Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Forme Amplitude og fase av laserstråler ved hjelp av en fase bare romlige lys Modulator

Published: January 28, 2019 doi: 10.3791/59158
Automatic Translation
1, 1
1Institut de Noves Tecnologies de la Imatge (INIT), Universitat Jaume I

Summary

Viser vi hvordan å kode komplekse feltet av laserstråler ved hjelp av en enkelt fase element. En felles-banen interferometer er ansatt å blande fasen informasjonen som vises i en fase bare romlige lys modulator endelig hente ønsket komplekse feltet mønsteret på utgangen av en optisk tenkelig system.

Abstract

Målet med denne artikkelen er å visuelt demonstrere utnyttelse av en interferometric metode for koding komplekse feltene tilknyttet sammenhengende laserstråling. Metoden er basert på sammenhengende summen av to uniform bølger, tidligere kodet inn i en fase bare romlige lys modulator (SLM) av romlige multipleksing av deres faser. Her er forstyrrelser prosessen utført av romlige filtrering av lyse frekvenser på Fourier flyet av visse tenkelig system. Riktig implementering av denne metoden kan vilkårlig fase og amplitude informasjon hentes på utgangen av optiske systemet.

Det er en på-aksen, i stedet for off-aksen koding teknikk, med en direkte behandling algoritme (ikke en iterativ loop), og fri fra sammenhengende støy (speckle). Komplekse feltet kan være akkurat Hentet på utgangen av optisk system, bortsett fra noe tap av oppløsning på grunn av frekvens filtreringsprosessen. Den viktigste begrensningen av metoden kan komme fra manglende evne til å operere på frekvenser som er høyere enn SLM oppdateringsfrekvens. Programmer omfatter, men er ikke begrenset til, lineære og ikke-lineære mikroskopi, strålen forme eller laser mikro-behandling av materielle overflater.

Introduction

Nesten alle laser programmer er i tett forbindelse med styring av den optiske wavefront lys. I paraxial tilnærmingen, kan komplekse feltet knyttet til laserstråling beskrives ved to begrepene, amplituden og fasen. Kontroll over disse to begrepene er nødvendig for å endre både den timelige og romlig strukturen av laserstråler på vil. Generelt kan amplituden og fasen av en laserstråle riktig endres ved flere metoder, inkludert bruk av optisk komponenter som spenner fra enkel bulk linser, strålen splittere og speil til komplekse enheter som deformerbare speil eller romlige lys modulatorer. Her viser vi en metode for koding og rekonstruere komplekse feltet av sammenhengende laserstråler, som er basert på to-fase hologram teori1og utnyttelse av en felles-banen interferometer.

I dag finnes det en rekke metoder til å kode komplekse feltene laser, bjelker,2,,3,,4,,5. I denne sammenheng stole noen veletablerte metoder fase og amplitude modulasjon på bruk av digitale hologrammer6. En felles punkt i alle disse metodene er nødvendig for å generere en romlig forskyvning skille utdataformatet strålen fra nullte-ordren kommer fra refleksjon av lys på displayet SLM. Disse metodene er i utgangspunktet off-aksen (vanligvis søknad om første Diffraksjon rekkefølgen på grating), ansette fase rist ikke bare å kode fasen, men også å introdusere nødvendig amplitude modulasjon. Spesielt utføres amplitude modulasjon av romlig senke rist høyden, som tydelig forringer Diffraksjon effektiviteten. Hologrammet gjenoppbyggingsprosessen blir hovedsakelig en omtrentlig, men ikke nøyaktig, rekonstruksjon av amplitude og fase av feltet kompleks. Avvik mellom teori og eksperimentet synes å komme fra en unøyaktig koding amplituden informasjonen samt andre eksperimentelle saker skjer under romlige filtreringen til den første Diffraksjon ordren eller SLM pixilation effekter. I tillegg kan intensitet profilen til input strålen innføre restriksjoner på utgangseffekten.

I kontrast med introdusert metode7utføres alle lys behandling på aksen, som er veldig praktisk fra en eksperimentelle synspunkt. I tillegg er det utnytter vurderer i den paraxial tilnærmingen, komplekse feltet knyttet laserstråler som en sum av to uniform bølger. Amplituden informasjonen er synthetized av forstyrrelser av disse uniform bølger. I praksis utføres slik interferens ved romlige filtrering av lyse frekvenser på Fourier flyet på et gitt tenkelig system. Tidligere fase mønstre forbundet med uniform bølgene romlig multiplekset og kodet i en fase bare SLM (plassert ved inngangen flyet denne tenkelig system). Derfor kan hele optisk oppsettet betraktes som en felles-banen interferometer (meget robust imot mekaniske vibrasjoner, temperaturendringer eller optisk avvik). Vær oppmerksom på at ovennevnte forstyrrelser prosessen Alternativt kan oppnås ved hjelp av andre optisk oppsett: med et par fase bare SLMs riktig plassert i en typisk to-arm interferometer eller tid sekvensielt koding fase to mønstre i SLM (tidligere innføring av et referanse speil i optisk oppsettet). I begge tilfeller er det ingen nødvendigheten av romlige filtrering, og dermed ingen tap av romlig oppløsning, på bekostning av komplekse optiske systemet, samt justeringen prosessen. Her, bør det også understrekes at ved denne kodingsmetode hele spekteret av feltet kompleks kan være akkurat Hentet på Fourier flyet, etter filtrering alle Diffraksjon bestillinger men nullte en.

På den annen side, effektiviteten av metoden avhenger av flere faktorer: produsentens spesifikasjoner av SLM (f.eks fyll faktor, Reflektivitet eller Diffraksjon effektivitet), størrelsen på kodet mønsteret, og måten som lyset gjøre inngrep på den SLM (refleksjon med små treffer vinkel eller vanlig forekomst ved hjelp av en bjelke splitter). Foreløpig under riktig eksperimentelle forhold, kan målte totale lys effektiviteten være mer enn 30%. Men Merk at at den totale lys effektiviteten bare på grunn av bruk av SLM kan være mindre enn 50%. Den mangel på tilfeldig eller diffuser elementer i den optiske oppsettet kan hente amplitude og fase mønstre uten sammenhengende støy (speckle). Andre viktige aspekter å påpeke er bruken av en direkte kodifisering algoritme enn iterativ prosedyrer og dens evne til å utføre vilkårlig og uavhengige amplitude og fase modulering på frekvensen oppdatere tid av SLM (opptil hundrevis av hertz Ifølge dagens teknologi).

I prinsippet metode7 er ment å brukes med input flyet bølger, men det er ikke begrenset til. For eksempel, hvis en Gaussian bjelke treffer SLM, er det mulig å endre formen Irradians på utgangen av systemet ved å kode et egnet amplituden mønster i SLM. Men som intensiteten av utdata strålen ikke kan overskride av input bjelken på enhver tverrgående posisjon (x, y), utføres utformingen av amplituden av intensitet tap stammer fra en delvis destruktiv interferens prosess.

Teorien understreker koding metode7 er som følger. Komplekse felt i skjemaet U(x,y)= A(x,y)ejegφ(x,y) kan også skrives som:

Equation 1(1)

hvor

Equation 2(2)

Equation 3(3)

I formler 1-3, amplitude og fase av todimensjonal komplekset feltet U(x,y)er gitt av en(x,y) og φ(x,y), henholdsvis. Merk at vilkår enMaks . (maksimalt A(x,y)) og B = enMaks/2 ikke avhengig av tverrgående koordinatene (x,y). Fra teorien, hvis vi setter enMaks= 2 og B =1. Derfor komplekse feltet U(x,y) kan fås, på en enkel måte, fra sammenhengende summen av uniform bølger værejegϑ(x,y) og iθ (x,y). I praksis oppnås dette med en felles-banen interferometer består av en enkelt fase element î±(x,y) plassert på input flyet av en tenkelig system. Enfase elementet er konstruert av romlige multipleksing av fase vilkårene ϑ(x,y)

og θ (x,y) ved hjelp av todimensjonal binære rister (dambrett mønster) M1(x,y) og M2(x,y) som følger

Equation 4(4)

Derfor

Equation 5(5)

Disse binære mønstre oppfylle betingelsen M1(x,y) + M2(x,y) = 1. Merk at forstyrrelser av uniform bølger ikke kan skje hvis vi ikke bland informasjonen i fase elementî±(x,y). Metoden finnes gjennomføres dette ved hjelp av en romlige filter dugelig å hindre alle Diffraksjon bestillinger men nullte en. På denne måten etter filtreringsprosessen på Fourier flyet, spekteret H(u,v)= F{eiα(x,y)} av kodet fasen funksjonen gjelder spekteret av komplekse feltet F{U(x,y)} av uttrykket

Equation 6(6)

I Eq. (6), (u,v) angi koordinater i frekvens domene, P(u,v) holder for romlige filter, mens Fourier-transformere en gitt funksjon Θ(x,y) er representert i skjemaet F {Θ(x,y)}. Fra Eq. (6), det følger at, på produksjon flyet av tenkelig system, hentet komplekse feltet URET(x,y), (uten hensyn konstant faktorer), er gitt av convolution det forstørret og romlig reversert komplekse feltet U(x,y) med Fourier-transformere filtermasken. det vil si:

Equation 7(7)

I Eq. (7), det convolution operasjonen er merket med symbolet Equation 10 , og begrepet Mag representerer forstørrelsen av tenkelig system. Amplitude og fase av U(x,y) hentes dermed fullt på utgang flyet, bortsett fra noe tap av romlig oppløsning på grunn av det convolution operasjonen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. koding komplekse feltet i et enkelt fase Element

  1. Fra de tekniske spesifikasjonene av SLM, finne sin romlig oppløsning (for eksempel 1920 piksler x 1800 piksler).
  2. Definere og generere ønsket amplituden A(x,y) og fase φ(x,y) mønstre som digitale bilder.
    1. Sett den romlig oppløsningen på ovennevnte digitale bilder til SLM visning.
    2. Angi ovennevnte digitale bilder i grå nivå format.
    3. Angi minimum og maksimum verdier amplitude og fase bilder fra 0 til 255 og - π/2 til π/2, henholdsvis.
    4. Angi enMaks = 2 i formler 2 og 3, og datamaskinen-generere fase mønstre ϑ(x,y) og θ(x,y) fra dem.
  3. Datamaskinen genererer sjakkbrett mønstrene M1(x,y) og M2(x,y).
    1. Sett romlig oppløsning mønstrene sjakkbrett til SLM visning.
    2. For å redusere effekten av pixel crosstalk, generere andre par dambrett mønster M1(x,y) og M2(x,y) konstruert med ulike celler har en økt antall piksler (for eksempel: 2 x 2, 3 x 3 og 4 x 4 pixel celler, osv.).
      FORSIKTIG: Når økes piksel, det totale antallet piksler på sjakkbrett mønstre holdes uendret og lik SLM romlig oppløsning. Kontroller at endelige antall piksler på alle sjakkbrett mønstre forblir uendret etter å endre sine pixel celler.
  4. Datamaskinen genererer enfase element î±(x,y) fra ligningen 5.
    Merk: Se supplerende materiale kalt "MATLAB_code_1.m" for beslektede aktiviteter i trinn 1 i denne protokollen.

2. rekonstruksjon av komplekse feltet

  1. Bruke en collimated, lineær polarisert og romlig sammenhengende laserstråle som en lyskilde.
  2. Bruke en fase bare SLM med minst 2π fase området.
  3. Når det er nødvendig, bruk en riktig strålen expander for å justere størrelsen på bjelken størrelsen på displayet SLM.
  4. Når det er nødvendig, bruk en optisk polarisatoren for å angi laser strålen polarisering i horisontal retning. Dette er vanligvis viktig for forsvarlig drift av fase bare SLMs, som er vanligvis ment å modulere romlige fasen av elektromagnetiske felt som svinge i horisontal retning, holder uendret loddrett komponentene.
  5. Vil sende en fase mønster til SLM, følg standard kommunikasjonsprotokoller gitt av den SLM produsenten å tilkoble og kontroller SLM med datamaskinen.
    Merk: Felles protokoll for dette formålet inkluderer bruk av en kalibreringskurven å transformere verdiene i radianer (på grunn av matematiske operasjoner med vinkler) til gray nivået de som den elektroniske kontrollenheten i SLM vil til slutt konverterer til spenningsnivå. I tillegg til SLM er tilkoblet datamaskinen som en ekstern enhet med sin egen skjerm, er en utvidelse av skjermen vanligvis nødvendig, samt et riktig program for å sende de tilsvarende grå bildene til denne ekstra skjermen. Et eksempel på disse kodene er også inkludert som supplerende materiale (se MATLAB_code_2.m).
  6. Implementere et bilde optisk system og visning av SLM innlegge input flyet av dette systemet.
    1. Bruk en refraktiv linsen på en brennvidde f for å konstruere en 2f x 2f optisk image system (en 4f optisk system er også gyldig for denne aktiviteten). I samsvar med den forventede avgang størrelsen på komplekse feltet, stråle bredde, lysets bølgelengde og ledig fysisk plass, ansette linse/linser egnet tekniske spesifikasjoner (f.eks belegg, størrelse, brennvidde, osv).
    2. For å finne plasseringen av utdata flyet av tenkelig system, send fase mønster î±(x,y) til SLM og visuelt se etter innspilte bildet (avhengig av plasseringen av kameraet) med beste romlig oppløsning.
      FORSIKTIG: Lav størrelse piksel celler (for eksempel 1 x 1 piksel celler) og SLM skjermer med pixel bredder noen få mikroner (for eksempel 8 µm), bare bjelke forplantning kan produsere interferens mellom kodet uniform bølger, får en rekonstruert bilder uten inkludert sirkulær iris i tenkelig system. Bruk lav størrelse piksel celler posisjon utgang flyet.
    3. Plasser en sirkulær iris av variabel diameter Fourier flyet av optisk og justere sentrum med at av laser strålen fokus.
    4. For å justere størrelsen på sirkulær iris på Fourier flyet, sende fase mønster î±(x,y) og visuelt se etter innspilte bildet (avhengig av diameter runde iris) med beste romlig oppløsning.
      Advarsel: Ved lange størrelse piksel celler (for eksempel 4 x 4 pixel celler), forstyrrelser mellom kodet uniform bølger i utgangspunktet utføres med romlige filter. Bruk lange størrelse piksel cellen til å justere størrelsen på sirkulær iris. I denne protokollen kalles vilkårene lav-størrelse og lang-størrelse antall piksler i en pixel celle. Ovennevnte forstyrrelser avhenger imidlertid også Pikselbredden. Bruke SLMs med pixel bredde lik eller mindre enn 8 µm.
  7. Sende grå nivå bildet tilsvarer den fasen element î±(x,y) til SLM.
    1. For å minimere crosstalk effekten, se etter den beste celle pikselstørrelsen som tillater å oppnå det registrerte bildet med høyere romlig oppløsning.

3. måle rekonstruert komplekse feltet

  1. Implementere polarisering-baserte fasen skiftende teknikk8.
    1. Plasser og Juster rotasjonsvinkelen til første optisk polarisatoren, ligger like før SLM (se figur 2). Angi roteringsvinkelen for første polarisatoren ved visuelt se etter maksimal og minimal lystransmisjon i CCD kameraet (plassert ved utgang flyet av tenkelig system), avhengig av rotasjon av polarisatoren. Skriv ned to tilsvarende vinklene av polarisatoren. Fastsette siste vinkelen på polarisatoren til at mellom to tidligere innspilt vinkler.
    2. Plasser og Juster rotasjonsvinkelen til andre optisk polarisatoren, ligger etter Fourier av tenkelig system (se figur 2). Angi roteringsvinkelen for andre polarisatoren ved visuelt se for skarpeste og mest uskarpe bilder i CCD kameraet (plassert ved utgang flyet av tenkelig system) etter sending fase mønster î±(x,y) til SLM. Skriv ned to tilsvarende vinklene av polarisatoren. Fastsette siste vinkelen på andre polarisatoren som mellom tidligere innspilt vinkler.
  2. Oppføring i interferograms.
    1. Hold CCD kameraet på utgang flyet av tenkelig system.
    2. For å registrere den første interferogram, legger til en matrise av 0 radianer fase element î±(x,y) og sende den til SLM. Registrere tilsvarende bilde jeg1(x,y) med med CCD.
    3. For å registrere den andre interferogram, legger til en matrise av π/2 radianer fase element î±(x,y) og sende den til SLM. Registrere tilsvarende bilde jeg2(x,y) med CCD kameraet.
    4. For å registrere den tredje interferogram, legger til en matrise av π radianer fase element î±(x,y) og sende den til SLM. Registrere tilsvarende bilde jeg3(x,y) med CCD kameraet.
    5. For å registrere den fjerde og siste interferogram, legger til en matrise av 3π/2 radianer fase element î±(x,y) og sende den til SLM. Registrere tilsvarende bilde jeg4(x,y) med CCD kameraet.
  3. Rekonstruere komplekse feltet.
    Merk: Se supplerende materiale kalt "MATLAB_code_3.m" for beslektede aktiviteter på dette punktet av protokollen.
    1. Hente amplituden til komplekse feltet enHentet(x,y) ved å bruke uttrykket
      Equation 8(8)
    2. Hente fasen av komplekse feltet φHentet(x,y) ved å bruke uttrykket
      Equation 9(9)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Romlig oppløsningen av den næringsdrivende fase bare SLM er 1920 piksler x 1080 piksler, med en pixel pitch på 8 µm. Den valgte amplituden A(x,y) og fase φ(x,y) i komplekse feltet er definert av to forskjellige grå nivå bilder tilsvarer den velkjente Lenna bilde (amplituden mønster) og en ung jente stikker ut tungen (fase mønster), henholdsvis. Generelt for både generering av nødvendig mønstre, og kontroll av SLM benyttes Matlab koder. Den romlig oppløsningen på disse bildene er satt til 1920 piksler x 1080 piksler. Deretter ligninger 2 og 3 brukes til å bestemme fase mønstre ϑ(x,y) og θ(x,y) for enMaks= 2. Merk at den numeriske verdien gitt til AMaks garanterer at begrepet B = 1 og følgelig komplekse feltet U(x,y) beskrevet av Eq. (1) kan forstås som summen av to uniform bølger i den enkleste form U(x,y) = ejegϑ(x,y) + eiθ(x,y). Nå, forskjellige par binære dambrett mønster M1(x,y) og M2(x,y) (for økt pixel celle størrelser), men like romlig oppløsning (1920 piksler x 1080 piksler), er datagenerert. Spesielt er dambrett mønster består av 1 x 1, 2 x 2, 3 x 3 og 4 x 4 pixel celler digitalt konstruert en programmerte Matlab-funksjonen. Alle ovennevnte mønstre A(x,y), φ(x,y), ϑ(x,y), θ(x,y), M1(x, y), og M2(x,y) vises i deler A, B, C, D, E og F figur 1, henholdsvis. I deler E og F, og bare for å få en bedre visualisering av sjakkbrett mønstre, er konstituerende pixel cellene 240 piksler x 240 piksler. Fra Eq. 5, et sett med fase elementer î±(x,y) for hvert par av tidligere utformet sjakkbrett mønstre er digitalt konstruert.

Figure 1
Figur 1: datagenerert mønstre forbundet med introdusert kodingsmetode. (A) brukerdefinerte amplituden mønster av komplekse feltet. (B) brukerdefinerte fase mønster av komplekse feltet. (C) fase mønster tilsvarer den første uniform bølgen i Formel 1. (D) fase mønster tilsvarer den andre uniform bølgen i Formel 1. (E) følge prøvetaking prosessen beskrevet med ligningen 4 første sjakkbrettmønster. (F) følge prøvetaking prosessen beskrevet med ligningen 4 andre sjakkbrettmønster. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

På dette punktet, kan forventet komplekse feltet U(x,y) eksperimentelt hentes fra utdataene flyet en tenkelig system, når fasen element î±(x,y) sendes til den fase bare SLM og forstyrrelser mellom kodet uniform bølger foregår. For å utføre denne innblandingen, justeres et romlige filter (for eksempel en sirkulær iris) i størrelse å blokkere alle frekvenser men nullte en på Fourier flyet av tenkelig system (figur 2).

Figure 2
Figur 2: optisk installasjonen brukes til å utføre kodingsmetoden. Tenkelig system består av romlige lys modulator (SLM), stråle splitter (BS), og enkelt refraktiv linse (L) av brennvidde 200 mm. Fourier flyet er inkludert en vanskelig iris, som er ansatt som romlige filter (SF) til å blokkere alle frekvenser men den null. I tillegg på utgangen er flyet av tenkelig system plassert et kamera (CCD) for å spille inn amplituden mønstre, og interferograms. Bare for å måle genererte komplekse feltet ved hjelp av polarisering-baserte fase skiftende teknikk, et par optisk polarisatorer (P) er riktig plassert i optisk oppsettet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Som en lyskilde, en Ti: Sapphire laser oscillator (ute av modusen låst tilstand å avgi en kvasi monokromatisk laserstråling av ca 10 nm intensitet full bredde ved halv maksimal (FWHM) og sentrert på 800 nm) brukes. I tillegg for å fylle nesten alle det aktive området av SLM displayet (8.64 cm x 15.36 cm) med laserstrålen, brukes en kommersiell 5 x teleskop strålen expander. Laserstrålen sendes (i vanlig hendelse) til visning av SLM ved hjelp av en pellicle strålen splitter. En refraktiv linsen brennvidde 100 mm plassert 200 mm etter SLM og justert med hensyn til den optiske aksen laserstrålen reflekteres tilbake fra SLM. For å finne plasseringen av utdata flyet av tenkelig system, bildet av A(x,y) registrert med CCD kamera ble funnet. Dette gjøres når den fasen element î±(x,y) (dannet med 1 x 1 piksel celler) sendes til SLM. En sirkulær iris er deretter plassert på Fourier flyet av optisk og justert med hensyn til fokus på laserstrålen. I tillegg for å justere størrelsen på sirkulær iris, er diameter variert til bedre bildet gjenoppbygging er oppnådd ved by visuell inspeksjon i CCD kameraet. Til dette formålet, ble den fasen element î±(x,y) (digitalt konstruert med 4 x 4 pixel celler) tidligere sendt til SLM. For å minimere effekten av pixel crosstalk, finnes det beste fase element î±(x,y) (avhengig av den celle pikselstørrelsen) som tillater å oppnå bildet med høyere romlig oppløsning i med CCD.

For å bekrefte at feltet kompleks er rekonstruert på utgang flyet av tenkelig system, brukes den allerede nevnte polarisering-baserte fasen skiftende teknikken til å måle dens amplitude og fase. Å gjøre at et par polarisatorer p (en plassert foran SLM, og en annen etter utgang av tenkelig system) justeres riktig i den optiske setup (se figur 2), følgende fremgangsmåten beskrevet i trinn 3.1.1 og 3.1.2 av den protokollen. Deretter interferograms forbundet med fire trinn fase skiftende teknikken jeg1(x,y), jeg2(x, y), jeg3(x, y) og jeg4(x, y) registreres med CCD kameraet (allerede-plassert ved utgang flyet av tenkelig system). Her, det bør bli husket at disse fire interferograms er registrert med kameraet etter tillegg av 0, π/2 og deretter 3π/2 til fase element î±(x,y) (se trinnene 3.2.2 - 3.2.5 av protokollen for detaljer). Til slutt kan bruker ligninger 8 og 9, amplitude og fase av rekonstruert komplekse feltet hentes. For dette eksperimentet vises resultatene i Figur 3.

Figure 3
Figur 3: representant eksperimentelle resultater under kvasi monokromatisk belysning. (A) brukerdefinerte amplituden mønster av komplekse feltet. (B) brukerdefinerte fase mønster av komplekse feltet. (C) Interferograms forbundet med polarisering-baserte fase skiftende teknikk utviklet i fire trinn og innhentet etter 0, π/2 og deretter 3π/2 til fase element î±(x,y). (D) hentet eksperimentelle amplituden mønster. (E) hentet eksperimentelle fase mønster. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne protokollen er praktisk parametere som Pikselbredden fase bare SLM eller antall piksler i pixel celler av en datagenerert mønster viktige punkter til å implementere kodingsmetoden. I trinn 1.2, 1.3 og 1.4 protokollen, jo kortere Pikselbredden, jo bedre romlig oppløsning Hentet amplitude og fase mønstre. I tillegg som codification i SLM av brå piksel til piksel fase modulasjoner kan opphav uventet fase svar (piksel crosstalk), bygging av sjakkbrett mønstre (som beskrevet i trinn 1.3) skal være koblet til angir hvor den antall piksler i pixel celler. Hovedgrunnen til å gjøre det er å dempe virkningene av pixel crosstalk Hentet amplitude og fase mønstre. Men når økende antall piksler i pixel cellene, er romlig oppløsning innspilte komplekse feltet mønstre enHentet(x,y) og φHentet(x,y) redusert. Derfor kan har høy romlig oppløsning SLMs med lav pikselbredde redusere mulig crosstalk effekter, uten å miste betydelig romlig oppløsning i Hentet amplitude og fase mønstre.

Videre i trinnet 1.2.3 av protokollen defineres fasen av komplekse feltet fra - π/2 til π/2. Hovedårsaken til innstillingen slik fase utvalg er å generere en fase element î±(x,y) mellom - π π, som kan implementeres i en SLM med 2π av fase. Men hvis fase den tilgjengelige SLM er større enn 2π, fasen av komplekse feltet kan defineres innenfor en utbygget omfang (for eksempel: for φ(x,y) mellom - π π, fase element î±(x,y ) kan variere fra - 3π/2 til 3π/2, og følgelig fasen utvalget av SLM må, minst, 3π).

Egenskapene til laserstrålen kan også påvirke resultatene av kodingsmetoden. Vær spesielt oppmerksom på trinnene 2.1-2.4, sette den høyre polariseringsretning, kollimasjon og tverrgående størrelsen på laserstrålen før du følger trinnene av protokollen. Videre som fase bare SLMs er i utgangspunktet diffractive-avhengige optiske enheter basert på forstyrrelser fenomen, er det nødvendig å bruke laserstråler med høy/bra romlige sammenheng.

På den annen side, innrømmer istedet for kvasi monokromatisk, ultrashort pulserende lys også å oppnå gode resultater. I dette tilfellet er forskjellige spectral komponentene i pulsen fase modulert (i en veldig lignende måte) bare med enfase element î±(x,y). Her for å vise effekten av bredbånd lyskilde på kodingsmetoden, vi gjenta alle trinnene av protokollen, men denne gangen for pulserende stråling (en ultrashort pulsen på ca 12 fs FWHM, sentrert på 800 nm, spectral båndbredde 100 nm FWHM, slippes ut av en modus-låst Ti : Sapphire laser fra femtolaser, på en 75 MHz gjentakelseshastigheten). Resultatene vises i Figur 4. Oppmerksom på at på grunn av blanding av forskjellige spectral komponentene i pulsen Hentet mønstrene er svært nær de forventede resultatene.

Figure 4
Figur 4: representant eksperimentelle resultater under ultrashort pulserende belysning. (A) brukerdefinerte amplituden mønster av komplekse feltet. (B) brukerdefinerte fase mønster av komplekse feltet. (C) Interferograms forbundet med polarisering-baserte fase skiftende teknikk utviklet i fire trinn og innhentet etter 0, π/2 og deretter 3π/2 til fase element î±(x,y). (D) hentet eksperimentelle amplituden mønster. (E) hentet eksperimentelle fase mønster. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Laserstråler er egentlig komplekse felt, så i mest potensielle en skal kunne endre sine amplitude og fase, samtidig. Den nåværende tillater for å gjøre det ved hjelp av en enkelt fase element (implementert eller ikke inn i en fase bare SLM). Vi tror at i en nær fremtid, denne metoden kan brukes, for eksempel i belysning banen av mikroskop9,10 for samtidige lineære og ikke-lineære magnetisering av forskjellige soner av biologiske prøver eller parallelt mikro-prosessering11,12 av materialer. I begge programmer rollen amplitude modulasjon er tydelig, i mellomtiden fase modulering kan benyttes, samtidig, for kompensasjon av optisk avvik på prøve/behandling flyet. Til slutt, det bør nevnes at kodingsmetoden beskrevet med nåværende protokollen ikke er begrenset til bruk av SLMs. fast fase elementer î±(x,y) konstruert med andre teknikker (for eksempel: photolithographic teknikker) kan være en annen, men like gyldig mulighet til å implementere denne protokollen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Denne forskningen ble støttet av Generalitat Valenciana (PROMETEO 2016-079), Universitat Jaume jeg (UJI) (UJIB2016-19); og Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) (FIS2016-75618-R). Forfatterne er svært takknemlig til SCIC av den Universitat Jaume jeg for bruk av femtosecond laser.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Achromatic Doublet THORLABS AC254-100-B-ML Lens Diameter 25.4 mm, focal length 100 mm
Achromatic Galilean Beam Expander THORLABS GBE05-A AR Coated: 400 - 650 nm
Basler camera BASLER avA1600-50gm GigE camera sensor size 8.8 mm x 6.6 mm, pizel size 5.5 microns
Mounted Zero-Aperture Iris THORLABS ID12Z/M Max Aperture 12 mm
Pellicle Beamsplitter THORLABS CM1-BP145B2 45:55 (R:T), Coating: 700 - 900 nm
PLUTO Spatial Light Modulator HOLOEYE Photonics AG NIR-II Phase Only Spatial Light Modulator (Optimized for 700 -1000 nm)
Two thin film laser polarizers EKSMA OPTICS 420-0526M material BK7, diameter 50 mm, wavelength 780-820 nm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Engineering problemet 143 fase modulasjon koding komplekse feltet romlige lys modulator felles-banen interferometer
Forme Amplitude og fase av laserstråler ved hjelp av en fase bare romlige lys Modulator
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Carbonell-Leal, M., Mendoza-Yero, O. … More

Carbonell-Leal, M., Mendoza-Yero, O. Shaping the Amplitude and Phase of Laser Beams by Using a Phase-only Spatial Light Modulator. J. Vis. Exp. (143), e59158, doi:10.3791/59158 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter