Die Übertragung von mehreren Signalen über eine optische Faser Mit Wavefront-Shaping

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mehrere einzelne räumlich getrennte Lichtsignale durch eine einzige Multimode-Faser zu übertragen und gleichzeitig die Lichtverzerrung durch Modenumwandlung innerhalb der Faser zu kompensieren. Diese neuartige Technik kann helfen, zentrale Fragen in der Biomedizin und Nachrichtentechnik zu beantworten, indem mehrere biologische Zellen oder Datensignalkanäle einzeln ausgesendet werden müssen. Der Hauptvorteil dieser Technik, die eine räumliche zeitliche Lichtmodulation ermöglicht, besteht darin, dass nur ein einziger räumlicher Lichtmodulator benötigt wird, um mehrere unabhängige Signale zu kalibrieren und zu übertragen.

Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf nicht-invasive Studien und prospektive Therapien oder neurologische Funktionsstörungen wie die Parkinson-Krankheit. Während die Überwachung und Steuerung von Neuronen eine Kombination mit der Verwendung von räumlichen, zeitlichen Lichtsignalen ist. Im Allgemeinen werden Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, da der Aufwand für die Ausrichtung des optischen Durchgangs hoch ist, was für eine qualitativ hochwertige Übertragung unvermeidlich ist.

Das Experiment findet auf einer optischen Bank statt. Die optischen Elemente sind bereits angeordnet. Einige Elemente werden nur zur Kalibrierung verwendet.

Dieser räumliche Lichtmodulator gehört zu den Elementen, die für die Datenübertragung auf der proximalen Seite des Aufbaus verwendet werden. Diese CCD-Kamera ist der Datensignalempfänger auf der distalen Seite. Das Datensignal wird durch diese Multimode-Glasfaser übertragen, die die beiden Seiten verbindet.

Dieses Schema gibt einen Überblick über die Apparatur und identifiziert die proximalen und distalen Elemente. Ein Laser liefert einen kollimierten kohärenten Lichtstrahl, der durch einen polarisierenden Strahlteiler gespalten wird. Verwenden Sie die Halbwellenplatten, um die beiden Strahlen auf ungefähr gleicher Leistung zu halten.

Der Objektstrahl geht auf die distale Seite. Konzentrieren Sie sich vorerst auf den Referenzstrahl, der zur proximalen Seite geht. Teilen Sie den Referenzstrahl in zwei Teile, wobei jeder resultierende Strahl einen optischen Modulator durchläuft.

Lassen Sie dann die beiden Strahlen dem gleichen Weg mit der räumlichen Trennung folgen. Während der Kalibrierung werden die Strahlen durch Licht von der distalen Seite überlagert, das durch die Multimode-Faser, ein Mikroskopobjektiv und einen linearen Polarisator geleitet wird und schließlich interferiert. Ein abschließender Strahlteiler lenkt die beiden Strahlen senkrecht auf den speziellen Lichtmodulator.

Achten Sie bei der Vorbereitung des Experiments darauf, den polarisierenden Strahlteiler so auszurichten, dass die Polarisation des Referenzstrahls mit dem polarisationsempfindlichen Raumlichtmodulator übereinstimmt. Zu Kalibrierungszwecken passieren die beiden Strahlen auch Linsen, die auf eine CMOS-Kamera fokussiert sind. Bitte beachten Sie, dass auf dem speziellen Lichtmodulator vorerst nichts angezeigt wird.

Daher wirkt der Modulator während der Kalibrierung wie ein Spiegel. Arbeiten Sie mit den beiden Linsen auf der Bank. Passen Sie ihre Position und den Abstand zwischen ihnen an.

Ziel ist es, ein scharfes Bild der speziellen Lichtmodulatorebene in der CMOS-Kamera zu erhalten. Konzentrieren Sie sich nun auf die distale Seite des Aufbaus für die Kalibrierung. Der Objektstrahl wird durch Strahlteiler und Spiegel in zwei räumlich getrennte Strahlen transformiert.

Ein weiterer Strahlteiler lenkt die Strahlen in ein Mikroskopobjektiv und von dort zu einer Linse, die auf eine CCD-Kamera fokussiert ist. Fokussieren Sie das Mikroskopobjektiv auf dem Labortisch auf das distale Ende der Multimode-Faser. Überprüfen Sie den Fokus mit dem Objektiv und der CCD-Kamera, um die Rückreflexion des Lichts von der Multimode-Faser zu beobachten.

Arbeiten Sie mit der Objektivlinse auch auf der proximalen Seite. Verwenden Sie es, um das Licht zu kollimieren, das aus der Multimode-Faser austritt. Betrachten Sie nun das Interferenzmuster an der CMOS-Kamera und arbeiten Sie daran, den Abstand der Interferenzstreifen zu ändern.

Dies geschieht durch Justieren der Spiegel und Strahlteiler in den Referenz- und Objektstrahlen. Dadurch ändert sich der Winkel, in dem sich der Objekt- und der Referenzstrahl am Raumlichtmodulator schneiden, der bei weniger als einem Grad liegen sollte. Stoppen, wenn der Abstand der Interferenzstreifen ungefähr die Größe von zwei Pixeln hat.

Arbeiten Sie abschließend mit dem linearen Polarisator und passen Sie seine Ausrichtung an die Polarisation des Objekts und der Referenzstrahlen an. Dadurch wird der maximale Kontrast im CMOS-Kamerabild erzeugt, das deutliche Farbsäume aufweist. Die erste Kalibrierungssequenz umfasst die Ermittlung der Pixelbeziehung zwischen dem räumlichen Lichtmodulator und der CMOS-Kamera.

Beginnen Sie mit dem Objektstrahl direkt nach dem polarisierenden Strahlteiler. Blockieren Sie den Objektstrahl zwischen der Halbwellenplatte und dem nächsten Strahlteiler. Arbeiten Sie anschließend mit einem der beiden Referenzstrahlen, unmittelbar nachdem sie die optischen Modulatoren passiert haben.

Blockieren Sie nur einen von ihnen, damit der Raumlichtmodulator von dem anderen beleuchtet wird. Nehmen Sie ein Bild des räumlichen Lichtmodulators mit der CMOS-Kamera auf. Verwenden Sie eine Grafiksoftware, um die Koordinaten der oberen linken Ecke des Modulators zu identifizieren, die als Ausgangspunkt für den Raumlichtmodulator dient.

Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie beide Strahlblöcke, um die Pixelbeziehung zwischen dem räumlichen Lichtmodulator und der CMOS-Kamera zu ermitteln. Die nächste Kalibriersequenz betrifft die Signalwege. An dieser Stelle sind dies die Strahlengänge.

Der erste Schritt besteht darin, den Objektstrahl zwei direkt nach zwei Strahlteilern auf seinem Weg zu blockieren. Und um den Referenzstrahl zwei nach dem Lichtmodulator zu blockieren. Verwenden Sie dann die CMOS-Kamera, um ein Bild des Hologramms aufzunehmen.

Berechnen Sie daraus die invertierte Phase im ersten Bereich des Strahls. Fahren Sie fort, indem Sie die Blöcke von den Balken entfernen. Blockieren Sie als Nächstes den ersten Objektträger und den ersten Referenzträger.

Berechnen Sie die invertierte Phase im zweiten Bereich des Strahls aus dem von der Kamera erfassten Hologramm. Stellen Sie sicher, dass Sie alle Balkenblöcke entfernen, bevor Sie fortfahren. Der Aufbau für die Übertragungsversuche ist einfacher.

Für die Signalübertragung ist keine CMOS-Kamera erforderlich und der Objektstrahl wird blockiert. Nun werden die beiden Referenzstrahlen von zwei Bereichen des Raumlichtmodulators reflektiert. Von dort gelangen die reflektierten Strahlen durch die Multimode-Faser zur CCD-Kamera.

Bereiten Sie am Computer das Bild für den Raumlichtmodulator vor. Ordnen Sie für das Bild die Bilder der Region eins und zwei invertierten Phasen an den entsprechenden Positionen an. Fügen Sie dann diese Bilder zusammen, um sie auf dem räumlichen Lichtmodulator über seinen Computergrafikanschluss anzuzeigen.

Von der Werkbank aus treffen Sie die letzten Vorbereitungen für das Experiment. Die Referenzstrahlen passieren Lichtintensitätsmodulatoren. Aktivieren Sie diese an beiden Referenzträgern, um fortzufahren.

Beobachten und zeichnen Sie am Computer die Ausgangssignale der CCD-Kamera auf. Dies sind typische Ergebnisse, die von der Kamera auf der distalen Seite aufgezeichnet werden, nachdem das Signal eine zwei Meter lange Faser durchlaufen hat. Die Bilder entsprechen nur dem Signal, dass man an ist.

Signalisieren Sie nur, dass zwei an sind. Und beide Signale sind an. Zusätzlich zu den gewünschten Peaks in jedem Bild gibt es Speckle aufgrund von Einschränkungen der digitalen optischen Phasenkonjugation.

Das Verhältnis von Spitze zu Hintergrund kann durch die Verwendung von Fasern erhöht werden, die eine größere Anzahl von Moden unterstützen. Es gibt ein Übersprechen zwischen den beiden periodischen Ausgangssignalen. Das Frequenzspektrum des Signals eins zeigt die erwartete Spitze bei der Frequenz f1 und ein kleineres bei der Frequenz f2.

In ähnlicher Weise hat das Frequenzspektrum von Signal zwei den erwarteten Peak bei f2 und ein kleineres bei f1. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, den räumlichen Lichtmodulator und die CMOS-Kamera sorgfältig miteinander zu verbinden, damit die digitale optische Phasenkonjugation funktioniert. Um dieses Verfahren zu verbessern, können modellbasierte Kalibrierungstechniken angewendet werden, um die Übertragung ohne Zugang zum distalen Ende der Faser durchzuführen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie individuelle Wellenformung für die Übertragung unabhängiger Signale durch eine Multimode-Faser anwenden können. Nach ihrer Entwicklung wird diese neuartige Technik Forschern in der Optogenetik den Weg ebnen, neurodegenerative Erkrankungen in Modellorganismen sowie in humanen induzierten pluripotenten Stammzell-abgeleiteten Neuronen oder Kardiomyozyten zu erforschen.