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用于显微镜的折射式自适应光学元件Refractive Adaptive Optics for Microscopy

自适应光学的英文名为Adaptive optics,简称?AO。?AO是指一系列强大的图像校正技术,已证实对多种生命科学显微镜的方法具有优势。然而,传统AO系统的额外复杂性和成本,使得自适应光学?(AO)无法在显微镜中的广泛应用。 德国Phaseform厂家开发了折射式、完全在线的AO系统,可以减少许多复杂的设置和降低成本。

在本应用说明中,我们探讨了我们的折射式AO概念如何增强显微镜能力,并通过宽视场AO荧光显微镜来展示这一点。

用于显微镜的折射式自适应光学元件Refractive Adaptive Optics for Microscopy插图

图1:油/水浸泡显微镜设置。

自适应光学AO在显微镜中的应用

人们常说,从显微镜到照相机和望远镜,光学成像系统的好坏取决于它们的光学性能。这可能是真的,但图像的好同时也取决于中间介质好,只有在中间介质允许的情况下,成像质量才会好。

在许多情况下,现代显微镜的性能,产生像差的来源有2个方面:其一是:被测样品和物镜之间的折射式率不匹配,导致球面像差。其二是:被测样品的形状以及折射式率的变化,导致依赖于样本本身的复杂像差。这种来着像差的“挑战”在单分子和深层组织的成像中更为严峻。如果不加以修正,它们会降低所获取图像的对比度和清晰度?[1-2],阻止显微镜达到其理论分辨率。

在过去的二十年里,在显微镜中使用自适应光学的广泛研究已经证明了它的有效性。AO可以补偿像差并恢复显微镜的原始性能,而不受被测样品和样品架类型的影响,从而有助于放宽指数匹配标准并缩短被测样品制备时间。AO几乎适用于所有高级显微镜技术:共聚焦(confocal,)、宽视场(wide-field)、多光子(multi-photon)甚至超分辨率(super-resolution)方法,比如如?STED、SMS、STORM。特别是对于深层组织成像显微镜(一种独特地允许在自然环境中检查细胞的显微镜),AO可以在远低于被测样品表面的地方保持最佳分辨率。

 

自适应光学AO的商业化之路

在专业的天文学应用中,自适应光学AO子系统无处不在,但是AO自适应光学技术在显微镜应用中的发展很缓慢。这其中的主要原因是,相比于专业天文学,显微镜的成本较低,此外显微镜通常在尺寸上小得多,并且由折射式工作原理的透镜组成。

尽管如此,在最先进的显微镜领域一块,已经产生了第一个把商业自适应AO系统用于显微镜的解决方案。 它们作为显微镜扩展端口的附件。在内部结构中,他们通过将光瞳平面传递到可变形镜?(DM)?来执行波前测量和校正,并在校正后将光重新引导回显微镜的检测/成像路径。

但是,这些第一代产品需要仔细设置,不能普遍兼容,而且依然相对笨重。

用于显微镜的折射式自适应光学元件Refractive Adaptive Optics for Microscopy插图1

图2:传统的自适应光学显微镜使用可变形的镜子来施加光路的折叠

用于显微镜的折射式自适应光学元件Refractive Adaptive Optics for Microscopy插图2

图3:Phaseform为直接集成开发了完全在线自适应光学系统

 

Phaseform?全折射式AO显微镜

Phaseform 的愿景是让大多数显微镜用户都能使用自适应光学技术。 为了提供具有不妥协性能的集成、更紧凑的AO解决方案,我们认为,从反射波前调制到折射式波前调制的技术转变是必要的。因此,我们提出了一种专为显微镜设计的新型完全在线AO系统(图?3)。

 

Phaseform的AO显微镜是通过以下2点,优化了传统AO系统来实现的:

(A) 可变形反射镜替换成折射式DPP变形镜

(B) 省略波前传感器,改用像差估计算法。

 

折射式?DPP变形镜——自适应AO显微镜的关键技术

Phaseform相位调制变形镜DPP(Deformable Phase Plate),如图?4?所示,是一种新型的动态光学元件。它的名字来自传统的变形镜,一种带有表面浮雕的透明材料薄板,用于补偿高级显微镜应用中的固定像差。然而,与那些不同的是,DPP?的表面可以通过跨越通光孔径的63个致动器阵列动态地塑造成任何任意形式[3]。 因此,它是可变形反射镜的折射式替代品。

用于显微镜的折射式自适应光学元件Refractive Adaptive Optics for Microscopy插图3图?4:折射式?63个致动器-相位调制变形镜DPP,能够校正径向7阶Zernike模式。

DPP相位调制变形镜 用于显微镜的主要优点是:

  • 透射式:可以插入任何光路中,无需重新计算、重新成像或折叠光路。
  • 尺寸紧凑:作为超薄透射元件,DPP变形镜 从系统的角度来看已经提供了空间节省,但其占用空间小,特别适合集成,甚至可以连续堆叠多次。
  • 高效:它的操作与偏振无关,并且显示出有限的衍射损耗。
  • 多功能:自动校正一阶和二阶球差和散光对于显微镜应用特别有用。 然而,更复杂的像差,例如在深部组织成像中由不同折射式率的区域导致的像差,需要更高阶的校正,DPP?可以提供,类似于DM。
  • 动态:可以在高分辨率成像和显微镜设置中实时控制和操作DPP

无波前传感器的估算法SWE(Sensorless Wavefront Estimation)

光学像差的预知对其校正至关重要。 波前传感器,例如Shack-Hartmann传感器或干涉仪,通常用于经典AO系统中来测量动态像差。 然而,使用波前传感器一方面增加了AO系统的复杂性和成本,同时也不是一个实用的解决方案。尤其是对于显微镜应用,可能仅仅是因为显微镜设置的限制,甚至是由于所研究标本的性质而受限制。而SWE无波前传感器估算法(Sensorless wavefront estimation)是一个替代方案,可替代传统AO显微镜中的波前传感器,在这种情况下,像差动态是缓慢和相对小的。

 

SWE算法的两个一般要求是:

  1. 了解样本或成像目标,从而创建有效的品质因数,例如图像清晰度或对比度。这是基于针对波前调制器的不同布置对一系列捕获图像进行定量优化的实际像差估计,所必需的。
  2. 为所采用的波前调制器提供一个可预测的和稳健的控制方案。波前调制器需要放在几个精确的相对配置中,才能有效地实施任何 一种SWE?方法。PhaseformDPP的静电驱动原理和直观的控制算法特别适合此类任务[4-5]。

 

尽管SWE估算法的代价是增加了计算负载,牺牲了图像采集时间。但通过SWE大大降低了AO系统的硬件复杂性(如下面的案列展示)。此类方法的不同变体的优势已在许多高端显微镜模式中得到证明,例如共聚焦、双光子荧光、结构化照明、光片、STED?和?SMS [1-2]。

 

案例展示:即插即用自适应光学显微镜

DPP的传输工作原理与SWE相结合,使即插即用的AO系统成为可能。与安装在传统笼中的透镜类似,DPP可以插入显微镜的光路中,最小到零中断,以提供系统和样品引起的像差的动态校正。图5描述了Phaseform的Delta 7形式的DPP集成到商业(图5a和5b)和定制显微镜(图5c和5d)的4个示例。例子包括荧光宽视场和高端双光子显微镜成像深入到生物样品。SWE和DPP的传输特性使其易于集成为折光直列系统。

用于显微镜的折射式自适应光学元件Refractive Adaptive Optics for Microscopy插图4

图5:商用和定制显微镜中基于dpp的AO系统的示例。(a)商用显微镜物镜和转塔之间集成的DPP。(b) DPP集成在商用显微镜的共轭瞳孔平面上,使用连接到相机端口的中继光学器件。(c)用于荧光宽视场成像的“世界上最小的AO显微镜”[5]。(d)将DPP集成到定制的双光子显微镜的照明路径中(与Prof。Alexander Jesacher,因斯布鲁克医科大学)[10]。

 

AO在显微镜中的优势如图6所示。描述了深入样品的双光子成像的实例结果,以及系统和样品诱导像差的波前无传感器补偿。左边的(a)列显示了在没有和有AO校正的情况下,对超过150 μm深的小鼠脑切片进行神经元成像的结果(与因斯布鲁克医科大学Alexander Jesacher教授小组合作)。柱(b)为球体样品40 μm深度成像结果。该实验是在与Prospective Instruments (Stefanie Kiderlen博士和Lukas Krainer博士)合作的双光子显微镜(MPX-1040)中安装DPP完成的。

用于显微镜的折射式自适应光学元件Refractive Adaptive Optics for Microscopy插图5

图6:通过(a)定制和(b)商业获取的各种样品的图像(MPX-1040, Prospective Instruments)使用DPP进行无波前传感器AO校正的双光子显微镜。

 

结论

Phaseform认为,折射波前调制器和像差估计算法的最新技术进步将彻底改变自适应光学显微镜。我们设想一个未来,就像在天文学中发生的那样,自适应光学将成为每一台自建和每一台商用显微镜的默认配置。这个未来可能比我们想象的更近。

 

 

※※※※※※ ??关于我们 ??※※※※※※

用于显微镜的折射式自适应光学元件Refractive Adaptive Optics for Microscopy插图6

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涉及产品类别包含:激光器、宽谱光源、SLED、荧光光源、滤光片(含红外滤光片、紫外滤光片)、光谱仪、相机、单光子探测器、条纹相机、超连续谱、白激光、日盲滤波探测器、高光谱系统、SDK、TCSPC系统……

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插图

仪器特点 典型应用
?支持内部或外部、PLL( 锁相环 ) 解调模式 泵浦 – 探测 / 超快光谱
直观的数字信号链框图界面,内置示波器探测点用于信号监测和数据记录 激光扫描显微镜 (SRS, TA 等 )
双相解调 磁光克尔效应
内置 PID 控制器 激光频率稳定

 

Moku:Pro Moku:Lab Moku:Go
解调频率 1mHz~600MHz 1mHz~200MHz 1mHz~20MHz
输入噪声 在400 mVpp 输入范围

< 30 nV/√Hz, 10 Hz 处

< 200 nV/√Hz, 10kHz处

< 20 nV/√Hz, 1 MHz 处

30 nV/√Hz, 100 kHz处 3uV/√Hz, 100 kHz处
可调时间常数 12.8ns~0.215s 32ns~0.537s 128ns~2.15s
动态储备 >120 dB >120 dB >100 dB
数据采集采样率 10 MSa/s 250 kSa/s 1 MSa/s
滤波器斜率 6, 12, 18, 24 dB/Oct 6, 12, 18, 24 dB/Oct 6, 12, 18, 24 dB/Oct

用于3D增强现实眼镜的波导全息技术——新研究

增强现实(AR)和虚拟现实(VR)向未来迈进的重要一步。META Reality Labs与首尔国立大学合作,使用Cobolt Samba 532 nm激光器,推出了突破性的紧凑型全息近眼显示概念。这个原型解决了当前技术面临的关键挑战,为用户提供了身临其境和舒适的视觉体验。

正如研究人员在《 Nature Communications》杂志上所讨论的,这一概念旨在克服诸如实现紧凑的外形因素、解决收敛性冲突以及通过大眼箱获得高分辨率等障碍。传统上,这些挑战一直是追求创造真正的3D全息增强现实眼镜的绊脚石。

这一进步的关键在于一种细致的方法来模拟相干光的相互作用和传播通过波导合成器。研究人员展示了他们利用位于输入耦合器侧的空间光调制器来控制输出波前的能力。该方法通过出瞳扩展波导组合器促进3D全息显示,提供了一个大尺寸,软件可操纵的眼箱。

此外,该方法还带来了额外的好处,包括通过抑制瞳孔复制过程引起的相位不连续而实现的分辨率增强能力。这些功能的结合使全息近眼显示概念成为下一代计算平台的有前途的候选者,并有可能影响AR和VR技术的未来。随着技术的不断进步,真正的3D全息增强现实眼镜的前景越来越接近现实。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-44032-1

量子应用激光器,有了新选择

紧凑可调谐激光器?丨 单频 丨无跳模调谐

H?BNER Photonics最新发布了一系列应用于量子技术的激光器。其中,Cobolt Qu-T 系列是一系列结构紧凑、单频可调谐激光器,工作波长分别为707 nm、780 nm和813 nm。具有>4 nm的粗调、>5 GHz的窄模无跳模微调、<100 kHz的线宽和500 mW的功率,意味着Cobolt Qu-T 该系列非常适合基于原子跃迁和通过自发参量下转换生成纠缠光子对的量子实验。

量子应用激光器,有了新选择插图

Cobolt Qu-T激光器在一个小型且易于使用的平台上,使用Cobolt HTCure技术进行紧凑型密封封装,可以在多种运行条件下提供24/7强大的可靠性能,因此也有助于将最先进的量子研究装置带入现实世界。

产品特点

  • 波长灵活性和高输出功率
  • 窄线宽(<100 kHz,自由运行)
  • 高光谱纯度(SMSR>60 dB)
  • 无间隙粗调(>4 nm)
  • ?快速微调(模式无跳模>5 GHz,典型值)
  • ?频率锁定到各种外部参考
  • ?紧凑小巧,高可靠性

典型应用

  • 激光冷却? ?Laser Cooling
  • 纠缠光子产生 Entangled Photon Generation
  • 原子钟研究 Atomic Clock Research
  • 高分辨率光谱 High Resolution Spectroscopy
  • 干涉测量 Interferometry

激光器参数

量子应用激光器,有了新选择插图1

激光器测试结果

01
SMSR边模抑制比
量子应用激光器,有了新选择插图2
02
光斑品质

量子应用激光器,有了新选择插图3

型号配置选型

量子应用激光器,有了新选择插图4

激光器外形尺寸

量子应用激光器,有了新选择插图5
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多光子显微镜用飞秒激光器

威尼斯登录中心-威尼斯所有娱乐网址校译? ?021-80102555? ? ?info@star-spectrum.com

多光子显微镜技术的突破 ???????????

 

多光子显微镜无需染料或标签即可进行3D高分辨率成像,彻底改变了生物成像。这项技术的一个重要方面是使用非常短的飞秒脉冲。这些脉冲的使用有几个优点,使多光子显微镜成为研究生物样品是有价值的工具。

  1. 多光子显微镜使用飞秒脉冲减少了对样品的光损伤。短脉冲最大限度地减少了曝光时间,减少了在成像过程中发生的光损伤量。这在活体样本的研究中尤为重要,因为它允许研究人员在不影响样本活力的情况下获得高分辨率图像。

多光子显微镜用飞秒激光器插图肺组织的多光子显微镜图像。阿姆斯特丹大学Groot Vrije教授有限公司

 

  1. 使用飞秒脉冲提高了双光子荧光的效率。这些脉冲的高峰值功率增强了非线性相互作用,从而提高了荧光效率。这使得研究人员可以用更少的光子获得高分辨率的图像,减少了对高激光功率的需求,并最大限度地减少了光损伤。

 

  1. 此外,飞秒脉冲在多光子显微镜中提供了改进的空间分辨率。脉冲持续时间短,峰值功率高,可实现3D高分辨率成像,使研究人员能够在细胞和亚细胞水平上研究样品。

 

超短脉冲持续时间的优势:低于50fs

由于多光子激发的效率很大程度上取决于脉冲期间入射光的峰值功率,因此脉冲越短,峰值功率越高,产生的多光子信号就越强。到目前为止,产生低于80fs极限的超短洁净脉冲的能力相对有限。

 

VALO fs激光系列提供了一种新的方法来克服这一限制,产生更短(低于50秒)和洁净的脉冲。图1显示了双光子和三光子效率与脉冲持续时间的关系[1,2]。多光子事件的效率与激光峰值功率呈非线性关系,对于两个和三个光子过程,相应的信号分别随入射光峰值功率的平方和立方而增加。例如,将脉冲持续时间从200秒减少到50秒,峰值功率增加4倍,双光子效率增加4倍,而三光子效率增加16倍。

多光子显微镜用飞秒激光器插图11:二光子和三光子效率与脉冲持续时间的关系

 

然而,为了在实验中应用这种关系,必须准确地确定样品中的脉冲持续时间。如果显微镜中的光学色散没有得到适当的补偿,脉冲将被拉伸,并且在样品上测量到较低的峰值功率。在这种情况下,脉冲持续时间与高次谐波产生效率之间的关系,无法通过实验精确验证。为了产生足够的非线性SHG和THG信号,在对样品温和的平均功率水平下实现所需的信噪比,必须使用低于50 fs的脉冲和色散预补偿。

 

图2a)显示了样品在VALO fs系列激光器的全带宽下,使用平均功率为4.7 mW的校准网格产生的三次谐波信号,产生~40 fs脉冲。在图2b)中,激光的光谱带宽被限制在10nm的FWHM,在1064 nm左右,产生~160 fs的脉冲。图2a)和图2b)的图像比例相同,但图2b)没有THG信号。只有将较长的~160 fs脉冲中的较低THG信号重新缩放后,才有可能获得高于实验噪声底限的图像,如图2c所示。在这种情况下,需要提高2.5倍的平均激光功率才能获得与更短的低于50 fs脉冲获得的THG信号相当的信噪比[3]。

多光子显微镜用飞秒激光器插图2

2:带有50微米正方形的校准网格(Ibidi)的三次谐波。a) 4.7 mW,全谱短脉冲(<50 fs);VALO系列)b) 6 mW,激光光谱限制在10 nm带宽(~160 fs)c)6mw激光光谱限制在10 nm带宽(~160 fs)下的对比度放大。

 

总之,在多光子显微镜中使用极短飞秒脉冲有几个优点,包括减少光损伤,提高效率,提高空间分辨率,减少背景信号。特别是,超短的低于50秒的脉冲提供了相当高的脉冲峰值功率,这使最佳的信噪比图像只需低得多的平均功率,这反过来减少光漂白,并延长细胞活力。这些优点使多光子显微镜成为研究生物样品的一种有价值的工具,使研究人员能够获得高分辨率。

参考文献:

[1] Shuo Tang, Tatiana Krasieva, Zhongping Chen, Gabriel Tempea, Bruce Tromberg (2006), Effect of pulse duration on two-photon excited fluorescence and second harmonic generation in nonlinear optical microscopy, Journal of Biomedical Optics, 11(2).

[2] Mira Sibai, Hussein Mehidine, Fanny Poulon, Ali Ibrahim, M. Juchaux, J. Pallud, A. Kudlinski,? Darine Haidar (2018), The Impact of Compressed Femtosecond Laser Pulse Durations on Neuronal Tissue Used for Two-Photon Excitation Through an Endoscope, Scientific Reports, 8:11124.

[3] White paper, Sub 50 femtosecond pulse lasers for gentler multiphoton microscopy, H?BNER Photonics. In publication Feb 2023.

白光全息成像的终极激光器

Elizabeth Illy and Hans Bjelkhagen 翻译:杨兵兵 威尼斯登录中心-威尼斯所有娱乐网址? 010-83503853 info@star-spectrum.com ? 1971年,丹尼斯·加博奖被授予丹尼斯·加博奖,以表彰他“发明和发展了全息方法”。这是因为他在20世纪40年代所做的工作,早在激光器被发明之前。自1960年激光发明以来,全息术作为一种记录方法,在后来的几年里作为一种艺术形式腾飞。尤其是在过去的5-10年里,随着低成本单纵模激光器的出现,新一代的感光乳胶和波长可选照明光源的应用。随着这三个因素的结合, “白光”全息摄影复苏,实现了从安全到存档的应用。

白光全息摄影

在单色全息摄影中,使用单一激光器来曝光物体并书写全息图。理想的情况下,使用单一的颜色来照亮全息图,以重新创建物体。在现实中,全息图往往被白炽灯光源曝光,通常使全息图不清晰,而且只有单一的颜色。相比之下,在白光全息摄影中,通常使用3种颜色(最多5种)为蓝色、绿色和红色。结合新的感光乳胶,以及波长定制的激光光源可以用来照亮全息图,以实现最大的清晰度和逼真的复制,白光全息摄影引起了大家强烈的兴趣。

白光全息成像的终极激光器插图
图1:典型的白光全息设置

正如预期的那样,这种详细的复制品可以作为一种安全的方式记录高价值商品,因此在证券市场即银行和制药得到了应用。除了安全市场之外,文物存档的应用也是一个日益增长的领域。那些太古老而无法运输或太珍贵而不能离开博物馆的文物,现在可以用白光全息图重新制作,全息图也可以被“继续参观”。在这种情况下,一个便携式全息系统被带往现场进行复制记录。 白光全息成像的终极激光器插图1白光全息成像的终极激光器插图2

图2:(L)希腊全息研究所开发的一个叫做ZZZZyclops的便携式全息系统,(R)用ZZZZpyclops记录的全息图。

全息激光器

激光器的性能特性对于写出清晰、高分辨率的白光全息图至关重要,这些性能特性包括:波长、相干长度和波长稳定性。根据希望复制的全息图有哪些颜色,来选择写入全息图需要哪些波长(457nm,473nm,蓝色532nm,绿色640nm,红色660nm)。平衡RGB中的输出功率可以获得更接近自然的颜色平衡,通常激光器功率使用50-100 mW。>100m的相干长度意味着创建全息图没有困难(线宽<1MHz)。最后,对于这种便携式系统,激光器的坚固和可靠是至关重要的。Cobolt的HTCure制造技术,,即使在最恶劣的条件下,激光器也可以确保工作数年。

白光全息成像的终极激光器插图3白光全息成像的终极激光器插图4

图3:典型波长稳定性、功率稳定性和噪声性能(左) — Cobolt单频的激光器(右)。

“The Cobolt Twist and Samba have been proved an excellent choice for our mobile color holography camera. The lasers perform according to their published specifications. I never encountered an instance of mode hops even under, most important to our work, extremely diverse environmental conditions. It is also comforting to know that the remote tuning system of the lasers is available and fully functional if ever needed.” ? Andreas Sarakinos Scientific Director and Head Holographer The Hellenic Institute of Holography ? Cobolt TwistSamba已被证明是我们的便携彩色全息相机的绝佳选择。??激光器的性能根据他们公布的规格。?对于我们的工作来说,最重要的是,在多样化的环境条件下,我从未遇到过模式跳跃的情况。?令人欣慰地知道,如果需要的话,激光器可以远程系统调谐以充分发挥其功能。” Andreas Sarakinos 科学主任和首席全息学家 希腊全息研究所 ? 结论 近年来,白光全息技术在安全和复制方面的应用重新引起了人们的兴趣。理想的激光光源应具有长相干长度、优异的波长稳定性和优异的鲁棒性,这些都是Cobolt04-01和05-01系列激光器的强项。 ? 关于作者 Dr Elizabeth Illy, Cobolt AB, Stockholm, Sweden. Prof Hans Bjelkhagen, Hansolo Consulting Ltd, North Wales, UK. ? 原文链接 https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Apps-note-Ultimate-lasers-for-white-light-holography.pdf ? 全息激光器产品链接 :/light-2/#1646648887152-4f1956c3-abc2

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步

Proc. SPIE. 11710-12, Practical Holography XXXV: Displays, Materials, and Applications (6 March 2021)

翻译:威尼斯登录中心-威尼斯所有娱乐网址 ?010-83503853 info@star-spectrum.com

 

摘要

激光全息成长为商业市场,用于全息光学元件(HOEs)的生产,用于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备中的图像投影,以及用于生成三维物体(如博物馆文物)的超逼真的全彩复制品的白光模拟全息图。这些快速发展的全息技术和基于全息技术的应用需要的光源要求:多个波长,同时在同一光路上稳定可靠。

商业化、极可靠的单频或单纵模(SLM)激光满足了全息拍摄的需求。这些激光在可见光谱中具有长相干长度、优异的波长稳定性和精度,以及稳定的高输出功率。然而多波长系统中所必需的光学对准和光束合束,在技术上是具有挑战性和耗时的。精细的组装和持续的维护会浪费宝贵的时间和资源。提高全息图和HOEs质量是我们所需的,从更基础的工作中转移出来,这便是目标,开发一种激光组合器,在曝光期间为每条激光线提供必要的性能,并具有强稳定性的对准光束,以及曝光之间的可重复性,这需要严格控制光机械组件设计和热处理。

本文评估了一种激光组合器的性能。该组合器可集成4条以上的激光线,激光的光功率可高达1.5 W,共线对齐,具有高精度的位置重叠、角重叠、光束指向稳定性和长时间的可重复性。该激光组合器包括激光源、控制电子器件和光束合束光学器件,并被设计为易于运输,提供了理想的激光合束解决方案,以促进全息技术的进步

关键词:全息照相,激光泵浦,激光合束器,二极管泵浦激光器

 

1. 引言

借助激光的相干特性,全息和干涉测量技术被用于全息光学元件(HOEs)的开发和生产,用于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备的图像投影; 利用真彩全息技术制作珍贵文物的三维复制品,如光学克隆? [1].

随着虚拟现实(VR)和增强现实(AR)中图像投影设备的市场发展,全息光学元件(HOE)受到越来越多的关注。HOEs的制造是利用可见光的干涉和衍射,将三维特征记录到全息材料中。光学元件包括透镜、反射镜、衍射光栅和其他光束整形光学元件。全息工艺为轻量、灵活的光学元件提供了无限可能。[2]

光学克隆?,被用来展示无价的艺术作品,例如Fabergé蛋。这些复制品变得如此逼真,使得艺术爱好者在欣赏世界各地的巡回展览的同时,也能小心翼翼地保存真正的文物。真彩色全息图是由3种或3种以上不同波长的激光光源组合而成的,这就是所谓的“白光”全息图。

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步插图商业生产复杂、高精度的HOEs和逼真的真彩全息图通常需要多个高功率激光光源。这些激光源必须提供完美的TEM00光束,足够优秀的波长和功率稳定性,长相干长度,必须能够适应环境条件 [3]。这种激光器在商业上是可行的,但是多光源的光学对准和光束路径管理困难且耗时。校准和组合激光光源的工作可能会分散人们对制作HOEs和全息图这一本来就很有挑战性的工作的注意力。为了使这些技术更加商业化,多色、共线性、高性能的激光组合器必须能够适应各种环境条件。一种专用的高功率激光组合器提供了经过验证的稳定性能,消除了这些困难,促进了HOEs制造工艺的开发和全息图曝光优化。

2. 全息激光

相干性是激光的基本特性,它使全息照相和干涉测量成为可能。然而,要曝光高分辨率、稳定、均匀的全息图,以及具有研究所需的精度和适应日益增长的商业应用的处理速度的全息透镜,还需要进一步的性能。决定激光光源是否适合全息应用的关键性能参数是功率、功率稳定性、空间和时间相干性、光束形状和质量、波长稳定性和光束指向稳定性。

现有的许多激光技术可以提供全息术所需的必要性能,包括频率转换光参量振荡器[4],频率稳定二极管激光器[5],光纤激光器[6]和二极管泵浦固体激光器[7]。本文将重点讨论集成控制电子器件并且性能可靠的小型二极管泵浦激光器(DPLs),[3]特别适用于全息专用的激光组合器中。

二极管泵浦激光器(DPLs)拥有完美的TEM00光束,提供高的光输出功率,具有全息所需的单频性能和光谱稳定性。DPLs通常由一个泵浦二极管、一个固态增益介质和一个非线性光学元件组成。非线性频率转换,如二次谐波、和频和三次谐波产生,使得在整个可见范围内(从457 nm到660 nm)产生离散波长的相干光成为可能。然而,仅仅获得合适的波长是不够的。为了提供足够窄的频谱,腔内纵模模抑制元件只允许一个模式传播,从而产生稳定的单频、单纵模激光。

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步插图1

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步插图2图1:用于全息的二极管泵浦固态激光器原理图(上)和模式抑制原理图(下)。 [3]

在达到必要的单频性能后,激光器必须采用可重复的、可控的制造过程。HTCure技术制造的所有Cobolt激光器具有极高的可靠性和稳固性。腔体组件和光束整形选项使用高温固化粘合剂固定在一个整体平台上,整个光学组件是密封的,以确保组件永久对齐和无污染。选择最高质量的组件,优化热-机械相容性,主动控制关键组件的温度,以及平台本身,进一步稳定腔。此外,优化过程控制和验证关键参数,确保激光器在预期寿命内将达到所需的性能。

3. 小体积且性能卓越的全息激光器性能测试

基于已建立的性能稳定性和制造重复性[3],并努力最小化外形,Cobolt 05系列激光器的控制电子已完全集成到激光头。这些激光器被称为Cobolt 05-iE,由于它们不需要辅助设备,因此非常适合集成到激光组合器中。

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图2:完全集成控制电子器件的Cobolt 05-iE激光器,用于OEM集成的电源和I/O连接或到CE/CDRH兼容的按键控制盒。

众所周知,改变封装方式会潜在地影响稳定性,特别热处理是一个关键因素。在集成到专用高功率激光合成器之前,必须对所有关键性能参数进行验证,并证明其在操作环境变化时的稳定性。本研究演示和表征了波长为457 nm、532 nm和640 nm的Cobolt 05-iE激光器的。波长是专门选择的,用于同轴白光全息术。全息生产的曝光时间和记录速度取决于照明的强度,这使得合适的激光输出功率成为全息生产过程中生产力的一个关键因素。根据波长的不同,所需的功率水平可以从几十毫瓦到瓦不等。通常情况下,激光波长越长(越红),所需的功率就越大。

本研究中包括的所有激光器输出功率均大于300mW,并已通过所有标准出厂验收测试,包括功率稳定性、噪声、单纵模性能、光束直径和椭圆度。这里演示了在指定的环境温度范围内工作时的性能,使用温度控制底板,从20℃到45℃循环,以模拟10℃到35℃的环境温度。温度循环测量的结果旨在表明,在实验室环境和不那么严格的气候控制的制造地点,集成电子器件没有对预期性能产生负面影响。

3.1 功率稳定性

激光器的功率稳定性是许多应用的一个关键性能参数,因此需要在每一个激光器上都得到验证。在图3中,我们展示了1.5 W的Cobolt Samba 05-iE 532nm激光器的结果。激光是安装在TEC温控板上,当底板温度从20℃ – 45℃变化时,检测功率稳定性。前12小时,包含两个6小时周期,紧随其后的是一个附加的6小时温度循环(下图12-18小时)激光器的电源开关的时间为30分钟和10分钟。在整个温度范围内,包括在底板温度循环的同时ON – OFF循环的一段时间内,功率稳定性始终优于2%。

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图3:Cobolt 05-iE温度循环下的功率稳定性,激光功率测量为深蓝色,底板温度为蓝绿色(左),温控激光举例(右)

3.2 光束形状和质量

如上所述,激光的强度也必须与曝光时间一致。此外,强度在空间中也应该是均匀的,理想情况下是一个完美高斯分布的TEM 00光束,m2 < 1.1,无论任何方向,直径都相等,椭圆度优于0.90:1。下图是在35°C的恒定底板温度下,用光束质量分析仪测量光束质量,用扫描狭缝光束轮廓仪测量光束形状。

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图4:光束质量m2 < 1.1(左)和近乎完美的高斯光束轮廓(右)。

3.3 波长准确性

为了验证波长精度,将集成到激光组合器中的激光器安装在一个温度控制的底板上,温度在20℃到50℃范围内循环时,用高精度波长计以500毫秒的测量间隔测量波长。如图5所示,本研究中使用的激光器,底板温度从20℃到50℃,457 nm激光器的波长变化< 2 pm,532 nm激光<1pm,640nm激光< 6pm。640 nm激光在温度循环中波长稳定性的表现并不体现在恒温下的波长稳定性上。在恒温条件下,三种激光器波长稳定性表现优良;均<1pm。

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图5:集成到激光组合器前, 457 nm、532 nm和640 nm 的Cobolt 05-iE激光器波长稳定性

3.4 单纵模性能

相干长度是决定激光是否适合全息应用的一个重要因素。具有腔内纵模抑制元件的二极管泵浦固体激光器的实际线宽<<1 MHz,对应超过100米的相干长度。通过对SLM性能的验证,我们可以确保给定激光器的期望线宽和期望相干长度没有偏差。为了确保SLM性能足够强大,可以用于系统集成,激光器用扫描法布里-珀罗干涉仪测量,具有10 GHz的自由光谱范围,给出约67 MHz的分辨率(相当于约1.4 m的相干长度,取决于相干长度的计算方式),同时安装在一个温度控制的基板上。下面我们看到一个典型的结果,显示出完美的单模性能,用绿色表示,在20℃到50℃的温度范围内,在额定功率周围,下面结果显示了532 nm 1.5 W激光发射情况。

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图6:SLM扫描窗口显示了在整个环境温度范围内以及在标称工作功率周围的功率范围内的单频性能。

3.5 光束指向稳定性

激光器必须具有优良的光束指向稳定性,才能成为光束组合系统的候选产品。为了测量光束指向的稳定性,激光器被放置在一个温度控制的底板上,该底板上有一个距离出光孔径至少1米的相机。在20℃到50℃的温度周期内连续测量光束质心的位置,为消除温控底板弯曲和运动对激光束指向结果的影响,在温控底板上反射额外的一束光束,并在测量的激光束指向稳定性中减去反射光束的指向稳定性。下面是来自Cobol 05-iE激光器的典型结果,<10 ?rad /℃.

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图7:集成到激光组合器之前,Cobolt 05-iE激光器的光束指向稳定性。

4. 全息照相专用高功率激光组合器

多色或“白光”全息照相可能需要3种或更多不同的激光器。光学对准既麻烦又耗时。为了克服这个问题,激光组合器的开发为全息图和全息光学元件的制造提供了一个紧凑和易于使用的界面。上述商用激光器的稳定性使它们可以被整合为一束共线的激光线,以允许在全息拍摄时拥有最大的灵活性,同时保持曝光参数的严格控制。这三种激光器组合安装在一个金属底板上,底板上还放置了合束和进一步处理光束传输的附件,如声光调制器或电子快门。激光组合器分别由用于每个光束的垂直平移棱镜和光束转向镜组成。所有激光器组合的发射都从一个共同的出光口发出。集成在组合器中的激光器的电气接口和软件控制接口也被整合进激光组合器外壳上的系统接口中。所有需要的激光安全特性也在激光组合器系统层面上得以实现,因此,激光组合器可以被视为一台可以三(或更多不同)波长发射的激光器。

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图8:C-FLEX激光组合器之一,含457 nm、532 nm和640 nm三种Cobolt 05-iE激光器,红色为可选声光调制器,安装在激光头和组合器光学元件之间,可独立用于衰减激光线,且不牺牲稳定性。[8]

光束重叠和位置稳定性对任何激光组合器都至关重要,全息专用的高功率激光组合器也不能例外。光束线是由三个或多个单独的激光光束组成的,它们被制成共线,以方便多色全息曝光的实验和生产,使用组合器的关键优势是用户不必在改变颜色时调整曝光位置。如上所述,激光性能是决定激光组合器是否适合全息应用的关键因素。激光组合器作为一个系统,其性能需要得到进一步控制,如光束位置重叠和角度重叠特性,在恒定的基板温度下光束指向的稳定性,以及在温度变化情况下光束指向的稳定性,这些都已经在C-FLEX上进行了评估,并将在下面的章节中进行讨论。

4.1 激光组合器内的激光性能

演示激光组合器随时间变化的极致波长稳定性对于全息应用特别有意义。激光组合器集成了输出功率为1.5W的532 nm激光器,激光组合器安装在25℃温控的面包板上,用高精度波长计连续测量6天。结果显示波长在6天周期内的不稳定性<1pm。

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图9:集成到激光组合器后的Cobolt 05-iE激光器的波长稳定性

4.2 激光组合器的光束位置重叠和角度重叠特性

在制造过程中对激光光束位置重叠和光束角度重叠进行优化,以实现装运前的理想对准。激光组合器内部的双针孔设计,让基准光束从最远的位置通过出光孔径。然后在距孔径约10厘米和距出光孔径至少1米处测量每束光的质心位置。利用集成的光力学合束器,微调光束在孔径处的位置,使光束重叠优于50μm,光束角度重叠优于150μrad。

4.3 在恒定的底板温度下,光束指向的稳定性

为了显示光束在固定环境条件下的指向稳定性,激光组合器被安装在温控面包板上,在整个测量过程中温度恒定的25°C。在距离激光组合器出光孔径1米处用光束相机测量光束质心位置,光束位置的变化(以μm为单位)除以组合器到相机的距离(以m为单位),为光束指向稳定性(以μrad为单位)。

在图10中,我们看到在16小时的测试中测量的光束指向稳定性,每束光的角偏都小于30 μrad。这相当于在1 m处目标质心束位置的位移小于30?m。值得注意的是,本研究中激光器光束直径700 μm,457 nm和532 nm发散全角1.2 mrad,640nm发散全角1.4 mrad。在距离激光组合器出光孔径1 m处,激光的光束直径在1.4 ~ 1.5 mm之间,指向稳定性在光束全角的2%以内。

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图10:在底板恒温情况下,组合器中每束激光光束指向稳定性

4.4 不同底板温度下的光束指向稳定性

此外,还测量了激光组合器底板温度对光束位置和角度偏差的影响。将水冷面包板设定在20 ~ 45℃范围内的不同温度,测量该范围内,光束角随温度的变化。当底板温度从一个设定值阶跃到另一个设定值时,以连续的方式获得光束质心位置。激光组合器基板从20℃处开始,以初始光束位置为基准测量相对角偏差归一化结果。图11中的光束角偏差代表了各光束的角偏差与激光组合器底板温度的关系,而不是光束与光束角重叠的关系。

640 nm激光在离出光口最远的位置,显示出组合器最大的光束角偏差15.6 μrad/℃,这完全< 20 ?rad/°C的标称值。与直觉相反,结果显示激光器在第二位置的光束角度偏差与温度相关性最小。这可能是由于激光本身极致的指向稳定性,或者是由于中心的底板比两边更小的温漂,还有待观察。

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图11:不同底板温度下,激光组合器光束指向稳定性。640nm激光器离出光口最远。

5. 结论

通过在单一平台上集成三个高功率单频可见激光器,具有完美的TEM00光束和极稳定和可靠的光谱性能。精密对准共线“白光”激光组合器,能够满足全息领域日益增长的的重要性能要求。这种高功率激光组合器是可运输的,包括所有的激光控制电子器件,结合光学和通信枢纽在一个单一的外壳,提供理想的激光光源,促进全息技术的进步。

 

参考文献:

[1] Sarakinor, A., Lembessis, A., “Color Holography for the Documentation and Dissemination of Cultural

Heritage: OptoClones? and Four Museums in Two Countries”, Journal of Imaging (15 June 2019)

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[3] McGovern, T., R?dmark, M., Elgcrona, G., Karlsson, H., “Ensuring reliable single-frequency laser performance

for holography and other interferometric techniques in production environments,” Proc. SPIE. 11306, Practical

Holography XXXIV: Displays, Materials, and Applications (21 February 2020)

[4] Hens, K., Sperling, J., Waasem, R., G?rtner, Elgcrona, G., “Widely tunable CW Optical Parametric

Oscillators:Mastering the challenges posed in quantum technology research,” Proceedings Volume 11269,

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[5] Hens, K., Sperlinga, J., Sherliker, B., Waasem, N., Ricks, A., Lewis, J., Elgcrona, G.,” Lasers for holographic

applications: important performance parameters and relevant laser technologies,” Proc. SPIE 10944, Practical

Holography XXXIII: Displays, Materials, and Applications, 1094408 (1 March 2019)

[6] “Fiber lasers holography”. https://azurlight-systems.com/portfolio_page/fiber-lasers-holography/

[7] “DPSS-Lasers”. https://hubner-photonics.com

[8] “C-FLEX Laser Combiner”. https://hubner-photonics.com/products/lasers/laser-combiners/c-flex/

 

原文链接

https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2021/09/11710-12-Facilitating-advancements-in-holographic-techniques-with-dedicated-high-power-laser-combiner_Ref.pdf

 

全息激光产品链接

 

全息激光器性能参数分析

作者:E.K. Illy*, H. Karlsson & G. Elgcrona. Cobolt AB, a part of H?BNER Photonics, Vretenv?gen 13, 17154, Stockholm, Sweden

翻译:威尼斯登录中心-威尼斯所有娱乐网址 010-80102555 info@star-spectrum.com上海市普陀区中江路388弄国盛中心2号楼1506室

摘要

目前人们对全息技术和全息光学元件(HOEs,holographic optical elements)的兴趣激增,与虚拟现实(VR,virtual reality)和增强现实(AR,augmented reality)应用有关,这导致对新的激光技术的要求增加,需要新的波长,更高的输出功率,在某些情况下,改良控制这些参数是重要的 。

无论是对于全息图的光学记录,还是图像显示器用HOEs的生产,光源通常固定在RGB波长中选择激光器(457nm, 473nm, 491 nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm,640 nm, 660 nm)或者选择一个波长可调谐的光源(450 nm – 650 nm)或组合。在所有情况下,激光器需要有很长的相干长度(<10 m),优秀的波长稳定性和精度以及非常好的功率稳定性。此外,由于全息技术和HOEs的新应用通常需要在工业环境中大量制造,因此对具有良好可靠性和长工作寿命的激光源的要求越来越高。

在本文中,我们介绍了使用高平均功率、单频(SF)或单纵模(SLM)激光器产生全息图和HOEs时应考虑的性能指标,以及能够提供这些性能指标的一些激光技术。

关键词:全息激光,SLM,激光性能,激光波长

 

1. 引言

1971年,诺贝尔奖授予了丹尼斯·加伯,以表彰他“发明和发展全息技术”。他因为在20世纪40年代所做的工作而获奖,那时候激光还未发明。自从1960年激光发明以来,全息摄影作为一种记录方法和一种3D图像显示艺术形式开始腾飞。后来,全息技术也被应用于防伪保护。在过去的五年中,更紧凑、成本更低的单纵模激光器(SLM)的出现,以及新一代敏感乳剂的发展和波长可选择的LED照明光源的出现,为全息技术开辟了新的应用领域。

例如,这些技术的改进为抬头显示以及虚拟现实(VR)和增强现实(AR)投影相关技术进入大批量消费市场铺平了道路。虽然全息图和HOEs的大批量复制已经以压印的形式在安防行业使用了几十年,但抬头显示需要比压印提供的分辨率更好的全息图。这就意味着激光很可能会被用来写入这种全息图,而这很可能会以激光打印机的形式来完成,类似于现在的3D打印机。

激光技术、乳剂和光源的发展也驱动了白光全息术的巨大进步,这为与物体的超逼真3D复制相关的全息术开辟了新的应用领域。

用于写入单色或多色全息图或HOEs的激光器的性能特性,无论是母版还是量产,都是至关重要的。

 

2.白光全息激光器

模拟全息是在2D全息干板上呈现物体的3D图像,通过记录相干光照射物体并将物体反射的光与来自同一相干光源的参考光束混合时发生的干涉图样来实现。全息图是物体的3D呈现,因为干涉图样包含反射光的相位信息。

在单色全息中,使用单个激光记录全息图。通过物体曝光,或者3D CAD文件记录。理想情况下,单色光源照亮全息图,以最高清晰度呈现物体的3D图像。但是在现实中,全息图往往是白光源照明,这通常导致图像呈现不清晰,而且只有一种颜色。

与之相反,在白光全息术中,通常使用3种(最多5种)颜色来书写全息图;蓝色,绿色和红色。定制波长的LEDs可以获得非常接近写入激光波长的光,结合新的敏感乳剂,被照亮的全息图可以达到最大的清晰度。白光全息术最近重新引起了人们的强烈兴趣,因为它被证明能够实现超逼真的3D复制。

到目前为止,写入全息图或HOEs的激光器最重要的性能要求是相干长度。从技术上讲,全息图可以被描述为光场的照片,包含光场的相位。为了记录光场的相位含量,光源需要是相干的。我们所说的相干是指所有光波在同步中传播,即它们具有相同的周期和相位,这种特性在真正的单纵模(SLM)或单频(SF)激光器中出现。光源的相干长度与发射光的光谱带宽(时间相干)和光束截面上相位波前的均匀性(空间相干)直接相关。产生干涉图样所需的光的相干距离由景深决定;景深越大,所需的相干长度就越长。一般来说,大于1m的相干长度就够了。

除了相干长度,还有其他一些重要的参数需要考虑。如:输出功率、波长精度、稳定性、可靠性。此外,还可以考虑激光是连续波还是脉冲。下表总结了这些性能特性如何影响全息图的质量。

激光性能参数 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 影响
相干长度 到目前为止,这是写全息图或HOEs时要考虑的最重要的性能特征。相干长度>1 m通常足以书写全息图。具有长(时间)相干长度(>100 m)的激光器的线宽小于1 MHz,被称为单纵模(SLM)或单频(SF)。
波长 对于白光全息图的书写,通常3-5个波长由可见光谱的蓝色(457nm, 473nm, 491 nm),绿色(515 nm, 532 nm, 561 nm)和红色(640 nm, 660 nm)部分组合而成。可调谐激光可以用来突出一种特定的颜色,或调谐到精确的照明光谱。
输出功率&功率稳定性 典型的激光输出功率范围从大约十几mW的紫外光,到几W的红光。输出功率越高,全息图或HOEs的写入速度就越快。在考虑批量生产系统时,这一点很重要。良好的功率稳定性确保全息图的质量在相同的曝光时间内是可重复的。
波长精准性&波长稳定性 理想情况下,激光波长在不同激光器之间的变化很小(<±0.3 nm),以确保全息图和HOEs保持其视觉质量。?此外,这个波长的稳定性在曝光和记录全息图期间必须保持非常固定,以不破坏分辨率。
光束质量 一个光滑的圆形轮廓(TEM00光束)意味着在曝光期间照明是均匀的,光源具有良好的空间相干性。
可靠性 在批量生产中,可靠性变得重要,因为所有的停机时间都要花钱。选择一个信誉良好的品牌,得到验证的可靠性。
连续或脉冲 这取决于写全息图所需的时间。连续波激光器的输出功率越大,所需的曝光时间越短。脉冲激光器可以在一定的脉冲长度内写入,但需要具有高脉冲能量的SLM激光器。

表1.?写入全息图激光的重要性能特性

3. 固体激光之与全息技术

写入全息图或HOEs,基本有5种激光技术可以满足长相干长度的要求。所有提供独特的波长,无论是固定还是可调,输出功率都是从十几mW到几W:

1.频率转换二极管泵浦的单频激光器SLM(DPL or DPSS lasers)(产品链接:04系列DPSS05系列DPSS08系列DPL

频率转换二极管泵浦单纵模(SLM)激光器是一种易于获得的紧凑和廉价的选择,从紫外到近红外的固定波长和相干长度为一百多米。DPLs是固态激光器,比传统使用的气体激光器更高效,更紧凑,寿命更长。在可见范围内,大量的固定波长线在蓝-绿-红区域可用(457nm, 473nm, 491nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm, 640 nm, 660 nm)与输出功率的规模为0.5W,根据乳剂和照明源灵活选择最优波长。这些激光器提供了固有的优秀的圆形TEM00光束(图1),精确的波长和优良的波长稳定性(图2)。

全息激光器性能参数分析插图
图1:典型的DPL SLM激光器TEM00光束剖面(来自Cobolt AB)
全息激光器性能参数分析插图1
图2:DPL SLM激光器的典型波长和功率稳定性(来自Cobolt AB)

2.波长可调谐的CW OPOs(产品链接:C-WAVE)

基于频率转换OPO技术的可调谐连续波单频激光光源,近年来成为一种可用于写入全息图和HOEs的长相干长度激光光源。

独特的设计意味着单个激光在450 – 650 nm范围内的任何波长(泵浦波长处有简并)可以获得,功率高达半瓦。

波长选择的灵活性,允许完全定制的写入波长,使全息图更难以复制,因此非常利于基于安全的应用。

波长的可调谐性还允许根据照明光源(如LEDs)的特定颜色来调整曝光波长,从而提高全息图或HOEs的质量。

另外,这种波长的灵活性可以作为补充的第4或5波长在RGB托盘的固定波长为创造最终复制白光全息图,即文物文档。这额外的第4或第5波长可以用来突出文物独特的颜色。

3.单频或稳频二极管激光器(产品链接:08系列NLD

单频或稳频激光二极管提供了一种可选择的激光技术,可得到略有不同的波长。在这些激光器中,使用窄线宽反射的衍射光栅元件(如体布拉格光栅,VBG元件)与二极管激光发射器一起实现窄线宽发射(对应于较长的相干长度),适合写入全息图或HOEs。这种激光解决方案的典型波长为405 nm、488nm、633 nm和785 nm,功率级别为100 mW。通过锁频多横模二极管激光器,也可以实现更高功率水平的窄线宽发射。通过放大窄线宽或单频二极管激光器,并将它们与频率转换相结合,就有可能达到可见光光谱中适合全息照相的其他波长。这种激光技术的一个优点是可以提供一定程度的波长可调谐性,典型范围是几到十几nm。

4.频率转换光纤激光器(产品链接:AZURLIGHT单频光纤激光器

一般来说,高功率光纤激光器通常不是SLM或SF,但通过放大单频主振荡器,可以实现SF性能光纤激光器。光纤激光器和放大器通常掺杂Yb,其发射波长在1000-1100纳米之间。这种发射反过来可以被外部频率转换为可见光谱范围。典型的波长是488nm, 515 nm和532 nm,输出功率相当高,大约几瓦。其优点是,频率转换输出通常是从连接到激光器和驱动电子器件通过光纤,这种小型激光头散热低,不需要安装可能在全息图记录过程中引起干扰振动的风扇。

5.脉冲固体激光器(产品链接:Tor系列

最后考虑了脉冲SLM激光器。第一个用于写入全息图的激光器是脉冲红宝石激光器。短脉冲(ms)的优点是全息图可以在很短的时间内写入,原则上可以捕捉到运动物体的瞬间。虽然在1960年激光发明后的几十年里,脉冲红宝石激光器被连续波激光器取代,成为写入全息图的首选光源,但能够在如此短的时间内写入全息图的优势不可忽视,特别是考虑到批量生产。用单ns – 百ns长脉冲写入全息图的可能性意味着可实时写入HOEs,从而实现量产。然而,根据定义,脉冲固体激光器不是典型的SLM,并且可能在脉冲能量较低的一端,使商业脉冲激光器的选择相当有限。尽管如此,结合感光乳剂薄膜,这可能是未来激光打印机和HOEs真正量产的一个考虑因素。

全息激光器性能参数分析插图2
图3:使用RGB DPL激光器书写白光全息图一个例子。(来自Proff. Hans Bjelkhagen)

4.总结

固定波长或可调谐波长激光器,无论是二极管泵浦激光器、倍频opo激光器、稳频二极管激光器和变频光纤激光器,无论是工作在连续波还是脉冲,都可以用于写入全息图和全息光学元件(HOEs)。最重要的性能特征是较长的相干长度,此外,良好的功率稳定性,波长精度和稳定性,以及最重要的可靠性。

 

参考文献

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原文链接:https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Publication-E.K.-Illy-et-al.-Lasers-for-holographic-applications-ISDH-2018.pdf

产品分类

Argolight荧光显微成像校准工具

Argolight荧光显微成像校准工具插图

Argolight荧光显微成像校准工具插图1????????Argolight是一家法国的公司,专注于成像质量的控制,公司最初是为了解决NASA提出的请求,帮助他们保障国际空间站上的显微镜的准确性和可靠性,以达到验证显微镜质量且可以重复实验结果的目的。经过几年的努力,多代产品的更新,最终得到了NASA的认可,也亲眼见证了Argolight的产品搭乘着SpaceX的火箭,同宇航员一同进入了国际空间站。

现在全球已经有300多个客户在使用我们的产品,我们正在与他们一起应对成像质量和可重复性问题。

Argolight荧光显微成像校准工具插图2Argolight荧光显微成像校准工具插图3????????Argolight的产品满足ISO 21073:2019 标准,该标准旨在用于评估共焦激光扫描显微镜图像性能的指标,用于荧光生物标本成像领域。并且积极与NIST合作,旨在为成像质量评估出一个标准。

我们的产品包含稳定的荧光图案,具有精确定义的特征。图案可以用250nm到650nm之间的任何波长激发。发射光谱是一个宽的连续谱,从略高于激发波长开始,一直到800 nm。

一个产品包含几个荧光图案。每个图案都旨在评估显微镜的一个或多个参数:分辨率、场均匀性、强度响应、通道之间的配准精度等。Argolight的荧光图案是一种无机荧光物质,可以重复使用长达数年之久,并且对于贮存条件没有要求。Daybook软件也供免费使用,即便您不购买Argolight的软件,Daybook依然可以帮助您进行PSF的测量。

在今年Argolight使用一种改进的玻璃技术,产生两倍的荧光量:AG03,第三代 ArgoGlass?。AG03经过3年的研发,相比AG02具有更高的量子效率。在相同曝光下,这些图案现在比第一代显示出至少 100% 的荧光强度。校准片内荧光的存在仍然是确定的且持久的,荧光图案将永远可见。就此而言,这些校准片现在终身保修。

Argolight荧光显微成像校准工具插图4????????接下来我们展示一个具体的Confocal.nl的案例,该案例使用 Argo-SIM 来展示其横向分辨率的优势。

Argolight荧光显微成像校准工具插图5使用 RCM1 技术以 60x 1.4 放大倍率获取的示例图像(2×2 拼接图像)。COS-7 细胞中的微管蛋白丝。??Andreas Kurz,德国维尔茨堡大学

创新:再扫描共聚焦显微镜

????????Confocal.nl是一家荷兰制造商,它开发了一种技术用来提高横向分辨率,同时保持标准共聚焦显微镜的切片能力。该公司由Erik Manders和Peter Drent于 2016 年创立。第二代再扫描共聚焦显微镜(RCM)是2021 年推出的一种新的超分辨率显微成像技术,它基于标准共焦显微镜,扩展了一个光学单元(再扫描),可将图像直接投射到 CCD 相机上。为了展示新系统的分辨率,制造商需要用已知尺寸的样品,通常使用荧光微球。然而,Confocal.NL 决定不再使用荧光微球,因为它们“有时难以集中拍摄并随着时间的推移而漂白”。此外,由于它们的尺寸不是无限小,导致扩大了显微镜点扩散函数 (PSF),因此低估了光学系统的分辨率。

Argolight荧光显微成像校准工具插图6Confocal.nl 使用 Argo-SIM 的荧光模式进行分辨率测量。?该图案呈现出成对的 36 μm 长线,其间距逐渐增加,从 0 到 390 nm,步长为 30 nm。存在四组线:一组垂直,一组水平,两组位于 + 和 – 45°

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参考样本:Argo-SIM校准片

????????Confocal 最终决定使用 Argolight 校准片而不是荧光微球或PSF方式。某些型号的 Argolight校准片里面的荧光图案,专用于测量分辨率。该图案的线条由已知的距离隔开,这使得它非常适合测量系统区分物体的能力。Argolight 提供免费的图像分析软件Daybook。Daybook 中使用的方法依赖于对比度传递函数,即测量对比度与逐渐间隔的线之间的距离。

测量分辨率:结果

????????Confocal.nl使用带有 100x/1.5 油物镜 (UPLAPO100XOHR) 的 Olympus IX83 显微镜框架,使用其RCM2对Argo-SIM 校准片的荧光图案进行成像。在Argo-SIM 中,图案由成对的36 μm 长的线组成,它们的间距逐渐增加,从0到390 nm,步长为30 nm。该图案由405nm 激光激发,用Tucsen FL20-BW 相机检测。在应用说明:“使用 Argolight Argo-SIM校准片测量的再扫描共聚焦显微镜的横向分辨率”中,Confocal.nl指出:

采集设置样本平面中的像素大小为 16.5nm/像素,显微镜的 z-stepper 设置为 100nm 间隔,总共采用 4μm的 z-stack 以便能够进行适当的反卷积。随后由具有专用 RCM 点扩散函数的 Microvolution 执行反卷积。这些图显示了具有理想焦点的 z 轴切片。随后使用来自 Argolight 的 Daybook 3 软件对数据集进行分析,使用高斯拟合模型和 7.3% 的对比度标准获得结果(对应于在理想成像条件下等于显微镜 PSF 的 FWHM 的对比度值)。

用肉眼看图案图像,在150nm的距离就可以分辨出分辨率。对图像应用去卷积,之后图案的线条可以在120nm处解析。Daybook 中的图像分析使用 7.3% 的对比度标准(高斯拟合),在反卷积之前提供了 178.5nm 的横向分辨率,之后提供了 120nm 的横向分辨率。

Argolight荧光显微成像校准工具插图7

“?Argo-SIM 校准片使我们能够定量和准确地确定 RCM2 的横向分辨率水平,而不会引入用户偏见。”?Confocal.nl

Argolight荧光显微成像校准工具插图8

Daybook 中横向分辨率分析的示例结果(Zeiss 宽场 Axio Imager M2,配备 Zeiss Plan-Apochromat 63×/1.4 Oil 物镜,使用 Zeiss Colibri 2 照明,使用 Hamamatsu Orca-Flash 4.0 LT 相机收集) 7.3% 对比度标准(高斯拟合),分辨率为 386nm。

使用 Argo-SIM 校准片及其荧光图案,Confocal.nl 可以准确地确认他们的新系统 RCM2 达到了先前指定的规格并在图像中实现了超分辨率。这种方法提供的结果可以使其他研究人员或客户信任,因为他们的协议记录在案并依赖于 Argolight 的高质量认证标准。Argolight 非常自豪能够为 Confocal.NL 提供工具来展示他们的创新技术。

Argolight拥有数种产品,以满足不同客户的需求:

Argolight荧光显微成像校准工具插图9????????如果您对成像质量有要求,或者对自己的成像系统有所怀疑,不要犹豫,立即联系我们产品经理。

产品经理联系方式
电话:13248255905(杨经理)
邮箱:factory-yang@star-spectrum.com
地址:上海市普陀区中江路388弄国盛中心2号楼1506室

拉曼——用于全局拉曼成像的SLI波长选择器

随着拉曼测试手段的进步,我们早已不再满足于得到光谱,拉曼成像使成像信息的维度得到拓展且拉曼无需染色,无需花费长时间制样,为快速检测提供了可能。然而拉曼信号微弱,光谱仪系统探测效率低,造成拉曼成像低像素、采样时间长等问题。

为了解决这个问题,众多科学家和发明家一起努力,找到很多方法来缩短拉曼成像的时间。这些方法大致可以总结为3类

  1. ?提高光谱探测系统的效率。这种方法是在经典拉曼成像系统上进行改进,尤其体现在信号耦合效率的提高和探测器的改进,比如增强型相机、单光子相机的使用等。
  2. 提高拉曼信号的强度。方法很多:SERS、SERRS、CARS、SRS等。
  3. 改变扫描方式。传统拉曼成像尤其是共焦拉曼成像,都是激光扫描结构,属于点扫描成像。拉曼点扫描不仅单点停留时间长,单点停留时间还需乘以像素点数,这就导致我们只能在低像素和长时间等待中徘徊抉择。改变扫描方式的方案可分为两类。类别一:点扫描改为线扫描,利用成像像型光谱仪推扫,省去一个维度的扫描,成像时间极大缩短。类别二:放弃扫描,全局成像,不需要为扫描花时间。

全局成像被想象为成像的最终形态,简介、高效、易于操作。这需要取代光谱仪的部件拥有一定的独特之处,需要满足一系列要求:

  1. 能够像光谱仪一样得到目标拉曼谱线,且可任意调节波长和带宽,以对应拉曼谱线的位置和峰宽
  2. 不影响成像,最好像一片滤光片一样只对波长进行选择,不影响其他成像指标
  3. 能够确保目标拉曼谱线的信号强度和信噪比

SLI波长选择器,不仅可以调节中心波长,还可以调节带宽。

  • 最新覆盖波段范围为255-1700 nm可选
  • 带宽可调范围为3-16nm
  • 截止深度>OD6(光谱仪的OD值一般在OD3及以下的水平)
  • 透过率>75%(远远高于光谱仪,一般光谱仪受限于耦合效率和内部反射镜和光栅的效率)

SLI波长选择器在全局拉曼成像中的透射曲线

拉曼——用于全局拉曼成像的SLI波长选择器插图

  • 光谱范围:535 nm – 650 nm
  • FWHM : = 3 nm

方案

拉曼——用于全局拉曼成像的SLI波长选择器插图1

Study by Dr. Hideaki Monjushiro in High Energy Accelerator Research Organization ( KEK )

其他拉曼信息

 

波长选择器其它应用

高光谱成像

高纯度波长可调单色光源获得高纯度波长可调单色光源获得2

全局拉曼成像

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