase do SLM disponível for maior que 2 π, a fase do complexo campo poderia ser definida dentro de uma faixa estendida (por exemplo: para φ(x,y), variando de - π para π, o elemento de fase α(x, y ) podem variam de - 3π/2 3π/2, e, consequentemente, o intervalo de fase do cartão Sim deve ser, pelo menos, 3π).
As características do raio laser também poderiam influenciar os resultados do método de codificação. Especial atenção para os passos 2.1-2.4, definindo a direção certa polarização, colimação e transversal tamanho do feixe de laser, antes de seguir as etapas restantes do protocolo. Além disso, como fase somente Sims são basicamente difrativo dependente de dispositivos ópticos baseados sobre o fenômeno de interferência, é necessário o uso de raios laser com coerência espacial alta/boa.
Por outro lado, em vez de iluminação pulsada quase monocromática, ultracurtos também permite a obtenção de bons resultados. Neste caso, os diferentes componentes espectrais do pulso são fase modulada (de maneira muito similar), apenas com o elemento de fase única α(x,y). Aqui, para mostrar o efeito de uma fonte de luz de banda larga sobre o método de codificação, repetimos todas as etapas do protocolo, mas desta vez para radiação Pulsada (um pulso ultracurtos de cerca de 12 fs FWHM, centrado em 800 nm de largura de banda espectral de 100 nm FWHM, emitida por uma Ti modo bloqueado : Safira laser do femtolaser, a uma taxa de repetição de 75 MHz). Os resultados são mostrados na Figura 4. Observe que, devido a mistura de diferentes componentes espectrais do pulso, os padrões recuperados são muito perto os esperados.
Figura 4: resultados experimentais representativos sob iluminação pulsada ultracurtos. (A) amplitude definida pelo usuário padrão do campo complexo. (B) padrão de fase definida pelo usuário do campo complexo. (C) Interferograms associada com a fase baseada na polarização, deslocando a técnica desenvolvida em quatro etapas e obtidos após a adição de 0, π/2, π e 3π/2 para o elemento de fase α(x,y). (D) padrão de amplitude experimental obtido. (E) obtido experimental fase padrão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Raios laser são intrinsecamente complexos campos, então em aplicações de maior potenciais, um deve ser capaz de modificar a sua amplitude e fase, simultaneamente. O presente método permite fazer isso por meio de um elemento de fase monofásica (implementado ou não em uma só fase SLM). Acreditamos que, num futuro próximo, esse método poderia ser empregado, por exemplo, o caminho da iluminação de microscópios9,10 para a excitação simultânea de linear e não linear de diferentes zonas de amostras biológicas, ou em paralelo microprocessamento11,12 de materiais. Em ambas as aplicações o papel de modulação em amplitude é aparente, entretanto modulação de fase pode ser utilizada, ao mesmo tempo, para a compensação das aberrações ópticas no plano de amostra ou de transformação. Finalmente, deve ser mencionado que o método de codificação descrito com o presente protocolo não é limitado à utilização de Sims. fixo fase elementos α(x,y) construído com outras técnicas (por exemplo: fotolitográfica técnicas) podem ser uma forma diferente, mas igualmente válida opção para implementar este protocolo.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Esta pesquisa foi apoiada pela Generalitat Valenciana (2016 PROMETEO-079), Universitat Jaume eu (UJI) (UJIB2016-19); e o Ministerio de Economía y competitividade (MINECO) (FIS2016-75618-R). Os autores são muito gratos a SCIC da Universitat Jaume I para o uso do femtosecond laser.
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).
