Abstract
ويتم إنجاز نقل الإشارات الضوئية مستقلة متعددة من خلال الألياف متعددة باستخدام تشكيل واجهة الموجة من أجل تعويض عن تشويه خفيفة خلال نشر في الألياف. ويستند منهجيتنا في المرحلة البصرية الرقمية اقتران توظيف فقط المغير واحد المكاني للضوء، حيث التضمين واجهة الموجة الضوئية بشكل فردي في مناطق مختلفة من المغير، منطقة واحدة في إشارة الضوء. تعتبر النهج اقتران المرحلة البصرية الرقمية لتكون أسرع من النهج واجهة الموجة تشكيل أخرى، حيث (على سبيل المثال) يتم تنفيذ تقرير كامل للسلوك الموجات من الألياف. في المقابل، فإن النهج الذي عرضه هو كفاءة في استهلاك للوقت لأنه يتطلب فقط معايرة واحدة في إشارة الضوء. الطريقة المقترحة من المحتمل أن يكون مناسبا لمضاعفة تقسيم المكاني في هندسة الاتصالات. المزيد من مجالات التطبيق هي بالمنظار تسليم ضوء في بيوفوتونيك، خصوصا في سptogenetics، حيث الخلايا واحدة في الأنسجة البيولوجية يجب أن تكون مضاءة بشكل انتقائي مع القرار المكانية والزمانية عالية.
Introduction
نقل الإشارات الضوئية متعددة من خلال الألياف متعددة (MMF) هو واضح في مجال الاتصالات والهندسة 1 و 2 بيوفوتونيك. في هندسة الاتصالات، ويعتقد تقسيم مساحة مضاعفة (SDM) ليكون حلا قابلا للتطبيق من أجل تعزيز قدرة انتقال من الألياف البصرية لتطبيقات نقل البيانات في المستقبل الاستفادة من زيادة استخدام من مساحة محدودة، مقارنة متعددة الألياف أحادية النمط 3. في بيوفوتونيك، يتم التلاعب العينات البيولوجية التي يحيل الضوء من خلال المنظار MMF 4. على سبيل المثال، والسيطرة البصرية مستقلة من الخلايا العصبية الفردية باستخدام المناظير MMF هي من مصلحة لعلم البصريات الوراثي لدراسة الشبكات العصبية في الدماغ 5. ومع ذلك، وعلى ضوء المتوقعة على الوجه MMF المدخلات يخضع للتشويه بسبب الوضع الخلط والتشتت أثناء انتشار للتبور وجه من وجوه MMF. ونتيجة لذلك، يتم تبديل لانتشار الضوء، مما يجعل نقل الإشارات تحديا.
واجهة الموجة طرق تشكيل 6، يتم تطبيق 7 في نثر الوسائط باستخدام جهري ضوء المكانية (حركة تحرير السودان) وتمكين تعويضا عن تشويه بسبب تناثر خلال انتشار الضوء 8. هناك أساليب تكرارية تحسين الانتاج باستخدام ردود الفعل البصري 9. هذه المناهج هي بالأحرى تستغرق وقتا طويلا بسبب ضرورة للعديد من التكرار ودرجة عالية من الحرية، المقابلة لعدد كبير من العناصر المغير. وثمة نهج آخر هو تحديد تماما تشويه داخل MMF التي وصفها مصفوفة انتقاله 10. وإذا كان عدد من وسائط إلى أن تنتقل كبير، وهذا سوف يكون مضيعة للوقت أيضا. في المقابل، يعتبر الرقمي اقتران المرحلة البصرية (DOPC) ليكونسريع ومفيد هنا، منذ البقع التنسيق قليلة لا تملك إلا أن تكون ولدت في الوجه الناتج من MMF. كما تم أثبتت نهج اقتران المرحلة للتركيز أو التصوير من خلال الأنسجة البيولوجية 12 و 13 و 14.
حتى الآن، كان يعمل DOPC إشارة زمنية واحدة فقط 15، 16، و تم تطبيق لنقل الضوء عبر MMF 17. لم يتم إنجاز نهج DOPC لإشارات مستقلة متعددة. لقد قمنا بتطوير طريقة DOPC تعزيز توفير انتقال مستقل من الإشارات الضوئية متعددة باستخدام واجهة الموجة الفردية تشكيل لكل إشارة توظيف حركة تحرير السودان واحدة المرحلة فقط 18. لتحقيق هذا الهدف، ومجزأة حركة تحرير السودان إلى أقاليم، واحد لكل إشارة إلى أن تنتقل. ويصور الإعداد التجريبية المقترحة في الشكل 1، حيث يتم إجراء المعايرة في أ) قبل الإرسال الفعلي يحدث في ب).
الشكل 1: الإعداد التجريبية. BS = شعاع الخائن، CCD = الجهاز المسؤول عن جانب، OM = المغير الضوئي، المكمل = مكمل معدن أكسيد أشباه الموصلات، ومنتجات الخشب المقطوع = موجة لوحة، L = عدسة، ليرة لبنانية = الخطي المستقطب، MMF = الألياف متعددة، الهدف نصف الكائنات = المجهر، برنامج تلفزيوني = استقطاب الخائن شعاع، حركة تحرير السودان = المكاني المغير ضوء (المرحلة فقط) - فقط الحزم ذات الصلة (أ) معايرة و (ب) نقل وصفت الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تجميع الإعداد التجريبي
- إعداد الجانب القريب
- وضع وتحديد الليزر توفير شعاع الضوء موازى - أو استخدام الليزر إلى جانب الألياف البصرية مع الموازاة في وجه خروج من الألياف.
- وضع شعاع الخائن الاستقطاب (PBS) لتقسيم شعاع الليزر إلى مرجعية وشعاع الكائن. بدوره توجه لوحات موجة نصف (HWP) عن طريق تدوير منتجات الخشب المقطوع في دورانه جبل حتى قوة شعاع إشارة والحزم كائن (في الجانب البعيد) هي تقريبا نفس. التحقق من ذلك عن طريق وضع الشاشة في كل من المراجع وشعاع الكائن. اختيار التوجه للبرنامج تلفزيوني بحيث استقطاب شعاع إشارة يناسب ضوء المكاني المغير الحساسة الاستقطاب (حركة تحرير السودان).
- وضع الحزمة الخائن (BS) في شعاع إشارة إلى تقسيم شعاع إشارة إلى شعاعين. وضع جهري بصرية (OM) هذه أن هذه شعاعين القادمة من BS1 يمكن أن تمر OM1 وOM2، على التوالي. </ لى>
- الجمع بين شعاعين يمر OM1 وOM2 في BS2 توظيف اثنين من المرايا. ضبط مقسم الأشعة والمرايا بحيث يتم فصل كل من الحزم مكانيا.
- بعناية محاذاة BS5 لضمان أن اتجاه حالات كل من الحزم هو عمودي على الطائرة بكسل من حركة تحرير السودان، وتجاهل BS3 وBS4 في البداية. في البداية، يتم عرض أي شيء على حركة تحرير السودان، أي أنه يتصرف مثل المرآة حتى نهاية المعايرة (طوال الخطوة 2).
- ضبط الموقف والمسافة بين اثنين من العدسات (L) تشكل تلسكوب كبلر من أجل الحصول على صورة حادة من الطائرة حركة تحرير السودان على الكاميرا مكمل معدن أكسيد أشباه الموصلات (CMOS). مشاهدة الاتجاه الصحيح من L1 و L2 (والجانبين مسطحة تواجه بعضها البعض) للحد من الانحرافات.
- إعداد الجانب القاصي
- استخدام BS7 لتقسيم شعاع الكائن في شعاعين والجمع بينهما في BS8 توظيف اثنين من المرايا. مرة أخرى، وضبط مقسم الأشعة وميلrrors بحيث يتم فصل كل من الحزم مكانيا.
- صرف كل من الحزم باستخدام BS9 لهدف لهم الهدف المجهر (الكائنات). التركيز OBJ2 على النهاية البعيدة من الألياف متعددة (MMF). تحقق التركيز من خلال مراقبة انعكاس الخلفي من MMF توظيف L3 وجهاز (CCD) وكاميرا مزدوجة الشحن.
- ربط الداني والقاصي الجانب
- Collimate بين النور وشعاع الكائن الخروج من MMF توظيف OBJ1.
- تقسيم شعاع الكائن باستخدام BS6، تجاهل المستقطب الخطي (LP) في البداية. الجمع بين الحزم وجوه مع كل من الحزم إشارة في BS3 وBS4 توظيف المرآة. ضبط مقسم الأشعة والمرايا بحيث يكون كل زوج من إشارة والحزم وجوه التداخل في حركة تحرير السودان، التي تتقاطع مع زاوية صغيرة (أقل من 1 درجة).
- تأكد من أن قوة الإشارة وشعاع الكائن متساوية تقريبا من خلال تحويل اتجاه منتجات الخشب المقطوع، وفقا إلى الخطوة 1.1.2.
- تحقق تدخل عattern (خارج المحور الهولوغرام) في الكاميرا CMOS وضبط زاوية تقاطع وفقا لذلك. زيادة زاوية، حتى تباعد تدخل هامش يساوي تقريبا حجم اثنين بكسل على كاميرا CMOS.
- ضبط اتجاه ليرة لبنانية لتتناسب مع استقطاب وجوه وشعاع إشارة من أجل الحصول على النقيض من الحد الأقصى لنمط التدخل في صورة كاميرا CMOS، بحيث تظهر صورة الكاميرا هامش متميزة.
2. معايرة النظام
- معايرة العلاقة بكسل بين حركة تحرير السودان والمكمل
- إلقاء الضوء على حركة تحرير السودان كلها باستخدام واحدة من الحزم إشارة فقط، ومنع مرجعية أخرى وكائنات الحزم.
- التقاط صورة من حركة تحرير السودان مع كاميرا CMOS.
- الحصول على إحداثيات الزاوية العلوية اليسرى من حركة تحرير السودان في صورة كاميرا CMOS، على سبيل المثال باستخدام برامج الرسومات ومؤشر الماوس على جهاز الكمبيوتر. استخدام إحداثيات بكسل هذه كنقطة المنشأبخصوص حركة تحرير السودان.
- إزالة جميع الكتل شعاع.
- معايرة مسارات إشارة
- منع كلا إشارة شعاع 2 وجوه شعاع 2.
- التقاط صورة ثلاثية الأبعاد مع كاميرا CMOS. تقييم المرحلة في صورة ثلاثية الأبعاد المسجلة باستخدام طريقة طيف الزاوي 19. حساب المرحلة مقلوب في المنطقة المقابلة لشعاع 1.
- إزالة كتل شعاع السابقة والآن منع كل من إشارة شعاع 1 وجوه شعاع 1.
- التقاط صورة ثلاثية الأبعاد مع كاميرا CMOS. قياس المرحلة في صورة ثلاثية الأبعاد المسجلة باستخدام طريقة طيف الزاوي مرة أخرى. حساب المرحلة مقلوب في المنطقة المقابلة لشعاع 2.
- إزالة جميع الكتل شعاع.
3. بث اشارات
- منع شعاع الكائن.
- غرزة محسوب الصور المرحلة مقلوب في المناطق المقابلة من شعاع 1 و 2 معا وعرضالصورة بأكملها في حركة تحرير السودان، وعادة ما يستخدم المنفذ رسومات الحاسوب.
- بدء تعديل من إشارات الإدخال 1 و 2 من تفعيل OM1 وOM2.
- مراقبة الإشارات الناتج 1 و 2 على كاميرا CCD.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
وصفت الناتج اشارات نموذجية في الجانب البعيد من الألياف 2 مترا في الشكل 2. لاحظ أن بقعة التنسيق المطلوب (الذروة) مصحوبا نمط البقع غير مرغوب فيه (الخلفية)، والذي يرجع إلى النقص في DOPC كمسألة مبدأ. في المقابل نسبة الذروة إلى الخلفية (PBR) تبلغ 53 (فقط إشارة 1 هي 'على')، 36 (إشارة فقط 2 هو 'على') و 20 (كل الإشارات 1 و 2 هي 'على') هنا، على التوالي . يمكن زيادة PBR عندما الألياف التي تدعم عددا أكبر من وسائط: يستخدم (حاليا 1710).
ويرجع ذلك إلى PBR محدود والنتائج المتبادل بين إشارات الإخراج، التي تصور في الشكل (3). الحديث المتبادل بين لإشارات دورية مع F1 و F2 ترددات مبالغ -24 ديسيبل (من إشارة 2 للإشارة 1) و-29 ديسيبل (من إشارة 1 إلى إشارة 2).
ntent "FO: المحافظة على together.within الصفحات =" 1 ">
الشكل 2: صورة من نهاية الألياف البعيدة، انتقال من الناتج إشارة 1 (إلى اليسار)، إشارة 2 (في الوسط) وكلاهما إشارة 1 و 2 إشارة (إلى اليمين). كثافة [او] الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3): الزمني الطيف الترددي للإشارة خرج تنتقل 1 (يسار) و 2 (يمين). السعة [او] الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
في تجميع الإعداد التجريبية (الخطوة 1 في البروتوكول) يتطلب محاذاة دقيقة من المكونات البصرية مع الاحترام لبعضهما البعض. الجانب الأكثر أهمية هو حدوث مستطيلة من الحزم إشارة إلى حركة تحرير السودان من أجل ضمان PBR عالية.
من أجل تعزيز الإعداد لأكثر من عقدين من الاشارات المرسلة، يمكن أن تستخدم مقسم الأشعة إضافية. وكبديل لذلك، فإن تنفيذ القائم على الألياف يكون أكثر إحكاما وقوية تسمح للنظام لتكون محمولة لفي التحقيقات الموقع في بيوفوتونيك. إذا كان الوصول أحادية الجانب لا يمكن تحقيقه إلا، حلول المعايرة القائم على نموذج 20 لا بد من إنجاز كخطوة مستقبلية. وتنتقل المزيد من الاشارات، سوف تكون هناك حاجة لأكثر من وسائط أكثر من ذلك بكسل على كل من حركة تحرير السودان وكاميرا CMOS ويجب أن تكون المشاركة لتحقيق PBR. وعلاوة على ذلك، يجب أن يكون عدد من بكسل أكبر من أو مساو لعدد من وسائط. في الإعلانdition، يجب أن يكون حجم بكسل من حركة تحرير السودان مرتين حجم أصغر قطر طخة في الجانب القريب. ويوصى كذلك أن حركة تحرير السودان لديه بت عمق لا يقل عن أربعة قليلا. يجب أن يتجاوز عدد بكسل للكاميرا تدل مع CMOS عدد بكسل حركة تحرير السودان. ومع ذلك، بدلا من كاميرا CMOS يجوز استخدام أي نوع كاشف أخرى، مثل اتفاقية مكافحة التصحر. والشيء نفسه ينطبق على الكاميرا تدل مع اتفاقية مكافحة التصحر.
واحد الحد من الطريقة المقترحة هو أن مصدر الضوء يتطلب طول التماسك كبير (عرض النطاق الترددي الطيفي منخفض) لضمان التدخل في صورة ثلاثية الأبعاد اللازمة لقياس المرحلة. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون نظام مستقر، أي لا توجد تغييرات من الألياف أو الإعداد البصرية بين المعايرة ونقل هي مقبولة التي هي أسرع من مدة المعايرة، والتي هي حاليا أقل من 1 ثانية. للألياف طويلة وترددات إشارة عالية، وتشتت مجموعة سرعة وسائط الألياف المختلفة لديهايجب أن تؤخذ في الاعتبار وقد تدهور إشارة. للتعويض عن ذلك، والألياف التدرج مؤشر أو تصحيح التشوهات الزمانية المكانية 21 يمكن استخدام.
وعلى النقيض من النهج اقتران المرحلة السابقة، لدينا طريقة SDM المقترحة يمكن أن تستخدم في التطبيقات، حيث يجب أن تنتقل الإشارات الضوئية مستقلة. أساليب مرحلة تصريف الافعال هي مفيدة بخصوص أداء الوقت، بالمقارنة مع النهج تكرارية أو تحديد مصفوفة كاملة.
قد يكون واحد مزيد من مجال التطبيق المحتمل بالمنظار تسليم ضوء، على سبيل المثال في الفخاخ الضوئية أو في علم البصريات الوراثي. لعلم البصريات الوراثي، أسلوبنا هو مفيد فيما يتعلق إضاءة انتقائية من الخلايا العصبية واحدة من أجل تحليل سلوك الدماغ وفهم أفضل لأمراض الاعصاب.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| spatial light modulator | Holoeye | PLUTO-VIS-016 | |
| CMOS camera | Mikrotron | MC4082 | |
| diode-pumped solid state laser | Laser Quantum | torus 532 | |
| CCD camera | IDS | U3-3482LE-M CMOS | camera; suitable as well |
| lens 1 | Qioptiq | G063204000 | |
| lens 2 | Qioptiq | G063203000 | |
| lens 3 | Thorlabs | AC508-180-A-ML | |
| multimode fiber | Thorlabs | M14L02 | |
| beam splitters | Thorlabs | BS013 | 9x |
| polarizing beam splitters | Thorlabs | PBS251 | |
| mirrors | Thorlabs | PF10-03-P01 | 5x |
| microscope objectives | Thorlabs | RMS20X | 2x |
| half wave plates | Thorlabs | WPH10M-532 | 2x |
| linear polarizer | Thorlabs | LPVISB050-MP2 | |
| optical modulators | Thorlabs | MC2000B-EC | 2x |
| linear and rotation stage for CMOS camera | Thorlabs | XYR1/M | |
| fiber connector | Thorlabs | S120-SMA | 2x |
| reducing ring for microscope objectives | Qioptiq | G061621000 | 2x |
| xy adjustment for objective adapters | Qioptiq | G061025000 | 2x |
| z translation mount for fiber adapter | Thorlabs | SM1Z | 2x |
| rods for fiber alignment to objectives | Qioptiq | G061210000 | 8x |
| mounts for lenses 1 and 2 plus two phantom mounts | Qioptiq | G061047000 | 4x |
| rail carriers for objective and lens mounts | Qioptiq | G061372000 | 6x |
| rail for rail carriers | Qioptiq | G061359000 | 2x |
| adapter for CCD camera to 1 post | in-house | ||
| adapter for laser to 4 posts | in-house | ||
| mount for lens 3 | Thorlabs | LMR2/M | |
| mounts for half wave plates | Thorlabs | RSP1D/M | 2 |
| mounts for mirrors | Thorlabs | KM100 | 5x |
| mount for linear polarizer | Thorlabs | RSP05/M | |
| mounts for beam splitters and SLM | Thorlabs | KM100PM/M | 11x |
| clamping arms for beam splitters and SLM | Thorlabs | PM4/M | 11x |
| posts for mounts, rail carriers and adapters | Thorlabs | TR75/M | 29x |
| holders for posts | Thorlabs | PH50/M | 29x |
| pedestals for holders | Thorlabs | BE1/M | 29x |
| clamping forks for pedestals | Thorlabs | CF125 | 29x |
References
- Richardson, D. J., Fini, J. M., Nelson, L. E. Space-division multiplexing in optical fibres. Nat. Photonics. 7 (5), 354-362 (2013).
- Kreysing, M., et al. Dynamic operation of optical fibres beyond the single-mode regime facilitates the orientation of biological cells. Nat. Commun. 5 (5481), 1-6 (2014).
- Winzer, P. J. Scaling optical fiber networks: Challenges and solutions. Opt. Photonics News. 26 (3), 28-35 (2015).
- Cižmár, T., Dholakia, K. Shaping the light transmission through a multimode optical fibre: complex transformation analysis and applications in biophotonics. Opt. Express. 19 (20), 18871-18884 (2011).
- Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).
- Philipp, K., et al. Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens. Opt. Express. 24 (13), 15029-15041 (2016).
- Büttner, L., Leithold, C., Czarske, J. Interferometric velocity measurements through a fluctuating gas-liquid interface employing adaptive optics. Opt. Express. 21 (25), 30653-30663 (2013).
- Vellekoop, I. M. Feedback-based wavefront shaping. Opt. Express. 23 (9), 12189-12206 (2015).
- Mahalati, R. N., Askarov, D., Wilde, J. P., Kahn, J. M. Adaptive control of input field to achieve desired output intensity profile in multimode fiber with random mode coupling. Opt. Express. 20 (13), 14321-14337 (2012).
- Caravaca-Aguirre, A. M., Niv, E., Conkey, D. B., Piestun, R. Real-time resilient focusing through a bending multimode fiber. Opt. Express. 21 (10), 12881-12887 (2013).
- Cižmár, T., Dholakia, K. Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging. Nat. Commun. 3, 1027 (2012).
- Yaqoob, Z., Psaltis, D., Feld, M. S., Yang, C. Optical phase conjugation for turbidity suppression in biological samples. Nat. Photonics. 2 (2), 110-115 (2008).
- Ma, C., Xu, X., Liu, Y., Wang, L. V. Time-reversed adapted-perturbation (TRAP) optical focusing onto dynamic objects inside scattering media. Nat. Photonics. 8 (12), 931-936 (2014).
- Lee, K., Lee, J., Park, J. H., Park, J. H., Park, Y. One-wave optical phase conjugation mirror by actively coupling arbitrary light fields into a single-mode reflector. Phys. Rev. Lett. 115 (15), 153902 (2015).
- Cui, M., Yang, C. Implementation of a digital optical phase conjugation system and its application to study the robustness of turbidity suppression by phase conjugation. Opt. Express. 18 (4), 3444-3455 (2010).
- Hillman, T. R., et al. Digital optical phase conjugation for delivering two-dimensional images through turbid media. Sci. Rep. 3, UK. (2013).
- Papadopoulos, I. N., Farahi, S., Moser, C., Psaltis, D. Focusing and scanning light through a multimode optical fiber using digital phase conjugation. Opt. Express. 20 (10), 10583-10590 (2012).
- Czarske, J. W., Haufe, D., Koukourakis, N., Büttner, L. Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation. Opt. Express. 24 (13), 15128-15136 (2016).
- Kim, M. K. Principles and techniques of digital holographic microscopy. SPIE Rev. 1 (1), 01800501-01800550 (2010).
- Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. Design of flexible multi-mode fiber endoscope. Opt. Express. 23 (21), 26905-26918 (2015).
- Katz, O., Small, E., Bromberg, Y., Silberberg, Y. Focusing and compression of ultrashort pulses through scattering media. Nat. Photonics. 5 (6), 372-377 (2011).
