利用相位空间光调制器建立激光光束的振幅和相位
Summary
我们展示了如何使用单相单元对激光束的复杂场进行编码。采用共径干涉仪将显示的相位信息混合到仅相位的空间光调制器中, 最终在光学成像系统的输出端检索所需的复杂场模式。
Abstract
本文的目的是直观地演示如何使用干涉法对与相干激光辐射相关的复杂领域进行编码。该方法基于两个均匀波的相干和, 这两个波以前通过相位的空间多路复用编码成一个仅相位的空间光调制器 (slm)。在这里, 通过对某些成像系统的傅里叶平面上的光频率进行空间滤波来进行干涉过程。该方法的正确实现允许在光学系统输出端检索任意相位和振幅信息。
它是一种轴上编码技术, 而不是离轴编码技术, 具有直接处理算法 (而不是迭代循环), 并且没有相干噪声 (散斑)。除了由于频率滤波过程而造成的分辨率损失外, 复杂场可以在光学系统的输出处精确地检索。该方法的主要局限性可能来自于无法以高于可持续土地管理刷新率的频率运行。应用包括但不限于线性和非线性显微镜、光束整形或材料表面的激光微加工。
Introduction
几乎所有的激光应用都与光的光波前管理密切相关。在近轴近似中, 与激光辐射相关的复杂场可以用振幅和相位两个术语来描述。控制这两个术语对于随意修改激光束的时间和空间结构是必要的。一般来说, 激光束的振幅和相位可以通过多种方法进行适当的改变, 包括使用从单个体积透镜、光束分离器和镜子到最复杂的设备 (如变形反射镜或空间光) 的光学元件调制 器。本文提出了一种基于双相全息图理论 1的相干激光束复杂场的编码和重构方法, 以及共径干涉仪的应用。
目前, 对激光束2、3、4、5的复杂领域进行编码的方法多种多样。在此背景下, 一些成熟的相位调制和幅度调制方法依赖于数字全息图6的使用。所有这些方法中的一个共同点是必须生成空间偏移量, 以便将所需的输出光束与 slm 显示屏上的光线反射所产生的零阶分离。这些方法基本上是离轴的 (通常适用于光栅的第一衍射顺序), 不仅采用相位光栅对相位进行编码, 而且还引入必要的幅度调制。特别是通过空间降低光栅高度来实现幅度调制, 这清楚地降低了衍射效率。全息图重建过程大多得到所需复杂场的振幅和相位的近似但不精确的重构。理论和实验之间的差异似乎出现在振幅信息的编码不准确, 以及在第一衍射顺序的空间滤波过程中发生的其他实验问题, 或由于 slm 像素化效应。此外, 输入光束的强度分布可能会对输出功率施加限制。
与之相比, 采用介绍的方法7, 所有的光管理都是在轴上进行的, 从实验的角度来看, 这非常方便。此外, 它还利用在近轴近似中考虑与激光束相关的复杂场作为两个均匀波的总和。振幅信息是由这些均匀波的干扰综合化的。在实际应用中, 这种干扰是通过在给定成像系统的傅立叶平面上对光频率进行空间滤波来实现的。以前, 与均匀波相关的相位模式在空间上进行多路复用, 并编码为仅有相位的 slm (放置在此成像系统的入口平面上)。因此, 整个光学装置可以被看作是一个共路干涉仪 (对机械振动、温度变化或光学错位非常强大)。请注意, 上述干扰过程也可以通过使用其他光学布局来完成: 将一对仅相位的 slm 正确地放置在一个典型的两臂干涉仪中, 或者按时间对两相进行顺序编码模式 (以前在光学设置中引入参考镜像)。在这两种情况下, 都没有必要进行空间滤波, 因此也没有空间分辨率的丧失, 而牺牲了光学系统的复杂性以及对齐过程。在这里, 还应该强调的是, 通过使用这种编码方法, 所需的复杂场的全谱可以精确地检索在傅里叶面, 在过滤所有衍射顺序, 但零一个。
另一方面, 该方法的效率取决于几个因素: 制造商的 slm 规格 (例如, 填充系数、反射率或衍射效率)、编码图案的大小以及光线撞击slm (反射与一个小的命中角度, 或通过使用光束拆分器的正常入射)。此时, 在适当的实验条件下, 测量的总光效率可超过 3 0%。但是, 请注意, 仅由于使用 slm 而产生的总光效率可能不到50%。光设置中缺乏随机或扩散器元件, 因此可以在没有相干噪声 (散斑) 的情况下检索振幅和相位模式。需要指出的其他重要方面是使用直接编码算法而不是迭代程序, 以及它在 slm 的频率刷新时执行任意和独立的振幅和相位调制的能力 (最高可达数百赫兹根据目前的技术)。
原则上, 方法7的目的是与输入平面波一起使用, 但并不限于这一点。例如, 如果高斯光束击中 slm, 则可以通过将适合的振幅模式编码为 slm 来修改其在系统输出处的辐射形状。但是, 由于输出光束的强度不能超过任何横向位置 (x, y) 的输入光束的强度, 因此振幅的形成是由部分破坏性干扰过程引起的强度损失来实现的。
强调编码方法7的理论如下。在形式 u(x, y)= a(x,y) ee 中表示的任何复杂字段也可以重写为:
(2)
在哪里
(3)
(2)
在方程1-3 中, 二维复场 u (x, y) 的振幅和相位分别由 a(x, y) 和(x,y) 给出.请注意, 术语a最大值 (最大值 a (x,y)) 和b = a最大值/2 不依赖于横向坐标 (x,y)。从理论上看, 如果我们设置a最大值 = 2, 则 b =1。因此,复杂场 u (x, y) 可以得到复杂的领域 u (x,y), 在一个简单的方式, 从相干和均匀波是i(x,y)和be伊伊(x,y)。实际上, 这是通过一个由单相元素α(x,y) 组成的共径干涉仪完成的, 该干涉仪放置在成像系统的输入平面上。单相单元是通过相位项 (x,y) 的空间多路复用来构造的
和(x,y) 在二维二进制光栅 (棋盘图案) m1(x,y) 和m2(x,y) 的帮助下, 如下所示
(2)
因此
(3)
这些二进制模式满足条件 m1(x,y) +m2 (x,y) = 1。请注意, 如果我们不混合相位元素α(x,y) 中包含的信息, 则不会发生均匀波的干扰。在目前的方法中, 这是通过使用空间滤波器能够阻止所有的衍射顺序, 但零的。这样, 在傅里叶平面的滤波过程之后, 编码相位的光谱h(u)= f{eα(x,y)}函数与复杂场 f {u(x, y)} 的光谱有关。
(5)
在 eq. (6) 中, (u, v)表示频域中的坐标, p(u,v) 持有空间滤波器, 而给定函数 (x,y) 的傅立叶变换表示为f{(x,y)}。从 eq. (6), 它的结果, 在成像系统的输出平面上, 检索到的复杂场uret(x,y), (不考虑常数因素), 是由放大和空间的卷积给出的。带滤波器掩码的傅里叶变换的反复杂场u(x,y)。那是：
(4)
在 eq. (7) 中, 卷积操作由符号
表示, 术语mag表示成像系统的放大倍数。因此, u(x,y) 的振幅和相位在输出平面上完全恢复, 但由于卷积操作而造成的空间分辨率损失除外。
Protocol
Representative Results
Discussion
在该协议中, 实用参数 (如纯相位 slm 的像素宽度或计算机生成模式的像素单元中包含的像素数) 是成功实现编码方法的关键点。在协议的步骤1.2、1.3 和1.4 中, 像素宽度越短, 检索到的振幅和相位模式的空间分辨率就越高。此外, 由于对像素到像素相位调制的模化为 slm 可能会产生意外的相位响应 (像素串扰), 棋盘图案的构造 (如步骤1.3 所述) 应与像素单元格中的像素数。这样做的主要原因是为了减轻…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究得到了 valenciana 将军 (promeet 2016-079)、jaume i 大学 (ujib2016-19) 的支持;和部长级经济和竞争和竞争 (mineco) (fis2016-75618-r)。作者非常感谢 jaume i 大学的 scic 使用飞秒激光。
Materials
| 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 |
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