Transmissão de múltiplos sinais através de uma fibra óptica Usando Wavefront Shaping

O objetivo geral deste procedimento é transmitir vários sinais de luz individuais separados espacialmente por meio de uma única fibra multimodo, enquanto compensa a distorção da luz pela conversão de modo dentro da fibra. Essa nova técnica pode ajudar a responder a questões-chave em biomedicina e engenharia de comunicação por meio de várias células biológicas ou canais de sinal de dados que devem ser produzidos individualmente. A principal vantagem desta técnica que permite a modulação espacial da luz temporal é que apenas um único modulador de luz espacial é necessário para calibrar e transmitir vários sinais independentes.

As implicações dessa técnica se estendem a estudos não invasivos e terapias prospectivas ou disfunções neurológicas como a doença de Parkinson. Enquanto o monitoramento e controle dos neurônios é uma combinação com o uso de sinais de luz espaço-temporais. Geralmente, indivíduos novos nesse método terão dificuldades devido ao alto esforço de alinhamento da passagem óptica, o que é inevitável para uma transmissão de alta qualidade.

O experimento ocorre em uma bancada óptica. Os elementos ópticos já foram organizados. Alguns elementos são usados apenas para calibração.

Este modulador de luz espacial está entre os elementos usados para transmissão de sinal de dados no lado proximal da configuração. Esta câmera CCD é o receptor de sinal de dados no lado distal. O sinal de dados viaja através desta fibra óptica multimodo conectando os dois lados.

Este esquema fornece uma visão geral do aparelho e identifica os elementos proximais e distais. Um laser fornece um feixe de luz coerente colimado que é dividido por um divisor de feixe polarizador. Use as placas de meia onda para manter os dois feixes com potência aproximadamente igual.

O feixe do objeto vai para o lado distal. Por enquanto, concentre-se no feixe de referência que vai para o lado proximal. Divida o feixe de referência em dois com cada feixe resultante passando por um modulador óptico.

Em seguida, faça com que os dois feixes sigam o mesmo caminho com a separação espacial. Durante a calibração, os feixes serão sobrepostos pela luz do lado distal que passa pela fibra multimodo, uma objetiva de microscópio e um polarizador linear e, eventualmente, interferem. Um divisor de feixe final direciona os dois feixes perpendicularmente para o modulador de luz especial.

Ao preparar o experimento, certifique-se de orientar o divisor de feixe polarizador para que a polarização do feixe de referência se alinhe com o modulador de luz espacial sensível à polarização. Para fins de calibração, os dois feixes também passam por lentes focadas em uma câmera CMOS. Observe que nada é exibido no modulador de luz especial por enquanto.

Portanto, o modulador atua como um espelho durante a calibração. Trabalhe com as duas lentes na bancada. Ajuste sua posição e a distância entre eles.

O objetivo é obter uma imagem nítida do plano modulador de luz especial na câmera CMOS. Agora concentre-se no lado distal da configuração para calibração. O feixe do objeto é transformado por divisores de feixe e espelhos em dois feixes espacialmente separados.

Outro divisor de feixe direciona os feixes para uma objetiva de microscópio e de lá para uma lente focada em uma câmera CCD. Na bancada, concentre a objetiva do microscópio na extremidade distal da fibra multimodo. Verifique o foco usando a lente e a câmera CCD para observar o reflexo traseiro da luz da fibra multimodo.

Trabalhe com a lente objetiva no lado proximal também. Use-o para colimar a luz que sai da fibra multimodo. Agora visualize o padrão de interferência na câmera CMOS e trabalhe para alterar o espaçamento da franja de interferência.

Isso é feito ajustando os espelhos e divisores de feixe nos feixes de referência e objeto. Isso altera o ângulo no qual o objeto e os feixes de referência se cruzam no modulador de luz espacial, que deve estar em menos de um grau. Pare quando o espaçamento da franja de interferência for aproximadamente do tamanho de dois pixels.

Por fim, trabalhe com o polarizador linear, ajuste sua orientação para corresponder à polarização do objeto e aos feixes de referência. Isso produzirá o contraste máximo na imagem da câmera CMOS, que mostrará franjas distintas. A primeira sequência de calibração envolve encontrar a relação de pixels entre o modulador de luz espacial e a câmera CMOS.

Comece com o feixe do objeto logo após o divisor de feixe polarizador. Bloqueie o feixe do objeto entre a placa de meia onda e o próximo divisor de feixe. Em seguida, trabalhe com um dos dois feixes de referência imediatamente após terem passado pelos moduladores ópticos.

Bloqueie apenas um deles para que o modulador de luz espacial seja iluminado pelo outro. Capture uma imagem do modulador de luz espacial com a câmera CMOS. Use um software gráfico para identificar as coordenadas do canto superior esquerdo do modulador, que servirá como ponto de origem para o modulador de luz espacial.

Quando terminar, remova os dois blocos de feixe para concluir a localização da relação de pixels entre o modulador de luz espacial e a câmera CMOS. A próxima sequência de calibração é para os caminhos do sinal. Neste ponto, esses são os caminhos do feixe.

O primeiro passo é bloquear o feixe de objeto dois logo após dois divisores de feixe em seu caminho. E para bloquear o feixe de referência dois após o modulador de luz. Em seguida, use a câmera CMOS para capturar uma imagem do holograma.

A partir disso, calcule a fase invertida na região um da viga. Continue removendo os blocos das vigas. Em seguida, bloqueie o feixe de objeto um e o feixe de referência um.

Calcule a fase invertida na região dois do feixe do holograma capturado pela câmera. Certifique-se de remover todos os blocos de viga antes de prosseguir. A configuração para os experimentos de transmissão é mais simples.

A transmissão do sinal não requer a câmera CMOS e o feixe do objeto está bloqueado. Agora, os dois feixes de referência são refletidos de duas regiões do modulador de luz espacial. A partir daí, os feixes refletidos passam pela fibra multimodo para a câmera CCD.

No computador, prepare a imagem para o modulador de luz espacial. Para a imagem, organize as imagens de fase invertida da região um e dois em suas posições correspondentes. Em seguida, junte essas imagens para exibição no modulador de luz espacial usando sua porta de computação gráfica.

Na bancada, faça os preparativos finais para o experimento. Os feixes de referência passam por moduladores de intensidade de luz. Ative-os em ambos os feixes de referência para prosseguir.

No computador, observe e grave os sinais de saída da câmera CCD. Esses são resultados típicos registrados pela câmera no lado distal depois que o sinal atravessou uma fibra de dois metros de comprimento. As imagens correspondem a apenas um sinal de estar ligado.

Apenas o sinal dois está ligado. E ambos os sinais estão ligados. Além dos picos desejados em cada imagem, há speckle devido a limitações de conjugação de fase óptica digital.

A proporção de pico para fundo pode ser aumentada usando fibras que suportam um número maior de modos. Há uma conversa cruzada entre os dois sinais de saída periódicos. O espectro de frequência do sinal um mostra o pico esperado na frequência f1 e um menor na frequência f2.

Da mesma forma, o espectro de frequência do sinal dois tem o pico esperado em f2 e um menor em f1. Ao tentar este procedimento, é importante engrenar cuidadosamente o modulador de luz espacial e a câmera CMOS para que a conjugação de fase óptica digital funcione. Para aprimorar esse procedimento, técnicas de calibração baseadas em modelos podem ser aplicadas para realizar a transmissão sem acesso à extremidade distal da fibra.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como aplicar a modelagem de onda individual para a transmissão de sinais independentes por meio de uma fibra multimodo. Após seu desenvolvimento, esta nova técnica abrirá caminho para pesquisadores em optogenética explorarem doenças neurodegenerativas em organismos modelo, bem como em neurônios ou cardiomiócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos.