आयाम और एक चरण केवल स्थानिक प्रकाश मॉडुलन का उपयोग करके लेजर बीम के चरण को आकार देने
Summary
हम एक एकल चरण तत्व का उपयोग करके लेजर बीम के जटिल क्षेत्र सांकेतिक शब्दों में बदलना करने के लिए कैसे दिखाते हैं । एक आम-पथ इंटरफेरोमीटर अंत में एक ऑप्टिकल इमेजिंग प्रणाली के उत्पादन में वांछित जटिल क्षेत्र पैटर्न प्राप्त करने के लिए केवल स्थानिक प्रकाश मॉडुलन चरण में प्रदर्शित जानकारी मिश्रण करने के लिए कार्यरत है.
Abstract
इस अनुच्छेद के उद्देश्य नेत्रहीन जटिल सुसंगत लेजर विकिरण के साथ जुड़े क्षेत्रों एंकोडिंग के लिए एक interferometric विधि के उपयोग को प्रदर्शित है । विधि दो समान तरंगों के सुसंगत राशि पर आधारित है, पहले एक चरण में इनकोडिंग केवल स्थानिक प्रकाश मॉडुलन (SLM) उनके चरणों के स्थानिक मल्टीप्लेक्स द्वारा । यहाँ, हस्तक्षेप की प्रक्रिया कुछ इमेजिंग प्रणाली का रूपान्तर विमान में प्रकाश आवृत्तियों के स्थानिक फ़िल्टरिंग द्वारा किया जाता है. इस विधि के सही कार्यांवयन मनमाना चरण और आयाम जानकारी ऑप्टिकल प्रणाली के उत्पादन में प्राप्त करने की अनुमति देता है ।
यह एक पर धुरी है, बल्कि बंद से धुरी एंकोडिंग तकनीक, एक प्रत्यक्ष प्रसंस्करण एल्गोरिथ्म के साथ (नहीं एक चलने पाश), और सुसंगत शोर से मुक्त (बिंदु) । जटिल क्षेत्र बिल्कुल ऑप्टिकल प्रणाली के उत्पादन में प्राप्त किया जा सकता है, आवृत्ति फ़िल्टरिंग प्रक्रिया के कारण संकल्प के कुछ नुकसान के अलावा । विधि की मुख्य सीमा SLM की ताज़ा दर से अधिक आवृत्ति दरों पर काम करने के लिए अक्षमता से आ सकता है । आवेदन में शामिल हैं, लेकिन करने के लिए सीमित नहीं हैं, रैखिक और गैर रेखीय माइक्रोस्कोपी, बीम को आकार देने, या लेजर सूक्ष्म सामग्री सतहों के प्रसंस्करण.
Introduction
लगभग सभी लेजर अनुप्रयोगों के प्रकाश के ऑप्टिकल wavefront के प्रबंधन के साथ घनिष्ठ संबंध में हैं । paraxial सन्निकटन में, लेजर विकिरण के साथ जुड़े जटिल क्षेत्र दो शब्दों, आयाम और चरण द्वारा वर्णित किया जा सकता है । इन दो पदों पर नियंत्रण रखने के लिए आवश्यक है दोनों लौकिक और लेजर मुस्कराते हुए की स्थानिक संरचना को संशोधित करेंगे । सामांय में, आयाम और एक लेज़र बीम के चरण ठीक से ऑप्टिकल घटकों के उपयोग सहित कई तरीकों से बदल सकता है कि एक थोक लेंस, बीम बंटवारे से लेकर और विकृत दर्पण या स्थानिक प्रकाश की तरह सबसे जटिल उपकरणों के दर्पण नियन्त्रक. यहां, हम एंकोडिंग और सुसंगत लेजर मुस्कराते हुए, जो दोहरे चरण होलोग्राम सिद्धांत1पर आधारित है की जटिल क्षेत्र के पुनर्निर्माण के लिए एक विधि दिखाने के लिए, और एक आम पथ इंटरफेरोमीटर के उपयोग ।
आजकल, वहां तरीकों की एक विस्तृत विविधता के लिए लेजर बीम2,3,4,5के जटिल क्षेत्रों सांकेतिक शब्दों में बदलना मौजूद है । इस संदर्भ में, चरण और आयाम मॉडुलन उत्पादन करने के लिए कुछ अच्छी तरह से स्थापित तरीकों डिजिटल होलोग्राम6के उपयोग पर भरोसा करते हैं । इन सभी तरीकों में एक आम बात एक स्थानिक ऑफसेट पैदा करने की आवश्यकता है zeroth से वांछित उत्पादन बीम अलग-SLM प्रदर्शन पर प्रकाश की परछाई से आ रहा है । इन तरीकों से मूल रूप से कर रहे है धुरी (आमतौर पर घिसे के पहले विवर्तन आदेश के लिए आवेदन), चरण को सांकेतिक शब्दों में बदलना ही नहीं, लेकिन यह भी आवश्यक आयाम मॉडुलन लागू करने के लिए । विशेष रूप से, आयाम मॉडुलन स्पष्ट रूप से विवर्तन दक्षता नीचा है जो, कद्दूकस करने की ऊंचाई को कम करने के द्वारा किया जाता है । होलोग्राम पुनर्निर्माण की प्रक्रिया ज्यादातर एक अनुमानित हो जाता है, लेकिन सटीक नहीं, आयाम और वांछित जटिल क्षेत्र के चरण के पुनर्निर्माण । सिद्धांत और प्रयोग के बीच विसंगतियों को आयाम जानकारी की एक गलत एंकोडिंग के रूप में के रूप में अच्छी तरह से अंय प्रयोगात्मक पहले विवर्तन आदेश के स्थानिक फ़िल्टरिंग या SLM pixilation प्रभाव के कारण के दौरान हो रहा मुद्दों से दिखाई देते हैं । इसके अलावा, इनपुट बीम की तीव्रता प्रोफ़ाइल उत्पादन शक्ति पर प्रतिबंध लागू कर सकते हैं ।
इसके विपरीत, शुरू की विधि7के साथ, सभी प्रकाश प्रबंधन पर धुरी है, जो देखने के एक प्रयोगात्मक बिंदु से बहुत सुविधाजनक है किया जाता है । इसके अतिरिक्त, यह विचार का लाभ लेता है, paraxial सन्निकटन में, दो समान तरंगों का एक योग के रूप में लेजर बीम के साथ जुड़े जटिल क्षेत्र. आयाम जानकारी इन समान तरंगों के हस्तक्षेप से synthetized है । व्यवहार में, इस तरह के हस्तक्षेप एक दिया इमेजिंग प्रणाली का रूपान्तर विमान में प्रकाश आवृत्तियों के स्थानिक फ़िल्टरिंग द्वारा किया जाता है. पहले, वर्दी तरंगों के साथ जुड़े चरण पैटर्न स्थानिक मल्टीप्लेक्स और एक चरण में इनकोडिंग रहे है केवल SLM (इस इमेजिंग प्रणाली के प्रवेश विमान में रखा) । इसलिए, पूरे ऑप्टिकल सेटअप एक आम पथ इंटरफेरोमीटर के रूप में माना जा सकता है (यांत्रिक कंपन के खिलाफ बहुत मजबूत, तापमान परिवर्तन, या ऑप्टिकल reसंरेखण) । कृपया, ध्यान दें कि abovementioned हस्तक्षेप की प्रक्रिया को वैकल्पिक रूप से अंय ऑप्टिकल लेआउट का उपयोग करके पूरा किया जा सकता है: चरण के एक जोड़े के साथ ही SLMs ठीक से एक ठेठ दो हाथ इंटरफेरोमीटर, या समय से क्रमिक रूप से दो चरण एंकोडिंग के भीतर रखा SLM में पैटर्न (ऑप्टिकल सेटअप में एक संदर्भ दर्पण के पिछले परिचय) । दोनों ही मामलों में, स्थानिक फ़िल्टरिंग की कोई आवश्यकता नहीं है, और फलस्वरूप स्थानिक संकल्प की कोई हानि, ऑप्टिकल प्रणाली की जटिलता में वृद्धि की कीमत पर, साथ ही संरेखण प्रक्रिया । यहां, यह भी बल दिया जाना चाहिए कि इस एंकोडिंग विधि का उपयोग करके, वांछित जटिल क्षेत्र की पूरी स्पेक्ट्रम बिल्कुल रूपान्तर विमान में प्राप्त किया जा सकता है, सभी विवर्तन आदेश लेकिन zeroth एक छानने के बाद ।
दूसरी ओर, विधि की दक्षता कई कारकों पर निर्भर करता है: SLM के निर्माता की विशिष्टताओं (जैसे, भरण फैक्टर, भावना, या विवर्तन दक्षता), इनकोडिंग पैटर्न के आकार, और जिस तरह से पर प्रकाश को पिंग्स पर SLM एक छोटे से मार कोण, या एक बीम अलगानेवाला का उपयोग करके सामांय घटना के साथ प्रतिबिंब () । इस बिंदु पर, उचित प्रायोगिक शर्तों के तहत, मापा कुल प्रकाश दक्षता से अधिक 30% हो सकता है । हालांकि, ध्यान दें कि कुल प्रकाश दक्षता सिर्फ SLM के उपयोग के कारण ५०% से कम हो सकता है । ऑप्टिकल सेटअप के भीतर यादृच्छिक या विसारक तत्वों की कमी की अनुमति देता है आयाम और सुसंगत शोर (बिंदु) के बिना चरण पैटर्न के वापस लाने । अन्य महत्वपूर्ण पहलुओं से बात करने के लिए एक सीधा संहिताकरण एल्गोरिथ्म के उपयोग के बजाय चलने प्रक्रियाओं और SLM की आवृत्ति ताज़ा समय पर मनमाने ढंग से और स्वतंत्र आयाम और चरण मॉडुलन प्रदर्शन करने की क्षमता कर रहे हैं (अप करने के लिए वर्तमान तकनीक के अनुसार सैकड़ों हर्ट्ज).
सिद्धांत रूप में, विधि7 इनपुट विमान तरंगों के साथ इस्तेमाल किया जा करने के लिए करना है, लेकिन यह उस तक ही सीमित नहीं है । उदाहरण के लिए, यदि एक गाऊसी बीम SLM मार रहा है, यह SLM में एक अनुकूल आयाम पैटर्न एंकोडिंग द्वारा प्रणाली के उत्पादन में अपनी विकिरण आकार को संशोधित करने के लिए संभव है । हालांकि, के रूप में उत्पादन बीम की तीव्रता किसी भी आड़ा स्थिति (एक्स, वाई) पर है कि इनपुट बीम से अधिक नहीं कर सकते, आयाम का आकार देने तीव्रता नुकसान एक आंशिक रूप से विनाशकारी हस्तक्षेप की प्रक्रिया से उत्पंन द्वारा किया जाता है ।
एंकोडिंग विधि7 रेखांकित सिद्धांत इस प्रकार है । किसी भी जटिल फ़ील्ड का प्रतिनिधित्व प्रपत्र U(x,y)= A(x,y)eiφ(x,y ) के रूप में भी फिर से लिखा जा सकता है:
1
जहां
2
3
समीकरणों में 1-3, आयाम और चरण के दो आयामी जटिल फ़ील्ड U(x,y)एक द्वारा दिया जाता है(x, y) और φ(x,y), क्रमशः । ध्यान दें कि, एक अधिकतम शर्तें ( एक(x,y) की अधिकतम) और B = amax/2 आड़ा निर्देशांक (x,y)पर निर्भर नहीं है । सिद्धांत से, अगर हम एकअधिकतम= 2, तो ख = 1 सेट। इसलिए, जटिल क्षेत्र यू(एक्स,वाई) प्राप्त किया जा सकता है, एक सरल तरीके से, वर्दी तरंगों के सुसंगत राशि से मैंϑ(एक्स,वाई) और हो iθ (x,y)। व्यवहार में, यह एक आम पथ इंटरफेरोमीटर एक चरण तत्व α(एक्स,वाई), एक इमेजिंग प्रणाली के इनपुट विमान में रखा से बना के साथ पूरा किया है । सिंगल फेज एलिमेंट फेज टर्म ϑ(एक्स,वाई) के स्थानिक मल्टीप्लेक्स द्वारा निर्माण किया गया है
और θ (x,y) दो आयामी बाइनरी घिसे (चेकरबोर्ड पैटर्न) एम1(एक्स,वाई) और एम2(एक्स,वाई) की मदद से निम्नानुसार
4
इसलिए
5
ये बाइनरी पैटर्न 1एम(एक्स,वाई) + एम2(एक्स,वाई) = 1 शर्त को पूरा । ध्यान दें कि, वर्दी तरंगों के हस्तक्षेप नहीं हो सकता है अगर हम इस चरण तत्वα(एक्स,वाई) में निहित जानकारी मिश्रण नहीं है । वर्तमान विधि में, यह एक स्थानिक सभी विवर्तन आदेश लेकिन zeroth एक ब्लॉक करने में सक्षम फिल्टर का उपयोग करके किया जाता है । इस तरह, रूपान्तर के विमान में फ़िल्टरिंग प्रक्रिया के बाद, स्पेक्ट्रम एच(यू,वी)= F{eiα(x,y)} एंकोडेड चरण का समारोह जटिल क्षेत्र F{U(x,y)} के स्पेक्ट्रम से संबंधित है अभिव्यक्ति द्वारा
6
Eq. (6) में, (यू,वी) आवृत्ति डोमेन में निर्देशांक निरूपित, पी(यू,वी) स्थानिक फिल्टर के लिए रखती है, जबकि एक दिया समारोह Θ(एक्स,वाई) के रूपान्तर रूपांतरण के रूप में प्रतिनिधित्व किया है च {Θ(x,y)} । Eq. (6) से, यह इस प्रकार है कि, इमेजिंग प्रणाली के उत्पादन विमान में, पुनर्प्राप्त जटिल क्षेत्र यू(एक्स,वाई), (निरंतर कारकों पर विचार किए बिना), बढ़ाया और स्थानिक के कनवल्शनफ़िल्टर्स द्वारा दिया जाता है फ़िल्टर मास्क के रूपान्तर रूपांतर के साथ औंधा जटिल फील्ड यू(एक्स,वाई) । यह है:
7
Eq. (7) में, कनवल्शनफ़िल्टर्स आपरेशन प्रतीक 
द्वारा चिह्नित है, और शब्द पत्रिका इमेजिंग प्रणाली के आवर्धन का प्रतिनिधित्व करता है । इसलिए, आयाम और यू(एक्स,वाई) के चरण पूरी तरह से कनवल्शनफ़िल्टर्स आपरेशन के कारण स्थानिक संकल्प के कुछ नुकसान के अलावा, उत्पादन विमान में प्राप्त होता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल में, चरण-केवल SLM की पिक्सेल चौड़ाई के रूप में व्यावहारिक पैरामीटर्स या कंप्यूटर द्वारा जेनरेट किए गए प्रतिमान के पिक्सेल कक्षों में शामिल पिक्सेल की संख्या, एंकोडिंग पद्धति को सफलतापूर्व…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को Generalitat Valenciana (PROMETEO 2016-079), Universitat Jaume I (युज्) (UJIB2016-19) द्वारा समर्थित किया गया; और Ministerio डे Economía y Competitividad (MINECO) (FIS2016-75618-R) । लेखक femtosecond लेजर के उपयोग के लिए Universitat Jaume I के SCIC के बहुत आभारी हैं ।
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 |
Riferimenti
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