Name: Kształtowanie amplitudy i fazy wiązek laserowych za pomocą przestrzennego modulatora światła tylko dla fazy (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-28T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 39 s
Description: Poznaj metodę kształtowania wiązek laserowych z wykorzystaniem przestrzennego modulatora światła tylko dla fazy. Technika ta umożliwia precyzyjną modyfikację amplitudy i fazy pola złożonego w systemach optycznych.

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

To badanie było wspierane przez Generalitat Valenciana (PROMETEO 2016-079), Universitat Jaume I (UJI) (UJIB2016-19); oraz Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) (FIS2016-75618-R). Autorzy są bardzo wdzięczni SCIC Universitat Jaume I za zastosowanie lasera femtosekundowego.

1. Kodowanie złożonego pola w pojedynczym elemencie fazowym
<ol>
	<li>Na podstawie specyfikacji technicznej SLM określ jego rozdzielczość przestrzenną (na przykład 1920 pikseli x 1800 pikseli).</li>
	<li>Zdefiniuj i wygeneruj pożądane wzorce amplitudy A(x,y) oraz fazy φ(x,y) w formie obrazów cyfrowych.
	<ol>
		<li>Ustaw rozdzielczość przestrzenną wyżej wymienionych obrazów cyfrowych tak, aby była równa rozdzielczości wyświetlacza SLM.</li>
		<li>Zapisz wyżej wymienione obrazy cyfrowe w formacie skali szarości.</li>
		<li>Ustaw wartości minimalne i maksymalne obrazów amplitudy i fazy odpowiednio w zakresie od 0 do 255 oraz od -π/2 do π/2.</li>
		<li>Przyjmij Amax = 2 w równaniach 2 i 3, a następnie wygeneruj komputerowo wzorce fazy ϑ(x,y) i θ(x,y) na ich podstawie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wygeneruj komputerowo wzorce szachownicy M1(x,y) i M2(x,y).
	<ol>
		<li>Ustaw rozdzielczość przestrzenną tych wzorców szachownicy tak, aby była równa rozdzielczości wyświetlacza SLM.</li>
		<li>Aby zredukować efekt przeplotu pikseli (crosstalk), wygeneruj inne pary wzorców szachownicy M1(x,y) i M2(x,y) zbudowane z komórek pikselowych o zwiększonej liczbie pikseli (na przykład: komórki 2x2, 3x3 i 4x4 piksele, itp.). 
		UWAGA: Przy zwiększaniu rozmiaru komórki pikselowej całkowita liczba pikseli wzorców szachownicy musi pozostać niezmieniona i równa rozdzielczości przestrzennej SLM. Upewnij się, że końcowa liczba pikseli wszystkich wzorców szachownicy pozostaje taka sama po zmodyfikowaniu ich komórek pikselowych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wygeneruj komputerowo pojedynczy element fazowy α(x,y) na podstawie równania 5. 
	UWAGA: Zadania związane z krokiem 1 niniejszego protokołu znajdują się w materiałach uzupełniających pod nazwą „MATLAB_code_1.m”.</li>
</ol>
2. Rekonstrukcja pola zespolonego
<ol>
	<li>Jako źródło światła należy zastosować kolimowaną, liniowo spolaryzowaną i spójną przestrzennie wiązkę laserową.</li>
	<li>Należy użyć modulatora światła przestrzennego (SLM) działającego wyłącznie na fazie, z zakresem fazy co najmniej 2π.</li>
	<li>W razie potrzeby należy zastosować odpowiedni rozszerzacz wiązki, aby dopasować rozmiar wiązki do rozmiaru wyświetlacza SLM.</li>
	<li>W razie potrzeby należy użyć polaryzatora optycznego, aby ustawić polaryzację wiązki laserowej w kierunku poziomym. Jest to zazwyczaj istotne dla prawidłowego działania SLM-ów fazowych, które są typowo zaprojektowane do modulowania fazy przestrzennej pola elektromagnetycznego oscylującego w kierunku poziomym, pozostawiając niezmienione jego składowe pionowe.</li>
	<li>Aby przesłać wzór fazowy do SLM, należy postępować zgodnie ze standardowymi protokołami komunikacyjnymi dostarczonymi przez producenta SLM w celu połączenia i sterowania urządzeniem za pomocą komputera. 
	UWAGA: Typowy protokół w tym celu obejmuje zastosowanie krzywej kalibracyjnej do przekształcenia wartości podanych w radianach (wynikających z operacji matematycznych na kątach) na poziomy szarości, które jednostka sterująca SLM przekonwertuje ostatecznie na poziomy napięcia. Ponadto, ponieważ SLM jest podłączony do komputera jako urządzenie zewnętrzne z własnym ekranem, zazwyczaj konieczne jest rozszerzenie ekranu komputera, a także zastosowanie odpowiedniego programu do przesyłania odpowiadających im obrazów w poziomach szarości na ten dodatkowy ekran. Przykład takich kodów został dołączony jako materiał uzupełniający (patrz: MATLAB_code_2.m).</li>
	<li>Należy zaimplementować optyczny układ obrazujący i umieścić wyświetlacz SLM w płaszczyźnie wejściowej tego układu.
	<ol>
		<li>Należy użyć soczewki refrakcyjnej o ogniskowej f do zbudowania optycznego układu obrazującego 2f x 2f (do tego zadania odpowiedni jest również układ optyczny 4f). Zgodnie z oczekiwanym rozmiarem wyjściowym pola zespolonego, szerokością wiązki, długością fali światła oraz dostępną przestrzenią fizyczną, należy dobrać soczewkę/soczewki o odpowiednich specyfikacjach technicznych (np. powłoka, rozmiar, ogniskowa, itp.).</li>
		<li>Aby wyznaczyć położenie płaszczyzny wyjściowej układu obrazującego, należy przesłać wzór fazowy α(x,y) do SLM i wizualnie odnaleźć zarejestrowany obraz (zależnie od położenia kamery) o najlepszej rozdzielczości przestrzennej. 
		OSTRZEŻENIE: W przypadku komórek pikselowych o małym rozmiarze (na przykład komórki 1x1 piksel) i wyświetlaczy SLM o szerokości piksela kilku mikrometrów (na przykład 8 µm), tylko propagacja wiązki może wytworzyć interferencję między zakodowanymi falami jednorodnymi, dając zrekonstruowane obrazy bez uwzględnienia przysłony kołowej w układzie obrazującym. Do zlokalizowania położenia płaszczyzny wyjściowej należy użyć komórek pikselowych o małym rozmiarze.</li>
		<li>W płaszczyźnie Fouriera układu optycznego należy umieścić przysłonę kołową o zmiennej średnicy i ustawić jej środek w osi ogniska wiązki laserowej.</li>
		<li>Aby dostosować rozmiar przysłony kołowej w płaszczyźnie Fouriera, należy przesłać wzór fazowy α(x,y) i wizualnie odnaleźć zarejestrowany obraz (zależnie od średnicy przysłony kołowej) o najlepszej rozdzielczości przestrzennej. 
		OSTRZEŻENIE: W przypadku komórek pikselowych o dużym rozmiarze (na przykład komórki 4x4 piksele), interferencja między zakodowanymi falami jednorodnymi jest w zasadzie realizowana za pomocą filtra przestrzennego. Do dostosowania rozmiaru przysłony kołowej należy użyć komórki pikselowej o dużym rozmiarze. W niniejszym protokole terminy „mały rozmiar” i „duży rozmiar” odnoszą się do liczby pikseli zawartych w komórce pikselowej. Niemniej jednak, wspomniana interferencja zależy również od szerokości piksela. Należy stosować SLM-y o szerokości piksela równej lub mniejszej niż 8 µm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Do SLM należy przesłać obraz w poziomach szarości odpowiadający elementowi fazowemu α(x,y).
	<ol>
		<li>Aby zminimalizować efekt przesłuchów (crosstalk), należy dobrać optymalny rozmiar komórki pikselowej, który pozwoli na uzyskanie zarejestrowanego obrazu z najwyższą rozdzielczością przestrzenną.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Pomiar zrekonstruowanego pola kompleksowego
<ol>
	<li>Zastosuj technikę przesunięcia fazy opartą na polaryzacji8.
	<ol>
		<li>Umieść i ustaw kąt obrotu pierwszego polaryzatora optycznego, znajdującego się bezpośrednio przed SLM (patrz Rysunek 2). Aby ustawić kąt obrotu pierwszego polaryzatora, obserwuj wizualnie maksymalną i minimalną transmitancję światła w kamerze CCD (umieszczonej w płaszczyźnie wyjściowej układu obrazowania) w zależności od obrotu polaryzatora. Zapisz dwa odpowiadające temu kąty polaryzatora. Ustaw ostateczny kąt polaryzatora na wartość pomiędzy dwoma wcześniej zapisanymi kątami.</li>
		<li>Umieść i ustaw kąt obrotu drugiego polaryzatora optycznego, znajdującego się za płaszczyzną Fouriera układu obrazowania (patrz Rysunek 2). Aby ustawić kąt obrotu drugiego polaryzatora, obserwuj wizualnie w kamerze CCD (umieszczonej w płaszczyźnie wyjściowej układu obrazowania) najostrzejsze i najbardziej rozmyte obrazy po przesłaniu wzorca fazowego α(x,y) do SLM. Zapisz dwa odpowiadające temu kąty polaryzatora. Ustaw ostateczny kąt drugiego polaryzatora na wartość pomiędzy wcześniej zapisanymi kątami.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zarejestruj interferogramy.
	<ol>
		<li>Pozostaw kamerę CCD w płaszczyźnie wyjściowej układu obrazowania.</li>
		<li>Aby zarejestrować pierwszy interferogram, dodaj macierz 0 radianów do elementu fazowego α(x,y) i prześlij go do SLM. Zarejestruj odpowiadający obraz I1(x,y) za pomocą kamery CCD.</li>
		<li>Aby zarejestrować drugi interferogram, dodaj macierz π/2 radianów do elementu fazowego α(x,y) i prześlij go do SLM. Zarejestruj odpowiadający obraz I2(x,y) za pomocą kamery CCD.</li>
		<li>Aby zarejestrować trzeci interferogram, dodaj macierz π radianów do elementu fazowego α(x,y) i prześlij go do SLM. Zarejestruj odpowiadający obraz I3(x,y) za pomocą kamery CCD.</li>
		<li>Aby zarejestrować czwarty i ostatni interferogram, dodaj macierz 3π/2 radianów do elementu fazowego α(x,y) i prześlij go do SLM. Zarejestruj odpowiadający obraz I4(x,y) za pomocą kamery CCD.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zrekonstruuj pole zespolone. 
	UWAGA: Zobacz materiały uzupełniające o nazwie „MATLAB_code_3.m” w celu wykonania zadań związanych z tym punktem protokołu.
	<ol>
		<li>Wyznacz amplitudę pola zespolonego Aretrieved(x,y) korzystając z wyrażenia 
		<img alt="Równanie dla analizy absorpcji optycznej, obejmujące różnice intensywności, metoda spektroskopowa." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq8.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 8"> (8)</li>
		<li>Wyznacz fazę pola zespolonego φretrieved(x,y) korzystając z wyrażenia 
		<img alt="Proces odzyskiwania fazy z formułą arctan; schemat eksperymentalny dla analizy optycznej." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq9.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 9"> (9)</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Hsueh, C. K., Sawchuk, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computer-generated+double-phase+holograms%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Computer-generated double-phase holograms.</a> Applied Optics. 17 (24), 3874-3883 (1978).</li>
<li>Arrizón, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complex+modulation+with+a+twisted-nematic+liquid-crystal+spatial+light+modulator%3A+double-pixel+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Complex modulation with a twisted-nematic liquid-crystal spatial light modulator: double-pixel approach.</a> Optics Letters. 28 (15), 1359-1361 (2003).</li>
<li>Arrizón, V., Ruiz, U., Carrada, R., González, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pixelated+phase+computer+holograms+for+the+accurate+encoding+of+scalar+complex+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Optical+Society+of+America+A%22%5BJournal%5D)">Pixelated phase computer holograms for the accurate encoding of scalar complex fields.</a> Journal of the Optical Society of America A. 24 (11), (2007).</li>
<li>Shibukawa, A., Okamoto, A., Takabayashi, M., Tomita, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+cross+modulation+method+using+a+random+diffuser+and+phase-only+spatial+light+modulator+for+constructing+arbitrary+complex+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Spatial cross modulation method using a random diffuser and phase-only spatial light modulator for constructing arbitrary complex fields.</a> Optics Express. 22 (4), 3968-3982 (2014).</li>
<li>Martínez-Fuentes, J. L., Moreno, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Random+technique+to+encode+complex+valued+holograms+with+on+axis+reconstruction+onto+phase-only+displays%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Random technique to encode complex valued holograms with on axis reconstruction onto phase-only displays.</a> Optics Express. 26 (5), 5875-5893 (2018).</li>
<li>Clark, T. W., Offer, R. F., Franke-Arnold, S., Arnold, A. S., Radwell, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+beam+generation+techniques+using+a+phase+only+spatial+light+modulator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Comparison of beam generation techniques using a phase only spatial light modulator.</a> Optics Express. 24 (6), 6249-6264 (2016).</li>
<li>Mendoza-Yero, O., Mínguez-Vega, G., Lancis, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Encoding+complex+fields+by+using+a+phase-only+optical+element%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Encoding complex fields by using a phase-only optical element.</a> Optics Letters. 39 (7), 1740-1743 (2014).</li>
<li>Yamaguchi, I., Zhang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase-shifting+digital+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Phase-shifting digital holography.</a> Optics Letters. 22 (16), 1268-1270 (1997).</li>
<li>Shao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Addressable+multiregional+and+multifocal+multiphoton+microscopy+based+on+a+spatial+light+modulator%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Addressable multiregional and multifocal multiphoton microscopy based on a spatial light modulator.</a> Journal of Biomedical Optics. 17 (3), 030505(2012).</li>
<li>Mendoza-Yero, O., Carbonell-Leal, M., Mínguez-Vega, G., Lancis, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+multifocal+irradiance+patterns+by+using+complex+Fresnel+holograms%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Generation of multifocal irradiance patterns by using complex Fresnel holograms.</a> Optics Letters. 43 (5), 1167-1170 (2018).</li>
<li>Kuang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffractive+Multi-beam+Ultra-fast+Laser+Micro-processing+Using+a+Spatial+Light+Modulator+%28Invited+Paper%29%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Lasers%22%5BJournal%5D)">Diffractive Multi-beam Ultra-fast Laser Micro-processing Using a Spatial Light Modulator (Invited Paper).</a> Chinese Journal of Lasers. 36 (12), 3093-3115 (2009).</li>
<li>Kuang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+throughput+diffractive+multi-beam+femtosecond+laser+processing+using+a+spatial+light+modulator%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Surface+Science%22%5BJournal%5D)">High throughput diffractive multi-beam femtosecond laser processing using a spatial light modulator.</a> Applied Surface Science. 255, 2284-2289 (2008).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

W niniejszym protokole praktyczne parametry, takie jak szerokość piksela SLM działającego tylko w trybie fazowym lub liczba pikseli zawartych w komórkach pikselowych wzoru generowanego komputerowo, są kluczowymi punktami dla pomyślnej implementacji metody kodowania. W krokach 1.2, 1.3 i 1.4 protokołu im mniejsza szerokość piksela, tym lepsza rozdzielczość przestrzenna odzyskanego wzoru amplitudy i fazy. Ponadto, ponieważ kodowanie w SLM gwałtownych modulacji fazowych z piksela na piksel może powodować nieoczekiwane odpow...

Prawie wszystkie zastosowania laserów są ściśle powiązane z zarządzaniem optycznym frontem fali światła. W przybliżeniu paraksjalnym pole zespolone związane z promieniowaniem laserowym można opisać za pomocą dwóch parametrów: amplitudy i fazy. Kontrola nad tymi dwoma parametrami jest niezbędna do dowolnej modyfikacji struktury czasowej i przestrzennej wiązek laserowych. W ujęciu ogólnym amplitudę i fazę wiązki laserowej można odpowiednio zmieniać za pomocą kilku metod, w tym poprzez zastosowanie komponentów optycznych – od pojedynczych soczewek, dzielników wiązki i luster, po najbardziej złożone urządzenia, takie jak lustra deformowalne lub przestrzenne modulatory światła. W niniejszej pracy przedstawiamy metodę kodowania i rekonstrukcji pola zespolonego spójnych wiązek laserowych, opartą na teorii hologramów dwufazowych1 oraz wykorzystaniu interferometru wspólnej ścieżki.
Obecnie istnieje szeroka gama metod kodowania złożonych pól wiązek laserowych2,3,4,5. W tym kontekście niektóre uznane metody generowania modulacji fazy i amplitudy opierają się na zastosowaniu hologramów cyfrowych6. Wspólnym elementem wszystkich tych metod jest konieczność wytworzenia przesunięcia przestrzennego w celu oddzielenia pożądanej wiązki wyjściowej od rzędu zerowego powstającego w wyniku odbicia światła od wyświetlacza SLM. Metody te są zasadniczo pozaosiowe (zazwyczaj stosowane dla pierwszego rzędu dyfrakcyjnego siatki), wykorzystując siatkę fazową nie tylko do kodowania fazy, ale także do wprowadzenia niezbędnej modulacji amplitudy. W szczególności modulacja amplitudy jest realizowana poprzez przestrzenne zmniejszenie wysokości siatki, co wyraźnie obniża sprawność dyfrakcji. Proces rekonstrukcji hologramu najczęściej pozwala na uzyskanie przybliżonej, lecz nie dokładnej rekonstrukcji amplitudy i fazy pożądanego pola złożonego. Rozbieżności między teorią a eksperymentem wydają się wynikać z niedokładnego kodowania informacji o amplitudzie, a także z innych problemów eksperymentalnych występujących podczas filtrowania przestrzennego pierwszego rzędu dyfrakcyjnego lub z efektów pikselizacji SLM. Ponadto profil natężenia wiązki wejściowej może nakładać ograniczenia na moc wyjściową.
W przeciwieństwie do tego, w zastosowanej metodzie7 całe zarządzanie światłem odbywa się na osi, co jest bardzo wygodne z punktu widzenia eksperymentalnego. Dodatkowo wykorzystuje ona założenie, że w przybliżeniu paraksjalnym pole zespolone związane z wiązkami laserowymi można rozpatrywać jako sumę dwóch fal jednorodnych. Informacja o amplitudzie jest syntetyzowana poprzez interferencję tych fal jednorodnych. W praktyce taka interferencja jest realizowana poprzez filtrowanie przestrzenne częstotliwości światła w płaszczyźnie Fouriera danego układu obrazującego. Wcześniej wzorce fazowe związane z falami jednorodnymi są multipleksowane przestrzennie i kodowane w SLM działającym tylko na fazie (umieszczonym w płaszczyźnie wejściowej tego układu obrazującego). Zatem cały układ optyczny można uznać za interferometr o wspólnej drodze (bardzo odporny na wibracje mechaniczne, zmiany temperatury lub błędy w ustawieniu optyki). Należy zauważyć, że wyżej wymieniony proces interferencji można alternatywnie zrealizować, stosując inne schematy optyczne: z parą SLM-ów działających tylko na fazie, odpowiednio rozmieszczonych w typowym interferometrze dwuramiennym, lub poprzez sekwencyjne w czasie kodowanie dwóch wzorców fazowych w SLM (wymagające wcześniejszego wprowadzenia lustra referencyjnego do układu optycznego). W obu przypadkach nie ma konieczności filtrowania przestrzennego, a w konsekwencji nie dochodzi do utraty rozdzielczości przestrzennej, kosztem zwiększenia złożoności układu optycznego oraz procesu jego ustawiania. Należy również podkreślić, że stosując tę metodę kodowania, pełne spektrum pożądanego pola zespolonego może zostać dokładnie odzyskanne w płaszczyźnie Fouriera, po odfiltrowaniu wszystkich rzędów dyfrakcyjnych poza rzędem zerowym.
Z drugiej strony, wydajność tej metody zależy od kilku czynników: specyfikacji SLM podanej przez producenta (np. współczynnika wypełnienia, odblaskowości lub wydajności dyfrakcyjnej), rozmiaru zakodowanego wzoru oraz sposobu padania światła na SLM (odbicie pod małym kątem padania lub padanie prostopadłe z wykorzystaniem dzielnika wiązki). W tych warunkach, przy odpowiednich parametrach eksperymentalnych, zmierzona całkowita wydajność świetlna może przekroczyć 30%. Należy jednak zauważyć, że całkowita wydajność świetlna wynikająca wyłącznie z zastosowania SLM może być niższa niż 50%. Brak elementów losujących lub dyfuzorów w układzie optycznym pozwala na odzyskanie wzorów amplitudy i fazy bez szumu koherentnego (speckle). Innymi istotnymi aspektami są zastosowanie algorytmu kodowania bezpośredniego zamiast procedur iteracyjnych oraz możliwość wykonywania dowolnej i niezależnej modulacji amplitudy i fazy z częstotliwością odświeżania SLM (do setek herców przy obecnej technologii).
W zasadzie metoda ta7 jest przeznaczona do stosowania z falami płaskimi na wejściu, ale nie jest na to ograniczona. Na przykład, jeśli wiązka Gaussa pada na SLM, możliwe jest zmodyfikowanie kształtu jej natężenia na wyjściu systemu poprzez zakodowanie w SLM odpowiedniego wzorca amplitudy. Jednakże, ponieważ natężenie wiązki wyjściowej nie może przekroczyć natężenia wiązki wejściowej w żadnej pozycji poprzecznej (x,y), kształtowanie amplitudy odbywa się poprzez straty natężenia wynikające z procesu częściowo destrukcyjnej interferencji.
Teoria leżąca u podstaw metody kodowania7 jest następująca. Dowolne złożone pole reprezentowane w postaci U(x,y)= A(x,y)eiφ(x,y) może zostać również zapisane jako:
<img alt="Interferencja fal; wzór U(x,y)=e^(iθ(x,y)), wizualizacja oddziaływania faz; pojęcie matematyczne." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 1"> (1)
gdzie
<img alt="Wzór na obliczanie fazy odbicia: θ(x,y)=φ(x,y)+cos⁻¹[A(x,y)/Amax]; wyświetlenie równania." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 2"> (2)
<img alt="Wzór funkcji fazowej, równanie z komponentami trygonometrycznymi, wyrażenie matematyczne." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 3"> (3)
W równaniach 1-3 amplituda i faza dwuwymiarowego pola zespolonego U(x,y) są odpowiednio określone przez A(x,y) oraz φ(x,y). Należy zauważyć, że wyrazy Amax (maksimum A(x,y)) oraz B = Amax/2 nie zależą od współrzędnych poprzecznych (x,y). Z teorii wynika, że jeśli przyjmiemy Amax=2, wówczas B =1. Zatem pole zespolone U(x,y) można uzyskać w prosty sposób poprzez spójną sumę fal jednorodnych Beiϑ(x,y) oraz Beiθ(x,y). W praktyce realizuje się to za pomocą interferometru wspólnej ścieżki, składającego się z pojedynczego elementu fazowego α(x,y), umieszczonego w płaszczyźnie wejściowej układu obrazującego. Pojedynczy element fazowy jest konstruowany poprzez multipleksację przestrzenną członów fazowych ϑ(x,y)
oraz θ(x,y) przy użyciu dwuwymiarowych siatek binarnych (wzorów szachownicy) M1(x,y) i M2(x,y) w następujący sposób
<img alt="Równanie interferencji fal, reprezentacja symboli, przesunięcie fazowe, badanie optyczne, amplitudy zespolone." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 4"> (4)
zatem,
<img alt="Wyrażenie matematyczne dla α(x,y)=M₁(x,y)θ(x,y)+M₂(x,y)β(x,y); reprezentacja wzoru." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq5.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 5"> (5)
Wzory binarne te spełniają warunek M1(x,y) + M2(x,y) = 1. Należy zauważyć, że interferencja fal jednorodnych nie może zajść, jeśli nie zmieszamy informacji zawartych w elemencie fazowym α(x,y). W niniejszej metodzie jest to realizowane poprzez zastosowanie filtru przestrzennego zdolnego do zablokowania wszystkich rzędów dyfrakcyjnych z wyjątkiem rzędu zerowego. W ten sposób, po procesie filtrowania w płaszczyźnie Fouriera, widmo H(u,v)= F{eiα(x,y)} zakodowanej funkcji fazy jest powiązane z widmem pola zespolonego F{U(x,y)} za pomocą wyrażenia
<img alt="Równanie transformaty Fouriera, H(u,v)P(u,v)=F{U(x,y)}/2 dla analizy przetwarzania obrazu." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq6.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 6"> (6)
W równ. (6), (u,v) oznaczają współrzędne w dziedzinie częstotliwości, P(u,v) odpowiada filtru przestrzennemu, natomiast transformata Fouriera danej funkcji Θ(x,y) jest przedstawiona w postaci F{Θ(x,y)}. Z równ. (6) wynika, że w płaszczyźnie wyjściowej systemu obrazowania odtworzone pole zespolone URET(x,y), (bez uwzględniania czynników stałych), jest dane przez splot powiększonego i odwróconego przestrzennie pola zespolonego U(x,y) z transformatą Fouriera maski filtra. To znaczy:
<img alt="Równanie dyfrakcji Fresnela, U_REF(x,y)=U(-x/Mag,-y/Mag)⊗F{P(u,v)}, wzór w badaniu optyki." src="/files/ftp_upload/59158/59158eq7.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 7"> (7)
W równaniu (7) operacja splotu jest oznaczona symbolem <img alt="Schemat soczewki optycznej z drogami promieni, przedstawiający analizę refrakcji i punktu ogniskowego." src="/files/ftp_upload/59052/59052eq10.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 10">, a termin Mag reprezentuje powiększenie układu obrazującego. Zatem amplituda i faza U(x,y) są w pełni odzyskiwane w płaszczyźnie wyjściowej, z wyjątkiem pewnej utraty rozdzielczości przestrzennej wynikającej z operacji splotu.

<table><tbody><tr><td>Achromatyczny dublet</td><td>THORLABS</td><td>AC254-100-B-ML</td><td>Średnica obiektywu 25,4 mm, ogniskowa 100 mm</td></tr><tr><td>Achromatyczny ekspander wiązki Galileusza</td><td>THORLABS</td><td>GBE05-A</td><td>AR Powlekany: 400 - 650 nm</td></tr><tr><td>Kamera Basler</td><td>BASLER</td><td>avA1600-50gm Rozmiar</td> czujnika kamery GigE <td>8,8 mm x 6,6 mm, rozmiar pizel 5,5 mikrona</td></tr><tr><td>Zamontowana przysłona z zerową aperturą</td><td>THORLABS</td><td>ID12Z/M</td><td>Max Apertura 12 mm</td></tr><tr><td>Beamsplitter</td><td>THORLABS</td><td>CM1-BP145B2</td><td>45:55 (R:T), Powłoka: 700 - 900 nm</td></tr><tr><td>Przestrzenny modulator światła PLUTO</td><td>HOLOEYE Photonics AG</td><td>NIR-II</td><td>Przestrzenny modulator światła tylko fazowego (zoptymalizowany dla 700 -1000 nm)</td></tr><tr><td>Dwa cienkowarstwowe polaryzatory laserowe</td><td>EKSMA OPTICS</td><td>420-0526M</td><td>materiał BK7, średnica 50 mm, długość fali 780-820 nm</td></tr></tbody></table>

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

Shaping the Amplitude and Phase of Laser Beams by Using a Phase-only Spatial Light Modulator

Celem tego artykułu jest wizualne zademonstrowanie wykorzystania metody interferometrycznej do kodowania złożonych pól związanych ze spójnym promieniowaniem laserowym. Metoda opiera się na koherentnej sumie dwóch jednorodnych fal, wcześniej zakodowanych w przestrzenny modulator światła tylko fazowego (SLM) poprzez przestrzenne multipleksowanie ich faz. W tym przypadku proces interferencji odbywa się poprzez przestrzenne filtrowanie częstotliwości światła na płaszczyźnie Fouriera określonego systemu obrazowania. Prawidłowa implementacja tej metody pozwala na uzyskanie dowolnych informacji o fazie i amplitudzie na wyjściu układu optycznego.
Jest to technika kodowania na osi, a nie poza osią, z bezpośrednim algorytmem przetwarzania (nie pętlą iteracyjną) i wolna od spójnego szumu (plamki). Złożone pole może być dokładnie odzyskane na wyjściu układu optycznego, z wyjątkiem pewnej utraty rozdzielczości spowodowanej procesem filtrowania częstotliwości. Głównym ograniczeniem metody może być brak możliwości działania z częstotliwościami wyższymi niż częstotliwość odświeżania SLM. Zastosowania obejmują między innymi mikroskopię liniową i nieliniową, kształtowanie wiązki lub mikroobróbkę laserową powierzchni materiałów.

Rozdzielczość przestrzenna zastosowanego SLM działającego tylko w fazie wynosi 1920 pikseli x 1080 pikseli, przy rozmiarze piksela 8 µm. Wybrana amplituda A(x,y) i faza φ(x,y) pola zespolonego są definiowane przez dwa różne obrazy w skali szarości, odpowiadające odpowiednio znanemu obrazowi Lenny (wzór amplitudy) oraz młodej dziewczynce wystawiającej język (wzór fazy). W obu przypadkach do generowania niezbędnych wzorów oraz sterowania...

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

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser ...

Protokół ten może być przydatny do kształtowania wiązki lub wiązki laserowej HALO echa przestrzennego przy użyciu tylko defraktycznego elementu optycznego i wywołania go do przestrzennej modulacji oka tylko w fazie. Technika, która stworzyła ten protokół, daje prosty, ale wysoki gęsty ech, zdolny do przestrzennej modyfikacji i mikro maleńkości, oba mają jednocześnie lepszą niż faza wiązek laserowych. Zakoduj złożone pole za pomocą przestrzennego modulatora światła i komputera.Znajdź rozdzielczość przestrzenną modulatora światła na podstawie jego specyfikacji technicznej. Następnie przejdź do komputera, aby zdefiniować wzorce amplitudy i fazy. Zdefiniuj żądany wzór amplitudy jako obraz cyfrowy w formacie poziomu szarości o wartościach z zakresu od 0 do 255.Aby uzyskać żądany wzorzec fazy, zdefiniuj go w formacie poziomu szarości z wartościami od ujemnej liczby pi przez dwa do liczby pi przez dwie. Po zdefiniowaniu fazy i amplitudy, komputer generuje te dwa różne wzorce fazowe, używając równań dwa i trzy. Zwróć uwagę, że wartość A max jest ustawiona na dwa.Zdefiniuj również dwuwymiarowe gradacje binarne o rozdzielczości przestrzennej równej wyświetlaniu przestrzennego modulatora światła. Pojawiają się one jako wzory szachownicy, przesunięte o jeden kwadrat w pionie lub poziomie, tak że po nałożeniu tworzą jednolity wzór o wysokości jeden. Aby zmniejszyć efekt przesłuchów pikseli, wygeneruj inne pary wzorów szachownicy dla binarnych gradacji fazowych z różnymi komórkami pikseli o zwiększonej liczbie pikseli.Całkowita liczba pikseli powinna być taka sama i równa rozdzielczości przestrzennej modulatora światła przestrzennego. Aby skonstruować pojedynczy element fazowy, sparuj każdą klasyfikację binarną z innym terminem fazowym. Następnie multipleksuj przestrzennie każdą parę i dodaj wyniki.Jest to element fazy dla wcześniej zdefiniowanych faz i gradacji o rozmiarze komórki piksela jeden. Należy pamiętać, że zmiana rozmiaru komórki piksela ma wpływ na rozdzielczość przestrzenną końcowego elementu jednofazowego. Ten schemat zawiera przegląd początkowej konfiguracji eksperymentu.Umieść przestrzenny modulator światła tak, aby jego programowalna powierzchnia była skierowana w stronę kamery CCD. Niech skolimowana, spolaryzowana, przestrzennie spójna wiązka laserowa trafi do rozdzielacza wiązki, który przekierowuje wiązkę do przestrzennego modulatora światła. Światło z przestrzennego modulatora światła przechodzi przez rozdzielacz wiązki do optycznego układu obrazu 44F.Umieść przetwornik CCD w płaszczyźnie wyjściowej systemu obrazowania. To jest ustawienie, które pojawia się na ławce rezerwowych. Wiązka laserowa przechodzi przez ekspander wiązki, aby dostosować jej rozmiar.Dwa lustra kierują wiązkę wyjściową do rozdzielacza wiązki. Oto rozdzielacz wiązki przed przestrzennym modulatorem światła. Dwa obiektywy skupiają światło z przestrzennego modulatora światła na kamerze CCD.Podczas ustawiania układu optycznego wyślij wygenerowany komputerowo wzór fazowy z komórką o najniższym pikselu do modulatora światła. Zobrazuj wzór fazowy za pomocą kamery CCD umieszczonej w kilku różnych pozycjach wzdłuż osi optycznej. Zidentyfikuj płaszczyznę wyjściową jako pozycję o najlepszej rozdzielczości.Zabezpiecz kamerę w pozycji skojarzonej z najlepszą rozdzielczością. Następnie umieść okrągłą tęczówkę w płaszczyźnie ogniskowej pierwszej soczewki na ścieżce optycznej, wyśrodkowaną wiązką lasera. Ponownie użyj kamery CCD, aby zobrazować wzór fazowy z przestrzennego modulatora światła, zmieniając jednocześnie przysłonę przysłony.Dostosuj przysłonę do pozycji, która zapewnia najlepszą rozdzielczość przestrzenną. Następnie wykonaj podobne kroki, aby zminimalizować przesłuchy. Eksperymentuj z różnymi rozmiarami komórek pikseli w elemencie fazowym na przestrzennym modulatorze światła.Dla każdego z nich wybierz rozmiar przysłony, który daje najwyższą rozdzielczość obrazu w kamerze CCD. Aby zminimalizować przesłuchy, wybierz rozmiar komórki piksela i przysłonę przysłony, które zapewniają najwyższą rozdzielczość przestrzenną. Do pomiarów należy stosować technikę przesunięcia fazowego opartą na polaryzacji.Umieść polaryzator optyczny tuż przed przestrzennym modulatorem światła. Zobrazuj element fazowy w aparacie i ustaw kąt obrotu polaryzatora, wizualizując wyszukiwanie kątów odpowiadających najostrzejszym i najbardziej rozmytym obrazom w kamerze CCD. Zamocuj polaryzator między dwoma kątami.Następnie umieść drugi polaryzator za tylną płaszczyzną systemu wyobrażania sobie przed aparatem. Ustaw kąt obrotu, wyszukując kąty odpowiadające najostrzejszym i najbardziej rozmytym obrazom w kamerze CCD. Ustal kąt polaryzatora między tymi dwoma kątami.Teraz nagrywaj interferogramy, utrzymując kamerę w płaszczyźnie wyjściowej. Na matrycy zerowych radianów do elementu fazowego i wyślij go do przestrzennego modulatora światła. Nagraj odpowiedni obraz za pomocą CCD.W przypadku drugiego interferogramu dodaj matrycę liczby pi na dwóch radianach do elementu fazowego i wyślij ją do przestrzennego modulatora światła. Nagraj jego obraz za pomocą kamery CCD. Dodaj matrycę pi radianów do elementu fazowego i wyślij ją do przestrzennego modulatora światła, aby zarejestrować jego interferogram za pomocą kamery CCD.Na koniec dodaj macierz trzech pi nad dwoma radianami do elementu fazowego. Użyj go w przestrzennym modulatorze światła, aby nagrać czwarty interferogram za pomocą kamery. Po zarejestrowaniu interferogramów przenieś dane do komputera.Tutaj każdy z interferogramów jest oznaczony kolejnością, w jakiej został nagrany. Od tej, która obejmuje macierz zerową, do macierzy trzech pi nad macierzą. Jest to odzyskana amplituda pola zespolonego.Aby go znaleźć, zaimplementuj to wyrażenie, które korzysta z danych interferogramu. Aby pobrać fazę pola złożonego, zaimplementuj pozostały kod, aby ocenić to wyrażenie za pomocą danych interferogramu. Ten obraz określa amplitudę pola zespolonego dla eksperymentu.Ten obraz określa jego fazę. Technika przesunięcia fazowego wymaga pomiaru interferogramów za pomocą faz przesuniętych o zero, pi nad dwoma, pi i trzech pi nad dwoma radianami. Interferogramy te umożliwiają odczytanie zarówno amplitudy, jak i fazy złożonego pola za pomocą prostych algorytmów.Polecam iść krok po kroku. Zacznij od prostego wzorca amplitudy i fazy, a następnie zwróć uwagę na szczegóły naszego protokołu, w tym zadania uzupełniające, takie jak wyraźne zabarwienie. Należy pamiętać, że strona przysłony zależy od samego elementu selektywnego.Jednak zbyt duże zwiększenie komórki pikseli może znacznie zmniejszyć rozdzielczość przestrzenną pobieranego pola złożonego. Jest to pojedyncza metoda, która ma na celu uzyskanie konkretnego zastosowania, ale może być używana przez Westbury do dowolnych celów przekształcania, na przykład w celu ulepszenia mikroprzetwarzania materiałów do przenoszenia lub mikroskopii Norlina.

shaping-amplitude-phase-laser-beams-using-phase-only-spatial-light

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

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

System opisany tutaj wykorzystuje tradycyjną pułapkę optyczną, jak również niezależną holograficzną linię pułapek optycznych, zdolną do tworzenia i manipulowania wieloma pułapkami. Pozwala to na tworzenie złożonych układów geometrycznych cząstek załamanych światła, a jednocześnie umożliwia jednoczesne szybkie pomiary aktywności enzymów biologicznych w wysokiej rozdzielczości.

Budowa mikroskopu o wysokiej rozdzielczości z konwencjonalnymi i holograficznymi możliwościami optycznego pułapkowania

Duże interferometry laserowe są konstruowane w celu stworzenia nowego rodzaju astronomii opartej na falach grawitacyjnych. Ich czułość, podobnie jak w przypadku wielu innych eksperymentów wymagających wysokiej precyzji, zbliża się do podstawowych granic hałasu, takich jak drgania atomowe ich komponentów. Jesteśmy pionierami w dziedzinie technologii, które pozwalają przezwyciężyć te ograniczenia za pomocą nowatorskich kształtów wiązki laserowej.

Generacja wiązek optycznych Laguerre'a-Gaussa wyższego rzędu do precyzyjnej interferometrii

Przedstawiono protokół do wykrywania i automatyzacji blokowania trybu w wstępnie dostosowanym laserze światłowodowym o rotacji polaryzacji nieliniowej. Wykrycie nagłej zmiany stanu polaryzacji wyjścia w przypadku wystąpienia blokady trybu służy do nakazania wyrównania regulatora polaryzacji wewnątrz wnęki w celu znalezienia warunków blokowania trybu.

Automatyzacja blokowania trybów w laserze światłowodowym z rotacją polaryzacji nieliniowej poprzez pomiary polaryzacji wyjściowej

Tutaj wytwarzamy 3D polimerowe mikro/nano struktury, w których zarówno kształt, jak i wyrównanie molekularne mogą być zaprojektowane z dokładnością do skali nanometrowej za pomocą bezpośredniego pisma laserowego. Indukowane światłem odkształcenia kilku typów mikrostruktur elastomerów ciekłokrystalicznych mogą być kontrolowane w skali mikroskopowej.

Siłowniki do oświetlenia o dowolnym kształcie -- Wytwarzanie i sterowanie uruchamianiem w skali mikroskopowej

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

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

Opisujemy konstrukcję spektrometru CW-SBS do szybkiego rozpraszania Brillouiny stymulowanego falami ciągłymi. Spektrometr wykorzystuje lasery diodowe o pojedynczej częstotliwości i atomowy filtr wycinający do pozyskiwania widm transmisyjnych mętnych/niemętnych próbek o wysokiej rozdzielczości spektralnej przy prędkościach do 100 razy większych niż w przypadku istniejących spektrometrów CW-SBS. To ulepszenie umożliwia szybką analizę materiału Brillouina.<br...

Szybki spektrometr rozpraszania Brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów

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

Tutaj opisujemy działanie zintegrowanego obwodu fotonicznego SiN zawierającego optyczne układy fazowane. Obwody służą do emitowania wiązek laserowych o niskiej rozbieżności w bliskiej podczerwieni i kierowania nimi w dwóch wymiarach.

Charakterystyka zintegrowanych optycznych układów fazowych SiN na stanowisku testowym w skali waflowej

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

Poznaj metodę kształtowania wiązek laserowych z wykorzystaniem przestrzennego modulatora światła tylko dla fazy. Technika ta umożliwia precyzyjną modyfikację amplitudy i fazy pola złożonego w systemach optycznych.

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

Przeglądaj więcej filmów