Fortgeschrittene Bildgebungstechniken für Lichtverhalten

Die Abbildung sowohl der Polarisation als auch der Wellenfront eines Lichtstrahls ist eine komplexe Aufgabe. Normalerweise benötigt man dafür mehrere Intensitätsaufnahmen. Das wird echt schwierig, wenn man ultra-schnelle Prozesse überwachen will. Eine mögliche Lösung, um sowohl die Wellenfront als auch den Polarisationszustand des Lichts gleichzeitig zu erfassen, ist die Verwendung eines speziellen Geräts, das als Vektorstrahl-lateraler Scherinterferometer bezeichnet wird. Dieses Gerät nutzt eine spezielle Maske, die nahe einer Kamera platziert wird und alle Informationen in einem einzigen Bild erfasst.

Typische optische Sensoren messen nur die Intensität des Lichts. Allerdings sind oft wertvolle Informationen in der räumlichen Phase oder Wellenfront des Lichts verborgen, sowie in seinem Polarisationszustand, der die relative Amplitude und Phase von zwei verschiedenen Polarisationskomponenten umfasst. Die Abbildung der Wellenfront und Polarisation ist wichtig für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel:

• Phasenmessung ist entscheidend, um segmentierte Laserarrays auszurichten oder transparente Objekte abzubilden. Das kann nützliche Daten über die Trockenmasse von Zellen liefern.
• Polarimetrische Abbildung ist vorteilhaft für biologische und biomedizinische Zwecke sowie für zerstörungsfreie Prüfungen und Maschinenvision, besonders unter schwierigen Bedingungen wie Nebel.
• Die gleichzeitige Erfassung von Phase und polarimetrischen Informationen ist entscheidend für fortgeschrittene Optik, Metrologie neuer Materialien und Mikroskopie.

Typischerweise sind mehrere Bilder nötig, um das elektromagnetische Feld im optischen Bereich vollständig zu analysieren. Leider gibt es kein einfaches Gerät, das elektromagnetische Wellenfelder in einer einzigen Aufnahme vollständig abbilden kann.

Es wurden viele Methoden entwickelt, um entweder Polarisation oder Phase zu erfassen, aber weniger Lösungen erfassen beide Merkmale effektiv zusammen. Das Kombinieren dieser getrennten Methoden führt oft zu komplizierten und teuren Systemen. Bestehende Lösungen sind meist sequenziell, erfassen die Polarisation unvollständig oder bieten eine niedrige Auflösung.

Hier präsentieren wir eine Methode, um sowohl die Wellenfront als auch den vollständigen Polarisationszustand eines Lichtstrahls in einem Rutsch zu erfassen. Die Technik basiert auf einer Methode, die als laterale Scherinterferometrie (LSI) bekannt ist. Bei LSI fungiert ein Phasengitter als Maske, die nah an einem Kamerasensor platziert ist und ein dichtes Gitter von Brennpunkten erzeugt. Im Grunde genommen dient LSI als hochauflösende Version der beliebten Shack-Hartmann-Wellenfrontsensoren.

Bei LSI ist die Intensitätsinformation im niederfrequenten räumlichen Inhalt des erfassten Bildes enthalten, während die Wellenfrontgradienten als Modulationen in der räumlichen Frequenz kodiert werden.

Wir schlagen vor, eine Maske zu verwenden, die die Polarisation anpasst, um sowohl das vollständige Stokes-Bild als auch die Wellenfront des Lichtstrahls zu kodieren. Diese Methode kann als eine Art Kanalisierungs-Abbildungstechnik betrachtet werden, im Gegensatz zu anderen Techniken, die Amplitude oder Apertur teilen. Unsere Methode zur vollständigen Stokes-polarimetrischen Wellenfrontabbildung funktioniert sogar mit teilweise kohärenten Polarisationszuständen. Sie ist hoch achromatisch, liefert hochauflösende Bilder und könnte potenziell in kompakten Designs verwendet werden.

#Das Prinzip der polarimetrischen LSI

Die polarimetrische LSI-Technik nutzt eine Maske, die die Polarisation ändert und eine lineare Birefringenz aufweist. Diese Maske verändert den zirkularen Polarisationszustand des Lichtstrahls. Durch Ändern der Ausrichtung der birefringenten Achse der Maske können wir eine Phasengittermodulation erzeugen, die für LSI entscheidend ist.

Die zur modifizierten Polarisation des Strahls hinzugefügte Phase wird durch das spezifische Design des Winkels der birefringenten Achse definiert, was sicherstellt, dass das Phasengitter achromatisch bleibt. Dieses Prinzip wird in verschiedenen Anwendungen genutzt, die von der geometrischen Phase in der Optik profitieren.

Indem wir die Hauptkomponenten des eintreffenden Strahls teilweise in verschiedene Polarisationszustände umwandeln, können wir Interferenzmuster erzeugen, die sowohl ihre relativen Amplituden als auch Phasen widerspiegeln. Wenn diese Maske nah an einem Kamerasensor platziert wird, kann sie somit sowohl den Polarisationszustand als auch die Wellenfront des Lichtstrahls in Interferenzmustern kodieren.

#Das Design des optischen Systems

Das System umfasst die Abbildung einer periodischen birefringenten Maske in einem bestimmten Abstand zu einem Kamerasensor. Diese Maske erzeugt mehrere diffraktionierte Ordnungen, die bei Bedarf mit einem Blendenblock gesteuert werden können. An der Kameraplan werden spezifische Intensitätsgitter für Strahlen gebildet, die Polarisationszustände erzeugen, die ein sichtbares Volumen in der Poincaré-Sphäre schaffen.

Die Intensität an der Kamera wird durch die Eigenschaften des Lichtstrahls und das Design der birefringenten Maske bestimmt. Durch die Analyse der erhaltenen Bilder können wir die Wellenfrontkarte mithilfe numerischer Methoden ableiten.

#Bildrekonstruktion und Messung

Um nützliche Informationen zu extrahieren, müssen wir Gleichungen lösen, die die Transformationen im optischen System darstellen. Dies umfasst numerische Methoden, die Techniken wie die Lucas-Kanade-Methode verwenden, die die Homogenität der gesuchten Informationen über ein ausgewähltes Gebiet berücksichtigt.

Durch die Anwendung dieser Methoden verbessern wir die Bildauflösung und produzieren quantitative Wellenfrontmessungen. Dieser Prozess ist entscheidend für die genaue Messung der Eigenschaften verschiedener Materialien und Phänomene.

Es wurden spezifische Tests durchgeführt, um diese Methode zu validieren. Wir verwendeten ein bestimmtes Ziel, das für seine birefringenten Eigenschaften bekannt ist. Diese Tests ermöglichten es uns, die Genauigkeit sowohl der Polarisations- als auch der Wellenfrontmessungen zu bestätigen, indem wir verschiedene Datenerfassungstechniken verglichen.

Ein weiteres Setup nutzte eine stress-engineered Optik (SEO), die strukturierte Polarisationsstrahlen erzeugt. Mit dieser Aufstellung konnten wir das Birefringenzmuster und mögliche geometrische Verzerrungen weiter charakterisieren.

#Fazit und zukünftige Arbeiten

Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, die Prinzipien der lateralen Scherinterferometrie auf Vektorstrahlen auszuweiten und sowohl den Polarisationszustand als auch die Wellenfront in einer einzigen Erfassung zu erfassen. Da auf diese Weise mehr Informationen gesammelt werden, erfordert dies ein komplexeres Kamerasystem.

Das optimierte Design der birefringenten Maske ermöglicht es uns, die polarisationsaufgelöste räumliche Kohärenz der Lichtquelle effektiv zu messen. Diese Fähigkeit ist entscheidend für Anwendungen, die hohe Präzision in der Lichtmessung erfordern.

Unser Ansatz zeigt das Potenzial, diese Abbildungsmethoden zu kombinieren, um ein umfassendes Verständnis des Lichtverhaltens zu gewinnen. Zukünftige Entwicklungen können auf dieser Arbeit aufbauen und Designs für verschiedene Anwendungen basierend auf spezifischen Bedingungen und Materialien anpassen.

Diese innovative Abbildungstechnologie eröffnet neue Möglichkeiten in Bereichen wie Biologie, Materialwissenschaften und sogar in bestimmten industriellen Anwendungen. Da die Technologie weiter voranschreitet, können wir mit weiteren verfeinerten Methoden und Geräten für die praktische Anwendung in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen rechnen.