Summary
Biz bir tek fazlı öğesini kullanarak lazer ışınları karmaşık alan kodlamak nasıl göstereceğim. Bir ortak yol Girişmölçeri nihayet istenen karmaşık alan desen bir optik görüntüleme sistemi çıktısını almak için sadece faz bir kayma ışık modülatörü içine görüntülenen faz bilgi karıştırmak için istihdam edilmektedir.
Abstract
Bu makalenin amacı görsel olarak tutarlı lazer radyasyon ile ilişkili karmaşık alanlar kodlama dalgaboyu bir yöntem kullanımını göstermektir. Yöntem iki tek tip dalgalar, daha önce bir salt faz mekansal ışık modülatörü (SLM) onların aşamalarını uzamsal çoklama tarafından kodlanmış tutarlı toplamı temel alır. Burada, girişim işlemi ışık Fourier uçak görüntüleme sisteminin belirli frekanslarda kayma süzme yoluyla yapılır. Bu yöntem doğru uygulanması rasgele faz ve genlik bilgi optik sistem çıktısı alınmasını sağlar.
Doğrudan işleme algoritması (değil bir yinelemeli döngüsündeki gibi) ile bir eksen üzerinde tercihan--dan eksen dışı kodlama tekniği ve tutarlı gürültü (çil) ücretsiz. Karmaşık alan optik sistemi, çözünürlük frekans filtre uygulama işlemi nedeniyle kaybı dışında çıkışını, tam olarak alındı olabilir. Yöntemin ana sınırlama yetersizlik SLM yenileme hızı yüksek frekans fiyatlara işletmek için geliyor olabilir. Uygulamaları içerir, ancak doğrusal ve doğrusal olmayan mikroskobu, ışın şekillendirme veya lazer mikro-malzeme yüzeyleri işlenmesi için sınırlı değildir.
Introduction
Işık optik wavefront yönetimi ile yakın ilişki içinde hemen hemen tüm Lazer uygulamalardır. Paraxial yaklaşım lazer radyasyon ile ilişkili karmaşık alan iki dönem, genlik ve faz tarafından tanımlanabilir. Bu iki dönem denetiminizden olduğunu zamansal ve lazer ışınları kayma yapısını değiştirmek için gerekli olacaktır. Genel olarak, genlik ve lazer ışını aşaması düzgün optik bileşenlerinin kullanımı da dahil olmak üzere çeşitli yöntemlerle bu aralıktaki tek toplu lensler, ışın kırma ve aynalar mekansal ışık ya da deforme aynalar gibi en karmaşık cihazlara değiştirilebilir modülatörler. İşte, kodlama ve tutarlı lazer ışınları, Çift fazlı hologram teorisi1üzerinde dayalı karmaşık alanında ve bir ortak yol Girişmölçeri kullanımı yeniden yapılandırma yöntemi göstermektedir.
Günümüzde çok çeşitli lazer ışınları2,3,4,5karmaşık alanlar kodlamak için yöntemler bulunmaktadır. Bu bağlamda, faz ve genlik Modülasyonu üretmek için köklü bazı yöntemler dijital hologram6kullanımı güveniyor. Tüm bu yöntemler bir ortak SLM sergilenen ışığın yansıması gelen sıfırıncı siparişinden istediğiniz çıktı ışın ayırmak için bir kayma uzaklığı oluşturma gerekliliğini noktasıdır. Bu Yöntemler temel olarak (genellikle ızgara ilk kırınım sırasını uygulamak), eksen dışı faz ızgara sadece faz kodlamak için aynı zamanda gerekli genlik Modülasyonu tanıtmak için istihdam. Özellikle, genlik Modülasyonu dağınık şekilde açıkça kırınım verimliliği alçaltır ızgara yüksekliği düşürerek gerçekleştirilir. Hologram yeniden yapılanma süreci çoğunlukla yaklaşık ama değil tam bir yeniden yapılanma genlik ve fazlı istenen karmaşık alanının alır. Teori ve deney arasındaki farklılıkları bir yanlış genlik bilgi hem de ilk kırınım siparişinin veya SLM pixilation etkileri nedeniyle kayma süzme sırasında oluyor diğer deneysel sorunları kodlama üzerinden görünür gibi görünüyor. Buna ek olarak, giriş ışınının yoğunluğunu profil çıkış gücü kısıtlamalar ortaya çıkarabilir.
Buna ek olarak, ile tanıtılan Yöntem7, tüm ışık yönetimi eksen üzerinde deneysel bir bakış açısından çok uygun olduğu kabul edilmiştir. Ayrıca, dikkate alınarak, paraxial yaklaşık iki tek tip dalgalar bir toplamı olarak lazer ışınları ile ilişkili karmaşık alan yararlanır. Bu tek tip dalgalar girişim tarafından synthetized genlik bilgilerdir. Uygulamada, böyle bir girişim Fourier uçak görüntüleme sisteminin hafif frekanslarda kayma süzme yoluyla gerçekleştirilir. Daha önce tek tip dalgaları ile ilgili faz desen dağınık şekilde multiplexed ve sadece faz SLM (Bu görüntüleme sisteminin giriş uçağa yerleştirilen) içine kodlanmış. Bu nedenle, tüm optik kurulum bir ortak yol Girişmölçeri (çok mekanik titreşimler, sıcaklık değişiklikleri veya optik misalignments karşı sağlam) olarak kabul edilebilir. Unutmayın, yukarıda belirtilen girişim işlemi alternatif olarak diğer optik düzenleri kullanılarak yapılabilir: sadece faz SLMs düzgün yerleştirilmiş tipik bir iki kollu Girişmölçeri içinde veya ardışık olarak kodlama zaman bir çift ile ikinci aşama kalıpları içine SLM (Optik Kurulum başvurusu aynaya önceki giriş). Her iki durumda da, kayma filtreleme zorunluluktur ve optik sistemi, hem de hizalama işlemi karmaşıklığı artan pahasına uzaysal çözünürlük, sonuç olarak hiçbir kaybı yoktur. Burada, aynı zamanda bu kodlama yöntemini kullanarak, istenen karmaşık alan tam spektrum tam olarak alındı , Fourier uçak tüm kırınım siparişleri ama sıfırıncı bir süzme sonra olabilir vurgulanmalıdır.
Öte yandan, yönteminin etkinliğinin çeşitli faktörlere bağlıdır: SLM (örneğin, Dolgu faktörü, yansıtma veya kırınım verimliliği), kodlanmış desen ve hangi ışık gelmesi üzerine yol boyutunu üreticinin özellikleri SLM (yansıması bir küçük vurma açı veya bir ışın ayırıcı kullanarak normal insidans ile). Bu noktada, uygun deneysel koşullar altında ölçülen toplam ışık verimi % 30 daha fazla olabilir. Ancak, sadece SLM kullanımı nedeniyle toplam ışık verimi % 50'den az olabilir unutmayın. Rasgele eksikliği veya difüzör öğeleri içinde optik kurulum sağlar tutarlı gürültü (çil) olmadan genlik ve faz kalıpları alınıyor. Yinelemeli yordamlar ve keyfi ve bağımsız genlik ve faz modülasyonu frekansta biçimde gerçekleştirememesine SLM zaman (ilâ yenilemek yerine doğrudan kodlama algoritma kullanımı işaret etmek diğer önemli yönleri vardır yüzlerce hertz mevcut teknoloji göre).
Prensip olarak, yöntem7 giriş uçak dalgaları ile kullanılmak üzere tasarlanmıştır, ancak bununla sınırlı değildir. Örneğin, Eğer bir Gauss ışını SLM vuruyor, SLM uygun genlik desen kodlayarak çıkış sistemi, onun olma şekli değiştirmek mümkündür. Çıktı ışın yoğunluğunu bu enine herhangi bir pozisyonda (x, y) giriş demetinin uzun olamaz, ancak, genliği şekillendirme kısmen yıkıcı girişim işlemi tarafından oluşturulan yoğunluğu kayıplar gerçekleştirilir.
Kodlama yöntemi7 altını teorisi aşağıdaki gibidir. Form U(x,y)= A(x,y)eφben(x,y) temsil herhangi bir karmaşık alan olarak yeniden yazılabilir:
(1)
nerede
(2)
(3)
1-3, genlik ve faz iki boyutlu kompleks denklemlerde U(x,y)A tarafından verilir(x,y) ve φ(x,y), sırasıyla alan. Unutmayın, biren fazla (maksimum) A(x,y) ve B şartlar = birmax/2 enine koordinatlarına bağlı değildir (x,y). Biz ayarlarsanız teorisi üzerinden birmax2, sonra B = =1. Bu nedenle, karmaşık alan U(x,y), basit bir şekilde elde edilebilir, tek tip dalgalar benϑolmak(x,y) ve tutarlı toplamına olmak iθ (x,y). Uygulamada, bu bir görüntüleme sisteminin giriş uçağa yerleştirilen bir tek fazlı öğe α(x,y), oluşan bir ortak yol Girişmölçeri ile gerçekleştirilir. Monofaze öğe faz şartları ϑ(x,y) uzamsal çoklama tarafından inşa edilmiştir
ve θ (x,y) iki boyutlu ikili kafes bezi (dama desenleri) yardımıyla M1(x,y) ve M2(x,yaşağıdaki gibi)
(4)
Bu nedenle,
(5)
Bu ikili kalıpları yerine getirmek koşulu M1(x,y) + M2(x,y) = 1. Aşama öğeαiçinde (x,y) yer alan bilgiler karıştırmayın Eğer üniforma dalgalar girişim mümkün değil, dikkat edin. Mevcut yönteminde, bu kayma filtre tüm kırınım siparişleri ama sıfırıncı bir engelleyebilir kullanarak yapılır. Bu şekilde, Fourier uçak, spektrum H(u,v), filtre uygulama işlemi sonraF ={eiα(x,y)} kodlanmış aşaması işlev ifade tarafından karmaşık alan Fspektrum {U(x,y)} için ilişkili olduğunu
(6)
EQ (6), içinde (u,v) bir verilen işlevi Θ(x,y) Fourier dönüşümü formunda gösterilir ise P(u,v) kayma filtre için tutar koordinatları frekans etki alanında göstermek F {Θ(x,y)}. EQ (6), dan, görüntüleme sistemi (olmadan sürekli faktörler göz önüne alınarak) tarihinde erişilmiştir karmaşık alan URET(x,y), çıkış boyutunda, takip, evrişim tarafından büyütülmüş ve dağınık şekilde verilir karmaşık alan U(x,y) filtre maskesi Fourier dönüşümü ile ters. Yani:
(7)
EQ (7), evrişim işlem simgesi ile gösterilir 
ve Mag temsil eden görüntüleme sistemi büyütme terimi. Bu nedenle, genlik ve U(x,y) aşaması tamamen alınmadan Uzaysal Çözünürlük evrişim işlemi nedeniyle kaybı dışında çıkış uçak.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. tek fazlı öğesinin içine karmaşık alan kodlama
- SLM teknik özellikleri, kendi uzamsal çözünürlük (Örneğin 1920 piksel x 1800 piksel) bulun.
- Tanımlamak ve faz φ(x,y) desenler dijital görüntü olarak istenen genlik A(x,y) oluşturma.
- Yukarıda belirtilen Uzaysal Çözünürlük dijital görüntüler bu SLM ekranın değerine ayarlayın.
- Yukarıda belirtilen dijital görüntüler gri düzeyi biçiminde ayarlayın.
- 0 dan 255 ve - π/2 π/2, sırasıyla genlik ve faz görüntülerin minimum ve maksimum değerlerini ayarlar.
- Ayarla birmax = 2 denklemdeki 2 ve 3 ve bilgisayar oluşturmak-faz desenleri ϑ(x,y) ve θ, (x,y) onlardan.
- Bilgisayar dama desenleri M1(x,y) ve M2(x,y) oluşturur.
- Bu dama desenleri uzaysal çözünürlük bu SLM ekranın değerine ayarlayın.
- Piksel crosstalk etkisini azaltmak için dama desenleri M1(x,y) ve sahip farklı piksel hücrelerle inşa M2(x,y) diğer çiftleri oluşturmak bir artan piksel sayısını (örneğin: 2 x 2, 3 x 3 ve 4 x 4 piksel hücreleri, vs).
Dikkat: piksel hücre artan zaman dama tahtası kalıplarının piksel sayısı değişmeden ve SIM uzaysal çözünürlük eşit tutulması gerekir. Son kaç piksel tüm dama desenleri aynı piksel hücrelerine değiştirdikten sonra kalmasını sağlamak.
- Bilgisayar 5 denklemden Monofaze öğe α(x,y) oluşturur.
Not: Adım 1 Bu protokol üzerinde ilgili görevler için "MATLAB_code_1.m" adlı ek bilgileri konusuna bakın.
2. karmaşık alan inşası
- Collimated, doğrusal polarize ve dağınık şekilde tutarlı lazer ışını bir ışık kaynağı olarak kullanın.
- Sadece faz SLM ile en az kullanmak 2π faz aralığı.
- Gerekli olduğunda uygun ışın genişletici SLM ekran boyutu için ışın boyutunu ayarlamak için kullanın.
- Gerektiğinde, optik bir polarize lazer ışını polarizasyon için yatay yöndeki ayarlamak için kullanın. Bu genellikle dikey bileşenlerinden değişmeden tutmak genellikle yatay yönde salınım elektromanyetik alan kayma aşaması modüle üzere tasarlanmıştır, salt faz SLMs, düzgün çalışması için önemlidir.
- Bir faz desen için SLM göndermek için standart iletişim protokolleri bağlanıp SLM bilgisayarla kontrol SLM'ın üretici tarafından verilen izleyin.
Not: Bu amaçla genel protokol SLM elektronik kontrol ünitesi voltaj seviyelerine sonunda dönüştürür gri düzeyine olanlar, radyan (nedeniyle matematiksel işlemler açıları ile) değerleri dönüştürmek için bir kalibrasyon eğrisi kullanımını içerir. SLM kendi ekran ile dış aygıt olarak bilgisayara bağlı olarak, Ayrıca, bir bilgisayar ekranı genellikle gerekli, hem de bu ilave ekrana karşılık gelen gri düzeyi görüntüleri göndermek için uygun bir program uzantısıdır. Bu kodları örneği ayrıca ek malzeme olarak bulunur (lütfen, bkz: MATLAB_code_2.m). - Alet bir görüntü optik sistem ve bu sistem giriş düzlemde SLM görüntüsünü koydu.
- Refraktif lens odak uzaklığı f (4f optik sistem Ayrıca bu görev için geçerli) bir 2f x 2f optik görüntü sistemi oluşturmak için kullanın. Karmaşık alan, demet genişliği, ışığın dalga boyu ve kullanılabilir fiziksel alan beklenen çıktı boyutu uygun olarak, lens/lens uygun teknik özellikleri (örneğin, kaplama, boyutu, odak uzaklığı, vb) ile istihdam.
- Görüntüleme sistemi çıkış boyutunda konumunu bulmak için faz desen α(x,y) için SLM göndermek ve görsel olarak kaydedilen görüntü (bağlı olarak kamera konumu) ile en iyi Uzaysal Çözünürlük arayabilirsiniz.
Dikkat: düşük boyutlu piksel hücreleri (örneğin, 1 x 1 piksel) ve piksel genişliği birkaç mikron (örneğin, 8 µm) olan SLM görüntüler söz konusu olduğunda, sadece ışın yayma yeniden oluşturulan görüntüler elde kodlanmış Tekdüzen dalgalar arasında girişime yol açabilir dairesel Iris görüntüleme sistemi dahil olmadan. Düşük boyutlu piksel hücreleri çıkış uçağın konumunu bulmak için kullanın. - Değişken çapında dairesel bir Iris optik sistem Fourier uçağa yerleştirin ve bu lazer ışını odak ile onun ortaya Hizala.
- Dairesel Iris Fourier uçak adlı boyutunu ayarlamak için faz desen α(x,y) göndermek ve görsel olarak en iyi Uzaysal Çözünürlük (bağlı olarak dairesel gözü çapı) kaydedilen görüntüyü arayabilirsiniz.
Uyarı: uzun-boyutu piksel hücreleri (örneğin, 4 x 4 piksel hücreleri) söz konusu olduğunda, kodlanmış Tekdüzen dalgalar arasında girişime temelde mekansal filtre ile yapılır. Dairesel Iris boyutunu ayarlamak için uzun-boyutu piksel hücresini kullanın. Bu protokol için şartları düşük boyutlu ve uzun-boyutu piksel piksel hücre içinde yer için adlandırılır. Ancak, yukarıda belirtilen girişim de piksel genişliği bağlıdır. SLMs piksel genişlikleri eşit veya daha az 8 µm ile istihdam.
- Aşama öğe α(x,y) SIM için karşılık gelen gri düzey görüntü göndermek.
- Crosstalk etkisini en aza indirmek için daha yüksek uzaysal çözünürlük ile kaydedilen görüntü elde sağlayan en iyi piksel hücre boyutu arayın.
3. ölçü yeniden oluşturulan karmaşık alan
- Teknik8değişen polarizasyon tabanlı faz uygulamak.
- Yerleştirin ve ilk optik polarize yüzey, sadece SLM daha önce yer alan, döndürme açısını hizalamak (bkz. Şekil 2). İlk polarize döndürme açısını ayarlamak için görsel olarak en çok ve en az ışık geçirgenliği (görüntüleme sistemi çıktı uçağa yerleştirilen) CCD kamera, polarize dünyanın dönüşüne bağlı olarak arayın. Polarize iki karşılık gelen açı yazmak. Son açısını polarize iki önceki kaydedilen açıları arasında düzeltmek.
- Yerleştirin ve görüntüleme sistemi Fourier uçak kazasından bulunan ikinci optik polarize döndürme açısını hizalamak (bkz. Şekil 2). İkinci polarize döndürme açısını ayarlamak için görsel olarak CCD kamera (görüntüleme sistemi çıktı uçağa yerleştirilen) keskin ve en bulanık görüntüleri aşama desen α(x,y) için SLM gönderdikten sonra arayın. Polarize iki karşılık gelen açı yazmak. Son açısını ikinci polarize önceki kaydedilen açıları arasında düzeltmek.
- Kayıt interferograms.
- CCD kamera görüntüleme sistemi çıktı uçakta tutmak.
- İlk interferogram kaydetmek için bir matris 0 radyan aşama öğe αiçin (x,y) ekleyin ve SLM için gönderin. Kayıt karşılık gelen görüntü ben1(x,y) ile CCD.
- İkinci interferogram kaydetmek için bir matris π/2 radyan aşama öğe αiçin (x,y) ekleyin ve SLM için gönderin. Kayıt karşılık gelen görüntü ben2(x,y) ile CCD fotoğraf makinesi.
- Üçüncü interferogram kaydetmek için bir matris π radyan aşama öğe αiçin (x,y) ekleyin ve SLM için gönderin. Kayıt karşılık gelen görüntü ben3(x,y) ile CCD fotoğraf makinesi.
- Dördüncü ve son interferogram kaydetmek için bir matris 3π/2 radyan aşama öğe αiçin (x,y) ekleyin ve SLM için gönderin. Kayıt karşılık gelen görüntü ben4(x,y) ile CCD fotoğraf makinesi.
- Karmaşık alan yeniden.
Not: Bu noktada Protokolü'nün ilgili görevler için "MATLAB_code_3.m" adlı ek bilgileri konusuna bakın.- İfade kullanarak karmaşık alan (x,y) biralındıgenliği almak
(8) - İfade kullanarak karmaşık alan (x,y) φalındıaşaması almak
(9)
- İfade kullanarak karmaşık alan (x,y) biralındıgenliği almak
(8)
(9)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kayma istihdam salt faz SLM bir piksel aralığı 8 µm ile 1920 piksel x 1080 piksel çözünürlüğüdür. Seçili genlik A(x,y) ve faz φ(x,y) karmaşık alanının iki farklı gri düzey görüntü iyi bilinen Lenna'nın resim (genlik deseni) ve genç bir kız için karşılık gelen tarafından tanımlanır dilini (faz deseni), sırasıyla yapışmasını. Genel olarak, gerekli desen üretimi hem de SLM kontrolü için Matlab kodları kullanılmaktadır. Bu görüntülerin Uzaysal Çözünürlük 1920 piksel x 1080 piksel olarak ayarlanmış. Daha sonra denklemler 2 ve 3 faz desenleri ϑ(x,y) ve θ(x,y) belirlemek için birMaksimumiçin kullanılır = 2. Amax için verilen sayısal değer o dönem B garantilerine, Not = 1 ve sonuç olarak, EQ (1) tarafından açıklanan U(x,y) iki tek tip dalgalar halinde toplamı olarak anlaşılır karmaşık alan en basit şekliyle U(x,y) = ebenϑ(x,y) + eiθ(x,y). Şimdi, ikili dama desenleri M1(x,y) ve M2(x,y) (artan piksel Cep boyutları), eşit Uzaysal Çözünürlük (1920 piksel x 1080 ama farklı çift piksel), oluşturulan bilgisayar vardır. Özellikle, 1 x 1, 2 x 2, 3 x 3 ve 4 x 4 piksel hücrelerinin uydurdum dama desenleri dijital olarak bafllar Matlab işlevi kullanılarak inşa edilir. Tüm yukarıda belirtilen desen A(x,y), φ(x,y), ϑ(x,y), θ(x,y), M1(x, y), ve M2(x,y) sırasıyla A, B, C, D, E ve F / Şekil 1, bölümlerinde gösterilir. E ve F ve sadece dama desenleri yapısını daha iyi bir görselleştirme için 240 piksel x 240 piksellerinin kurucu piksel hücrelerdir. EQ 5, faz elemanları α(x,y) önceden tasarlanmış dama desenleri her çift için bir dizi dijital olarak inşa edilir.
Şekil 1: bilgisayar oluşturulan tanıtılan kodlama yöntemi ile ilişkili desen. (A) Kullanıcı tanımlı genlik desen karmaşık alanının. (B) Kullanıcı tanımlı faz desen karmaşık alanının. (C) ilk Tekdüzen dalga denklemi 1 içinde karşılık gelen faz desen. (D) ikinci Tekdüzen dalga denklemi 1 içinde karşılık gelen faz desen. (E) ilk dama tahtası deseni denklem 4 ile açıklanan örnekleme işlemi takip. (F) ikinci dama tahtası deseni denklem 4 ile açıklanan örnekleme işlemi takip. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Aşama öğe α(x,y) sadece faz SLM ve girişim gönderildikten sonra bu noktada, beklenen karmaşık alan U(x,y) deneysel bir görüntüleme sisteminin çıkış uçakta alınabilir kodlanmış Tekdüzen dalgalar arasında yer alır. Bu girişim gerçekleştirmek için mekansal filtre (örneğin, bir dairesel Iris) tüm frekanslar ama sıfırıncı bir görüntüleme sistemi (Şekil 2) Fourier boyutunda, blok boyutu ayarlanır.
Şekil 2: kodlama yöntemini yerine getirmek için kullanılan optik Kur. Görüntüleme sistemi oluşan bir kayma ışık modülatör (SLM), kiriş splitter (BS) ve tek refraktif lens (L) odak uzunluğu 200 mm. Fourier uçak dahil kayma filtre (SF) olarak sıfır biri hariç tüm frekanslar engellemek için istihdam bir zor Iris. Buna ek olarak, çıkış görüntüleme sistemi boyutunda bir kamera (CCD) genlik desenleri kaydetmek için ve interferograms yer alıyor. Sadece teknik değişen polarizasyon tabanlı faz aracılığıyla oluşturulan karmaşık alan ölçmek için bir çift optik polarize (P) vardır düzgün optik kurulum içinde bulunduğu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Işık kaynağı, bir Ti: Safir lazer osilatör (çalışma modu dışında yaklaşık 10 nm yoğunluğu tam genişliği yarım maksimum (FWHM) bir yarı tek renkli lazer radyasyon yayarlar durumu kilitli ve merkezli 800 nm) istihdam edilmektedir. Buna ek olarak, lazer ışını ile SLM ekran (8.64 cm x 15.36 cm) hemen hemen tüm etkin alanı doldurmak için bir ticari 5 x teleskop ışın genişletici kullanılır. Lazer ışını (normal olayda) SLM görüntülemek için bir film tabakası ışın ayırıcı aracılığıyla gönderilir. Refraktif lens odak uzunluğu 100 mm 200 mm SLM sonra yerleştirilen ve SLM geri yansıyan lazer ışını optik eksen ile ilgili olarak hizalanmış. Görüntüleme sistemi çıkış boyutunda konumunu bulmak için CCD görüntü A(x,y) kaydedilen kamera bulundu. (1 x 1 piksel hücreleri ile oluşan) aşama öğe α(x,y) için SLM gönderildikten sonra bu yapılır. Sonra bir dairesel Iris optik sistem Fourier uçağa yerleştirilen ve lazer ışını odağı ile ilgili olarak hizalanmış. Daha iyi görüntü yeniden yapılanma CCD kamera görsel denetim elde edilir kadar Ayrıca, dairesel Iris boyutunu ayarlamak için çapına zengindir. Bu amaç için (dijital olarak 4 x 4 piksel hücrelerle inşa) aşama öğe α(x,y) daha önce SLM için gönderildi. Piksel crosstalk etkisini en aza indirmek için daha yüksek uzaysal çözünürlük CCD görüntü içinde görüntü elde sağlayan en iyi aşama öğe α(x,y) (bağlı olarak piksel hücre boyutu) bulunur.
İstenen karmaşık alan görüntüleme sistemi çıkış boyutunda yeniden teyit amacıyla, teknik değişen zaten mezkur polarizasyon tabanlı faz, genlik ve faz ölçmek için kullanılır. Polarize p (bir SIM ve bir tane daha önce görüntüleme sistemi çıktı uçak kazasından yerleştirilir) birkaç düzgün hizalanır, optik içinde yapmak için (bkz: Şekil 2), aşağıdaki yordamı'nın adımlarında 3.1.1 ve 3.1.2 açıklanan kur iletişim kuralı. O zaman, teknik değişen dört adımlı faz ile ilişkili interferograms ben1(x,y), ben2(x, y), ben3(x, y) ve4(x, y) (zaten çıktı uçağa yerleştirilen CCD kamera ile kaydedilen görüntüleme sistemi). Burada, bu dört bu interferograms 0, eklenmesinden sonra kamera ile kaydedilir çekilmesine π/2, π ve 3π/2 faz öğe α(x,y) ile (adımları 3.2.2 - 3.2.5 protokolünün Ayrıntılar için bakınız). Son olarak, 8 ve 9 denklemler kullanılarak, genlik ve yeniden oluşturulan karmaşık alan aşaması alınabilir. Bu deneme için sonuçları Şekil 3' te gösterilmektedir.
Şekil 3: temsilcisi deneysel sonuçlar yarı tek renkli aydınlatma altında. (A) Kullanıcı tanımlı genlik desen karmaşık alanının. (B) Kullanıcı tanımlı faz desen karmaşık alanının. (C) Interferograms dört adımda geliştirilen ve 0, ekledikten sonra elde edilen teknik değişen polarizasyon tabanlı faz ile ilişkili π/2, π ve 3π/2 faz öğe α(x,y) için. (D) erişildi deneysel genlik desen. (E) erişildi deneysel desen aşama. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu protokol için pratik olarak sadece faz SLM veya bilgisayar tarafından oluşturulan bir desen piksel hücrelerin içinde bulunan piksel piksel genişliğini başarıyla kodlama yöntemini uygulamak için kilit noktaları parametreleridir. Adımda alınan genlik ve faz kalıplarının 1.2, 1.3 ve 1.4 protokol, kısa piksel genişlik, daha iyi Uzaysal Çözünürlük. Ani piksel piksel faz modülasyon SLM içine kodlama beklenmeyen faz yanıt (piksel crosstalk) gerçekleşebilir gibi buna ek olarak, (1.3 adımda anlatıldığı gibi) Dama desenleri inşaatı için artışını bağlanması gerektiğini piksel piksel hücrelerdeki sayısı. Bunun için ana tarihinde erişilmiştir genlik ve faz desenleri piksel crosstalk etkileri azaltmak için nedenidir. Ancak, piksel piksel hücrelerdeki artırıldığında, kaydedilen karmaşık alan desenleri (x,y) biralındıve (x,y) φalındıUzaysal Çözünürlük olduğunda azalmıştır. Bu nedenle, yüksek uzaysal çözünürlük SLMs düşük piksel genişliği olan olması mümkün crosstalk etkileri, önemli Uzaysal Çözünürlük tarihinde erişilmiştir genlik ve faz desenleri kaybetmeden azaltmak sağlar.
Ayrıca, protokol adım 1.2.3, π/2 π/2-karmaşık alan aşamasında tanımlanır. Böyle faz dizi ayarlamak için temel nedeni bir aşama öğe α(x,y) - π bir SLM 2π faz aralığının ile içine uygulanan π arasında değişen üretmektir. Kullanılabilir SLM faz dizi 2π büyükse, ancak, karmaşık alan aşaması bir genişletilmiş aralığı içinde tanımlanabilir (örneğin: φ(x,y) - π π, aşama öğe α(x, yarasında değişen için ) aralığı - 3π/2 3π/2 olabilir ve sonuç olarak SLM faz dizi, en az 3π olmalıdır).
Lazer ışını özellikleri ayrıca kodlama yöntemini sonuçlarını etkileyebilir. Özel adımları 2.1-2.4, ayarı doğru polarizasyon yönü, kolimasyon ve lazer ışını enine boyutunu Protokolü'nün kalan adımları izlemeden önce dikkat. Ayrıca, sadece faz SLMs temelde diffractive bağımlı optik aygıtlar girişim fenomen üzerinde dayalı olarak, lazer ışınları ile yüksek/iyi kayma tutarlılık kullanmak gereklidir.
Öte yandan, yarı tek renkli, ultrashort pulsed aydınlatma yerine de iyi sonuçlar almak sağlanır. Bu durumda, darbe farklı spektral bileşenleri (çok benzer bir şekilde) sadece monofaze öğe αile (x,y) modülasyonlu aşama vardır. Burada, kodlama yöntemini bir geniş bant ışık kaynağı etkisini göstermek için biz ama bu sefer pulsed radyasyon için iletişim kuralının tüm adımları tekrar (yaklaşık 12 fs ultrashort bir darbe FWHM, merkezli 800 nm, spektral bant genişliği 100 mod kilitli Ti tarafından yayılan nm FWHM, : Safir lazer 75 MHz tekrarlama oranı femtolaser). Sonuçları Şekil 4' te gösterilmiştir. Farklı spektral bileşenlerin darbesinin karışımı nedeniyle, alınan desenler çok beklenen yakın olanlar, dikkat edin.
Şekil 4: temsilcisi deneysel sonuçlar ultrashort pulsed aydınlatma altında. (A) Kullanıcı tanımlı genlik desen karmaşık alanının. (B) Kullanıcı tanımlı faz desen karmaşık alanının. (C) Interferograms dört adımda geliştirilen ve 0, ekledikten sonra elde edilen teknik değişen polarizasyon tabanlı faz ile ilişkili π/2, π ve 3π/2 faz öğe α(x,y) için. (D) erişildi deneysel genlik desen. (E) erişildi deneysel desen aşama. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
En olası uygulamalarında bir onların genlik ve faz, aynı anda değiştirmek gerekir bu yüzden lazer ışınları özünde karmaşık, alanlardır. Bir tek fazlı öğe (uygulanan veya değil sadece faz SLM) aracılığıyla bunun için mevcut yöntemi sağlar. Yakın bir gelecekte, bu yöntem, mikroskoplar9,10 eşzamanlı doğrusal ve doğrusal olmayan uyarma Biyolojik örneklerin farklı bölgeleri için aydınlanma yolundaki örneğin veya paralel olarak istihdam olabilir, biz inanıyoruz malzemelerin mikro işleme11,12 . Her iki uygulama genlik Modülasyonu rolü açıkça görülür, bu arada faz modülasyonu, aynı zamanda örnek/işleme uçak, optik aberasyonları tazminat için yararlı olabilir. Mevcut iletişim kuralı ile açıklanan kodlama yöntemini SLMs. diğer teknikleri ile inşa faz elemanları α(x,y) sabit kullanımı sınırlı değildir belirtilmelidir son olarak, (örneğin: photolithographic teknikleri)-ebilmek var olmak farklı, ama bu iletişim kuralı uygulamak için eşit derecede geçerli seçenek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu araştırma tarafından Generalitat Valenciana (PROMETEO 2016-079), Universitat Jaume desteklenmiştir ben (UJI) (UJIB2016-19); ve "gayri resmi" de Economía y Competitividad (MINECO) (FIS2016-75618-R). Yazarlar Universitat Jaume SCIC için çok minnettar ben femtosecond lazer kullanımı için.
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).
