Передача нескольких сигналов по оптическому волокну с использованием Wavefront Shaping

Общая цель этой процедуры заключается в передаче нескольких отдельных пространственно разделенных световых сигналов через одно многомодовое волокно, компенсируя при этом искажение света путем преобразования мод внутри волокна. Этот новый метод может помочь ответить на ключевые вопросы биомедицины и коммуникационной инженерии с помощью нескольких биологических клеток или каналов передачи данных, которые должны быть переданы по отдельности. Основное преимущество этого метода, обеспечивающего пространственную временную модуляцию света, заключается в том, что для калибровки и передачи нескольких независимых сигналов требуется только один пространственный модулятор света.

Применение этого метода распространяется на неинвазивные исследования и проспективные методы лечения или неврологических дисфункций, таких как болезнь Паркинсона. При этом мониторинг и управление нейронами представляет собой комбинацию с использованием пространственных временных световых сигналов. Как правило, новички в этом методе будут испытывать трудности из-за больших усилий для выравнивания оптического прохода, что неизбежно для высококачественной передачи.

Эксперимент проходит на оптической скамье. Оптические элементы уже расставлены. Некоторые элементы используются только для калибровки.

Этот пространственный модулятор света входит в число элементов, используемых для передачи сигнала данных на ближайшей стороне установки. Эта ПЗС-камера является приемником сигнала данных на дистальной стороне. Сигнал данных передается по этому многомодовому оптическому волокну, соединяющему две стороны.

На этой схеме представлен обзор аппарата и определены проксимальные и дистальные элементы. Лазер подает коллимированный когерентный световой луч, который расщепляется поляризационным светоделителем. Используйте полуволновые пластины, чтобы два луча были примерно одинаковой мощности.

Луч объекта идет в дистальную сторону. А пока сосредоточьтесь на опорном луче, который идет на проксимальную сторону. Разделите опорный луч на две части, каждый из которых будет проходить через оптический модулятор.

Затем пусть два луча следуют по одной и той же траектории с пространственным разделением. Во время калибровки лучи будут накладываться на свет с дистальной стороны, который проходит через многомодовое волокно, объектив микроскопа и линейный поляризатор, и в конечном итоге интерферируют. Конечный светоделитель направляет два луча перпендикулярно на специальный модулятор света.

При подготовке эксперимента обязательно ориентируйте поляризационный светоделитель таким образом, чтобы поляризация опорного луча совпадала с поляризационным чувствительным пространственным модулятором света. Для калибровки два луча также проходят через объективы, сфокусированные на CMOS-камере. Обратите внимание, что на специальном модуляторе света пока ничего не отображается.

Поэтому модулятор действует как зеркало во время калибровки. Работайте с двумя объективами на стенде. Отрегулируйте их положение и расстояние между ними.

Цель состоит в том, чтобы получить четкое изображение специальной плоскости модулятора света в КМОП-камере. Теперь сосредоточьтесь на дистальной стороне установки для калибровки. Пучок объекта преобразуется светоделителями и зеркалами в два пространственно разделенных луча.

Другой светоделитель направляет лучи в объектив микроскопа, а оттуда в объектив, сфокусированный на ПЗС-камере. На стенде сфокусируйте объектив микроскопа на дистальном конце многомодового волокна. Проверьте фокусировку с помощью объектива и ПЗС-камеры, чтобы наблюдать обратное отражение света от многомодового волокна.

Работайте с линзой объектива также с проксимальной стороны. Используйте его для коллимации света, выходящего из многомодового волокна. Теперь просмотрите интерференционную картину на КМОП-камере и измените расстояние между интерференционными полосами.

Это делается путем регулировки зеркал и светоделителей в опорном и объектном лучах. При этом изменяется угол, под которым объект и опорные лучи пересекаются в пространственном модуляторе света, который должен быть менее одного градуса. Остановитесь, когда расстояние между интерференционными полосами станет примерно равным двум пикселям.

Наконец, поработайте с линейным поляризатором, отрегулируйте его ориентацию в соответствии с поляризацией объекта и опорных лучей. Это обеспечит максимальный контраст на изображении КМОП-камеры, на котором будут видны отчетливые полосы. Первая последовательность калибровки включает в себя поиск соотношения пикселей между пространственным модулятором света и КМОП-камерой.

Начните с объекта луча сразу после поляризационного светоделителя. Заблокируйте луч объекта между полуволновой пластиной и следующим светоделителем. Далее работайте с одним из двух опорных лучей сразу после того, как они прошли через оптические модуляторы.

Заблокируйте только один из них, чтобы пространственный модулятор света подсвечивался другим. Захват изображения пространственного модулятора света с помощью CMOS-камеры. С помощью графического программного обеспечения определите координаты верхнего левого угла модулятора, который будет служить точкой отсчета пространственного модулятора света.

Когда закончите, удалите оба блока луча, чтобы завершить поиск пиксельного соотношения между пространственным модулятором света и CMOS-камерой. Следующая последовательность калибровки предназначена для путей прохождения сигнала. В этой точке это пути луча.

Первым шагом является блокировка второго луча объекта сразу после двух светоделителей на его пути. И блокировать опорный луч два после модулятора света. Затем используйте CMOS-камеру для захвата изображения голограммы.

Исходя из этого, рассчитайте инвертированную фазу в первой области луча. Продолжайте снимать блоки с балок. Затем заблокируйте первый луч объекта и опорный луч один.

Вычислите инвертированную фазу во второй области луча по голограмме, захваченной камерой. Обязательно снимите все блоки балки, прежде чем продолжить. Настройка для экспериментов с трансмиссией проще.

Для передачи сигнала не требуется CMOS-камера, и луч объекта блокируется. Теперь два опорных луча отражаются от двух областей пространственного модулятора света. Оттуда отраженные лучи проходят по многомодовому волокну к ПЗС-камере.

За компьютером подготовьте изображение для пространственного модулятора света. Для изображения расположите первое и два инвертированных фазовых изображения региона в соответствующих положениях. Затем соедините эти изображения вместе для отображения на пространственном модуляторе света с помощью его порта компьютерной графики.

На стенде проводят окончательные приготовления к эксперименту. Опорные лучи проходят через модуляторы силы света. Активируйте их на обоих опорных лучах, чтобы продолжить.

На компьютере наблюдайте и записывайте выходные сигналы от ПЗС-камеры. Это типичные результаты, регистрируемые камерой на дистальной стороне после того, как сигнал прошел двухметровое волокно. Изображения соответствуют включению только одного сигнала.

Горит только второй сигнал. И оба сигнала горят. В дополнение к желаемым пикам на каждом изображении присутствует спекл, обусловленный ограничениями цифрового оптического сопряжения фаз

Соотношение пика к фону может быть увеличено за счет использования волокон, поддерживающих большее количество мод. Между двумя периодическими выходными сигналами существуют перекрестные помехи. Частотный спектр сигнала один показывает ожидаемый пик на частоте f1 и меньший на частоте f2.

Аналогично, частотный спектр второго сигнала имеет ожидаемый пик в f2 и меньший в f1. При попытке выполнить эту процедуру важно тщательно соединить пространственный модулятор света и CMOS-камеру, чтобы цифровая оптическая фазовая конъюгация работала. Для улучшения этой процедуры могут быть применены методы калибровки на основе моделей для выполнения передачи без доступа к дистальному концу волокна.

После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как применять индивидуальное формирование волны для передачи независимых сигналов по многомодовому волокну. После своего развития этот новый метод проложит путь исследователям в области оптогенетики к изучению нейродегенеративных заболеваний в модельных организмах, а также в индуцированных человеком плюрипотентных нейронах стволовых клеток или кардиомиоцитах.