एक ऑप्टिकल फाइबर Wavefront को आकार देने का उपयोग कर के माध्यम से कई संकेतों के प्रसारण

Bioengineering

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Haufe, D., Koukourakis, N., Büttner, L., Czarske, J. W. Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping. J. Vis. Exp. (121), e55407, doi:10.3791/55407 (2017).

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Abstract

एक बहुपद्वति फाइबर के माध्यम से कई स्वतंत्र ऑप्टिकल संकेतों के प्रसारण के क्रम में फाइबर के भीतर प्रचार के दौरान प्रकाश विरूपण के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए wavefront आकार देने का उपयोग कर पूरा किया है। हमारी कार्यप्रणाली डिजिटल ऑप्टिकल चरण विकार केवल एक ही स्थानिक प्रकाश न्यूनाधिक, जहां ऑप्टिकल wavefront व्यक्तिगत रूप से न्यूनाधिक के विभिन्न क्षेत्रों पर संग्राहक है, प्रकाश संकेत प्रति एक क्षेत्र रोजगार पर आधारित है। डिजिटल ऑप्टिकल चरण विकार दृष्टिकोण अन्य wavefront आकार देने दृष्टिकोण, जहां (उदाहरण के लिए) फाइबर की लहर प्रसार व्यवहार का एक पूरा दृढ़ संकल्प किया जाता है की तुलना में तेजी माना जाता है। इसके विपरीत, प्रस्तुत दृष्टिकोण क्योंकि यह केवल प्रकाश संकेत प्रति एक अंशांकन की आवश्यकता है समय कुशल है। प्रस्तावित विधि संचार इंजीनियरिंग में स्थानिक विभाजन बहुसंकेतन के लिए संभावित उचित है। इसके अलावा आवेदन क्षेत्रों में विशेष रूप से ओ में, Biophotonics में इंडोस्कोपिक प्रकाश वितरण कर रहे हैंptogenetics, जैविक ऊतक में एकल कक्षों है जहां चुनिंदा उच्च स्थानिक और लौकिक संकल्प के साथ प्रकाशित किया जाएगा।

Introduction

एक बहुपद्वति फाइबर (MMF) के माध्यम से कई प्रकाश संकेतों के प्रसारण संचार इंजीनियरिंग 1 और 2 Biophotonics में स्पष्ट है। संचार इंजीनियरिंग में, अंतरिक्ष-विभाजन बहुसंकेतन (एसडीएम) के क्रम में सीमित स्थान के एक उच्च उपयोग से लाभ भविष्य में डेटा स्थानांतरण आवेदन के लिए ऑप्टिकल फाइबर का संचरण क्षमता को बढ़ाने के लिए एक व्यवहार्य समाधान के कई एकल मोड फाइबर की तुलना में माना जा रहा है 3। Biophotonics में, जैविक नमूने एक MMF एंडोस्कोप 4 के माध्यम से प्रकाश संचारण द्वारा छेड़छाड़ कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, अलग-अलग MMF एंडोस्कोप का उपयोग कर न्यूरॉन्स की स्वतंत्र ऑप्टिकल नियंत्रण मस्तिष्क 5 में neuronal नेटवर्क का अध्ययन करने के क्रम में optogenetics के लिए ब्याज की है। हालांकि, प्रकाश MMF इनपुट पहलू पर पेश outpu के लिए प्रचार के दौरान विरूपण करने के लिए मोड मिश्रण और फैलाव के कारण अधीन हैMMF की टी पहलू। नतीजतन, प्रकाश प्रचार बदल दिया है, जो संकेत संचरण चुनौतीपूर्ण बना देता है।

Wavefront को आकार देने के तरीकों 6, 7 स्थानिक प्रकाश modulators (SLM) का उपयोग कर मीडिया बिखरने में लागू कर रहे हैं और कारण प्रकाश प्रचार 8 दौरान बिखरने के विरूपण के लिए मुआवजे के लिए सक्षम है। वहाँ चलने का दृष्टिकोण है कि उत्पादन में एक ऑप्टिकल प्रतिक्रिया 9 का उपयोग का अनुकूलन कर रहे हैं। इन तरीकों के बजाय समय कई iterations के लिए आवश्यकता है और स्वतंत्रता के उच्च स्तर की वजह से लगता है, न्यूनाधिक तत्वों की एक बड़ी संख्या के लिए इसी रहे हैं। एक और दृष्टिकोण को पूरी तरह से MMF इसके प्रसारण मैट्रिक्स 10 से वर्णित भीतर विरूपण को निर्धारित है। मोड की संख्या प्रेषित किया जा करने के लिए बड़ी है, इस समय के रूप में अच्छी तरह से लगता हो जाएगा। इसके विपरीत, डिजिटल ऑप्टिकल चरण विकार (DOPC) माना जाता हैतेजी से और यहाँ लाभप्रद, केवल कुछ फोकल धब्बे के बाद से MMF के उत्पादन पहलू पर उत्पन्न किया जाना है। चरण विकार दृष्टिकोण भी ध्यान केंद्रित कर या जैविक ऊतक 12, 13, 14 के माध्यम से इमेजिंग के लिए प्रदर्शन किया गया है।

अब तक, DOPC एक भी समय संकेत केवल 15, 16 के लिए नियुक्त किया गया था, और एक MMF 17 के माध्यम से प्रकाश के संचरण के लिए लागू किया गया था। कई स्वतंत्र संकेतों के लिए एक DOPC दृष्टिकोण से पूरा नहीं किया गया है। हम व्यक्तिगत प्रत्येक संकेत पहले ही चरण केवल SLM 18 को रोजगार के लिए आकार देने wavefront का उपयोग कर एकाधिक प्रकाश संकेतों के स्वतंत्र ट्रांसमिशन उपलब्ध कराने के एक बढ़ाया DOPC तरीका विकसित किया है। इस उद्देश्य के लिए, SLM क्षेत्रों में खंडित है, प्रत्येक संकेत के लिए एक प्रसारित किया जा सकता। प्रस्तावित प्रयोगात्मक स्थापना चित्र 1 में दिखाया गया हैजहां एक अंशांकन) वास्तविक प्रसारण से पहले एक में किया जाता है ख में होता है)।

आकृति 1
चित्रा 1: प्रायोगिक स्थापना। बी एस = बीम फाड़नेवाला, सीसीडी = आरोप डिवाइस युग्मित, ओम = ऑप्टिकल न्यूनाधिक, CMOS = पूरक धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर, HWP = आधा लहर प्लेट, एल = लेंस, एल.पी. = रेखीय polarizer, MMF = बहुपद्वति फाइबर, obj = खुर्दबीन उद्देश्य, पीबीएस = बीम फाड़नेवाला, SLM = स्थानिक प्रकाश न्यूनाधिक ध्रुवीकरण (चरण केवल) - (क) अंशांकन और (ख) के प्रसारण के लिए केवल प्रासंगिक मुस्कराते हुए चित्रित कर रहे हैं यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Protocol

1. प्रायोगिक सेटअप कोडांतरण

  1. समीपस्थ पक्ष तैयारी
    1. जगह और लेजर एक collimated प्रकाश किरण उपलब्ध कराने को ठीक - या फाइबर के बाहर निकलने के पहलू पर कोलिमेशन प्रकाशिकी के साथ एक फाइबर मिलकर लेजर का उपयोग करें।
    2. संदर्भ और वस्तु बीम में लेजर बीम को विभाजित करने के लिए ध्रुवीकरण बीम फाड़नेवाला (पीबीएस) रखो। अपनी रोटेशन में HWP ​​घूर्णन माउंट जब तक संदर्भ बीम और (डिस्टल पक्ष में) वस्तु बीम की शक्ति लगभग एक ही है द्वारा आधे लहर प्लेट (HWP) की ओर रुख कर दें। दोनों संदर्भ और वस्तु बीम में एक स्क्रीन डालने से यह जाँच करें। पीबीएस के उन्मुखीकरण का चयन इतना है कि संदर्भ बीम के ध्रुवीकरण ध्रुवीकरण के प्रति संवेदनशील स्थानिक प्रकाश न्यूनाधिक (SLM) फिट बैठता है।
    3. दो कड़ियां में संदर्भ बीम विभाजित करने के लिए संदर्भ बीम में एक बीम फाड़नेवाला (बी एस) रखो। ऑप्टिकल modulators (ओम) ऐसा है कि BS1 से आ रही इन दो मुस्कराते हुए OM1 और OM2 क्रमशः पारित कर सकते हैं, जगह। </ Li>
    4. BS2 पर OM1 और OM2 गुजर दो दर्पण रोजगार दो मुस्कराते हुए जुडा है। बीम splitters और दर्पण ताकि दोनों मुस्कराते हुए स्थानिक अलग हो रहे हैं समायोजित करें।
    5. ध्यान से यह सुनिश्चित करने के लिए कि दोनों मुस्कराते हुए घटना की दिशा में पहला SLM के पिक्सेल विमान, अनदेखी BS3 और BS4 को सीधा है BS5 संरेखित। सबसे पहले, कुछ भी नहीं है, SLM पर प्रदर्शित किया जाता है यानी, यह अंशांकन (चरण 2 के दौरान) के अंत तक एक दर्पण की तरह कार्य करता है।
    6. स्थिति और दो लेंस (एल) के बीच की दूरी आदेश पूरक धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (CMOS) कैमरे पर SLM विमान की एक तेज छवि को पाने के लिए एक Keplerian दूरबीन का गठन करने को समायोजित करें। एल 1 और एल 2 का सही अभिविन्यास (फ्लैट पक्षों ने एक दूसरे का सामना कर रहे हैं) aberrations कम करने के लिए देखो।
  2. बाहर का पक्ष तैयारी
    1. दो कड़ियां में वस्तु बीम विभाजित है और उन्हें BS8 दो दर्पण रोजगार में गठबंधन करने के लिए BS7 का प्रयोग करें। फिर, बीम splitters और मील समायोजितrrors ताकि दोनों मुस्कराते हुए स्थानिक अलग हो रहे हैं।
    2. BS9 का उपयोग कर उन्हें माइक्रोस्कोप उद्देश्य (obj) करने के लिए लक्ष्य के लिए दोनों मुस्कराते हुए मोड़ना। बहुपद्वति फाइबर (MMF) के बाहर का अंत पर obj2 ध्यान दें। MMF L3 और एक आरोप युग्मित डिवाइस (सीसीडी) कैमरा रोजगार से वापस प्रतिबिंब देख कर फोकस की जाँच करें।
  3. कनेक्ट प्रॉक्सिमल और बाहर की ओर
    1. वस्तु किरण MMF रोजगार obj1 बाहर निकलने से प्रकाश collimate।
    2. BS6 का उपयोग कर वस्तु बीम विभाजित है, पहली बार में रेखीय polarizer (एलपी) की उपेक्षा। BS3 में संदर्भ और मुस्कराते हुए BS4 एक दर्पण रोजगार दोनों के साथ दोनों वस्तु मुस्कराते हुए जुडा है। बीम splitters और दर्पण समायोजित करें ताकि SLM में संदर्भ और वस्तु किरण ओवरलैप के प्रत्येक जोड़ी, एक छोटा सा कोण (कम से कम 1 °) के साथ पारस्परिक।
    3. सुनिश्चित करें कि संदर्भ की शक्ति और वस्तु बीम, HWP के उन्मुखीकरण मोड़ करने के लिए कदम 1.1.2 अनुसार लगभग बराबर हैं।
    4. हस्तक्षेप पी चेकattern (बंद अक्ष होलोग्राम) CMOS कैमरा में और तदनुसार चौराहे कोण समायोजित करें। , कोण में वृद्धि जब तक हस्तक्षेप फ्रिंज रिक्ति मोटे तौर पर CMOS कैमरा पर दो पिक्सल के आकार के बराबर होती है।
    5. ताकि कैमरा छवि अलग किनारे पता चलता है, CMOS कैमरा छवि में हस्तक्षेप पैटर्न की एक अधिकतम विपरीत पाने के लिए वस्तु और संदर्भ बीम के ध्रुवीकरण के मैच के लिए एल.पी. के उन्मुखीकरण को समायोजित करें।

2. सिस्टम औजार

  1. SLM और CMOS के बीच पिक्सेल संबंध औजार
    1. पूरे SLM केवल संदर्भ मुस्कराते हुए से एक का उपयोग रोशन और अन्य संदर्भ ब्लॉक और मुस्कराते हुए वस्तुओं।
    2. CMOS कैमरा के साथ SLM की एक छवि पर कब्जा।
    3. CMOS कैमरा छवि में SLM के ऊपरी बाएँ कोने, ग्राफिक्स सॉफ्टवेयर और पीसी पर माउस कर्सर का उपयोग जैसे के निर्देशांक जाओ। मूल के बिंदु के रूप में इन पिक्सेल निर्देशांक का प्रयोग करेंSLM के बारे में।
    4. सभी बीम ब्लॉक निकालें।
  2. संकेत पथ औजार
    1. दोनों संदर्भ बीम 2 और वस्तु बीम 2 ब्लॉक।
    2. CMOS कैमरा के साथ होलोग्राम की एक छवि पर कब्जा। कोणीय स्पेक्ट्रम विधि 19 का उपयोग कर दर्ज होलोग्राम में चरण का मूल्यांकन। किरण 1 की इसी क्षेत्र में उलटा चरण की गणना।
    3. पूर्व बीम ब्लॉक को हटाने और अब दोनों संदर्भ किरण 1 और वस्तु किरण 1 ब्लॉक।
    4. CMOS कैमरा के साथ होलोग्राम की एक छवि पर कब्जा। कोणीय स्पेक्ट्रम विधि फिर से उपयोग कर दर्ज होलोग्राम में चरण उपाय। किरण 2 की इसी क्षेत्र में औंधा चरण की गणना।
    5. सभी बीम ब्लॉक निकालें।

3. संकेतों संचारण

  1. वस्तु बीम ब्लॉक।
  2. एक साथ किरण 1 और 2 की इसी क्षेत्रों में गणना उल्टे चरण छवियों सिलाई और प्रदर्शनSLM पर पूरी छवि, आम तौर पर कंप्यूटर ग्राफिक्स बंदरगाह का उपयोग कर।
  3. OM1 और OM2 सक्रिय द्वारा इनपुट संकेतों 1 और 2 के मॉडुलन शुरू करो।
  4. सीसीडी कैमरे पर निरीक्षण उत्पादन का संकेत है 1 और 2।

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Representative Results

2 मीटर लंबी फाइबर के बाहर का पक्ष पर ठेठ आउटपुट संकेतों चित्रा 2 में चित्रित कर रहे हैं। ध्यान दें कि वांछित फोकल स्थान (चोटी) किसी अवांछित बिंदु पैटर्न (पृष्ठभूमि) है, जो सिद्धांत की बात के रूप में DOPC के दोष की वजह से है के साथ है। इसी चोटी से पृष्ठभूमि अनुपात (PBR), 53 के बराबर है, 36 (2 पूरी तरह से संकेत 'चालू' है) और 20 (दोनों संकेतों 1 और 2 'पर' कर रहे हैं) यहां क्रमश: (केवल संकेत 1 'पर' है) । (: 1710 वर्तमान) का इस्तेमाल किया जाता है PBR जब एक फाइबर मोड की एक बड़ी संख्या का समर्थन करता है कि वृद्धि की जा सकती है।

परिमित PBR, उत्पादन संकेतों के बीच एक crosstalk परिणाम है, जो 3 चित्र में कल्पना है के कारण। आवृत्तियों F1 और -24 डीबी लिए F2 मात्रा के साथ आवधिक संकेतों के बीच crosstalk (संकेत 2 से संकेत करने के लिए 1) और -29 डीबी (संकेत 1 से 2 संकेत करने के लिए)।

ntent "fo: रख-together.within-पेज =" 1 "> चित्र 2
चित्रा 2: बाहर का फाइबर अंत की छवि, उत्पादन में संकेत 1 (बाएं), संकेत 2 (बीच में) और दोनों संकेत 1 और संकेत 2 (दाएं) के संचरण। तीव्रता [एयू] यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3: प्रेषित उत्पादन में संकेत 1 (बाएं) और 2 (दाएं) के टेम्पोरल आवृत्ति स्पेक्ट्रम। आयाम [एयू] यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

प्रयोगात्मक सेटअप (प्रोटोकॉल में कदम 1) के संयोजन के लिए एक दूसरे के लिए सम्मान के साथ ऑप्टिकल घटकों की एक पूरी तरह संरेखण की आवश्यकता है। सबसे महत्वपूर्ण पहलू के लिए एक उच्च PBR सुनिश्चित करने के लिए SLM पर संदर्भ मुस्कराते हुए आयताकार घटना है।

आदेश में अधिक से अधिक दो प्रेषित संकेतों के लिए सेटअप को बढ़ाने के लिए, अतिरिक्त बीम splitters इस्तेमाल किया जा सकता है। एक विकल्प के रूप में, एक फाइबर आधारित कार्यान्वयन और अधिक कॉम्पैक्ट और मजबूत प्रणाली Biophotonics में सीटू जांच में के लिए पोर्टेबल होने की अनुमति होगी। एक एकल पक्ष का उपयोग संभव है यदि केवल, मॉडल के आधार पर अंशांकन समाधान 20 एक भविष्य कदम के रूप में पूरा किया जा करने की जरूरत है। अधिक संकेतों प्रेषित कर रहे हैं, और अधिक मोड दोनों SLM और CMOS कैमरा पर इतना अधिक पिक्सल की आवश्यकता होगी एक PBR को प्राप्त करने के लिए शामिल किया जाना होगा। इसके अलावा, पिक्सेल की संख्या मोड की संख्या की तुलना में बड़ा या बराबर होना चाहिए। विज्ञापन मेंप्रत्यर्पण, SLM के पिक्सेल आकार समीपस्थ पक्ष में छोटी से छोटी बिंदु व्यास की दो बार आकार का होना चाहिए। आगे यह भी सिफारिश की है कि SLM कम से कम चार बिट के एक बिट गहराई है। CMOS के साथ चिह्नित कैमरे के पिक्सल नंबर SLM पिक्सेल की संख्या से अधिक होना चाहिए। हालांकि, CMOS कैमरा के बजाय किसी अन्य डिटेक्टर प्रकार नियोजित किया जा सकता है, जैसे सीसीडी। एक ही सीसीडी के साथ चिह्नित कैमरे के लिए रखती है।

प्रस्तावित विधि की एक सीमा है कि प्रकाश स्रोत होलोग्राम चरण माप के लिए आवश्यक में हस्तक्षेप आश्वस्त करने के लिए एक बड़ी जुटना लंबाई (कम वर्णक्रमीय बैंडविड्थ) की आवश्यकता है। इसके अलावा, सिस्टम, स्थिर होना चाहिए यानी फाइबर या अंशांकन और ट्रांसमिशन के बीच ऑप्टिकल सेटअप का कोई बदलाव नहीं सहनीय है कि तेजी से अंशांकन है, जो 1 वर्तमान में नीचे है की अवधि की तुलना में कर रहे हैं। लंबे फाइबर और उच्च संकेत आवृत्तियों के लिए, विभिन्न फाइबर मोड के समूह वेग फैलाव हैध्यान में रखा जाना करने के लिए और संकेत खराब हो सकता है। उस के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए, ढाल सूचकांक फाइबर या spatiotemporal विकृतियों 21 के सुधार में इस्तेमाल किया जा सकता है।

पिछले चरण विकार दृष्टिकोण के विपरीत, हमारे प्रस्तावित एसडीएम विधि आवेदन, स्वतंत्र प्रकाश संकेतों से प्रेषित किया जा रहा है जहां में इस्तेमाल किया जा सकता है। चरण विकार तरीकों चलने का दृष्टिकोण या पूर्ण मैट्रिक्स दृढ़ संकल्प की तुलना में समय प्रदर्शन के बारे में फायदेमंद हैं।

आगे संभावित आवेदन क्षेत्र ऑप्टिकल जाल में या optogenetics में इंडोस्कोपिक प्रकाश वितरण, उदाहरण के लिए हो सकता है। optogenetics के लिए, हमारे विधि क्रम में मस्तिष्क के व्यवहार का विश्लेषण करने के लिए और बेहतर neurodegenerative रोगों को समझने में एकल न्यूरॉन्स के चुनिंदा रोशनी के बारे में फायदेमंद है।

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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

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References

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