Однократная и двойная оптические фокусировки УВП в рассеивающей среде

Введение

Используя преимущества дифференциальной схемы детектирования и бинарной фазовой модуляции, УВП можно легко преобразовать в реализацию двойного и даже одиночного импульса для высокоскоростного формирования волнового фронта. Напротив, из-за сильного фона в голограммах, возникающего из-за немеченых фотонов, оптической фокусировке УКОВ гораздо труднее работать с уменьшенным объемом данных. Авторы полагают, что УВП обеспечивает более эффективный и гибкий механизм для реализации формирования волнового фронта под ультразвуковым контролем для неинвазивной и адресной оптической фокусировки в рассеивающей среде.

Результаты

Временная последовательность двойной оптической фокусировки УВП показана на рисунке 1а. Используется генератор функций для формирования двух триггерных сигналов с частотой повторения 20 и 40 Гц соответственно. Низкочастотный триггерный сигнал запускает ультразвуковой преобразователь, а высокочастотный сигнал – камеру, которая снимает голограммы. Длительность ультразвукового импульса и время экспозиции камеры были установлены на 1 мс. В каждом эксперименте регистрировалось два последовательных кадра голограмм. Гармоническое соотношение между двумя триггерными сигналами гарантировало, что две последовательные голограммы должны быть соответственно захвачены в период работы ультразвукового преобразователя и когда он находится в выключенном состоянии. Дифференциальная голограмма была создана путем простого вычитания изображений двух голограмм. Наконец, была получена бинарная фазовая карта на основе дифференциальной голограммы (рис. 1b) и загружена на ПМС для модуляции волнового фронта на этапе воспроизведения. На рисунке 1с показан фокус с обращением во времени, достигнутый с помощью схемы двойного способа построения, в которой наблюдается четкий оптический фокус с отношением сигнала к шуму ~47. В контрольном эксперименте повторили двойное измерение без запуска ультразвука, и на камере наблюдения не наблюдалось никакого фокуса (рис. 1d). Линейные профили центральных рядов (рис. 1с, d) представлены совместно на рисунке 1e для лучшего сравнения.

Рисунок 1. Двойная оптическая фокусировка УВП в рассеивающей среде: а) Временная последовательность двойной оптической фокусировки УВП. b) Фазовая карта, сгенерированная из двух записанных кадров голограммы. c) Фокусировка с обращением во времени благодаря двойной оптической фокусировке УВП. d) В контрольном эксперименте при двойном измерении без ультразвука на камере наблюдения не наблюдалось фокусировки. e) Линейные профили центральных рядов в c и d. Масштабная линейка: 1 мм

Оптическая фокусировка УВП может быть реализована даже с одной голограммы. Основная идея однокадрового УВП заключается в получении дифференциальной голограммы непосредственно в период однократной экспозиции камеры, что может быть реализовано через временную последовательность, представленную на рисунке 2а. Был использован функциональный генератор для создания двух синусоидальных волн с обращенной фазой, которые были направлены на ВЧ-переключатель (ZASWA-2-50DR+, Mini-Circuits). В зависимости от уровня срабатывания ВЧ-переключатель выборочно передает одну из синусоидальных волн. Передаваемая синусоида усиливалась и направлялась в АОМ на оптический путь опорного луча. В течение первой половины периода однократной экспозиции камеры ультразвуковой преобразователь был выключен. В середине периода однократной экспозиции ультразвуковой преобразователь срабатывал для запуска ультразвукового импульса, а также и ВЧ-переключатель для изменения своего состояния в это же время, что приводило к инверсии фазы опорного луча. Поэтому интерференционные члены интегральных голограмм в течение первой и второй половин периода экспозиции имели противоположные знаки. Таким образом, вся одноэкспозиционная голограмма была эквивалентна дифференциальной голограмме, полученной в двухкадровой схеме, за исключением более сильного постоянного фона в одиночной голограмме. Чтобы проверить разработанную конфигурацию, авторы сначала удалили рассеивающую среду и создали световой пучок со сферическим волновым фронтом, который интерферирует с эталонным лучом. Как правило, можно увидеть интерферограмму с множеством круговых полос на записывающей камере, как проиллюстрировано на рисунке 2b. Однако в данной системе из-за того, что фазы опорного луча менялись местами в течение первой и второй половин периода экспозиции камеры, интерференционные члены полностью компенсировались, что приводило к отсутствию интерференционных полос, как показано на рисунке 2c. Этот проверочный тест подтвердил правильность построения временной последовательности на рисунке 6а. Затем были проведены обычные однократные эксперименты по оптической фокусировке УВП в рассеивающей среде. Подобно обработке данных в схеме двойного способа построения, записанная голограмма с одной экспозицией была преобразована в бинарную форму для создания фазовой карты, отображаемой на ПМС для воспроизведения (рис. 2d). На рис. 2e показан фокус с обращением во времени при однократной оптической фокусировке УВП, которая имеет отношение сигнал/шум ~12. Также был проведен контрольный эксперимент без запуска ультразвука, и оптический фокус исчез (рис. 2f). Линейные профили центральных рядов на рисунках 2e, f представлены совместно на рис. 2g для наглядного сравнения.

Рисунок 2. Однократная оптическая фокусировка УВП в рассеивающей среде: а) Временная последовательность для реализации однокадровой оптической фокусировки УВП. b) В обычных интерферометрах, если световой луч со сферическим волновым фронтом интерферирует с плоским эталонным лучом, будет видна типичная интерферограмма с множеством круговых полос. c) В данной системе из-за того, что фазы опорного луча менялись местами в течение первой и второй половин периода экспозиции камеры, интерференционные члены полностью компенсировались, что приводило к отсутствию интерференционных полос. d) Фазовая карта, сгенерированная из записанной одиночной голограммы. e) Фокусировка с обращением во времени благодаря однокадровой оптической фокусировке УВП. f) Контрольный эксперимент без запуска ультразвука, без фокусировки. g) Линейные профили центральных рядов e и f. Масштабная линейка: 1 мм

Обработка данных

При оптической фокусировке УВП с полнофазовой модуляцией комплексные спекл-поля в выключенном и включенном состояниях ультразвукового преобразователя измерялись с помощью четырехступенчатой ​​фазосмешающей голографии. Фазовые сдвиги между голограммами вводились гетеродинным методом. В частности, была устанjвлена частота возбуждения AOM1 равная 50 МГц, а частота возбуждения AOM2 – 50,00001 МГц. Таким образом, интерференционная картина между рассеянным и опорным лучами представляла собой сигнал биений с частотой колебаний 10 Гц. Камера-1 записывала сигнал биений с частотой дискретизации 40 Гц, поэтому два последовательных кадра голограммы имели фазовый сдвиг π/2 (рад). Измеренное комплексное оптическое поле было восстановлено через  где I1, I2, I3, I4 – четыре голограммы со сдвигом по фазе на π/2.

При двойной оптической фокусировке УВП фазовая карта на ПМС была напрямую рассчитана с помощью следующего процесса бинаризации:

где Iвкл и Iвыкл – это голограммы, снятые, когда ультразвуковой датчик включен и выключен соответственно, а среднее значение () представляет среднего оператора. При однократной оптической фокусировке УВП фазовая карта на ПМС была рассчитана с помощью аналогичного процесса бинаризации: 

,

где I – записанная однократная голограмма. Дополнительные иллюстрации смотрите подробнее в примечаниях.

Заключение

По сравнению с современными методами оптической фокусировки, основанными на физических динамических точечных источниках света, оптическая фокусировка УВП является неинвазивной, а ее положение фокуса легко контролируется. По сравнению с современной оптической фокусировкой на основе ультразвукового точечного источника (т.е. оптической фокусировкой УКОВ) оптическая фокусировка УВП обеспечивает лучшую производительность фокусировки и большую гибкость. Относительное превосходство оптической фокусировки УВП в производительности имеет два основных источника: во-первых, использование интенсивных дифрагированных фотонов нулевого порядка для распознавания объема акустооптического взаимодействия и второе – это отсутствие необходимости выделения слабого сигнала, скрытого на большом фоне, что присуще при оптической фокусировке УКОВ.

© HOLOEYE

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке лабораторного и научного оборудования производства HOLOEYE на территории РФ