تشكيل السعة والطور لأشعة الليزر باستخدام الكهرومغناطيسية خفيفة مكانية المرحلة فقط

Summary

نعرض كيفية ترميز المجال المعقد لأشعة الليزر باستخدام عنصر أحادي الطور. يعمل السابر مسار مشترك لخلط المعلومات المرحلة التي يتم عرضها في المغير خفيفة مكانية المرحلة فقط لاسترداد وأخيراً نمط الحقل المعقدة المطلوب في إخراج نظام التصوير الضوئي.

Abstract

والهدف من هذه المادة لإثبات استخدام أسلوب التداخل السوناريه لترميز الحقول المعقدة المرتبطة باشعاع الليزر متماسكة بصريا. ويستند الأسلوب متماسكة مبلغ موجتين موحدة، ترميز سابقا إلى المرحلة فقط مكانية خفيفة المغير (حركة تحرير السودان) بمضاعفة المكانية من مراحلها. هنا، تجري عملية التدخل عن طريق التصفية المكانية للترددات الخفيفة في الطائرة فورييه لنظام التصوير ببعض. يسمح التنفيذ الصحيح لهذا الأسلوب المرحلة التعسفي والسعة المعلومات المراد استردادها في إخراج النظام البصري.

هو أسلوب ترميز على محور، بدلاً من خارج المحور، مع خوارزمية معالجة مباشرة (لا حلقة تكرارية)، وخالية من الضوضاء متماسكة (البقع واللطخ). المجال المعقد يمكن استردادها بالضبط في إخراج النظام البصري، باستثناء بعض الخسائر في القرار بسبب تكرار عملية التصفية. القيد الرئيسي للطريقة التي قد تأتي من العجز تعمل بالتردد معدلات أعلى من معدل التحديث لحركة تحرير السودان. وتشمل تطبيقات، ولكن لا تقتصر على، مجهرية الخطية وغير الخطية، وتشكيل شعاع، أو الليزر الجزئي-تجهيز الأسطح المادية.

Introduction

تقريبا جميع تطبيقات الليزر في علاقة وثيقة مع إدارة واجهة الموجه الضوئية من الضوء. في تقريب باراكسيال، يمكن وصف الحقل المعقدة المرتبطة بالإشعاع الليزر بفترتين والسعة والمرحلة. الإرادة اللازمة لتعديل الزمانية والمكانية هيكل أشعة الليزر في أن له سيطرة على هذين المصطلحين هو. وبصفة عامة، السعة والمرحلة لشعاع الليزر يمكن بشكل صحيح تغيير بالعديد من الطرق بما في ذلك استخدام المكونات البصرية التي تتراوح من العدسات المجمعة واحد وشق شعاع ومرايا للأجهزة الأكثر تعقيداً مثل المرايا تشوه أو ضوء المكانية التضمين. هنا، نحن إظهار أسلوب الترميز وإعادة بناء المجال المعقد لأشعة الليزر متماسكة، الذي يستند إلى نظرية الهولوغرام المزدوج-المرحلة¹، واستخدام السابر المشتركة--المسار.

في الوقت الحاضر، توجد مجموعة متنوعة من الأساليب لترميز الحقول معقدة من الليزر الحزم^2،3،،من⁴⁵. وفي هذا السياق، تعتمد بعض الأساليب الراسخة لإنتاج المرحلة والتحوير على استخدام الصور المجسمة الرقمية⁶. نقطة مشتركة في كل من هذه الأساليب هو ضرورة توليد إزاحة مكانية لفصل شعاع الإخراج المطلوب من النظام [زروث] قادمة من انعكاس الضوء في عرض حركة تحرير السودان. هذه الأساليب أساسا خارج المحور (عادة تطبيق للنظام حيود الأولى [غرتينغ])، توظيف المرحلة [غرتينغ] ليس فقط لترميز المرحلة، ولكن أيضا لإدخال التحوير اللازم. على وجه الخصوص، يؤديها التحوير مكانياً خفض الارتفاع [غرتينغ]، الذي يحط وضوح كفاءة الحيود. عملية إعادة الإعمار صورة ثلاثية الأبعاد ليحصل معظمها إعمار تقريبية، ولكن ليس على وجه الدقة، السعة ومرحلة معقدة الحقل المطلوب. ويبدو التباين بين النظرية والتجربة تظهر من ترميز غير دقيقة المعلومات السعة، فضلا عن قضايا تجريبية أخرى يحدث أثناء التصفية المكانية أمر حيود الأولى أو بسبب تأثيرات pixilation حركة تحرير السودان. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن إدخال التشكيل الجانبي كثافة الشعاع إدخال القيود المفروضة على إنتاج الطاقة.

وفي المقابل، مع طريقة عرض⁷، جميع الخفيفة هو الاضطلاع بإدارة على محور، التي مريحة للغاية من وجهة نظر تجريبية. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يستفيد من النظر، في تقريب برازيل، الحقل المعقدة المرتبطة بأشعة الليزر كمبلغ موجتين موحدة. السعة والمعلومات سينثيتيزيد التي تدخل هذه الموجات موحدة. في الممارسة العملية، تجري مثل هذا التدخل عن طريق التصفية المكانية من ترددات الضوء على الطائرة فورييه لنظام التصوير معين. سابقا، هي أنماط المرحلة المرتبطة بموجات موحدة مكانياً متعدد وترميز إلى حركة المرحلة فقط (توضع في مدخل الطائرة من هذا نظام التصوير). ومن ثم، يمكن اعتبار الإعداد بصري كله السابر المشتركة-مسار (قوية جداً ضد الاهتزازات الميكانيكية، والتغيرات في درجات الحرارة، أو اختلالات بصرية). الرجاء ملاحظة أن عملية التدخل المذكورة أعلاه يمكن أن ينجز بدلاً من ذلك باستخدام تخطيطات بصرية أخرى: مع اثنين من سلمس المرحلة فقط وضعها بشكل صحيح داخل السابر اثنين-الذراع نموذجية، أو من قبل الوقت تسلسلياً ترميز اثنين المرحلة أنماط في حركة تحرير السودان (المقدمة السابقة من مرآة المرجعية في إعداد البصرية). وفي كلتا الحالتين، هناك أية ضرورة للتصفية المكانية، ونتيجة لذلك أي فقدان للقرار المكانية، على حساب زيادة تعقيد النظام البصري، فضلا عن عملية المحاذاة. هنا، فإنه ينبغي أيضا التأكيد على أن باستخدام هذا الأسلوب الترميز، الطيف الكامل من المجال المعقد المطلوب يمكن استردادها بالضبط في الطائرة فورييه، بعد تصفية جميع حيود أوامر لكن [زروث] واحدة.

من ناحية أخرى، كفاءة الأسلوب الذي يعتمد على عدة عوامل: مواصفات الشركة المصنعة لحركة تحرير السودان (مثلاً، ملء عامل أو انعكاسية حيود الكفاءة)، حجم نمط ترميز، والطريقة التي يؤثر الضوء على حركة جيش تحرير السودان (التفكير بزاوية صغيرة تصل إلى، أو حالات الإصابة العادية باستخدام مقسم شعاع). عند هذه النقطة، تحت ظروف تجريبية ملائمة، يمكن قياس كفاءة الخفيفة الإجمالية أكثر من 30%. مع ذلك، لاحظ أن مجموع كفاءة الضوء فقط بسبب استخدام حركة تحرير السودان التي يمكن أن تكون أقل من 50%. عدم وجود عشوائية أو الناشر العناصر داخل البصرية يسمح برنامج الإعداد استرداد أنماط السعة والمرحلة دون ضجيج متماسكة (البقع واللطخ). جوانب أخرى هامة الإشارة إلى يتم استخدام خوارزمية التدوين المباشر بدلاً من إجراءات متكررة وقدرته على أداء السعة التعسفي والمستقلة والتحوير المرحلة في وتيرة تحديث الوقت من حركة تحرير السودان (تصل إلى مئات هيرتز وفقا للتكنولوجيا الحالية).

من حيث المبدأ، الأسلوب⁷ المقصود ليتم استخدامها مع موجات الطائرة الإدخال، ولكن لا يقتصر على ذلك. على سبيل المثال، إذا كان هو ضرب شعاع غاوسي حركة تحرير السودان، من الممكن لتعديل شكلها الإشعاع في إخراج النظام بواسطة ترميز نمط سعة مناسبة في حركة تحرير السودان. ومع ذلك، لا تتجاوز كثافة الشعاع الناتج من شعاع الإدخال في أي موقف مستعرضة (x, y)، تشكيل السعة يؤديها كثافة الخسائر التي نشأت عن طريق عملية تدخل مدمر جزئيا.

نظرية وإذ تشدد على أن أسلوب الترميز⁷ على النحو التالي. يمكن إعادة كتابة أي حقل معقدة تمثل على شكل U(x,y)= أ(س،ص)ه^{أناφ(x،y)} كما وصفها:

(1)

حيث

(2)

(3)

في المعادلات 1-3، السعة والطور للمجمع ثنائي الأبعاد الميدانية U(x,y)وترد عليه أ(س،ص) و φ(x,y)، على التوالي. علما بأن شروط _{كحد أقصى} (الحد الأقصى من A(x,y)) و ب = _ماكس/2 لا تعتمد على الإحداثيات مستعرضة (x,y). من الناحية النظرية، إذا وضعنا _{الحد الأقصى}= 2، ثم ب =1. ومن ثم، المجال المعقد يو(x,y) يمكن الحصول عليها، بطريقة بسيطة، ويكون من مجموع متماسك من موجات موحدة تكون^{أناϑ(x،y)} و ^{iθ س، (y)}. في الممارسة العملية، ويتم ذلك مع السابر المشتركة--المسار تتكون من مرحلة واحدة عنصر α(x,y)، وضعت في الطائرة إدخال نظام التصوير. العنصر مرحلة واحدة هي التي شيدت قبل الإرسال المتعدد المكانية ل شروط المرحلة ϑ(x,y)

و θ (x,y) بمساعدة المشابك ثنائي الأبعاد (أنماط الشطرنج) م₁(x,y) و م₂(x,y) على النحو التالي

(4)

ومن ثم،

(5)

هذه الأنماط ثنائية الوفاء بالشرط م₁(x,y) + م₂(x,y) = 1. لاحظ أن، تدخل موجات موحدة لا يمكن أن يحدث إذا كنا لا تخلط بالمعلومات الواردة في المرحلة عنصرα(x,y). في هذا الأسلوب، وهذا يجري باستخدام عامل تصفية مكانية قادرة على منع جميع حيود أوامر لكن [زروث] واحدة. وبهذه الطريقة، بعد عملية التصفية في الطائرة فورييه الطيف ح(u,v)= F{^x،ه^iα(y)} المرحلة المشفرة وظيفة ذات الصلة إلى طيف ميدان معقد و{U(x,y)} بالتعبير

(6)

في مكافئ. (6)، (يو،v) الدلالة الإحداثيات في مجال التردد، ف(u,v) يحمل لعامل التصفية المكانية، بينما يمثل تحويل فورييه للدالة المعطاة Θ(x,y) في النموذج و {Θ(x,y)}. من مكافئ. (6)، فإنه يتبع، في إخراج الطائرة من نظام التصوير، المجال المعقد المستردة يو_{المقصود بالصندوق}(x,y)، (دون الأخذ في الاعتبار عوامل ثابتة)، وتمنحها الالتواء في تضخيم ومكانيا عكس اتجاه المجال المعقد U(x,y) مع تحويل فورييه لقناع المرشح. إنه:

(7)

في مكافئ. (7)، تتم عملية الالتواء الإشارة إليها بالرمز ، ومصطلح ماج يمثل نسبة التكبير لنظام التصوير. ومن ثم، مرحلة U(x,y) والسعة يتم استرداد تماما في الطائرة الإخراج، باستثناء بعض الخسائر في القرار المكانية بسبب عملية الالتواء.

Protocol

1-ترميز المجال المعقد إلى عنصر أحادي الطور

1. من المواصفات التقنية لحركة تحرير السودان، تجد قرارها المكاني (على سبيل المثال x 1800 عام 1920 بكسل بكسل).
2. تعريف وإيجاد السعة المطلوبة A(x,y) والمرحلة φ(x,y) أنماط الصور الرقمية.
   1. تعيين دقة المكانية من المذكورة أعلاه الصور الرقمية مساوية لعرض حركة تحرير السودان.
   2. مجموعة الصور الرقمية المذكورة أعلاه في تنسيق مستوى رمادي.
   3. تعيين قيم الحد الأدنى والحد الأقصى من الصور السعة والمرحلة من 0 إلى 255، ومن-π/2 π/2، على التوالي.
   4. تعيين _{الحد الأقصى} = 2 في المعادلات 2 و 3، وتوليد الكمبيوتر المرحلة أنماط ϑ(x,y) و θ(x,y) منها.
3. الكمبيوتر تولد أنماط الشطرنج م₁(x,y) و م₂(x,y).
   1. تعيين دقة المكانية لهذه الأنماط رقعة الداما مساوية لعرض حركة تحرير السودان.
   2. لتقليل تأثير الحديث المتبادل بكسل، إنشاء أزواج أخرى من أنماط الشطرنج م₁(x,y) و م₂(x,y) التي شيدت مع وجود خلايا مختلفة بكسل زيادة عدد وحدات البكسل (على سبيل المثال: 2 x 2، 3 × 3 و 4 × 4 بكسل الخلايا، إلخ).
      تنبيه: عند زيادة الخلية بكسل، يجب أن تبقى دون تغيير ويساوي القرار المكانية لحركة تحرير السودان العدد الإجمالي لأنماط لوح شطرنج بكسل. تأكد من أن عدد وحدات البكسل لكل لوح شطرنج أنماط النهائي لا يزال هو نفسه بعد تعديل خلاياها بكسل.
4. الكمبيوتر تولد عنصر أحادي الطور α(x,y) من المعادلة 5.
   ملاحظة: انظر مواد تكميلية المسمى "MATLAB_code_1.m" للمهام ذات الصلة في الخطوة 1 من هذا البروتوكول.

2-إعادة بناء المجال المعقد

1. استخدام شعاع ليزر وتحديدالمنطقه الخطي، والاستقطاب، ومكانيا متماسكة كمصدر ضوء.
2. استخدام حركة تحرير السودان مرحلة فقط مع على الأقل نطاق المرحلة 2π.
3. عند الضرورة، استخدام المتوسع شعاع سليم لضبط حجم الحزمة إلى حجم عرض حركة تحرير السودان.
4. عند الضرورة، استخدام المستقطب ضوئية لتعيين الاستقطاب شعاع الليزر إلى الاتجاه الأفقي. هذا عادة مهمة للتشغيل السليم للمرحلة فقط سلمس، التي عادة ما تصمم لتعدل في مرحلة المكاني في الحقل الكهرمغنطيسي الذي يتذبذب في اتجاه أفقي، حفظ مكوناته الرأسي دون تغيير.
5. من أجل إرسال نمط مرحلة إلى حركة تحرير السودان، اتباع بروتوكولات الاتصالات الموحدة المقدمة من الشركة المصنعة لحركة تحرير السودان للاتصال والتحكم في حركة تحرير السودان مع الكمبيوتر.
   ملاحظة: بروتوكول مشترك لهذا الغرض يتضمن استخدام منحنى المعايرة لتحويل القيم بالتقدير الدائري (بسبب العمليات الحسابية مع زوايا) إلى مستوى الرمادي منها، والتي سيتم تحويل وحدة التحكم الإلكترونية التابعة لحركة تحرير السودان أخيرا إلى مستويات الجهد. بالإضافة إلى ذلك، كما حركة تحرير السودان متصلاً بالكمبيوتر كجهاز خارجي مع الشاشة الخاصة به، امتداداً لشاشة الكمبيوتر هو عادة الضرورية، فضلا عن برنامج مناسب لإرسال الصور مستوى رمادي المقابلة لهذه الشاشة الإضافية. مثال على هذه الرموز أيضا مدرجة كمواد تكميلية (الرجاء، انظر MATLAB_code_2.m).
6. تنفيذ نظام بصري لصورة ووضع العرض لحركة تحرير السودان في الطائرة الإدخال من هذا النظام.
   1. استخدام عدسة الانكسار من البعد البؤري و لبناء نظام صورة ضوئيةو 2و x 2 (نظام بصري 4و أيضا صالح لهذه المهمة). وفقا لحجم المخرجات المتوقعة من المجال المعقد وشعاع العرض والطول الموجي للضوء والمساحة الفعلية المتوفرة، تستخدم عدسة/العدسات مع ملاءمة المواصفات التقنية (مثل الطلاء، والحجم، والبعد البؤري، إلخ).
   2. للعثور على موضع الطائرة الإخراج من نظام التصوير، إرسال نمط المرحلة α(x,y) لحركة تحرير السودان وبصريا ابحث عن الصورة المسجلة (اعتماداً على موضع الكاميرا) مع أفضل القرار المكانية.
      تنبيه: في حالة انخفاض حجم بكسل الخلايا (على سبيل المثال، 1 x 1 بكسل خلايا) ويعرض حركة تحرير السودان مع العرض بالبكسل لبضعة ميكرونات (على سبيل المثال، 8 ميكرومتر)، نشر الحزمة فقط يمكن أن تنتج التدخل بين المرمزة موجات موحدة، الحصول على صور أعيد بناؤها دون القزحية التعميم بما في ذلك نظام التصوير. استخدام خلايا بكسل الحجم المنخفض لتحديد موقع الطائرة الإخراج.
   3. ضع آيريس دائرية قطرها متغير في الطائرة فورييه للنظام البصري ومحاذاة إلى الوسط، مع أن تركيز شعاع الليزر.
   4. لضبط حجم القزحية التعميم في الطائرة فورييه، إرسال نمط المرحلة α(x,y) وتبدو بصريا للصورة المسجلة (حسب القطر من قزحية العين الدائرية) مع أفضل القرار المكانية.
      تنبيه: في حالة الخلايا طويلة-حجم بكسل (على سبيل المثال، خلايا 4 × 4 بكسل)، التداخل بين موجات موحدة المرمزة أساسا تجري مع عامل التصفية المكانية. استخدم الخلية منذ فترة طويلة-حجم بكسل لضبط حجم القزحية دائرية. في هذا البروتوكول، يشار إلى عدد البكسل الواردة ضمن خلية بكسل شروط منخفضة الحجم والحجم منذ فترة طويلة. ومع ذلك، تدخل المذكورة أعلاه يعتمد أيضا على العرض بكسل. توظيف سلمس مع العرض بالبكسل مساوية أو أقل من 8 ميكرومتر.
7. إرسال الصورة الرمادية المستوى المقابل للمرحلة عنصر α(x,y) لحركة تحرير السودان.
   1. لتقليل تأثير الحديث المتبادل، ابحث عن أفضل حجم الخلية بكسل التي تسمح لتحقيق صورة مسجل بالدقة المكانية العالية.

3-قياس المجال المعقد أعيد بناؤها

1. تنفيذ المرحلة القائم على الاستقطاب تحول التقنية⁸.
   1. ضع ومحاذاة زاوية الاستدارة المستقطب الضوئية الأولى، يقع قبل حركة تحرير السودان (انظر الشكل 2). لتعيين زاوية استدارة المستقطب الأول، بصريا ابحث عن نفاذية الضوء الحد الأقصى والحد الأدنى في الكاميرا CCD (توضع في الطائرة الإخراج من نظام التصوير)، اعتماداً على تناوب المستقطب. قم بتدوين زاويتين المقابلة من المستقطب. إصلاح زاوية المستقطب النهائي إلى أن بين زاويتين السابقة المسجلة.
   2. ضع ومحاذاة زاوية الاستدارة المستقطب الضوئية الثانية، يقع بعد الطائرة فورييه لنظام التصوير (انظر الشكل 2). لتعيين زاوية الاستدارة المستقطب الثاني، بصريا ابحث عن الصور أشد وأكثر ضبابية في الكاميرا CCD (توضع في الطائرة الإخراج من نظام التصوير) بعد إرسال نمط المرحلة α(x,y) لحركة تحرير السودان. قم بتدوين زاويتين المقابلة من المستقطب. إصلاح زاوية المستقطب الثاني النهائي لأن بين الزوايا السابقة المسجلة.
2. سجل إينتيرفيروجرامس.
   1. الحفاظ على الكاميرا CCD في الطائرة الإخراج من نظام التصوير.
   2. لتسجيل رسم الأولى، إضافة مصفوفة بالتقدير الدائري 0 ل العنصر المرحلة α(x,y) وإرساله إلى حركة تحرير السودان. الصورة المقابلة سجل أنا₁(x,y) مع اتفاقية مكافحة التصحر.
   3. لتسجيل رسم الثانية، إضافة مصفوفة من π/2 راديان إلى عنصر المرحلة α(x,y) وإرساله إلى حركة تحرير السودان. الصورة المقابلة سجل أنا₂(x,y) مع الكاميرا اتفاقية مكافحة التصحر.
   4. لتسجيل رسم الثالثة، إضافة مصفوفة من π راديان إلى عنصر المرحلة α(x,y) وإرساله إلى حركة تحرير السودان. الصورة المقابلة سجل أنا₃(x,y) مع الكاميرا اتفاقية مكافحة التصحر.
   5. لتسجيل رسم الرابع والأخير، إضافة مصفوفة 3π/2 بالتقدير الدائري إلى عنصر المرحلة α(x,y) وإرساله إلى حركة تحرير السودان. الصورة المقابلة سجل أنا₄(x,y) مع الكاميرا اتفاقية مكافحة التصحر.
3. إعادة بناء المجال المعقد.
   ملاحظة: انظر مواد تكميلية المسمى "MATLAB_code_3.m" للمهام ذات الصلة في هذه النقطة من البروتوكول.
   1. استرداد السعة للمجال المعقد _{استرداد}(x,y) باستخدام التعبير
      (8)
   2. استرداد مرحلة المجال المعقد φ_{استردادها}(x,y) باستخدام التعبير
      (9)

النتائج

القرار المكانية لحركة تحرير السودان مرحلة فقط العاملين عام 1920 بكسل x 1080 بكسل، مع بكسل الملعب من 8 ميكرومتر. تحدد السعة المحددة A(x,y) و المرحلة φ(x,y) للمجال المعقد بمختلف رمادي مستوى الصورتين تناظر رامي المعروفة جيدا في الصورة (نمط السعة) وفتاة صغ?...

Discussion

في هذا البروتوكول، معلمات العملية كالعرض بكسل من حركة تحرير السودان مرحلة فقط أو عدد وحدات البكسل الواردة داخل الخلايا بكسل نمط المولدة بواسطة الكمبيوتر هي النقاط الرئيسية لنجاح تنفيذ أسلوب الترميز. في خطوات 1.2، 1.3 و 1.4 في البروتوكول، وأقصر العرض بكسل، أفضل القرار المكانية لأنماط استرجاع ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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