Name: Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 43 s
Description: Poznaj technikę kształtowania czoła fali do transmisji wielu sygnałów świetlnych przez jeden światłowód wielomodowy. Metoda ta znajduje zastosowanie w biofotonice i inżynierii komunikacyjnej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Z wdzięcznością dziękujemy za wsparcie finansowe ze strony DFG (Niemiecka Fundacja Badawcza, projekt CZ 55/30-1) dla części tej pracy.

1. Składanie zestawu eksperymentalnego
<ol>
	<li>Przygotowanie strony proksymalnej
	<ol>
		<li>Umieść i zamocuj laser zapewniający skolimowaną wiązkę światła - lub użyj lasera sprzężonego ze światłowodem z optyką kolimacyjną po stronie wyjściowej światłowodu.</li>
		<li>Umieść rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej (PBS), aby podzielić wiązkę laserową na wiązkę odniesienia i wiązkę obiektu. Obróć orientację płytek półfalowych (HWP), obracając HWP w jego mocowaniu obrotowym, aż moc wiązki odniesienia i wiązki obiektu (po stronie dystalnej) będzie mniej więcej taka sama. Sprawdź to, umieszczając ekran zarówno w belce odniesienia, jak i w belce obiektu. Wybierz orientację PBS tak, aby polaryzacja wiązki odniesienia pasowała do wrażliwego na polaryzację przestrzennego modulatora światła (SLM).</li>
		<li>Umieść rozdzielacz wiązki (BS) w belce odniesienia, aby podzielić belkę odniesienia na dwie belki. Umieść modulatory optyczne (OM) tak, aby te dwie wiązki pochodzące z BS1 mogły przechodzić odpowiednio przez OM1 i OM2.</li>
		<li>Połącz dwie wiązki przechodzące przez OM1 i OM2 w BS2 za pomocą dwóch luster. Dopasuj rozdzielacze wiązki i lustra tak, aby obie wiązki były przestrzennie rozdzielone.</li>
		<li>Ostrożnie wyrównaj BS5, aby upewnić się, że kierunek padania obu wiązek jest prostopadły do płaszczyzny pikseli SLM, ignorując na początku BS3 i BS4. Na początku nic nie jest wyświetlane na SLM, tzn. działa jak lustro do końca kalibracji (przez cały krok 2).</li>
		<li>Dostosuj położenie i odległość między dwiema soczewkami (L) tworzącymi teleskop keplerowski, aby uzyskać ostry obraz płaszczyzny SLM na kamerze z komplementarnym półprzewodnikiem metalowo-tlenkowym (CMOS). Obserwuj prawidłową orientację L1 i L2 (płaskie boki są skierowane do siebie), aby zminimalizować aberracje.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie strony dystalnej
	<ol>
		<li>Użyj BS7, aby podzielić wiązkę obiektu na dwie wiązki i połączyć je w BS8 za pomocą dwóch luster. Ponownie dostosuj rozdzielacze wiązki i lustra tak, aby obie wiązki były przestrzennie oddzielone.</li>
		<li>Odchyl obie wiązki za pomocą BS9, aby skierować je na obiektyw mikroskopu (OBJ). Skoncentruj OBJ2 na dystalnym końcu światłowodu wielomodowego (MMF). Sprawdź ostrość, obserwując odbicie wsteczne od MMF za pomocą L3 i kamery ze sprzężeniem ładunkowym (CCD).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Łączenie strony bliższej i dalszej
	<ol>
		<li>Kolimacja światła z wiązki obiektu wychodzącej z MMF za pomocą OBJ1.</li>
		<li>Podziel wiązkę obiektu za pomocą BS6, najpierw zignoruj polaryzator liniowy (LP). Połącz obie belki obiektów z obiema belkami odniesienia na BS3 i BS4 za pomocą lustra. Dopasuj rozdzielacze wiązki i lustra tak, aby każda para wiązki odniesienia i wiązki obiektu nakładała się na siebie w SLM, przecinając się pod małym kątem (mniejszym niż 1°).</li>
		<li>Upewnij się, że moc odniesienia i wiązki obiektu są w przybliżeniu równe, obracając orientację HWP, zgodnie z krokiem 1.1.2.</li>
		<li>Sprawdź wzór interferencji (hologram poza osią) w kamerze CMOS i odpowiednio dostosuj kąt przecięcia. Zwiększaj kąt, aż odstępy między prążkami interferencyjnymi będą mniej więcej równe rozmiarowi dwóch pikseli w kamerze CMOS.</li>
		<li>Dostosuj orientację LP do polaryzacji obiektu i wiązki referencyjnej, aby uzyskać maksymalny kontrast wzoru interferencyjnego w obrazie z kamery CMOS, tak aby obraz z kamery pokazywał wyraźne prążki.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Kalibracja systemu
<ol>
	<li>Kalibracja relacji pikseli między SLM a CMOS
	<ol>
		<li>Oświetl cały SLM za pomocą tylko jednej z wiązek odniesienia i zablokuj pozostałe wiązki odniesienia i obiekty.</li>
		<li>Przechwyć obraz SLM za pomocą kamery CMOS.</li>
		<li>Uzyskaj współrzędne lewego górnego rogu SLM na obrazie z kamery CMOS, np. za pomocą oprogramowania graficznego i kursora myszy na komputerze. Użyj tych współrzędnych pikseli jako punktu początkowego dla SLM.</li>
		<li>Usuń wszystkie bloki belki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kalibracja ścieżek sygnałowych
	<ol>
		<li>Zablokuj zarówno belkę odniesienia 2, jak i belkę obiektu 2.</li>
		<li>Przechwyć obraz hologramu za pomocą kamery CMOS. Oceń fazę w zarejestrowanym hologramie za pomocą metody widma kątowego19. Oblicz fazę odwróconą w odpowiednim obszarze wiązki 1.</li>
		<li>Usuń poprzednie bloki belki i teraz blokuj zarówno belkę odniesienia 1, jak i belkę obiektu 1.</li>
		<li>Przechwyć obraz hologramu za pomocą kamery CMOS. Ponownie zmierz fazę w zarejestrowanym hologramie za pomocą metody widma kątowego. Oblicz fazę odwróconą w odpowiednim obszarze wiązki 2.</li>
		<li>Usuń wszystkie bloki belki.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Przesyłanie sygnałów
<ol>
	<li>Zablokuj belkę obiektu.</li>
	<li>Zszyj ze sobą obliczone obrazy odwróconej fazy w odpowiednich obszarach wiązki 1 i 2 i wyświetl cały obraz na SLM, zwykle przy użyciu portu grafiki komputerowej.</li>
	<li>Rozpocznij modulację sygnałów wejściowych 1 i 2, aktywując OM1 i OM2.</li>
	<li>Obserwuj sygnały wyjściowe 1 i 2 w kamerze CCD.</li>
</ol>

<ol><li>Richardson, D. J., Fini, J. M., Nelson, L. E. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v7/n5/full/nphoton.2013.94.html">Space-division multiplexing in optical fibres.</a> Nat. Photonics. 7 (5), 354-362 (2013).</li>
<li>Kreysing, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+operation+of+optical+fibres+beyond+the+single-mode+regime+facilitates+the+orientation+of+biological+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Dynamic operation of optical fibres beyond the single-mode regime facilitates the orientation of biological cells.</a> Nat. Commun. 5 (5481), 1-6 (2014).</li>
<li>Winzer, P. J. <a target="_blank" href="http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_26/march_2015/features/scaling_optical_fiber_networks_challenges_and_solu/">Scaling optical fiber networks: Challenges and solutions.</a> Opt. Photonics News. 26 (3), 28-35 (2015).</li>
<li>Cižmár, T., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shaping+the+light+transmission+through+a+multimode+optical+fibre%3A+complex+transformation+analysis+and+applications+in+biophotonics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Shaping the light transmission through a multimode optical fibre: complex transformation analysis and applications in biophotonics.</a> Opt. Express. 19 (20), 18871-18884 (2011).</li>
<li>Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Millisecond-timescale%2C+genetically+targeted+optical+control+of+neural+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.</a> Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).</li>
<li>Philipp, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volumetric+HiLo+microscopy+employing+an+electrically+tunable+lens%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens.</a> Opt. Express. 24 (13), 15029-15041 (2016).</li>
<li>Büttner, L., Leithold, C., Czarske, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interferometric+velocity+measurements+through+a+fluctuating+gas-liquid+interface+employing+adaptive+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Interferometric velocity measurements through a fluctuating gas-liquid interface employing adaptive optics.</a> Opt. Express. 21 (25), 30653-30663 (2013).</li>
<li>Vellekoop, I. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feedback-based+wavefront+shaping%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Feedback-based wavefront shaping.</a> Opt. Express. 23 (9), 12189-12206 (2015).</li>
<li>Mahalati, R. N., Askarov, D., Wilde, J. P., Kahn, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+control+of+input+field+to+achieve+desired+output+intensity+profile+in+multimode+fiber+with+random+mode+coupling%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Adaptive control of input field to achieve desired output intensity profile in multimode fiber with random mode coupling.</a> Opt. Express. 20 (13), 14321-14337 (2012).</li>
<li>Caravaca-Aguirre, A. M., Niv, E., Conkey, D. B., Piestun, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+resilient+focusing+through+a+bending+multimode+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Real-time resilient focusing through a bending multimode fiber.</a> Opt. Express. 21 (10), 12881-12887 (2013).</li>
<li>Cižmár, T., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploiting+multimode+waveguides+for+pure+fibre-based+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging.</a> Nat. Commun. 3, 1027(2012).</li>
<li>Yaqoob, Z., Psaltis, D., Feld, M. S., Yang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+phase+conjugation+for+turbidity+suppression+in+biological+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Optical phase conjugation for turbidity suppression in biological samples.</a> Nat. Photonics. 2 (2), 110-115 (2008).</li>
<li>Ma, C., Xu, X., Liu, Y., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-reversed+adapted-perturbation+%28TRAP%29+optical+focusing+onto+dynamic+objects+inside+scattering+media%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Time-reversed adapted-perturbation (TRAP) optical focusing onto dynamic objects inside scattering media.</a> Nat. Photonics. 8 (12), 931-936 (2014).</li>
<li>Lee, K., Lee, J., Park, J. H., Park, J. H., Park, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One-wave+optical+phase+conjugation+mirror+by+actively+coupling+arbitrary+light+fields+into+a+single-mode+reflector%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">One-wave optical phase conjugation mirror by actively coupling arbitrary light fields into a single-mode reflector.</a> Phys. Rev. Lett. 115 (15), 153902(2015).</li>
<li>Cui, M., Yang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implementation+of+a+digital+optical+phase+conjugation+system+and+its+application+to+study+the+robustness+of+turbidity+suppression+by+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Implementation of a digital optical phase conjugation system and its application to study the robustness of turbidity suppression by phase conjugation.</a> Opt. Express. 18 (4), 3444-3455 (2010).</li>
<li>Hillman, T. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+optical+phase+conjugation+for+delivering+two-dimensional+images+through+turbid+media%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Digital optical phase conjugation for delivering two-dimensional images through turbid media.</a> Sci. Rep. 3, UK. (2013).</li>
<li>Papadopoulos, I. N., Farahi, S., Moser, C., Psaltis, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Focusing+and+scanning+light+through+a+multimode+optical+fiber+using+digital+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Focusing and scanning light through a multimode optical fiber using digital phase conjugation.</a> Opt. Express. 20 (10), 10583-10590 (2012).</li>
<li>Czarske, J. W., Haufe, D., Koukourakis, N., Büttner, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transmission+of+independent+signals+through+a+multimode+fiber+using+digital+optical+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation.</a> Opt. Express. 24 (13), 15128-15136 (2016).</li>
<li>Kim, M. K. <a target="_blank" href="http://spie.org/Publications/Journal/10.1117/6.0000006">Principles and techniques of digital holographic microscopy.</a> SPIE Rev. 1 (1), 01800501-01800550 (2010).</li>
<li>Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+flexible+multi-mode+fiber+endoscope%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Design of flexible multi-mode fiber endoscope.</a> Opt. Express. 23 (21), 26905-26918 (2015).</li>
<li>Katz, O., Small, E., Bromberg, Y., Silberberg, Y. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v5/n6/full/nphoton.2011.72.html">Focusing and compression of ultrashort pulses through scattering media.</a> Nat. Photonics. 5 (6), 372-377 (2011).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Montaż układu eksperymentalnego (krok 1 w protokole) wymaga dokładnego wyrównania elementów optycznych względem siebie. Najważniejszym aspektem jest prostokątne nachylenie belek referencyjnych na SLM w celu zapewnienia wysokiego PBR.
W celu ulepszenia konfiguracji do więcej niż dwóch przesyłanych sygnałów, można zastosować dodatkowe rozdzielacze wiązki. Alternatywnie, implementacja oparta na światłowodach byłaby bardziej kompaktowa i wytrzymała, co pozwoliłoby na przenośność systemu do badań <...

Transmisja wielu sygnałów świetlnych przez światłowód wielomodowy (MMF) znajduje zastosowanie w inżynierii komunikacyjnej1 oraz biofotonice2. W inżynierii komunikacyjnej uważa się, że multipleksacja przestrzenna (SDM) stanowi rozwiązanie umożliwiające zwiększenie pojemności transmisyjnej światłowodów w przyszłych zastosowaniach przesyłu danych, co pozwala na efektywniejsze wykorzystanie ograniczonej przestrzeni w porównaniu z zastosowaniem wielu światłowodów jednomodowych3. W biofotonice próbki biologiczne są manipulowane za pomocą światła transmitowanego przez endoskop MMF4. Przykładowo, niezależna optyczna kontrola poszczególnych neuronów z wykorzystaniem endoskopów MMF jest istotna dla optogenetyki w celu badania sieci neuronalnych w mózgu5. Jednakże światło rzutowane na czoło wejściowe MMF ulega zniekształceniu w wyniku mieszania modów i dyspersji podczas propagacji do czoła wyjściowego MMF. W konsekwencji propagacja światła ulega zmianie, co utrudnia transmisję sygnału.
Metody kształtowania frontu fali6,7 są stosowane w ośrodkach rozpraszających przy użyciu przestrzennych modulatorów światła (SLM) i umożliwiają kompensację zniekształceń wynikających z rozpraszania podczas propagacji światła8. Istnieją podejścia iteracyjne, które optymalizują sygnał wyjściowy za pomocą sprzężenia zwrotnego optycznego9. Metody te są dość czasochłonne ze względu na konieczność przeprowadzenia licznych iteracji oraz wysoki stopień swobody, odpowiadający dużej liczbie elementów modulatora. Innym podejściem jest całkowite określenie zniekształcenia w wielomodowym światłowodzie (MMF) za pomocą jego macierzy transmisji10. Jeśli liczba transmitowanych modów jest duża, metoda ta również będzie czasochłonna. W przeciwieństwie do nich, cyfrowa sprzężona koniugacja fazowa (DOPC) jest w tym przypadku uważana za szybką i korzystną, ponieważ na czole wyjściowym MMF należy wygenerować tylko kilka plamek ogniskowych. Podejścia oparte na koniugacji fazowej zostały zademonstrowane również w przypadku ogniskowania lub obrazowania przez tkankę biologiczną12,13,14.
Do tej pory DOPC stosowano jedynie dla pojedynczego sygnału czasowego15,16, a także wykorzystywano go do transmisji światła przez MMF17. Podejście DOPC dla wielu niezależnych sygnałów nie zostało dotąd zrealizowane. Opracowaliśmy ulepszoną metodę DOPC umożliwiającą niezależną transmisję wielu sygnałów świetlnych poprzez indywidualne kształtowanie czoła fali dla każdego sygnału przy użyciu pojedynczego SLM działającego tylko na fazie18. W tym celu SLM zostaje podzielony na regiony, po jednym dla każdego transmitowanego sygnału. Proponowany układ doświadczalny przedstawiono na Rysunku 1, gdzie w punkcie a) przeprowadzono kalibrację przed właściwą transmisją ukazaną w punkcie b).
<img alt="Schemat układu optycznego: kalibracja i transmisja lasera, przestrzenna modulacja światła do analizy wiązki." src="/files/ftp_upload/55407/55407fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Układ eksperymentalny. BS = dzielnik wiązki, CCD = urządzenie o ładunku sprzężonym, OM = modulator optyczny, CMOS = komplementarny metal-tlenek-półprzewodnik, HWP = płytka półfalowa, L = soczewka, LP = polaryzator liniowy, MMF = światłowód wielomodowy, OBJ = obiektyw mikroskopowy, PBS = polaryzacyjny dzielnik wiązki, SLM = przestrzenny modulator światła (tylko faza) — przedstawiono jedynie wiązki istotne dla (a) kalibracji oraz (b) transmisji <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55407/55407fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

<table><tbody><tr><td>modulator światła przestrzennego</td><td>Holoeye</td><td>PLUTO-VIS-016</td><td></td></tr><tr><td>Kamera CMOS</td><td>Mikrotron</td><td>MC4082</td><td></td></tr><tr><td>pompowany diodą laser półprzewodnikowy</td><td>Laser Kamera</td> CCD <td>Quantum torus 532</td><td></td></tr><tr>Kamera<td>CCD</td><td>IDS</td><td>U3-3482LE-M</td><td>; nadaje się również</td></tr><tr><td>obiektyw 1</td><td>Obiektyw Qioptiq</td><td>G063204000</td><td></td></tr><tr><td>2</td><td>Soczewka Qioptiq</td><td>G063203000</td><td></td></tr><tr><td>3</td> światłowód <td>wielomodowy Thorlabs</td><td>AC508-180-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>rozdzielacze wiązki</td><td>Thorlabs</td> M14L02 <td></td><td></td> Thorlabs BS013 9x</tr><tr><td>rozdzielacze wiązki polaryzacyjnej</td><td>Thorlabs</td><td>PBS251</td><td></td></tr><tr><td>lustra</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td>5x</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> obiektywy mikroskopowe <td></td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>RMS20X</td><td>2x</td></tr><tr><td>płytki półfalowe</td><td>Thorlabs</td><td>WPH10M-532</td><td>2x</td></tr><tr><td>polaryzator liniowy</td><td>Modulatory optyczne Thorlabs</td><td>LPVISB050-MP2</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>MC2000B-EC</td><td>2x</td></tr><tr><td>stolik liniowy i obrotowy do kamery CMOS</td><td>Złącze światłowodowe Thorlabs</td><td>XYR1/M</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>S120-SMA</td><td>2x</td></tr><tr><td>pierścień redukcyjny do obiektywów mikroskopowych</td><td>Qioptiq</td><td>G061621000</td><td>2x</td></tr><tr><td>regulacja xy dla adapterów obiektywów</td><td>Qioptiq</td><td>G061025000</td><td>2x</td></tr><tr><td>Z Uchwyt translacyjny do adaptera światłowodowego</td><td>Thorlabs</td><td>SM1Z</td><td>2x</td></tr><tr><td>pręty do wyrównania światłowodów do obiektywów</td><td>Qioptiq</td><td>G061210000</td> mocowania <td>8x</td></tr><tr><td>do obiektywów 1 i 2 plus dwa mocowania phantom</td><td>Qioptiq</td><td>G061047000</td><td>4x</td></tr><tr><td>wsporniki szynowe do mocowania obiektywów i obiektywów</td><td>Qioptiq</td><td>G061372000</td> szyna <td>6x</td></tr><tr><td>do nośników szynowych</td><td>Qioptiq</td><td>G061359000</td><td></td></tr><tr><td>2x adapter do kamery CCD na 1 słupek</td><td></td><td></td><td>wewnętrzny</td></tr><tr><td>adapter do lasera na 4 stanowiska</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>wewnętrzny uchwyt do obiektywu 3</td><td>Thorlabs</td><td>LMR2/M</td><td></td></tr><tr><td>mocowania do płyt półfalowych</td><td>Mocowania Thorlabs</td><td>RSP1D/M</td><td>2</td></tr><tr><td>do luster</td><td>Uchwyt Thorlabs</td><td>KM100</td><td>5x</td></tr><tr><td>do polaryzatora liniowego</td> Mocowania <td>Thorlabs</td><td>RSP05/M</td><td></td></tr><tr><td>do rozdzielaczy wiązki i SLM Ramiona</td><td>zaciskowe Thorlabs</td><td>KM100PM/M</td><td>11x</td></tr><tr><td>do rozdzielaczy wiązki i SLM</td><td>Thorlabs</td><td>PM4/M</td><td>11x</td></tr><tr><td>słupki do mocowań, nośniki szynowe i adaptery</td><td>Thorlabs</td><td>TR75/M</td><td>29x</td></tr><tr><td>uchwyty do słupków</td><td>Thorlabs</td><td>PH50/M</td><td>29x</td></tr><tr><td>wsporniki do uchwytów</td><td>Thorlabs</td><td>BE1/M</td><td>29x</td></tr><tr><td>widełki zaciskowe do wsporników</td><td>Thorlabs</td><td>CF125</td><td>29x</td></tr></tbody></table>

transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali

Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping

Transmisja wielu niezależnych sygnałów optycznych przez światłowód wielomodowy odbywa się za pomocą kształtowania czoła fali w celu kompensacji zniekształceń światła podczas propagacji wewnątrz światłowodu. Nasza metodologia opiera się na cyfrowej optycznej koniugacji faz przy użyciu tylko jednego przestrzennego modulatora światła, gdzie czoło fali optycznej jest indywidualnie modulowane w różnych obszarach modulatora, po jednym obszarze na sygnał świetlny. Uważa się, że cyfrowe optyczne podejścia do koniugacji faz są szybsze niż inne podejścia do kształtowania czoła fali, w których (na przykład) przeprowadza się pełne określenie zachowania propagacji fali przez światłowód. W przeciwieństwie do tego, przedstawione podejście jest efektywne czasowo, ponieważ wymaga tylko jednej kalibracji na sygnał świetlny. Proponowana metoda jest potencjalnie odpowiednia dla multipleksowania z podziałem przestrzennym w inżynierii komunikacyjnej. Kolejnym obszarem zastosowań jest endoskopowe dostarczanie światła w biofotonice, zwłaszcza w optogenetyce, gdzie pojedyncze komórki w tkance biologicznej muszą być selektywnie oświetlane z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową.

Typowe sygnały wyjściowe na dystalnym końcu włókna o długości 2 m przedstawiono na Rysunku 2. Należy zauważyć, że pożądana plamka ogniskowa (pik) jest towarzyszona niepożądanym prążkami (tłem), co wynika z zasadniczych niedoskonałości DOPC. Odpowiedni stosunek sygnału do tła (PBR) wynosi tutaj odpowiednio 53 (wyłącznie sygnał 1 jest „włączony”), 36 (wyłącznie sygnał 2 jest „włączony”) oraz 20 (oba sygnały 1 i 2 są „włączone”). Wartość PBR można zwiększyć, stosując włókno ...

Demonstrujemy transmisję wielu niezależnych sygnałów przez światłowód wielomodowy za pomocą kształtowania czoła fali za pomocą pojedynczego przestrzennego modulatora światła. Modulując czoło fali dla każdego sygnału z osobna, przesyłane są przestrzennie oddzielone ogniska. Potencjalne zastosowania to multipleksowany transfer danych w inżynierii komunikacyjnej oraz endoskopowe dostarczanie światła w biofotonice.

Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali

The transmission of multiple independent optical signals through a multimode fiber is accomplished using wavefront shaping in order to compensate for the ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest przesłanie wielu poszczególnych, rozdzielonych przestrzennie sygnałów świetlnych poprzez jedno światłowód wielomodowy, przy jednoczesnej kompensacji zniekształceń światła poprzez konwersję modów wewnątrz światłowodu. Ta nowatorska technika może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w biomedycynie i inżynierii komunikacyjnej w przypadkach, gdy wiele komórek biologicznych lub kanałów sygnałowych musi być przesyłanych indywidualnie. Główną zaletą tej techniki, która umożliwia przestrzennie-czasową modulację światła, jest fakt, że do kalibracji i przesyłania wielu niezależnych sygnałów wymagany jest tylko jeden modulator światła przestrzennego.Zastosowania tej techniki obejmują nieinwazyjne badania oraz potencjalne terapie dysfunkcji neurologicznych, takich jak choroba Parkinsona. Monitorowanie i kontrolowanie neuronów odbywa się poprzez zastosowanie czasowo-przestrzennych sygnałów świetlnych. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności ze względu na duży nakład pracy wymagany do przeprowadzeniay ustawienia toru optycznego, co jest niezbędne dla uzyskania wysokiej jakości transmisji.Eksperyment odbywa się na ławce optycznej. Elementy optyczne zostały już rozmieszczone. Niektóre elementy służą wyłącznie do kalibracji.Ten przestrzenny modulator światła jest jednym z elementów wykorzystywanych do transmisji sygnału danych po stronie proksymalnej układu. Ta kamera CCD pełni rolę odbiornika sygnału danych po stronie dystalnej. Sygnał danych przechodzi przez ten wielomodowy światłowód łączący obie strony.Niniejszy schemat przedstawia przegląd aparatury i wskazuje elementy proksymalne oraz dystalne. Laser dostarcza kolimowaną wiązkę światła spójnego, która jest dzielona przez polaryzacyjny dzielnik wiązki. Należy użyć płytek półfalowych, aby utrzymać obie wiązki na zbliżonym poziomie mocy.Wiązka obiektowa przechodzi na stronę dystalną. Na razie skupmy się na wiązce odniesienia, która przechodzi na stronę proksymalną. Podziel wiązkę odniesienia na dwie, tak aby każda z powstałych wiązek przechodziła przez modulator optyczny.Następnie należy doprowadzić oba promienie na tę samą ścieżkę przy zachowaniu separacji przestrzennej. Podczas kalibracji promienie zostaną nałożone na siebie przez światło z dalszej strony, przechodzące przez światłowód wielomodowy, obiektyw mikroskopu oraz polaryzator liniowy, i ostatecznie ulegną interferencji. Końcowy dzielnik wiązki kieruje oba promienie prostopadle na specjalny modulator światła.Przygotowując eksperyment, należy upewnić się, że polaryzacyjny dzielnik wiązki jest ustawiony w taki sposób, aby polaryzacja wiązki odniesienia była zgodna z polaryzacją czułego przestrzennego modulatora światła. W celu kalibracji obie wiązki przechodzą również przez soczewki skupiające obraz na kamerze CMOS. Należy zwrócić uwagę, że w tej chwili na specjalnym modulatorze światła nic nie jest wyświetlane.W związku z tym modulator działa jak lustro podczas kalibracji. Pracuj z dwiema soczewkami na stole optycznym. Dostosuj ich położenie oraz odległość między nimi.Celem jest uzyskanie ostrego obrazu płaszczyzny specjalnego modulatora światła w kamerze CMOS. Obecnie należy skupić się na dystalnej stronie układu w celu przeprowadzenia kalibracji. Wiązka obiektu jest przekształcana przez dzielniki wiązki i lustra w dwie przestrzennie rozdzielone wiązki.Kolejny dzielnik wiązki kieruje wiązki do obiektywu mikroskopu, a następnie do soczewki skupiającej obraz na kamerze CCD. Na stole laboratoryjnym ustaw ostrość obiektywu mikroskopu na dystalnym końcu światłowodu wielomodowego. Sprawdź ostrość za pomocą soczewki i kamery CCD, obserwując odbicie wsteczne światła z włókna wielomodowego.Pracuj również z obiektywem po stronie proksymalnej. Użyj go do kolimacji światła wychodzącego z włókna wielomodowego. Następnie obserwuj wzór interferencyjny na kamerze CMOS i dąż do zmiany odstępu między prążkami interferencyjnymi.Osiąga się to poprzez regulację luster i dzielników wiązki w wiązkach odniesienia i obiektu. Zmienia to kąt, pod którym wiązki obiektu i odniesienia przecinają się w przestrzennym modulatorze światła; kąt ten powinien wynosić mniej niż jeden stopień. Należy zaprzestać regulacji, gdy odstępy między prążkami interferencyjnymi będą miały rozmiar około dwóch pikseli.Na koniec należy popracować z polaryzatorem liniowym, dostosowując jego orientację tak, aby odpowiadała polaryzacji wiązek obiektu i referencyjnych. Pozwoli to uzyskać maksymalny kontrast na obrazie z kamery CMOS, na którym widoczne będą wyraźne prążki. Pierwsza sekwencja kalibracyjna polega na wyznaczeniu relacji między pikselami modulatora światła przestrzennego a kamerą CMOS.Zacznij od wiązki obiektu tuż za polaryzacyjnym dzielnikiem wiązki. Zablokuj wiązkę obiektu pomiędzy płytką półfalową a kolejnym dzielnikiem wiązki. Następnie pracuj z jedną z dwóch wiązek odniesienia bezpośrednio po ich przejściu przez modulatory optyczne.Zablokuj tylko jeden z nich, aby modulator światła przestrzennego był oświetlony przez drugi. Przechwyć obraz modulatora światła przestrzennego za pomocą kamery CMOS. Użyj oprogramowania graficznego, aby zidentyfikować współrzędne lewego górnego rogu modulatora, który będzie służył jako punkt początkowy dla modulatora światła przestrzennego.Po zakończeniu usuń oba bloki blokujące wiązkę, aby sfinalizować wyznaczanie relacji pikseli pomiędzy modulatorem światła przestrzennego a kamerą CMOS. Kolejna sekwencja kalibracji dotyczy ścieżek sygnałowych. Na tym etapie są to ścieżki wiązek.Pierwszym krokiem jest zablokowanie drugiej wiązki obiektowej tuż za dwoma dzielnikami wiązki znajdującymi się na jej drodze. Następnie należy zablokować drugą wiązkę odniesienia za modulatorem światła. Potem, przy użyciu kamery CMOS, należy zarejestrować obraz hologramu.Na tej podstawie oblicz odwrócenie fazy w pierwszym obszarze wiązki. Następnie usuń blokady z wiązek. W kolejnym kroku zablokuj wiązkę obiektową jeden oraz wiązkę odniesienia jeden.Oblicz odwróconą fazę w obszarze drugim wiązki z hologramu zarejestrowanego przez kamerę. Przed przystąpieniem do dalszych czynności upewnij się, że wszystkie blokady wiązki zostały usunięte. Układ do eksperymentów transmisyjnych jest prostszy.Przesyłanie sygnału nie wymaga użycia kamery CMOS, a wiązka obiektu jest zablokowana. Obecnie 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 obrazie rozmieść odwrócone obrazy fazowe dla regionu pierwszego i drugiego w ich odpowiednich pozycjach. Następnie połącz te obrazy w jedną całość w celu wyświetlenia ich na przestrzennym modulatorze światła za pomocą portu graficznego komputera.Przy stole laboratoryjnym wykonaj końcowe przygotowania do eksperymentu. Wiązki odniesienia przechodzą przez modulatory natężenia światła. Aktywuj je dla obu wiązek odniesienia, aby kontynuować.Przy komputerze obserwuj i zapisuj sygnały wyjściowe z kamery CCD. Są to typowe wyniki zarejestrowane przez kamerę po stronie dystalnej po przejściu sygnału przez światłowód o długości dwóch metrów. Obrazy odpowiadają sytuacji, w której włączony jest tylko sygnał pierwszy.Tylko sygnał drugi jest włączony. I oba sygnały są włączone. Oprócz pożądanych pików na każdym obrazie występuje szum speklowy wynikający z ograniczeń cyfrowej optycznej sprzężenia fazowego.Stosunek sygnału do tła można zwiększyć, stosując światłowody obsługujące większą liczbę modów. Występuje przesłuch między dwoma okresowymi sygnałami wyjściowymi. Widmo częstotliwości pierwszego sygnału wykazuje oczekiwany pik przy częstotliwości f1 oraz mniejszy pik przy częstotliwości f2.Podobnie widmo częstotliwości sygnału drugiego wykazuje oczekiwany pik przy f2 oraz mniejszy pik przy f1. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest dokładne dopasowanie przestrzennego modulatora światła i kamery CMOS, aby cyfrowa koniugacja fazy optycznej działała prawidłowo. W celu usprawnienia tej procedury można zastosować techniki kalibracji oparte na modelu, aby przeprowadzić transmisję bez dostępu do dystalnego końca światłowodu.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć, jak stosować indywidualne kształtowanie fal w celu transmisji niezależnych sygnałów przez światłowód wielomodowy. Po opracowaniu ta nowatorska technika utoruje drogę badaczom optogenetyki do badania chorób neurodegeneracyjnych w organizmach modelowych, a także w neuronach lub kardiomiocytach pochodzących z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych.

transmission-multiple-signals-through-an-optical-fiber-using

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Przedstawiono dostosowane techniki opracowane w naszym laboratorium do budowy mikrofalowych systemów fotonicznych opartych na rezonatorach o ultra-wysokim Q w trybie galerii szeptów. Protokoły uzyskiwania i charakteryzowania tych rezonatorów są szczegółowo opisane i podano wyjaśnienie niektórych z ich zastosowań w fotonice mikrofalowej.

Mikrofalowe systemy fotoniczne oparte na rezonatorach z galerią szeptów

Artykuł opisuje procedurę przechowywania pakietów danych optycznych o dowolnej modulacji, długości fali i szybkości transmisji danych. Pakiety te są podstawą nowoczesnej telekomunikacji.

Quasi-light storage dla optycznych pakietów danych

Rozwijamy i charakteryzujemy nieuporządkowany światłowód polimerowy, który wykorzystuje poprzeczną lokalizację Andersona jako nowatorski mechanizm falowody. To mikrostrukturalne włókno może transportować małą zlokalizowaną wiązkę o promieniu porównywalnym z promieniem wiązki konwencjonalnych światłowodów.

Wytwarzanie i charakterystyka nieuporządkowanych światłowodów polimerowych do poprzecznej lokalizacji światła Andersona

Opisujemy technikę wpisywania identycznych siatek Bragga w każdy rdzeń światłowodu wielordzeniowego. Osiąga się to poprzez wprowadzenie dodatkowej powierzchni do ścieżki optycznej w celu złagodzenia soczewkowania przez zakrzywioną powierzchnię okładziny włókna.

Pisanie siatek Bragga we włóknach wielordzeniowych

Wielokolorowa detekcja fluorescencji w mikrofluidyce kropelkowej zazwyczaj obejmuje nieporęczne i złożone systemy detekcji oparte na mikroskopie epifluorescencyjnym. Tutaj opisujemy kompaktowy i modułowy schemat detekcji wielokolorowej, który wykorzystuje szereg światłowodów do czasowego kodowania wielokolorowych danych zebranych przez pojedynczy fotodetektor.

Wielokolorowa detekcja fluorescencji dla mikrofluidyki kropelkowej z wykorzystaniem światłowodów

Pokazujemy, jak zakodować złożone pole wiązek laserowych za pomocą elementu jednofazowego. Interferometr o wspólnej ścieżce jest wykorzystywany do mieszania wyświetlanych informacji o fazie z przestrzennym modulatorem światła tylko w fazie, aby ostatecznie uzyskać pożądany złożony wzór pola na wyjściu systemu obrazowania optycznego.

Kształtowanie amplitudy i fazy wiązek laserowych za pomocą przestrzennego modulatora światła tylko dla fazy

Przedstawiono metodę budowy niestandardowego, taniego, zsynchronizowanego w trybie femtosekundowego lasera światłowodowego do potencjalnych zastosowań w mikroskopii wielofotonowej, endoskopii i fotomedycynie. Ten laser jest zbudowany przy użyciu dostępnych na rynku części i podstawowych technik łączenia.

Tania, niestandardowa produkcja i działanie lasera femtosekundowego o całkowicie normalnej dyspersji do mikroskopii wielofotonowej

Protokół ten przedstawia przewodnik krok po kroku dotyczący techniki mikroskopowej SLAM (Simultaneous Label-free Autofluorescence Multi-harmonic), w tym szczegółowe informacje na temat generowania laserowego źródła światła, przygotowania próbki tkanki, przeprowadzania obrazowania i analizowania danych. SLAM rozwija mikroskopię nieliniową, mierząc cztery komplementarne kontrasty bez znaczników w celu zbadania mikrośrodowiska tkankowego.

Jednoczesna autofluorescencyjna mikroskopia wieloharmoniczna bez znaczników

Mikroskopia fotoakustyczna o rozdzielczości optycznej (OR-PAM) to rozwijająca się technologia umożliwiająca obrazowanie kontrastów absorpcji optycznej in vivo z rozdzielczością i czułością na poziomie komórkowym. W niniejszym materiale przedstawiamy instrukcję wizualną dotyczącą protokołów eksperymentalnych OR-PAM, obejmującą konfigurację systemu, jego kalibrację, typowe procedury eksperymentalne in vivo oraz schematy obrazowania funkcjonalnego.

Trójwymiarowa mikroskopia fotoakustyczna o rozdzielczości optycznej

Biosensory współpracują ze złożonymi środowiskami biologicznymi i przeprowadzają ukierunkowaną detekcję, łącząc wysokoczułe czujniki z wysoce specyficznymi sondami przytwierdzonymi do czujnika poprzez modyfikację powierzchni. W niniejszym materiale demonstrujemy funkcjonalizację powierzchni krzemionkowych czujników optycznych biotyną przy użyciu czynników sprzęgających na bazie silanów w celu stworzenia pomostu między czujnikiem a środowiskiem biologicznym.

Przyłączanie sond biologicznych do krzemionkowych biosensorów optycznych z użyciem silanowych środków sprzęgających

Poznaj technikę kształtowania czoła fali do transmisji wielu sygnałów świetlnych przez jeden światłowód wielomodowy. Metoda ta znajduje zastosowanie w biofotonice i inżynierii komunikacyjnej.

Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali

Przeglądaj więcej filmów