基于振幅型空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)具有魯棒性且高對比度的多焦點(diǎn)聚焦方法

論文信息

背景引入

光學(xué)散射是自然界中一種普遍的物理現(xiàn)象，光散射是由于光在介質(zhì)中傳播路徑的復(fù)雜性和時空不均勻性所致，例如，在生物樣品和白色涂料等復(fù)雜光子介質(zhì)中廣泛存在結(jié)構(gòu)無序和不均勻性。光在通過無序介質(zhì)時不可避免地會發(fā)生多次散射，但光的干涉信息會保留。

研究散射光的干涉具有重大意義，例如安德森局域化、相干背散射(CBS)以及隨機(jī)激光現(xiàn)象等都是通過研究散射光的干涉發(fā)現(xiàn)。值得注意的是，已證明通過實(shí)時反饋或者對透射矩陣的測量，借助波前整形（WFS）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對多重散射光進(jìn)行主動控制。

散射光是通過在入射光的波前上加載一些特定的相位模式來操縱的，這提供了揭示復(fù)雜散射過程中基本物理特性的能力，如打開/關(guān)閉本征通道、散射介質(zhì)內(nèi)部的能量增強(qiáng)、透射特征通道的橫向定位。此外，通過對散射光的控制，對光學(xué)成像、光通信、非線性光學(xué)以及生物醫(yī)療等方面有著非常重要的應(yīng)用價值。

空間光調(diào)制器工作原理

振幅型空間光調(diào)制器TSLM023-A的顯示屏采用的是扭曲向列型面板（TN面板），這種液晶工作模式具有旋光作用，能夠改變光的偏振方向。通過對液晶分子進(jìn)行加電改變液晶偏轉(zhuǎn)角度，調(diào)節(jié)旋光效應(yīng)的強(qiáng)弱，配合偏振器件就能夠?qū)崿F(xiàn)振幅調(diào)制。這個過程中雙折射效應(yīng)與旋光效應(yīng)并存，液晶厚度的增加可以使雙折射效應(yīng)減弱，做到純振幅調(diào)制。而當(dāng)液晶盒的厚度足夠大，且液晶分子傾角較低時，只有相位調(diào)制，無振幅調(diào)制；在液晶分子傾角較大時，會出現(xiàn)振幅調(diào)制，此時振幅和相位同時進(jìn)行調(diào)制, 液晶傾角是由加載在液晶分子兩端的像素電壓決定的，因此液晶像素電壓范圍決定了液晶器件工作在振幅調(diào)制區(qū)還是相位調(diào)制區(qū)。所以，通過改變加載的圖像使用TSLM023-A也可以實(shí)現(xiàn)一定的相位調(diào)制。

本文主要研究工作

文章所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，擴(kuò)束后的532nm光通過振幅型空間光調(diào)制器（中科微星 TSLM023-A），采用全息的方式實(shí)現(xiàn)對波前的純相位控制。在SLM上使用M個像素來控制波前單個相位，單個像素大小為26um，對應(yīng)地透射光的可控點(diǎn)總數(shù)與像素數(shù)相同，即目標(biāo)區(qū)域大小對應(yīng)SLM像素的數(shù)量，通過將測量圖案與目標(biāo)圖案的高緯度矢量對準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)純相位控制。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置。在虛線框中，散射樣品被放置在帶有黑條的白紙上，表明樣品強(qiáng)烈散射光。

圖2 模擬結(jié)果。具有時間反轉(zhuǎn)WFS (a)和具有反饋的WFS (c)的三聚焦模式，分別對應(yīng)于(b)和(d)中的第一個模擬結(jié)果。利用時間反轉(zhuǎn)WFS (b)和反饋WFS (d)在10個不同的模擬中構(gòu)建的三聚焦模式的峰值-背景比(

審核編輯 黃宇