Transmission des signaux multiples à travers une fibre optique utilisant Wavefront Shaping

L’objectif global de cette procédure est de transmettre plusieurs signaux lumineux individuels séparés dans l’espace à travers une seule fibre multimode, tout en compensant la distorsion lumineuse par conversion de mode à l’intérieur de la fibre. Cette nouvelle technique peut aider à répondre à des questions clés en biomédecine et en ingénierie de la communication via plusieurs cellules biologiques ou des canaux de signal de données qui doivent être évacués individuellement. Le principal avantage de cette technique, qui permet la modulation temporelle spatiale de la lumière, est qu’un seul modulateur de lumière spatiale est nécessaire pour calibrer et transmettre plusieurs signaux indépendants.

Les implications de cette technique s’étendent aux études non invasives et aux thérapies prospectives ou aux dysfonctionnements neurologiques comme la maladie de Parkinson. Alors que la surveillance et le contrôle des neurones sont une combinaison de l’utilisation de signaux lumineux temporels spatiaux. En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode auront du mal à faire en raison de l’effort élevé d’alignement de la passe optique, ce qui est inévitable pour une transmission de haute qualité.

L’expérience se déroule sur un banc optique. Les éléments optiques ont déjà été disposés. Certains éléments ne sont utilisés que pour l’étalonnage.

Ce modulateur spatial de lumière fait partie des éléments utilisés pour la transmission des signaux de données du côté proximal de l’installation. Cette caméra CCD est le récepteur du signal de données du côté distal. Le signal de données circule à travers cette fibre optique multimode reliant les deux côtés.

Ce schéma donne une vue d’ensemble de l’appareil et identifie les éléments proximaux et distaux. Un laser fournit un faisceau lumineux cohérent collimaté qui est divisé par un séparateur de faisceau polarisant. Utilisez les plaques demi-onde pour maintenir les deux faisceaux à peu près à la même puissance.

Le faisceau d’objet va vers le côté distal. Pour l’instant, concentrez-vous sur le faisceau de référence qui va du côté proximal. Divisez le faisceau de référence en deux, chaque faisceau résultant passant par un modulateur optique.

Ensuite, faites en sorte que les deux faisceaux suivent le même chemin avec la séparation spatiale. Pendant l’étalonnage, les faisceaux seront superposés par la lumière du côté distal qui passe à travers la fibre multimode, un objectif de microscope et un polariseur linéaire, et finiront par interférer. Un dernier séparateur de faisceau dirige les deux faisceaux perpendiculairement au modulateur de lumière spécial.

Lors de la préparation de l’expérience, assurez-vous d’orienter le séparateur de faisceau polarisant de manière à ce que la polarisation du faisceau de référence s’aligne avec le modulateur spatial de lumière sensible à la polarisation. À des fins d’étalonnage, les deux faisceaux passent également à travers des objectifs mis au point sur une caméra CMOS. Veuillez noter que rien n’est affiché sur le modulateur de lumière spécial pour l’instant.

Par conséquent, le modulateur agit comme un miroir pendant l’étalonnage. Travaillez avec les deux objectifs sur le banc. Ajustez leur position et la distance entre eux.

L’objectif est d’obtenir une image nette du plan spécial du modulateur de lumière dans la caméra CMOS. Concentrez-vous maintenant sur le côté distal de la configuration pour l’étalonnage. Le faisceau de l’objet est transformé par des séparateurs de faisceaux et des miroirs en deux faisceaux séparés dans l’espace.

Un autre séparateur de faisceau dirige les faisceaux dans un objectif de microscope et de là vers une lentille focalisée sur une caméra CCD. Sur la paillasse, focalisez l’objectif du microscope sur l’extrémité distale de la fibre multimode. Vérifiez la mise au point à l’aide de l’objectif et de la caméra CCD pour observer la réflexion arrière de la lumière de la fibre multimode.

Travaillez également avec la lentille objective du côté proximal. Utilisez-le pour collimater la lumière sortant de la fibre multimode. Visualisez maintenant le motif d’interférence au niveau de la caméra CMOS et essayez de modifier l’espacement des franges d’interférence

Cela se fait en ajustant les miroirs et les séparateurs de faisceau dans les faisceaux de référence et d’objet. Cela modifie l’angle d’intersection des faisceaux de l’objet et de référence au niveau du modulateur spatial de lumière, qui doit être inférieur à un degré. S’arrête lorsque l’espacement des franges d’interférence est à peu près de la taille de deux pixels.

Enfin, travaillez avec le polariseur linéaire, ajustez son orientation pour correspondre à la polarisation de l’objet et des faisceaux de référence. Cela produira le contraste maximal dans l’image de la caméra CMOS qui montrera des franges distinctes. La première séquence d’étalonnage consiste à déterminer la relation des pixels entre le modulateur spatial de lumière et la caméra CMOS.

Commencez par le faisceau de l’objet juste après le séparateur de faisceau polarisant. Bloquez le faisceau de l’objet entre la plaque demi-onde et le séparateur de faisceau suivant. Ensuite, travaillez avec l’un des deux faisceaux de référence immédiatement après qu’ils aient traversé les modulateurs optiques.

Ne bloquez qu’un seul d’entre eux pour que le modulateur de lumière spatial soit éclairé par l’autre. Capturez une image du modulateur de lumière spatial avec la caméra CMOS. À l’aide d’un logiciel graphique, identifiez les coordonnées du coin supérieur gauche du modulateur, qui servira de point d’origine au modulateur spatial de lumière.

Lorsque vous avez terminé, retirez les deux blocs de faisceau pour terminer la recherche de la relation de pixels entre le modulateur de lumière spatial et la caméra CMOS. La séquence d’étalonnage suivante concerne les chemins du signal. À ce stade, il s’agit des trajets du faisceau.

La première étape consiste à bloquer le faisceau d’objets deux juste après deux séparateurs de faisceau sur son chemin. Et pour bloquer le faisceau de référence deux après le modulateur de lumière. Ensuite, utilisez la caméra CMOS pour capturer une image de l’hologramme.

À partir de là, calculez la phase inversée dans la région un du faisceau. Continuez en retirant les blocs des poutres. Ensuite, bloquez la poutre d’objet un et la poutre de référence un.

Calculez la phase inversée dans la région deux du faisceau à partir de l’hologramme capturé par la caméra. Assurez-vous de retirer tous les blocs de poutre avant de continuer. La configuration des expériences de transmission est plus simple.

La transmission du signal ne nécessite pas la caméra CMOS et le faisceau de l’objet est bloqué. Maintenant, les deux faisceaux de référence sont réfléchis par deux régions du modulateur spatial de lumière. De là, les faisceaux réfléchis passent à travers la fibre multimode jusqu’à la caméra CCD.

Sur l’ordinateur, préparez l’image pour le modulateur spatial de lumière. Pour l’image, disposez les images de la région un et deux images en phase inversée dans leurs positions correspondantes. Ensuite, assemblez ces images pour les afficher sur le modulateur de lumière spatial à l’aide de son port d’infographie.

Sur le banc, faites les derniers préparatifs de l’expérience. Les faisceaux de référence passent à travers des modulateurs d’intensité lumineuse. Activez-les sur les deux poutres de référence pour continuer.

Sur l’ordinateur, observez et enregistrez les signaux de sortie de la caméra CCD. Il s’agit de résultats typiques enregistrés par la caméra du côté distal après que le signal a traversé une fibre de deux mètres de long. Les images correspondent à un seul signal d’allumage.

Seul le signal deux est allumé. Et les deux signaux sont allumés. En plus des pics souhaités dans chaque image, il y a du chatoiement dû aux limitations de la conjugaison de phase optique numérique.

Le rapport crête/bruit de fond peut être augmenté en utilisant des fibres qui prennent en charge un plus grand nombre de modes. Il y a une diaphonie entre les deux signaux de sortie périodiques. Le spectre de fréquences du signal un montre le pic attendu à la fréquence f1 et un plus petit à la fréquence f2.

De même, le spectre de fréquences du signal deux a le pic attendu à f2 et un plus petit à f1. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de mailler soigneusement le modulateur de lumière spatial et la caméra CMOS pour que la conjugaison de phase optique numérique fonctionne. Afin d’améliorer cette procédure, des techniques d’étalonnage basées sur un modèle peuvent être appliquées pour effectuer la transmission sans accès à l’extrémité distale de la fibre.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’appliquer la mise en forme d’ondes individuelles pour la transmission de signaux indépendants à travers une fibre multimode. Après son développement, cette nouvelle technique ouvrira la voie aux chercheurs en optogénétique pour explorer les maladies neurodégénératives dans les organismes modèles ainsi que dans les neurones ou les cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites par l’homme.