Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali

Ogólnym celem tej procedury jest przesyłanie wielu pojedynczych, przestrzennie oddzielonych sygnałów świetlnych przez pojedyncze światłowód wielomodowy, przy jednoczesnej kompensacji zniekształceń światła poprzez konwersję modów wewnątrz światłowodu. Ta nowatorska technika może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie biomedycyny i inżynierii komunikacyjnej za pośrednictwem wielu komórek biologicznych lub kanałów sygnałów danych, które muszą być przesyłane indywidualnie. Główną zaletą tej techniki, która umożliwia przestrzenną czasową modulację światła, jest to, że tylko jeden przestrzenny modulator światła jest potrzebny zarówno do kalibracji, jak i przesyłania wielu niezależnych sygnałów.

Implikacje tej techniki rozciągają się na badania nieinwazyjne i terapie prospektywne lub dysfunkcje neurologiczne, takie jak choroba Parkinsona. Podczas gdy monitorowanie i kontrola neuronów to połączenie z wykorzystaniem przestrzennych czasowych sygnałów świetlnych. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowicjuszami w tej metodzie, będą miały trudności z powodu dużego wysiłku związanego z wyrównaniem przepustu optycznego, co jest nieuniknione w przypadku transmisji wysokiej jakości.

Eksperyment odbywa się na ławce optycznej. Elementy optyczne zostały już ułożone. Niektóre elementy służą tylko do kalibracji.

Ten przestrzenny modulator światła jest jednym z elementów wykorzystywanych do transmisji sygnału danych po bliższej stronie zestawu. Ta kamera CCD jest odbiornikiem sygnału danych po stronie dystalnej. Sygnał danych przechodzi przez ten wielomodowy światłowód łączący obie strony.

Schemat ten przedstawia przegląd aparatury i identyfikuje elementy proksymalne i dystalne. Laser zapewnia skolimowaną spójną wiązkę światła, która jest rozdzielana przez rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej. Użyj płytek półfalowych, aby utrzymać dwie wiązki na mniej więcej równej mocy.

Belka obiektu przechodzi na stronę dystalną. Na razie skup się na belce odniesienia, która przechodzi na stronę bliższą. Podziel wiązkę referencyjną na dwie części, z których każda wynikowa wiązka przechodzi przez modulator optyczny.

Następnie niech dwie belki podążają tą samą ścieżką z separacją przestrzenną. Podczas kalibracji wiązki będą nakładane na światło ze strony dystalnej, które jest przepuszczane przez światłowód wielomodowy, obiektyw mikroskopu i polaryzator liniowy, a ostatecznie będą interferować. Końcowy rozdzielacz wiązki kieruje dwie wiązki prostopadle do specjalnego modulatora światła.

Przygotowując eksperyment, należy upewnić się, że rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej jest zorientowany tak, aby polaryzacja wiązki odniesienia była zgodna z wrażliwym na polaryzację przestrzennym modulatorem światła. W celach kalibracyjnych obie wiązki przechodzą również przez soczewki skupione na kamerze CMOS. Należy pamiętać, że na razie nic nie jest wyświetlane na specjalnym modulatorze światła.

Dlatego modulator działa jak lustro podczas kalibracji. Pracuj z dwoma obiektywami na ławce. Dostosuj ich położenie i odległość między nimi.

Celem jest uzyskanie ostrego obrazu specjalnej płaszczyzny modulatora światła w kamerze CMOS. Teraz skoncentruj się na dystalnej stronie zestawu w celu kalibracji. Belka obiektu jest przekształcana przez rozdzielacze wiązki i lustra w dwie przestrzennie oddzielone belki.

Inny rozdzielacz wiązki kieruje wiązki do obiektywu mikroskopu, a stamtąd do obiektywu skupionego na kamerze CCD. Na stole ustaw ostrość obiektyw mikroskopu na dystalnym końcu światłowodu wielomodowego. Sprawdź ostrość za pomocą obiektywu i kamery CCD, aby zaobserwować wsteczne odbicie światła od światłowodu wielomodowego.

Pracuj również z soczewką obiektywu po stronie bliższej. Użyj go do kolimacji światła wychodzącego ze światłowodu wielomodowego. Teraz wyświetl wzór interferencji w kamerze CMOS i pracuj nad zmianą odstępów między prążkami interferencyjnymi.

Odbywa się to poprzez regulację luster i rozdzielaczy wiązki w belkach odniesienia i obiektu. Zmienia to kąt, pod którym obiekt i wiązki odniesienia przecinają się w przestrzennym modulatorze światła, który powinien być mniejszy niż jeden stopień. Zatrzymaj się, gdy odstępy między prążkami interferencyjnymi są mniej więcej wielkości dwóch pikseli.

Na koniec pracuj z polaryzatorem liniowym, dostosuj jego orientację do polaryzacji obiektu i wiązek referencyjnych. Zapewni to maksymalny kontrast na obrazie z kamery CMOS, który pokaże wyraźne prążki. Pierwsza sekwencja kalibracyjna polega na znalezieniu relacji pikseli między przestrzennym modulatorem światła a kamerą CMOS.

Zacznij od wiązki obiektu tuż za rozdzielaczem wiązki polaryzacyjnej. Zablokuj wiązkę obiektu między płytą półfalową a następną linią podziału wiązki. Następnie pracuj z jedną z dwóch wiązek odniesienia natychmiast po przejściu przez modulatory optyczne.

Zablokuj tylko jeden z nich, aby przestrzenny modulator światła był oświetlony przez drugi. Przechwyć obraz przestrzennego modulatora światła za pomocą kamery CMOS. Użyj oprogramowania graficznego, aby zidentyfikować współrzędne lewego górnego rogu modulatora, który będzie służył jako punkt początkowy dla przestrzennego modulatora światła.

Po zakończeniu usuń oba bloki wiązki, aby zakończyć znajdowanie relacji pikseli między modulatorem światła przestrzennego a kamerą CMOS. Następna sekwencja kalibracji dotyczy ścieżek sygnałowych. W tym miejscu są to ścieżki wiązki.

Pierwszym krokiem jest zablokowanie drugiej belki obiektu tuż za dwoma rozdzielaczami belki na jej drodze. I do zablokowania wiązki referencyjnej dwa za modulatorem światła. Następnie użyj kamery CMOS, aby przechwycić obraz hologramu.

Na tej podstawie oblicz fazę odwróconą w pierwszym obszarze wiązki. Kontynuuj, usuwając bloki z belek. Następnie blokuj belkę obiektu jedną i belkę odniesienia pierwszą.

Oblicz odwróconą fazę w drugim obszarze wiązki z hologramu uchwyconego przez kamerę. Pamiętaj, aby usunąć wszystkie bloki belki przed kontynuowaniem. Konfiguracja eksperymentów z transmisją jest prostsza.

Transmisja sygnału nie wymaga kamery CMOS, a wiązka obiektów jest zablokowana. Teraz dwie wiązki odniesienia są odbijane od dwóch obszarów przestrzennego modulatora światła. Stamtąd odbite wiązki przechodzą przez światłowód wielomodowy do kamery CCD.

Przy komputerze przygotuj obraz dla przestrzennego modulatora światła. Na potrzeby obrazu ułóż jeden i dwa obrazy odwróconej fazy w odpowiednich pozycjach. Następnie połącz te obrazy w celu wyświetlenia na przestrzennym modulatorze światła za pomocą portu grafiki komputerowej.

Na ławce poczynić ostatnie przygotowania do eksperymentu. Wiązki odniesienia przechodzą przez modulatory natężenia światła. Aktywuj je na obu belkach odniesienia, aby kontynuować.

Przy komputerze obserwuj i nagrywaj sygnały wyjściowe z kamery CCD. Są to typowe wyniki rejestrowane przez kamerę po stronie dystalnej po przejściu sygnału przez światłowód o długości dwóch metrów. Obrazy odpowiadają tylko sygnałowi, że jeden z nich jest włączony.

Tylko sygnał, że dwa są włączone. I oba sygnały są włączone. Oprócz pożądanych pików na każdym obrazie, występuje plamka wynikająca z ograniczeń cyfrowej optycznej koniugacji faz.

Stosunek piku do tła można zwiększyć, stosując światłowody, które obsługują większą liczbę modów. Między dwoma okresowymi sygnałami wyjściowymi występuje przesłuch. Widmo częstotliwości sygnału pierwszego pokazuje oczekiwany szczyt przy częstotliwości f1, a mniejszy przy częstotliwości f2.

Podobnie widmo częstotliwości sygnału drugiego ma oczekiwany szczyt przy f2 i mniejszy przy f1. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby dokładnie połączyć przestrzenny modulator światła i kamerę CMOS, aby cyfrowa optyczna koniugacja fazowa działała. Aby usprawnić tę procedurę, można zastosować techniki kalibracji oparte na modelach, aby przeprowadzić transmisję bez dostępu do dystalnego końca światłowodu.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zastosować indywidualne kształtowanie fali do transmisji niezależnych sygnałów przez światłowód wielomodowy. Po opracowaniu, ta nowatorska technika utoruje drogę naukowcom zajmującym się optogenetyką do badania chorób neurodegeneracyjnych w organizmach modelowych, a także w indukowanych przez ludzi pluripotencjalnych neuronach pochodzących z komórek macierzystych lub kardiomiocytach.