Robusztus és nagy kontrasztú multifokális fókuszálási módszer amplitúdótípusú térbeli fénymodulátorokon alapulva

Háttérbevezetés:

Az optikai szóródás egy széles körben elterjedt fizikai jelenség a természetben, és a fényszórás a közegekben lévő fényterjedési útvonalak komplexitásának és térbeli-időbeli inhomogenitásának köszönhető, pl. a szerkezeti rendezetlenség és inhomogenitás széles körben jelen van az összetett fotonikus közegekben, mint például a biológiai minták és a fehér festékek. A fény elkerülhetetlenül többször szóródik, miközben áthalad a rendezetlen közegen, de a fény interferencia-információja megmarad. A szórt fény interferenciájának vizsgálata nagy jelentőséggel bír, például az Anderson-lokalizációt, a koherens visszaszórást (CBS) és a véletlenszerű lézerjelenségeket a szórt fény interferenciájának vizsgálatával fedezték fel. Különösen kimutatták, hogy a többszörös szórt fény aktív szabályozása elérhető hullámfront-alakító (WFS) technikák segítségével valós idejű visszacsatolás vagy az átviteli mátrix mérése révén. A szórt fényt úgy manipulálják, hogy bizonyos specifikus fázismódokat töltenek be a beeső fény hullámfrontjára, ami lehetővé teszi az összetett szórási folyamatok alapvető fizikai tulajdonságainak feltárását, mint például a belső csatornák nyitása/zárása, az energianövekedés a szóróközegben és az átviteli sajátcsatornák transzverzális lokalizációja. Ezenkívül a szórt fény szabályozásának nagyon fontos alkalmazásai vannak az optikai képalkotásban, az optikai kommunikációban, a nemlineáris optikában és a biomedicinában.

Térbeli fénymodulátor működési elve:

A TSLM023-A amplitúdó típusú térbeli fénymodulátor kijelzője egy csavart nematikus panel (TN panel), amely egy folyadékkristályos működési mód, amelynek forgó hatása képes megváltoztatni a fény polarizációjának irányát. A folyadékkristály molekulákra áramot alkalmazva megváltoztatják a folyadékkristály eltérítési szögét, így beállítható a forgó hatás erőssége, és a polarizációs eszközzel kombinálva amplitúdómoduláció érhető el. A kettős törés és a forgó hatás együttes jelenléte a folyadékkristály vastagságának növekedésével gyengíthető a kettős törés, és így tiszta amplitúdómoduláció érhető el. Amikor a folyadékkristály doboz vastagsága elég nagy, és a folyadékkristály molekula dőlésszöge alacsony, csak fázismoduláció van, amplitúdómoduláció nincs; nagy folyadékkristály molekula dőlésszög esetén amplitúdómoduláció történik, ekkor az amplitúdó- és fázismoduláció egyidejűleg érvényesül, a folyadékkristály dőlésszöge a pixelfeszültség-döntés mindkét végén a folyadékkristály molekulájára hat, így a folyadékkristály pixelfeszültség-tartománya határozza meg, hogy a folyadékkristályos eszköz az amplitúdómoduláció vagy a fázismoduláció területén működik-e. Tehát a betöltött kép TSLM023-A segítségével történő módosításával bizonyos fázismoduláció is elérhető.

A cikk fő kutatási munkája:

A cikkben használt kísérleti elrendezést az 1. ábra mutatja, ahol az 532 nm-es kiterjesztett fénynyalábot egy amplitúdóalapú térbeli fénymodulátoron (CSCS TSLM023-A) vezetik át, hogy holográfia segítségével a hullámfront tiszta fázisszabályozását érjék el. Az SLM-en M pixelt használnak a hullámfront egyes fázisainak szabályozására, és egyetlen pixel mérete 26 µm, ami megfelel annak, hogy az áteresztett fény vezérelhető pontjainak teljes száma megegyezik a pixelek számával, azaz a célterület mérete megfelel az SLM pixelek számának, és a tiszta fázisszabályozást a mért minta és a célminta nagy szélességi vektorának összehangolásával érik el.

1. ábra Kísérleti beállítás. A szaggatott keretben a szórt minta fehér papírra van helyezve, fekete sávokkal, ami azt jelzi, hogy a minta erősen szórja a fényt.

2. ábra. Szimulációs eredmények. Háromfókuszú minta időfordításos WFS-sel (a) és visszacsatolt WFS-sel (c), amelyek megfelelnek az első szimulációs eredménynek a (b) és (d) pontban,

A csúcs-háttér arány (𝜂) a konstruált háromfókuszú mintázatban tíz különböző szimulációban, időfordított WFS-sel (b) és visszacsatolt WFS-sel (d).

3. ábra. Kísérleti eredmények. (a) Az áteresztő fény mért intenzitásmintázata a célterületen belül a hullámforma-eltávolítás előtt. (b) A visszacsatolt hullámforma-eltávolítás konvergencia görbéje. (c) A hullámforma-eltávolítás után a három fókuszt az előre meghatározott pozíciókban hozták létre. (d) A csúcs-háttér arány (𝜂) a létrehozott három fókuszú mintázatból 10 különböző kísérletben. (e) A csúcs-háttér arány a fókuszok számával változik.

A cikkben javasolt valós idejű visszacsatolásos WFS rendszer nemcsak sikeresen hoz létre több fókuszpontot a diffrakciós határon egy előre meghatározott helyen, hanem jelentősen elnyomja a fókuszpontra ható, a háttér mező által kiváltott véletlenszerű perturbációkat is, ami várhatóan megvalósítja a szórt fény többszörös fókuszpontját, ami viszont alkalmazható a kvantuminterferencia, az optikai képalkotás, az optikai manipuláció, valamint a fény és az anyag kölcsönhatásának irányaiban.

A kísérletben használt CSCS transzmittált térbeli fénymodulátor (TSLM023-A) paraméterspecifikációi a következők:

A végén leírva:

Az áteresztő térbeli fénymodulátorok széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek az optika és az optoelektronika területén, számos aspektust lefedve, mint például az optikai képalkotás, az optikai kommunikáció, az optikai információfeldolgozás, az optikai érzékelés, az optikai információtárolás stb., amelyek fontos támogatást és lendületet adnak az optoelektronikai technológia fejlesztéséhez és innovációjához.