Ισχυρή και υψηλής αντίθεσης μέθοδος πολυεστιακής εστίασης βασισμένη σε διαμορφωτές χωρικού φωτός τύπου πλάτους

Εισαγωγή στο Ιστορικό:

Η οπτική σκέδαση είναι ένα ευρέως διαδεδομένο φυσικό φαινόμενο στη φύση και η σκέδαση του φωτός οφείλεται στην πολυπλοκότητα και την χωροχρονική ανομοιογένεια των διαδρομών διάδοσης του φωτός στα μέσα, π.χ. η δομική αταξία και η ανομοιογένεια είναι ευρέως διαδεδομένες σε σύνθετα φωτονικά μέσα όπως τα βιολογικά δείγματα και οι λευκές βαφές. Το φως αναπόφευκτα σκεδάζεται πολλές φορές καθώς διέρχεται από το ακατάστατο μέσο, ​​αλλά οι πληροφορίες παρεμβολής του φωτός διατηρούνται. Η μελέτη της παρεμβολής του σκεδαζόμενου φωτός έχει μεγάλη σημασία, για παράδειγμα, ο εντοπισμός Anderson, η συνεκτική οπισθοσκέδαση (CBS) και τα τυχαία φαινόμενα λέιζερ έχουν ανακαλυφθεί μελετώντας την παρεμβολή του σκεδαζόμενου φωτός. Αξίζει να σημειωθεί ότι έχει αποδειχθεί ότι ο ενεργός έλεγχος πολλαπλών σκεδαζόμενων φωτός μπορεί να επιτευχθεί με τη βοήθεια τεχνικών διαμόρφωσης μετώπου κύματος (WFS) μέσω ανατροφοδότησης σε πραγματικό χρόνο ή μετρήσεων του πίνακα μετάδοσης. Το σκεδαζόμενο φως χειρίζεται φορτώνοντας ορισμένες συγκεκριμένες φάσεις στο μέτωπο κύματος του προσπίπτοντος φωτός, γεγονός που παρέχει τη δυνατότητα αποκάλυψης θεμελιωδών φυσικών ιδιοτήτων σύνθετων διεργασιών σκέδασης, όπως το άνοιγμα/κλείσιμο εγγενών καναλιών, η ενεργειακή ενίσχυση μέσα στο μέσο σκέδασης και ο εγκάρσιος εντοπισμός των ιδιοκαναλιών μετάδοσης. Επιπλέον, ο έλεγχος του σκεδαζόμενου φωτός έχει πολύ σημαντικές εφαρμογές στην οπτική απεικόνιση, την οπτική επικοινωνία, τη μη γραμμική οπτική και τη βιοϊατρική.

Αρχή λειτουργίας του διαμορφωτή χωρικού φωτός:

Η οθόνη του διαμορφωτή χωρικού φωτός τύπου πλάτους TSLM023-A είναι ένας στριμμένος νηματικός πίνακας (πίνακας TN), ο οποίος είναι ένας τρόπος λειτουργίας υγρών κρυστάλλων με εφέ περιστροφής που μπορεί να αλλάξει την κατεύθυνση της πόλωσης του φωτός. Εφαρμόζοντας ηλεκτρικό ρεύμα στα μόρια υγρών κρυστάλλων για να αλλάξει η γωνία εκτροπής του υγρού κρυστάλλου, ρυθμίζεται η ισχύς του εφέ περιστροφής και η διαμόρφωση πλάτους μπορεί να επιτευχθεί συνδυάζοντας με τη συσκευή πόλωσης. Αυτή η διαδικασία του φαινομένου διπλής διάθλασης και του φαινομένου περιστροφής συνυπάρχουν, η αύξηση του πάχους των υγρών κρυστάλλων μπορεί να εξασθενήσει το φαινόμενο διπλής διάθλασης, για να επιτευχθεί καθαρή διαμόρφωση πλάτους. Όταν το πάχος του κουτιού υγρών κρυστάλλων είναι αρκετά μεγάλο και η γωνία κλίσης του μορίου υγρών κρυστάλλων είναι χαμηλή, μόνο η διαμόρφωση φάσης, χωρίς διαμόρφωση πλάτους. Στο μόριο υγρών κρυστάλλων, η γωνία κλίσης είναι μεγάλη, θα υπάρξει διαμόρφωση πλάτους. Αυτή τη στιγμή το πλάτος και η διαμόρφωση φάσης ταυτόχρονα, η γωνία κλίσης υγρών κρυστάλλων φορτώνεται στο μόριο υγρών κρυστάλλων και στα δύο άκρα της απόφασης τάσης pixel, έτσι ώστε το εύρος τάσης pixel υγρών κρυστάλλων να καθορίζει τη συσκευή υγρών κρυστάλλων που λειτουργεί στην περιοχή διαμόρφωσης πλάτους ή διαμόρφωσης φάσης. Έτσι, αλλάζοντας την φορτωμένη εικόνα χρησιμοποιώντας το TSLM023-A, μπορεί επίσης να επιτευχθεί κάποια διαμόρφωση φάσης.

Η κύρια ερευνητική εργασία αυτού του άρθρου:

Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο άρθρο φαίνεται στο Σχήμα 1, όπου η διευρυμένη δέσμη φωτός 532 nm διέρχεται μέσω ενός διαμορφωτή χωρικού φωτός βασισμένου σε πλάτος (CSCS TSLM023-A) για να επιτευχθεί καθαρός έλεγχος φάσης του μετώπου κύματος χρησιμοποιώντας ολογραφία. Χρησιμοποιούνται M pixel στο SLM για τον έλεγχο των μεμονωμένων φάσεων του μετώπου κύματος και το μέγεθος ενός μεμονωμένου pixel είναι 26 um, που αντιστοιχεί στον συνολικό αριθμό των ελεγχόμενων σημείων του διερχόμενου φωτός και είναι το ίδιο με τον αριθμό των pixel, δηλαδή το μέγεθος της περιοχής-στόχου αντιστοιχεί στον αριθμό των pixel SLM και ο καθαρός έλεγχος φάσης επιτυγχάνεται ευθυγραμμίζοντας το μετρούμενο μοτίβο με το διάνυσμα υψηλού γεωγραφικού πλάτους του μοτίβου-στόχου.

Σχήμα 1 Πειραματική διάταξη. Στο διακεκομμένο πλαίσιο, το δείγμα σκέδασης τοποθετείται σε λευκό χαρτί με μαύρες γραμμές, υποδεικνύοντας ότι το δείγμα σκεδάζει έντονα το φως.

Σχήμα 2. Αποτελέσματα προσομοίωσης. Τριφασικό μοτίβο με χρονική αντιστροφή WFS (α) και με ανάδραση WFS (γ), που αντιστοιχούν στο πρώτο αποτέλεσμα προσομοίωσης στα (β) και (δ),

αντίστοιχα. Η αναλογία κορυφής προς φόντο (𝜂) του κατασκευασμένου τριφασικού μοτίβου σε δέκα διαφορετικές προσομοιώσεις με το WFS αντιστροφής χρόνου (b) και το WFS ανάδρασης (d).

Σχήμα 3. Πειραματικά αποτελέσματα. (α) Το μετρούμενο διάγραμμα έντασης του διερχόμενου φωτός εντός της περιοχής-στόχου πριν από το WFS. (β) Η καμπύλη σύγκλισης του WFS ανάδρασης. (γ) Μετά το WFS, οι τρεις εστίες κατασκευάζονται στις προκαθορισμένες θέσεις. (δ) Ο λόγος κορυφής προς φόντο (𝜂) του κατασκευασμένου μοτίβου τριών εστιών σε 10 διαφορετικά πειράματα. (ε) Ο λόγος κορυφής προς φόντο αλλάζει με τον αριθμό των εστιών.

Το σύστημα WFS με ανάδραση σε πραγματικό χρόνο που προτείνεται στο άρθρο όχι μόνο κατασκευάζει με επιτυχία πολλαπλά σημεία εστίασης στο όριο περίθλασης σε μια προκαθορισμένη θέση, αλλά επίσης καταστέλλει σημαντικά τις τυχαίες διαταραχές στο σημείο εστίασης που προκαλούνται από το πεδίο υποβάθρου, το οποίο αναμένεται να πραγματοποιήσει τα πολλαπλά σημεία εστίασης του σκεδαζόμενου φωτός, τα οποία με τη σειρά τους μπορούν να εφαρμοστούν στις κατευθύνσεις της κβαντικής συμβολής, της οπτικής απεικόνισης, του οπτικού χειρισμού και της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης.

Οι προδιαγραφές παραμέτρων του διαμορφωτή διερχόμενου χωρικού φωτός CSCS TSLM023-A που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα είναι οι εξής:

Γραμμένο στο τέλος:

Οι διαμορφωτές χωρικού φωτός με διέλευση έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στον τομέα της οπτικής και της οπτοηλεκτρονικής, καλύπτοντας μια ποικιλία πτυχών όπως η οπτική απεικόνιση, η οπτική επικοινωνία, η επεξεργασία οπτικών πληροφοριών, η οπτική ανίχνευση, η αποθήκευση οπτικών πληροφοριών κ.λπ., οι οποίες παρέχουν σημαντική υποστήριξη και ώθηση στην ανάπτυξη και την καινοτομία της οπτοηλεκτρονικής τεχνολογίας.