בעיצוב של משרעת ושלב של קרני לייזר על-ידי שימוש של פאזה בלבד מאפנן אור מרחבי

סיכום

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.

תקציר

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.

מבוא

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 קורות^2,3,4,5. 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)e^{אניφ(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 להיות^{אניϑ(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{e^iα(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 U_RET(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.

פרוטוקול

1. קידוד את השדה מורכב לתוך רכיב חד-פאזי

1. מן המפרט הטכני של הסים, למצוא את הרזולוציה המרחבית שלה (למשל 1920 פיקסלים x 1800 פיקסלים).
2. להגדיר וצור את משרעת הרצוי A(x,y) ותבניות שלב φ(x,y) כמו תמונות דיגיטליות.
   1. הגדר את הרזולוציה המרחבית של הנ ל תמונות דיגיטליות שווה לזה של התצוגה הסים.
   2. הגדר הנ ל תמונות דיגיטליות בפורמט רמת האפור.
   3. הגדר את ערכי המינימום והמקסימום של משרעת ושלב התמונות מ- 0 עד 255 ומ - π/2 π/2, בהתאמה.
   4. הגדר _{מקסימום} = 2 במשוואות 2 ו- 3 ולהפיק המחשב-שלב דפוסים ϑ(x,y) של θ באמצעות(x,y) מהם.
3. המחשב ליצור את דפוסי לוח שחמט מ'₁(x,y) ו- M₂(x,y).
   1. הגדר את הרזולוציה המרחבית של הדפוסים הללו לוח שחמט שווה לזה של התצוגה הסים.
   2. 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.
4. 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

1. להשתמש קרן לייזר מקבילות, ליניארי מקוטב, ואחידה במרחב בתור מקור אור.
2. השתמש של הסים פאזה בלבד לפחות בטווח לשלב 2π.
3. בעת הצורך, נשתמש במותחן קרן נכונה כדי להתאים את גודל הקרן בהתאם לגודל התצוגה הסים.
4. 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.
5. 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).
6. ליישם מערכת אופטית תמונה ולשים את התצוגה של הסים המטוס הקלט של מערכת זו.
   1. 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 ').
   2. 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.
   3. המקום של איריס מעגלית של קוטר משתנה על המטוס פורייה של מערכת אופטית ויישר את המרכז שלו עם זה של המוקד קרן לייזר.
   4. 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.
7. שלח את התמונה ברמת אפור התואם שלב רכיב α(x,y) הסים.
   1. 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

1. ליישם את השלב מבוססי קיטוב הסטה טכניקה⁸.
   1. 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.
   2. 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.
2. להקליט את interferograms.
   1. לשמור את מצלמת CCD המטוס פלט של מערכת הדמיה.
   2. 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.
   3. 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.
   4. 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.
   5. 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.
3. לשחזר את השדה מורכב.
   הערה: ראה תוספת חומר בשם "MATLAB_code_3.m" עבור הפעילויות הקשורות לנושא זה של הפרוטוקול.
   1. לאחזר את משרעת של השדה מורכב _לאחזר(x,y) באמצעות הביטוי
      (8)
   2. לאחזר את השלב של השדה מורכב φ_לאחזר(x,y) באמצעות הביטוי
      (9)

תוצאות

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...

דיון

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 לרכ...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
כפול אכרומטי	THORLABS	AC254-100-B-ML	קוטר עדשה 25.4 מ"מ, אורך מוקד 100 מ"מ
מרחיב קרן גלילי אכרומטי	THORLABS	GBE05-A	AR מצופה: 400 - 650 ננומטר
מצלמת Basler	BASLER	avA1600-50gm GigE	גודל חיישן מצלמה 8.8 מ"מ x 6.6 מ"מ, גודל פיצל 5.5 מיקרון
רכוב אפס צמצם איריס	THORLABS	ID12Z/m	מקסימום צמצם 12 מ"מ
Pellicle Beamsplitter	THORLABS	CM1-BP145B2	45:55 (R:T), ציפוי: 700 - 900 ננומטר
PLUTO מאפנן אור מרחבי	HOLOEYE Photonics AG	NIR-II	שלב בלבד מאפנן אור מרחבי (מותאם ל-700 -1000 ננומטר)
שני מקטב לייזר סרט דק	EKSMA OPTICS	420-0526M	חומר BK7, קוטר 50 מ"מ, אורך גל 780-820 ננומטר