Robuuste en contrastrijke multifocale focusmethode gebaseerd op ruimtelijke lichtmodulatoren van het amplitudetype

Achtergrond Inleiding:

Optische verstrooiing is een wijdverbreid natuurkundig fenomeen. Lichtverstrooiing wordt veroorzaakt door de complexiteit en spatiotemporele inhomogeniteit van lichtvoortplantingspaden in media. Structurele wanorde en inhomogeniteit komen bijvoorbeeld veel voor in complexe fotonische media zoals biologische monsters en witte verf. Licht wordt onvermijdelijk meerdere keren verstrooid terwijl het door het ongeordende medium gaat, maar de interferentie-informatie van het licht blijft behouden. De studie van interferentie van verstrooid licht is van groot belang. Zo zijn bijvoorbeeld Anderson-lokalisatie, coherente backscattering (CBS) en willekeurige laserverschijnselen ontdekt door de interferentie van verstrooid licht te bestuderen. Met name is aangetoond dat actieve controle van meervoudig verstrooid licht kan worden bereikt met behulp van wavefront shaping (WFS)-technieken door middel van realtime feedback of metingen van de transmissiematrix. Verstrooid licht wordt gemanipuleerd door specifieke fasemodi te laden op het golffront van het invallende licht. Dit biedt de mogelijkheid om fundamentele fysische eigenschappen van complexe verstrooiingsprocessen te onthullen, zoals het openen/sluiten van intrinsieke kanalen, energieverbetering binnen het verstrooiingsmedium en transversale lokalisatie van transmissie-eigenkanalen. Daarnaast heeft de beheersing van verstrooid licht zeer belangrijke toepassingen in optische beeldvorming, optische communicatie, niet-lineaire optica en biomedische technologie.

Werkingsprincipe van een ruimtelijke lichtmodulator:

Het display van de amplitude-type ruimtelijke lichtmodulator TSLM023-A is een twisted nematic paneel (TN-paneel), een vloeibaar-kristal-werkmodus met een spineffect dat de richting van de lichtpolarisatie kan veranderen. Door elektriciteit toe te passen op de vloeibaar-kristalmoleculen om de afbuigingshoek van het vloeibaar-kristal te veranderen, wordt de sterkte van het spineffect aangepast en kan amplitudemodulatie worden bereikt door combinatie met het polarisatie-apparaat. Dit proces van dubbelbreking en spineffect bestaat naast elkaar, waardoor de dikte van het vloeibaar-kristal het dubbelbrekingseffect kan verzwakken en pure amplitudemodulatie wordt bereikt. Wanneer de dikte van de vloeibaar-kristaldoos groot genoeg is en de kantelhoek van het vloeibaar-kristalmolecuul laag is, vindt alleen fasemodulatie plaats en geen amplitudemodulatie. Als de kantelhoek van het vloeibaar-kristalmolecuul groot is, treedt amplitudemodulatie op. Op dit moment vindt amplitude- en fasemodulatie tegelijkertijd plaats. De kantelhoek van het vloeibaar-kristal wordt aan beide uiteinden van de pixelspanningsbeslissing op het vloeibaar-kristalmolecuul geladen. Het spanningsbereik van de vloeibaar-kristalpixels bepaalt dus het vloeibaar-kristalapparaat dat in het amplitude- of fasemodulatiegebied werkt. Door de geladen afbeelding te wijzigen met behulp van TSLM023-A, kan dus ook fasemodulatie worden bereikt.

Het belangrijkste onderzoekswerk in dit artikel:

De in het artikel gebruikte experimentele opstelling is weergegeven in figuur 1, waarin de uitgebreide bundel van 532 nm licht door een amplitudegebaseerde ruimtelijke lichtmodulator (CSCS TSLM023-A) wordt geleid om zuivere fasecontrole van het golffront met behulp van holografie te bereiken. M-pixels worden op de SLM gebruikt om de afzonderlijke fasen van het golffront te regelen. De grootte van een enkele pixel is 26 µm, wat overeenkomt met het totale aantal regelbare punten van het doorgelaten licht, dat gelijk is aan het aantal pixels. Dat wil zeggen dat de grootte van het doelgebied overeenkomt met het aantal SLM-pixels. De zuivere fasecontrole wordt bereikt door het gemeten patroon af te stemmen op de hoge breedtegraadvector van het doelpatroon.

Figuur 1 Experimentele opstelling. In het gearceerde kader is het verstrooiende monster op wit papier met zwarte balken geplaatst, wat aangeeft dat het monster sterk licht verstrooit.

Figuur 2. Simulatieresultaten. Drie-focusseringspatroon met tijdomkerende WFS (a) en dat met feedback-WFS (c), die overeenkomen met het eerste simulatieresultaat in (b) en (d).

respectievelijk. De piek-tot-achtergrondverhouding (𝜂) van het geconstrueerde patroon met drie focusseringen in tien verschillende simulaties met de tijdomkerings-WFS (b) en feedback-WFS (d).

Figuur 3. Experimentele resultaten. (a) Het gemeten intensiteitspatroon van het doorgelaten licht binnen het doelgebied vóór WFS. (b) De convergentiecurve van feedback-WFS. (c) Na WFS worden de drie brandpunten geconstrueerd op de vooraf gedefinieerde posities. (d) De piek-tot-achtergrondverhouding (𝜂) van het geconstrueerde patroon met drie brandpunten in 10 verschillende experimenten. (e) De piek-tot-achtergrondverhouding verandert met het aantal brandpunten.

Het in het artikel voorgestelde realtime feedback WFS-systeem construeert niet alleen succesvol meerdere focuspunten in de diffractielimiet op een vooraf bepaalde locatie, maar onderdrukt ook aanzienlijk de willekeurige verstoringen van het focuspunt die worden veroorzaakt door het achtergrondveld. Hiermee wordt verwacht dat de meervoudige focuspunten van verstrooid licht worden gerealiseerd, wat op zijn beurt kan worden toegepast in de richtingen van kwantuminterferentie, optische beeldvorming, optische manipulatie en de interactie tussen licht en materie.

De parameterspecificaties van de CSCS-doorgelaten ruimtelijke lichtmodulator TSLM023-A die in dit experiment zijn gebruikt, zijn als volgt:

Aan het einde staat geschreven:

Transmissieve ruimtelijke lichtmodulatoren kennen een breed toepassingsgebied op het gebied van optica en opto-elektronica, waarbij ze uiteenlopende aspecten bestrijken zoals optische beeldvorming, optische communicatie, optische informatieverwerking, optische detectie, optische informatieopslag, enz. Ze bieden belangrijke ondersteuning en impulsen aan de ontwikkeling en innovatie van opto-elektronische technologie.