Kształtowanie amplitudy i fazy wiązek laserowych za pomocą przestrzennego modulatora światła tylko dla fazy
January 28th, 2019
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.
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.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie demonstruje metodę kodowania złożonego pola wiązek laserowych za pomocą pojedynczego elementu fazowego. Za pomocą interferometru wspólnej ścieżki informacje fazowe są mieszane z modulatorem przestrzennym światła tylko fazowego, aby odzyskać pożądany wzorzec złożonego pola.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria optyczna
- Technologia laserowa
- Interferometria
Tło
- Wiązki laserowe mogą mieć złożone pola, które wymagają precyzyjnej manipulacji.
- Modulator przestrzenny tylko fazowy jest niezbędny do modyfikacji wzorców światła.
- Interferometry wspólnej ścieżki zapewniają stabilną metodę pomiaru fazy.
- Rozumienie kształtowania wiązki jest kluczowe dla różnych zastosowań w optyce.
Cel badania
- Aby uprościć proces kształtowania wiązki za pomocą pojedynczego elementu optycznego.
- Aby zwiększyć zdolność przestrzennej modyfikacji wiązek laserowych.
- Aby wykazać skuteczność modulatora przestrzennego tylko fazowego w odzyskiwaniu złożonych wzorców pola.
Stosowane metody
- Wykorzystanie interferometru wspólnej ścieżki.
- Integracja informacji fazowych z modulatorem przestrzennym światła.
- Definiowanie wzorców amplitudy i fazy za pomocą komputera.
- Tworzenie obrazów cyfrowych w formacie szarości dla wzorców amplitudy.
Główne wyniki
- Metoda z powodzeniem odzyskuje skomplikowane wzorce pola z wiązek laserowych.
- Wysoka gęstość echo osiągana jest w zmodyfikowanych wiązkach laserowych.
- Modyfikacje przestrzenne wykonywane są z dużą precyzją.
- Protokół pokazuje prosty podchod do kształtowania wiązki.
Wnioski
- To badanie przedstawia nowatorską technikę kształtowania wiązki laserowej.
- Zastosowanie pojedynczego elementu fazowego znacznie upraszcza proces.
- Przyszłe zastosowania mogą skorzystać z tej metody w różnych systemach optycznych.
Często zadawane pytania
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.
