Genlik ve lazer ışınları aşaması bir salt faz mekansal ışık modülatörü kullanarak şekillendirme

Summary

Biz bir tek fazlı öğesini kullanarak lazer ışınları karmaşık alan kodlamak nasıl göstereceğim. Bir ortak yol Girişmölçeri nihayet istenen karmaşık alan desen bir optik görüntüleme sistemi çıktısını almak için sadece faz bir kayma ışık modülatörü içine görüntülenen faz bilgi karıştırmak için istihdam edilmektedir.

Abstract

Bu makalenin amacı görsel olarak tutarlı lazer radyasyon ile ilişkili karmaşık alanlar kodlama dalgaboyu bir yöntem kullanımını göstermektir. Yöntem iki tek tip dalgalar, daha önce bir salt faz mekansal ışık modülatörü (SLM) onların aşamalarını uzamsal çoklama tarafından kodlanmış tutarlı toplamı temel alır. Burada, girişim işlemi ışık Fourier uçak görüntüleme sisteminin belirli frekanslarda kayma süzme yoluyla yapılır. Bu yöntem doğru uygulanması rasgele faz ve genlik bilgi optik sistem çıktısı alınmasını sağlar.

Doğrudan işleme algoritması (değil bir yinelemeli döngüsündeki gibi) ile bir eksen üzerinde tercihan--dan eksen dışı kodlama tekniği ve tutarlı gürültü (çil) ücretsiz. Karmaşık alan optik sistemi, çözünürlük frekans filtre uygulama işlemi nedeniyle kaybı dışında çıkışını, tam olarak alındı olabilir. Yöntemin ana sınırlama yetersizlik SLM yenileme hızı yüksek frekans fiyatlara işletmek için geliyor olabilir. Uygulamaları içerir, ancak doğrusal ve doğrusal olmayan mikroskobu, ışın şekillendirme veya lazer mikro-malzeme yüzeyleri işlenmesi için sınırlı değildir.

Introduction

Işık optik wavefront yönetimi ile yakın ilişki içinde hemen hemen tüm Lazer uygulamalardır. Paraxial yaklaşım lazer radyasyon ile ilişkili karmaşık alan iki dönem, genlik ve faz tarafından tanımlanabilir. Bu iki dönem denetiminizden olduğunu zamansal ve lazer ışınları kayma yapısını değiştirmek için gerekli olacaktır. Genel olarak, genlik ve lazer ışını aşaması düzgün optik bileşenlerinin kullanımı da dahil olmak üzere çeşitli yöntemlerle bu aralıktaki tek toplu lensler, ışın kırma ve aynalar mekansal ışık ya da deforme aynalar gibi en karmaşık cihazlara değiştirilebilir modülatörler. İşte, kodlama ve tutarlı lazer ışınları, Çift fazlı hologram teorisi¹üzerinde dayalı karmaşık alanında ve bir ortak yol Girişmölçeri kullanımı yeniden yapılandırma yöntemi göstermektedir.

Günümüzde çok çeşitli lazer ışınları^2,3,4,5karmaşık alanlar kodlamak için yöntemler bulunmaktadır. Bu bağlamda, faz ve genlik Modülasyonu üretmek için köklü bazı yöntemler dijital hologram⁶kullanımı güveniyor. Tüm bu yöntemler bir ortak SLM sergilenen ışığın yansıması gelen sıfırıncı siparişinden istediğiniz çıktı ışın ayırmak için bir kayma uzaklığı oluşturma gerekliliğini noktasıdır. Bu Yöntemler temel olarak (genellikle ızgara ilk kırınım sırasını uygulamak), eksen dışı faz ızgara sadece faz kodlamak için aynı zamanda gerekli genlik Modülasyonu tanıtmak için istihdam. Özellikle, genlik Modülasyonu dağınık şekilde açıkça kırınım verimliliği alçaltır ızgara yüksekliği düşürerek gerçekleştirilir. Hologram yeniden yapılanma süreci çoğunlukla yaklaşık ama değil tam bir yeniden yapılanma genlik ve fazlı istenen karmaşık alanının alır. Teori ve deney arasındaki farklılıkları bir yanlış genlik bilgi hem de ilk kırınım siparişinin veya SLM pixilation etkileri nedeniyle kayma süzme sırasında oluyor diğer deneysel sorunları kodlama üzerinden görünür gibi görünüyor. Buna ek olarak, giriş ışınının yoğunluğunu profil çıkış gücü kısıtlamalar ortaya çıkarabilir.

Buna ek olarak, ile tanıtılan Yöntem⁷, tüm ışık yönetimi eksen üzerinde deneysel bir bakış açısından çok uygun olduğu kabul edilmiştir. Ayrıca, dikkate alınarak, paraxial yaklaşık iki tek tip dalgalar bir toplamı olarak lazer ışınları ile ilişkili karmaşık alan yararlanır. Bu tek tip dalgalar girişim tarafından synthetized genlik bilgilerdir. Uygulamada, böyle bir girişim Fourier uçak görüntüleme sisteminin hafif frekanslarda kayma süzme yoluyla gerçekleştirilir. Daha önce tek tip dalgaları ile ilgili faz desen dağınık şekilde multiplexed ve sadece faz SLM (Bu görüntüleme sisteminin giriş uçağa yerleştirilen) içine kodlanmış. Bu nedenle, tüm optik kurulum bir ortak yol Girişmölçeri (çok mekanik titreşimler, sıcaklık değişiklikleri veya optik misalignments karşı sağlam) olarak kabul edilebilir. Unutmayın, yukarıda belirtilen girişim işlemi alternatif olarak diğer optik düzenleri kullanılarak yapılabilir: sadece faz SLMs düzgün yerleştirilmiş tipik bir iki kollu Girişmölçeri içinde veya ardışık olarak kodlama zaman bir çift ile ikinci aşama kalıpları içine SLM (Optik Kurulum başvurusu aynaya önceki giriş). Her iki durumda da, kayma filtreleme zorunluluktur ve optik sistemi, hem de hizalama işlemi karmaşıklığı artan pahasına uzaysal çözünürlük, sonuç olarak hiçbir kaybı yoktur. Burada, aynı zamanda bu kodlama yöntemini kullanarak, istenen karmaşık alan tam spektrum tam olarak alındı , Fourier uçak tüm kırınım siparişleri ama sıfırıncı bir süzme sonra olabilir vurgulanmalıdır.

Öte yandan, yönteminin etkinliğinin çeşitli faktörlere bağlıdır: SLM (örneğin, Dolgu faktörü, yansıtma veya kırınım verimliliği), kodlanmış desen ve hangi ışık gelmesi üzerine yol boyutunu üreticinin özellikleri SLM (yansıması bir küçük vurma açı veya bir ışın ayırıcı kullanarak normal insidans ile). Bu noktada, uygun deneysel koşullar altında ölçülen toplam ışık verimi % 30 daha fazla olabilir. Ancak, sadece SLM kullanımı nedeniyle toplam ışık verimi % 50'den az olabilir unutmayın. Rasgele eksikliği veya difüzör öğeleri içinde optik kurulum sağlar tutarlı gürültü (çil) olmadan genlik ve faz kalıpları alınıyor. Yinelemeli yordamlar ve keyfi ve bağımsız genlik ve faz modülasyonu frekansta biçimde gerçekleştirememesine SLM zaman (ilâ yenilemek yerine doğrudan kodlama algoritma kullanımı işaret etmek diğer önemli yönleri vardır yüzlerce hertz mevcut teknoloji göre).

Prensip olarak, yöntem⁷ giriş uçak dalgaları ile kullanılmak üzere tasarlanmıştır, ancak bununla sınırlı değildir. Örneğin, Eğer bir Gauss ışını SLM vuruyor, SLM uygun genlik desen kodlayarak çıkış sistemi, onun olma şekli değiştirmek mümkündür. Çıktı ışın yoğunluğunu bu enine herhangi bir pozisyonda (x, y) giriş demetinin uzun olamaz, ancak, genliği şekillendirme kısmen yıkıcı girişim işlemi tarafından oluşturulan yoğunluğu kayıplar gerçekleştirilir.

Kodlama yöntemi⁷ altını teorisi aşağıdaki gibidir. Form U(x,y)= A(x,y)e^φben(x,y) temsil herhangi bir karmaşık alan olarak yeniden yazılabilir:

(1)

nerede

(2)

(3)

1-3, genlik ve faz iki boyutlu kompleks denklemlerde U(x,y)A tarafından verilir(x,y) ve φ(x,y), sırasıyla alan. Unutmayın, bir_{en fazla} (maksimum) A(x,y) ve B şartlar = bir_max/2 enine koordinatlarına bağlı değildir (x,y). Biz ayarlarsanız teorisi üzerinden bir_max2, sonra B = =1. Bu nedenle, karmaşık alan U(x,y), basit bir şekilde elde edilebilir, tek tip dalgalar ^benϑolmak^(x,y) ve tutarlı toplamına olmak ^{iθ (x,y)}. Uygulamada, bu bir görüntüleme sisteminin giriş uçağa yerleştirilen bir tek fazlı öğe α(x,y), oluşan bir ortak yol Girişmölçeri ile gerçekleştirilir. Monofaze öğe faz şartları ϑ(x,y) uzamsal çoklama tarafından inşa edilmiştir

ve θ (x,y) iki boyutlu ikili kafes bezi (dama desenleri) yardımıyla M₁(x,y) ve M₂(x,yaşağıdaki gibi)

(4)

Bu nedenle,

(5)

Bu ikili kalıpları yerine getirmek koşulu M₁(x,y) + M₂(x,y) = 1. Aşama öğeαiçinde (x,y) yer alan bilgiler karıştırmayın Eğer üniforma dalgalar girişim mümkün değil, dikkat edin. Mevcut yönteminde, bu kayma filtre tüm kırınım siparişleri ama sıfırıncı bir engelleyebilir kullanarak yapılır. Bu şekilde, Fourier uçak, spektrum H(u,v), filtre uygulama işlemi sonraF ={e^iα(x,y)} kodlanmış aşaması işlev ifade tarafından karmaşık alan Fspektrum {U(x,y)} için ilişkili olduğunu

(6)

EQ (6), içinde (u,v) bir verilen işlevi Θ(x,y) Fourier dönüşümü formunda gösterilir ise P(u,v) kayma filtre için tutar koordinatları frekans etki alanında göstermek F {Θ(x,y)}. EQ (6), dan, görüntüleme sistemi (olmadan sürekli faktörler göz önüne alınarak) tarihinde erişilmiştir karmaşık alan U_RET(x,y), çıkış boyutunda, takip, evrişim tarafından büyütülmüş ve dağınık şekilde verilir karmaşık alan U(x,y) filtre maskesi Fourier dönüşümü ile ters. Yani:

(7)

EQ (7), evrişim işlem simgesi ile gösterilir ve Mag temsil eden görüntüleme sistemi büyütme terimi. Bu nedenle, genlik ve U(x,y) aşaması tamamen alınmadan Uzaysal Çözünürlük evrişim işlemi nedeniyle kaybı dışında çıkış uçak.

Protocol

1. tek fazlı öğesinin içine karmaşık alan kodlama

1. SLM teknik özellikleri, kendi uzamsal çözünürlük (Örneğin 1920 piksel x 1800 piksel) bulun.
2. Tanımlamak ve faz φ(x,y) desenler dijital görüntü olarak istenen genlik A(x,y) oluşturma.
   1. Yukarıda belirtilen Uzaysal Çözünürlük dijital görüntüler bu SLM ekranın değerine ayarlayın.
   2. Yukarıda belirtilen dijital görüntüler gri düzeyi biçiminde ayarlayın.
   3. 0 dan 255 ve - π/2 π/2, sırasıyla genlik ve faz görüntülerin minimum ve maksimum değerlerini ayarlar.
   4. Ayarla bir_max = 2 denklemdeki 2 ve 3 ve bilgisayar oluşturmak-faz desenleri ϑ(x,y) ve θ, (x,y) onlardan.
3. Bilgisayar dama desenleri M₁(x,y) ve M₂(x,y) oluşturur.
   1. Bu dama desenleri uzaysal çözünürlük bu SLM ekranın değerine ayarlayın.
   2. Piksel crosstalk etkisini azaltmak için dama desenleri M₁(x,y) ve sahip farklı piksel hücrelerle inşa M₂(x,y) diğer çiftleri oluşturmak bir artan piksel sayısını (örneğin: 2 x 2, 3 x 3 ve 4 x 4 piksel hücreleri, vs).
      Dikkat: piksel hücre artan zaman dama tahtası kalıplarının piksel sayısı değişmeden ve SIM uzaysal çözünürlük eşit tutulması gerekir. Son kaç piksel tüm dama desenleri aynı piksel hücrelerine değiştirdikten sonra kalmasını sağlamak.
4. Bilgisayar 5 denklemden Monofaze öğe α(x,y) oluşturur.
   Not: Adım 1 Bu protokol üzerinde ilgili görevler için "MATLAB_code_1.m" adlı ek bilgileri konusuna bakın.

2. karmaşık alan inşası

1. Collimated, doğrusal polarize ve dağınık şekilde tutarlı lazer ışını bir ışık kaynağı olarak kullanın.
2. Sadece faz SLM ile en az kullanmak 2π faz aralığı.
3. Gerekli olduğunda uygun ışın genişletici SLM ekran boyutu için ışın boyutunu ayarlamak için kullanın.
4. Gerektiğinde, optik bir polarize lazer ışını polarizasyon için yatay yöndeki ayarlamak için kullanın. Bu genellikle dikey bileşenlerinden değişmeden tutmak genellikle yatay yönde salınım elektromanyetik alan kayma aşaması modüle üzere tasarlanmıştır, salt faz SLMs, düzgün çalışması için önemlidir.
5. Bir faz desen için SLM göndermek için standart iletişim protokolleri bağlanıp SLM bilgisayarla kontrol SLM'ın üretici tarafından verilen izleyin.
   Not: Bu amaçla genel protokol SLM elektronik kontrol ünitesi voltaj seviyelerine sonunda dönüştürür gri düzeyine olanlar, radyan (nedeniyle matematiksel işlemler açıları ile) değerleri dönüştürmek için bir kalibrasyon eğrisi kullanımını içerir. SLM kendi ekran ile dış aygıt olarak bilgisayara bağlı olarak, Ayrıca, bir bilgisayar ekranı genellikle gerekli, hem de bu ilave ekrana karşılık gelen gri düzeyi görüntüleri göndermek için uygun bir program uzantısıdır. Bu kodları örneği ayrıca ek malzeme olarak bulunur (lütfen, bkz: MATLAB_code_2.m).
6. Alet bir görüntü optik sistem ve bu sistem giriş düzlemde SLM görüntüsünü koydu.
   1. Refraktif lens odak uzaklığı f (4f optik sistem Ayrıca bu görev için geçerli) bir 2f x 2f optik görüntü sistemi oluşturmak için kullanın. Karmaşık alan, demet genişliği, ışığın dalga boyu ve kullanılabilir fiziksel alan beklenen çıktı boyutu uygun olarak, lens/lens uygun teknik özellikleri (örneğin, kaplama, boyutu, odak uzaklığı, vb) ile istihdam.
   2. Görüntüleme sistemi çıkış boyutunda konumunu bulmak için faz desen α(x,y) için SLM göndermek ve görsel olarak kaydedilen görüntü (bağlı olarak kamera konumu) ile en iyi Uzaysal Çözünürlük arayabilirsiniz.
      Dikkat: düşük boyutlu piksel hücreleri (örneğin, 1 x 1 piksel) ve piksel genişliği birkaç mikron (örneğin, 8 µm) olan SLM görüntüler söz konusu olduğunda, sadece ışın yayma yeniden oluşturulan görüntüler elde kodlanmış Tekdüzen dalgalar arasında girişime yol açabilir dairesel Iris görüntüleme sistemi dahil olmadan. Düşük boyutlu piksel hücreleri çıkış uçağın konumunu bulmak için kullanın.
   3. Değişken çapında dairesel bir Iris optik sistem Fourier uçağa yerleştirin ve bu lazer ışını odak ile onun ortaya Hizala.
   4. Dairesel Iris Fourier uçak adlı boyutunu ayarlamak için faz desen α(x,y) göndermek ve görsel olarak en iyi Uzaysal Çözünürlük (bağlı olarak dairesel gözü çapı) kaydedilen görüntüyü arayabilirsiniz.
      Uyarı: uzun-boyutu piksel hücreleri (örneğin, 4 x 4 piksel hücreleri) söz konusu olduğunda, kodlanmış Tekdüzen dalgalar arasında girişime temelde mekansal filtre ile yapılır. Dairesel Iris boyutunu ayarlamak için uzun-boyutu piksel hücresini kullanın. Bu protokol için şartları düşük boyutlu ve uzun-boyutu piksel piksel hücre içinde yer için adlandırılır. Ancak, yukarıda belirtilen girişim de piksel genişliği bağlıdır. SLMs piksel genişlikleri eşit veya daha az 8 µm ile istihdam.
7. Aşama öğe α(x,y) SIM için karşılık gelen gri düzey görüntü göndermek.
   1. Crosstalk etkisini en aza indirmek için daha yüksek uzaysal çözünürlük ile kaydedilen görüntü elde sağlayan en iyi piksel hücre boyutu arayın.

3. ölçü yeniden oluşturulan karmaşık alan

1. Teknik⁸değişen polarizasyon tabanlı faz uygulamak.
   1. Yerleştirin ve ilk optik polarize yüzey, sadece SLM daha önce yer alan, döndürme açısını hizalamak (bkz. Şekil 2). İlk polarize döndürme açısını ayarlamak için görsel olarak en çok ve en az ışık geçirgenliği (görüntüleme sistemi çıktı uçağa yerleştirilen) CCD kamera, polarize dünyanın dönüşüne bağlı olarak arayın. Polarize iki karşılık gelen açı yazmak. Son açısını polarize iki önceki kaydedilen açıları arasında düzeltmek.
   2. Yerleştirin ve görüntüleme sistemi Fourier uçak kazasından bulunan ikinci optik polarize döndürme açısını hizalamak (bkz. Şekil 2). İkinci polarize döndürme açısını ayarlamak için görsel olarak CCD kamera (görüntüleme sistemi çıktı uçağa yerleştirilen) keskin ve en bulanık görüntüleri aşama desen α(x,y) için SLM gönderdikten sonra arayın. Polarize iki karşılık gelen açı yazmak. Son açısını ikinci polarize önceki kaydedilen açıları arasında düzeltmek.
2. Kayıt interferograms.
   1. CCD kamera görüntüleme sistemi çıktı uçakta tutmak.
   2. İlk interferogram kaydetmek için bir matris 0 radyan aşama öğe αiçin (x,y) ekleyin ve SLM için gönderin. Kayıt karşılık gelen görüntü ben₁(x,y) ile CCD.
   3. İkinci interferogram kaydetmek için bir matris π/2 radyan aşama öğe αiçin (x,y) ekleyin ve SLM için gönderin. Kayıt karşılık gelen görüntü ben₂(x,y) ile CCD fotoğraf makinesi.
   4. Üçüncü interferogram kaydetmek için bir matris π radyan aşama öğe αiçin (x,y) ekleyin ve SLM için gönderin. Kayıt karşılık gelen görüntü ben₃(x,y) ile CCD fotoğraf makinesi.
   5. Dördüncü ve son interferogram kaydetmek için bir matris 3π/2 radyan aşama öğe αiçin (x,y) ekleyin ve SLM için gönderin. Kayıt karşılık gelen görüntü ben₄(x,y) ile CCD fotoğraf makinesi.
3. Karmaşık alan yeniden.
   Not: Bu noktada Protokolü'nün ilgili görevler için "MATLAB_code_3.m" adlı ek bilgileri konusuna bakın.
   1. İfade kullanarak karmaşık alan (x,y) bir_alındıgenliği almak
      (8)
   2. İfade kullanarak karmaşık alan (x,y) φ_alındıaşaması almak
      (9)

Results

Kayma istihdam salt faz SLM bir piksel aralığı 8 µm ile 1920 piksel x 1080 piksel çözünürlüğüdür. Seçili genlik A(x,y) ve faz φ(x,y) karmaşık alanının iki farklı gri düzey görüntü iyi bilinen Lenna'nın resim (genlik deseni) ve genç bir kız için karşılık gelen tarafından tanımlanır dilini (faz deseni), sırasıyla yapışmasını. Genel olarak, gerekli desen üretimi hem de SLM kontrolü için Matlab kodları kullanılmaktadır. Bu görüntülerin Uza...

Discussion

Bu protokol için pratik olarak sadece faz SLM veya bilgisayar tarafından oluşturulan bir desen piksel hücrelerin içinde bulunan piksel piksel genişliğini başarıyla kodlama yöntemini uygulamak için kilit noktaları parametreleridir. Adımda alınan genlik ve faz kalıplarının 1.2, 1.3 ve 1.4 protokol, kısa piksel genişlik, daha iyi Uzaysal Çözünürlük. Ani piksel piksel faz modülasyon SLM içine kodlama beklenmeyen faz yanıt (piksel crosstalk) gerçekleşebilir gibi buna ek olarak, (1.3 adımda anlatıldığı gibi) Dama desenleri inş...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Akromatik Çift	THORLABS	AC254-100-B-ML	Lens Çapı 25,4 mm, odak uzaklığı 100 mm
Akromatik Galile Işın Genişletici	THORLABS	GBE05-A	AR Kaplamalı: 400 - 650 nm
Basler kamera	BASLER	avA1600-50gm GigE kamera	sensörü boyutu 8,8 mm x 6,6 mm, pizel boyutu 5,5 mikron
Monte Edilmiş Sıfır Diyaframlı İris	THORLABS	ID12Z/M	Maks Diyafram açıklığı 12 mm
Pelikül Işın Ayırıcı	THORLABS	CM1-BP145B2	45:55 (R:T), Kaplama: 700 - 900 nm
PLUTO Uzamsal Işık Modülatörü	HOLOEYE Photonics AG	NIR-II	Yalnızca Faz Uzamsal Işık Modülatörü (700 -1000 nm için optimize edilmiştir)
İki ince film lazer polarizör	EKSMA OPTICS	420-0526M	malzeme BK7, çap 50 mm, dalga boyu 780-820 nm