位相空間光変調を用いた振幅とレーザー光の位相を形成
January 28th, 2019
単相要素を使用してレーザー光の複雑なフィールドをエンコードする方法を示します。位相空間光変調光イメージング システムの出力で目的の複雑なフィールド パターンを最終的に取得するに表示される位相情報をミックスにコモンパス干渉計を採用します。
このプロトコルは、単にデフラクティック光学要素を使用してビームシェーピングまたは空間エコーHALOレーザービームを実行し、位相のみの空間眼変調にそれを呼び出すのに役立ちます。このプロトコルを作成した技術は、シンプルだが高いエコー密度を与え、空間的に変更し、微小的にマイクロすることができ、両方とも同時にレーザービームの位相よりも優れています。空間光変調器とコンピュータを使用して、複雑なフィールドをエンコードします。
技術仕様から光変調器の空間分解能を見つける。次に、コンピュータに移動して振幅と位相パターンを定義します。0 ~ 255 の範囲の値を使用して、目的の振幅パターンをグレー レベル形式のデジタル イメージとして定義します。
目的のフェーズ パターンの場合は、負の pi から 2 以上の pi までの値を含むグレー レベル形式で定義します。位相と振幅が定義されていると、コンピュータは2と3の方程式を使用して、これら2つの異なる位相パターンを生成します。Max は 2 に設定されています。
また、空間光変調器表示と等しい空間分解能を持つ 2 次元の二次元の二次元のグレーディングも定義します。これらはチェッカーボードパターンとして表示され、垂直または水平に1つの正方形にシフトして、重ね合わされたときに高さ1の均一なパターンを生成します。ピクセルクロストークの効果を軽減するには、ピクセル数が増加するピクセルセルが異なるバイナリ相グレーディングに対して、他のペアのチェッカーボードパターンを生成します。
ピクセルの総数は、空間光変調器の空間解像度と同じである必要があります。単一フェーズ要素を構築するには、各バイナリグレーディングを異なるフェーズ用語とペアにします。次に、各ペアを空間的に多重化し、結果を追加します。
これは、ピクセル セル サイズ 1 の以前に定義されたフェーズとグレーディングのフェーズ要素です。ピクセル セル サイズを変更すると、最終的な単一フェーズ要素の空間解像度に影響します。この図表は、実験の初期設定の概要を示しています。
空間光変調器を配置して、CCDカメラに面したプログラマブルサーフェスを設置します。コリメートされた線形偏光、空間的に一貫したレーザービームは、空間光変調器にビームをリダイレクトするビームスプリッターに行きます。空間光変調器からの光は、ビームスプリッターを通して44F光学画像システムに入る。
撮像システムの出力面にCCDを配置します。これはベンチに表示されるセットアップです。レーザービームはビームエキスパンダーを通ってサイズを調節する。
2つのミラーは出力ビームをビームスプリッターに向ける。空間光変調器の前にあるビームスプリッターを次に示します。2つのレンズは、空間光変調器からCCDカメラに光を焦点を当てます。
光学系をセットアップする際、最も低いピクセルセルを持つコンピュータ生成の位相パターンを光変調器に送ります。CCDカメラを光軸に沿って複数の異なる位置に配置して、位相パターンを画像化します。最適な解像度の位置として出力プレーンを識別します。
最適な解像度に関連する位置にカメラを固定します。次に、光路の第1レンズの焦点面に、レーザー光を中心とした円形の虹彩を配置する。また、CCD カメラを使用して、虹彩の絞りを変えながら、空間光変調器から位相パターンをイメージします。
最適な空間解像度の位置に絞り込み値を調整します。次に、クロストークを最小限に抑えるために同様の手順を実行します。空間光変調器の位相要素で、異なるピクセルセルサイズを試します。
それぞれで、CCDカメラで最高解像度の画像を与える絞りサイズを選択します。クロストークを最小限に抑えるには、ピクセルセルサイズとアイリス絞りを選択して、最高の空間解像度を実現します。測定には偏光ベースの位相シフト技術を使用します。
空間光変調器の直前に光偏光子を設置します。カメラ上の位相要素を画像化し、CCDカメラ内の最も鮮明でぼやけた画像に対応する角度を検索する検索を視覚化して、偏光子の回転角度を設定します。2つの角度の間に偏光子を固定します。
次に、撮像システムの裏面の後に2番目の偏光子をカメラの前に置きます。CCD カメラで最も鮮明でぼやけた画像に対応する角度を検索して、回転角度を設定します。この 2 つの角度の間の偏光子の角度を固定します。
今度は、出力面でカメラを維持しながら干渉グラムを記録します。フェーズ要素に対してゼロラジアンの行列で、空間光変調器に送ります。対応する画像をCCDで記録します。
2 番目の干渉計では、2 つのラジアンに対して pi の行列をフェーズ要素に追加し、それを空間光変調子に送ります。CCDカメラで画像を記録します。フェーズ要素に pi ラジアンの行列を追加し、それを空間光変調子に送信して、CCD カメラに干渉グラムを記録します。
最後に、フェーズ要素に 2 つのラジアンに 3 pi の行列を追加します。空間光変調器で使用して、カメラに4つ目の干渉を記録します。干渉グラムが記録されたら、データをコンピュータに転送します。
ここで、各干渉グラムは記録された順にラベル付けされる。ゼロ行列を含む1つから2つの行列の上の3つのパイに。これは、複合フィールドの取得された振幅です。
これを見つけるには、インターフェログラム データを利用するこの式を実装します。複合フィールドのフェーズを取得するには、その他のコードを実装して、この式をインターフェログラム データで評価します。この画像は、実験の複雑なフィールドの振幅を定義します。
この画像は、その位相を定義します。位相シフト技術では、ゼロ、2つ、pi、および2ラジアンの上に3パイの位相シフトを使用して干渉グラムを測定する必要があります。これらの干渉源は、単純なアルゴリズムを使用して、複雑なフィールドの振幅と位相の両方を取得することができます。
私はあなたがステップバイステップで行くことをお勧めします。単純な振幅と位相パターンから始めて、顕著な着色のような補完的なタスクを含む、私たちのプロトコルの詳細に注意を払います。虹彩側は、選択的な部分自体に依存していることに注意してください。
ただし、ピクセル セルを大きくしすぎると、取得した複合フィールドの空間解像度が大幅に低下します。特定のアプリケーションを取得するために注文で、この単一の方法が、それは、例えば、マイクロ処理移動材料やノリナ顕微鏡を強化するために、任意の再形成目的のために使用されるウェストベリーすることができます。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概要
この研究は、単一の位相要素を使用してレーザービームの複素場をエンコードする方法を実証します。共通経路干渉計を使用することで、位相情報が位相のみの空間光変調器に混合され、望ましい複素場パターンを取得します。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 光学工学
- レーザー技術
- 干渉測定
背景
- レーザービームは複雑な場を持つことがあり、正確な操作が必要です。
- 位相のみの空間光変調器は、光パターンを修正するために不可欠です。
- 共通経路干渉計は位相測定の安定した方法を提供します。
- ビームの成形の理解は光学の様々な応用に重要です。
研究の目的
- 単一の光学素子を使用してビームの成形プロセスを簡素化する。
- レーザービームを空間的に修正する能力を向上させる。
- 複素場パターンを取得する際の位相のみの空間光変調器の有効性を実証する。
使用された方法
- 共通経路干渉計の利用。
- 位相情報の空間光変調器への統合。
- コンピューターを使用して振幅と位相パターンを定義する。
- 振幅パターン用のグレーレベル形式のデジタル画像を作成する。
主要な結果
- この方法はレーザービームから複素場パターンを正常に取得します。
- 修正されたレーザービームで高いエコー密度が達成されます。
- 空間修正は高精度で実行されます。
- このプロトコルはビームの成形への簡単なアプローチを実証します。
結論
- この研究はレーザービーム成形の新しい技術を提供します。
- 単一の位相要素の使用によりプロセスが大幅に簡素化されます。
- 将来の応用は様々な光学システムでこの方法の恩恵を受ける可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This method enables precise control over laser beam amplitude and phase using a phase-only spatial light modulator, supporting high-fidelity beam shaping for advanced optical applications. The technique provides a direct, non-iterative approach to complex field retrieval, reducing system complexity and avoiding coherent noise artifacts. It enhances predictive confidence in downstream processes requiring spatially resolved optical modulation, such as precision material processing or high-resolution imaging.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of optical hypotheses through precise spatial modulation of coherent light sources.
- Operational Value: Supports functional validation of optical components in laser-based assay systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of standardized optical inputs for downstream detection systems.
- Operational Value: Promotes assay reproducibility through stable, speckle-free beam shaping.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant imaging systems by enabling accurate laser beam delivery.
- Operational Value: Ensures continuity from discovery through preclinical validation via consistent optical output.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery workflows where laser-based technologies require precise spatial control before integration into screening or imaging platforms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via controlled optical stimulation in cellular or subcellular imaging.
- Screening: Enhances assay readiness by providing uniform, quantifiable laser illumination.
- Analytics: Enables quantitative measurements through retrievable amplitude and phase data for signal normalization.
- Translational Research: Connects to preclinical imaging by ensuring beam fidelity across scales.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable optical calibration tool for laser-dependent platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in optical experiments through exact complex field retrieval.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via direct processing algorithm and noise-free output.
- Strategic Value: Reduced late-stage failure risk in optical systems through early-stage beam validation.
- Portfolio Impact: Informed go/no-go decisions for laser-based technology investments.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical alignment and interferometric setup.
- Dependent on spatial light modulator refresh rate for dynamic applications.
- Necessitates calibration of iris aperture and pixel cell size to minimize crosstalk.
- Requires polarization-based phase shifting for accurate interferogram acquisition.
- Limited by spatial resolution trade-offs from frequency filtering in the Fourier plane.
