Moldar a Amplitude e a fase dos feixes de Laser, usando um modulador de luz somente fase espacial

Summary

Mostramos como codificar o complexo campo de feixes de laser, usando um elemento de fase única. Um caminho comum-Interferômetro é empregado para misturar as informações de fase exibidas em um fase somente modulador espacial luz para finalmente recuperar o padrão de campo complexo desejado na saída de um sistema óptico de imagem.

Abstract

O objetivo deste artigo é demonstrar visualmente a utilização de um método interferométricas para codificação campos complexos associados com radiação laser coerente. O método é baseado na soma de duas ondas uniformes, previamente codificados em um só fase espacial luz modulador (SLM) por multiplexação espacial de suas fases coerente. Aqui, o processo de interferência é realizado pela filtragem espacial de frequências de luz no plano de Fourier de determinado sistema da imagem latente. A correcta implementação deste método permite que a fase arbitrário e amplitude informação para ser obtida na saída do sistema óptico.

É uma técnica de codificação no eixo, ao invés de fora do eixo, com um algoritmo de processamento direto (não um ciclo iterativo) e livre de ruído coerente (speckle). O complexo campo pode ser obtida exatamente na saída do sistema óptico, exceto por alguma perda de resolução devido ao processo de filtragem de frequência. A principal limitação do método pode vir da incapacidade de operar em taxas de frequência mais elevadas do que a taxa de atualização do SLM. Aplicações incluem, mas não estão limitadas a, microscopia linear e não linear, feixe moldar ou laser microprocessamento de superfícies do materiais.

Introduction

Quase todas as aplicações de laser estão em estreita relação com a gestão da frente de onda óptica de luz. Na aproximação paraxial, o campo complexo associado com a radiação laser pode ser descrito por dois mandatos, a amplitude e a fase. Tendo controle sobre estes dois termos é necessário modificar o temporal e a estrutura espacial de raios laser no Irão. Em geral, a amplitude e a fase de um feixe de laser podem ser devidamente alterados por vários métodos, incluindo o uso de componentes ópticos que variam de lentes em massa única, divisores de feixe e espelhos para dispositivos mais complexos como espelhos deformáveis ou luz espacial moduladores. Aqui, nós mostramos um método para codificação e reconstruir o complexo campo de feixes de laser coerente, que se baseia na teoria de holograma dual-fase¹e a utilização de um interferômetro de caminho comum.

Hoje em dia, existe uma grande variedade de métodos para codificar os campos complexos de feixes laser^2,3,4,de⁵. Neste contexto, alguns métodos bem estabelecidos para produzir fase e modulação de amplitude dependem do uso de hologramas digital⁶. Um ponto comum em todos estes métodos é a necessidade de gerar um deslocamento espacial para separar o feixe de saída desejada de ordem zeroth provenientes da reflexão da luz para o visor SLM. Esses métodos são basicamente fora do eixo (geralmente aplicar para a primeira ordem de difração da esfregação), empregando o grating fase não apenas para codificar a fase, mas também para introduzir o necessária modulação de amplitude. Em particular, modulação de amplitude é executada, espacialmente, diminuindo a altura da grade, que degrada claramente a eficiência de difração. O processo de reconstrução do holograma principalmente Obtém uma reconstrução aproximada, mas não exata, da amplitude e fase do campo complexo desejado. Discrepâncias entre teoria e experimento parecem aparecer de uma codificação impreciso da informação de amplitude, bem como outras questões experimentais acontecendo durante a filtragem espacial da primeira ordem de difração ou devido a efeitos de pixilation SLM. Além disso, o perfil de intensidade do feixe de entrada pode introduzir restrições sobre a potência de saída.

Em contraste, com o método introduzido⁷, luz todo o gerenciamento é realizado no eixo, que é muito conveniente do ponto de vista experimental. Além disso, leva vantagem de considerar, na aproximação paraxial, o campo complexo associado com feixes de laser como uma soma de duas ondas de uniformes. A informação de amplitude é synthetized pela interferência destas ondas uniforme. Na prática, tal interferência é realizada pela filtragem espacial de frequências de luz no plano de Fourier de um dado sistema de imagem. Anteriormente, os padrões de fase associados as ondas uniformes espacialmente são multiplexados e codificados em uma fase somente SLM (colocado no plano de entrada deste sistema de imagem). Portanto, a configuração toda óptica pode ser considerada como um interferômetro comum-caminho (muito robusto contra vibrações mecânicas, mudanças de temperatura ou desalinhamentos ópticos). Por favor, note que o processo de interferência acima referido pode ser realizado alternativamente usando outros layouts ópticos: com um par de Sims somente fase corretamente colocado dentro de um interferômetro de dois-braço típico, ou por tempo sequencialmente codificação dois fase padrões para o SLM (introdução anterior de um espelho de referência na configuração da óptica). Em ambos os casos, não há nenhuma necessidade de filtragem espacial e, consequentemente, sem perda de resolução espacial, à custa de aumentar a complexidade do sistema óptico, bem como o processo de alinhamento. Aqui, deve-se também ressaltar que usando este método de codificação, todo o espectro do campo complexo desejado pode ser obtida exatamente no plano de Fourier, após filtragem de todas as ordens de difração mas o zeroth um.

Por outro lado, a eficiência do método depende de vários fatores: as especificações do fabricante do SLM (por exemplo, preenchimento difração, refletividade ou fator de eficiência), o tamanho do padrão codificado e a maneira na qual a luz colide com o SLM (reflexão com um pequeno ângulo bater, ou incidência normal usando um divisor de feixe). Neste momento, sob condições experimentais adequadas, a eficiência luminosa total medida pode ser mais de 30%. No entanto, observe que que a eficiência total de luz apenas devido ao uso do SLM pode ser inferior a 50%. A falta de forma aleatória ou elementos de difusor dentro da óptica instalação permite a recuperação dos padrões de amplitude e fase sem ruído coerente (speckle). Outros aspectos significativos de assinalar são a utilização de um algoritmo de codificação direta ao invés de procedimentos iterativos e sua capacidade de executar arbitrária e independente de amplitude e fase modulação na frequência refresh tempo do SLM (até centenas de hertz, de acordo com a tecnologia atual).

Em princípio, o método⁷ destina-se a ser usado com ondas de entrada de avião, mas não está limitado a isso. Por exemplo, se um feixe Gaussiano é bater o cartão Sim, é possível modificar sua forma de irradiação para a saída do sistema de codificação de um padrão adequado de amplitude para o SLM. No entanto, que a intensidade do feixe de saída não pode exceder o do feixe de entrada em qualquer posição transversal (x, y), a formação da amplitude é realizada por perdas de intensidade originadas por um processo de interferência parcialmente destrutivos.

A teoria sublinhando a codificação método⁷ é a seguinte. Qualquer campo complexo representado sob a forma de U(x,y)= A(x,y)e^euφ(x,y) pode também ser reescrito como:

(1)

Onde

(2)

(3)

Nas equações 1-3, a amplitude e a fase do complexo bidimensional de campo U(x,y)é dado por um(x,y) e φ(x,y), respectivamente. Observe que, para termos um_máximo (máximo da A(x,y)) e B = um_máximo/2 não dependem as coordenadas transversais (x,y). Da teoria, se nós um_máximo= 2, então B =1. Portanto, o campo complexo U(x,y) pode ser obtido, de forma simples, da soma coerente de ondas uniforme ser^euϑ(x,y) e ser ^{iθ (x,y)}. Na prática, isso é realizado com um interferômetro comum-caminho composto de uma única fase elemento α(x,y), colocado no plano de entrada de um sistema de imageamento. O elemento de fase monofásica é construído pela multiplexação espacial do termos de fase ϑ(x,y)

e θ (x,y) com a ajuda dos gratings binários bidimensionais (padrões de xadrez) M₁(x,y) e M₂(x,y) como segue

(4)

por isso,

(5)

Esses padrões binários cumprir a condição M₁(x,y) + M₂(x,y) = 1. Observe que, a interferência de ondas uniformes não pode acontecer se nós não misturar as informações contidas no elemento faseα(x,y). No presente método, isto é realizado usando um filtro espacial capaz de bloquear todas as ordens de difração mas o zero um. Desta forma, após o processo de filtragem no plano de Fourier, o espectro H(u,v)= F{e^iα(x,y)} da fase codificada função está relacionada com o espectro do complexo campo F{U(x,y)} pela expressão

(6)

Na EQ. (6), (u,v) denotar coordenadas no domínio da frequência, P(u,v) detém para o filtro espacial, Considerando que a transformada de Fourier de uma função dada Θ(x,y) é representada na forma F {Θ(x,y)}. Da EQ. (6), ele segue que, no plano da saída do sistema de imagem, o campo complexo obtido U_RET(x,y), (sem considerar fatores constantes), é dada pela convolução do ampliada e espacialmente inverteu o complexo campo U(x,y) com a transformada de Fourier da máscara do filtro. Isto é:

(7)

Na EQ. (7), a operação de convolução é denotada pelo símbolo e o termo Mag representa a ampliação do sistema de geração de imagens. Portanto, a amplitude e a fase de U(x,y) é totalmente recuperado no plano de saída, exceto por alguma perda de resolução espacial devido a operação de convolução.

Protocol

1. o complexo campo de codificação em um elemento de fase única Desde as especificações técnicas do SLM, encontre sua resolução espacial (por exemplo 1920 pixéis x 1800 pixels). Definir e gerar a amplitude desejada A(x,y) e padrões de fase φ(x,y) como imagens digitais. Defina a resolução espacial do supracitado imagens digitais igual do visor SLM. Definido acima referidas imagens digitais em formato de nível de cinz…

Representative Results

A resolução espacial do empregado somente fase SLM é 1920 pixels de x 1080 pixels, com uma densidade de pixel de 8 µm. A amplitude selecionada A(x,y) e a fase φ(x,y) do complexo campo são definidos por dois diferentes cinza nível imagens correspondentes a imagens do Lenna o bem conhecido (padrão de amplitude) e uma jovem mostra a língua (padrão de fase), respectivamente. Em geral, para tanto, a geração de padrões necessár…

Discussion

Neste protocolo, parâmetros práticos como a largura de pixel do SLM somente fase ou o número de pixels contido dentro das células de pixel de um padrão gerado pelo computador são pontos-chave para implementar com êxito o método de codificação. Em passos 1.2, 1.3 e 1.4 do protocolo, quanto menor a largura de pixel, melhor a resolução espacial dos padrões obtidos de amplitude e fase. Além disso, como a codificação para o SLM das modulações de fase de pixel a pixel abruptas pode originar-se respostas de fa…

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