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 ışınları2,3,4,5karmaşık 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)eφben(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, biren fazla (maksimum) A(x,y) ve B şartlar = birmax/2 enine koordinatlarına bağlı değildir (x,y). Biz ayarlarsanız teorisi üzerinden birmax2, 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 ={eiα(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 URET(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
Representative Results
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 anlat?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma tarafından Generalitat Valenciana (PROMETEO 2016-079), Universitat Jaume desteklenmiştir ben (UJI) (UJIB2016-19); ve “gayri resmi” de Economía y Competitividad (MINECO) (FIS2016-75618-R). Yazarlar Universitat Jaume SCIC için çok minnettar ben femtosecond lazer kullanımı için.
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
- Hsueh, C. K., Sawchuk, A. A. Computer-generated double-phase holograms. Applied Optics. 17 (24), 3874-3883 (1978).
- Arrizón, V. Complex modulation with a twisted-nematic liquid-crystal spatial light modulator: double-pixel approach. Optics Letters. 28 (15), 1359-1361 (2003).
- Arrizón, V., Ruiz, U., Carrada, R., González, L. A. Pixelated phase computer holograms for the accurate encoding of scalar complex fields. Journal of the Optical Society of America A. 24 (11), (2007).
- Shibukawa, A., Okamoto, A., Takabayashi, M., Tomita, A. Spatial cross modulation method using a random diffuser and phase-only spatial light modulator for constructing arbitrary complex fields. Optics Express. 22 (4), 3968-3982 (2014).
- Martínez-Fuentes, J. L., Moreno, I. Random technique to encode complex valued holograms with on axis reconstruction onto phase-only displays. Optics Express. 26 (5), 5875-5893 (2018).
- Clark, T. W., Offer, R. F., Franke-Arnold, S., Arnold, A. S., Radwell, N. Comparison of beam generation techniques using a phase only spatial light modulator. Optics Express. 24 (6), 6249-6264 (2016).
- Mendoza-Yero, O., Mínguez-Vega, G., Lancis, J. Encoding complex fields by using a phase-only optical element. Optics Letters. 39 (7), 1740-1743 (2014).
- Yamaguchi, I., Zhang, T. Phase-shifting digital holography. Optics Letters. 22 (16), 1268-1270 (1997).
- Shao, Y., et al. Addressable multiregional and multifocal multiphoton microscopy based on a spatial light modulator. Journal of Biomedical Optics. 17 (3), 030505 (2012).
- Mendoza-Yero, O., Carbonell-Leal, M., Mínguez-Vega, G., Lancis, J. Generation of multifocal irradiance patterns by using complex Fresnel holograms. Optics Letters. 43 (5), 1167-1170 (2018).
- Kuang, Z., et al. Diffractive Multi-beam Ultra-fast Laser Micro-processing Using a Spatial Light Modulator (Invited Paper). Chinese Journal of Lasers. 36 (12), 3093-3115 (2009).
- Kuang, Z., et al. High throughput diffractive multi-beam femtosecond laser processing using a spatial light modulator. Applied Surface Science. 255, 2284-2289 (2008).
