انحرافات برداری، ناشی از ترکیب انحرافات فاز و قطبش هستند. این انحرافات می‌توانند بر عملکرد سیستم‌های نوری، به خصوص سیستم‌های حساس به بردارها یا نیازمند رزولوشن بالا، تأثیر قابل توجهی داشته باشند. به عنوان مثال، در سیستم‌های لیتوگرافی، انحرافات قطبش نقش حیاتی در رزولوشن سیستم دارند و کیفیت تراشه‌های تولیدی را تحت تأثیر قرار می‌دهند.
بهینه‌سازی تطبیقی برداری اپتیکی (V-AO) یک رویکرد نوآورانه برای تصحیح انحرافات فاز و قطبش در سیستم های نوری است. این روش وضوح و یکنواختی میدان برداری را بهبود و زمینه هایی مانند تصویربرداری زیست پزشکی، نجوم و نانوساخت را تحت تاثیر قرار می دهد.
محققان سه روش متمایز برای پیاده‌سازی V-AO پیشنهاد دادند: مبتنی بر حسگر (sensor-based)، شبه بی‌حسگر(quasi-sensorless) و بی‌حسگر- ساختاری (modal-sensorless).
در قسمت a شماتیک یک سیستم متاثر از انحراف برداری و یک سیستم تصحیح شده توسط V-AO نمایش داده شده است. ماژول V-AO شامل یک ماژول قطبش و یک ماژول فاز است . همانطور که در شکل نمایش داده شده ماژول V-AO تمام انحرافات برداری را تصحیح می کند. برای مشاهده تاثیر تصحیح ، وضعیت قطبش (SOP) و پروفیل‌های فاز، و همچنین شکل متمرکز شده به صورت شکل نمایش داده شده اند که حالت‌های «قبل» و «پس از» تصحیح V-AO را نشان می‌دهند.
در قسمت b طرح هایی از سه روش مختلف تصحیح V-AO نمایش داده شده است .
روش V-AO) A مبتنی بر حسگر): یک سنسور برای اندازه‌گیری انحرافات پرتو استفاده می‌شود سپس به ماژول V-AO برای اصلاح اولیه بازخورد می‌دهد، به این صورت تصحیح به ایجاد میدان نوری مورد نظر منجر می‌شود. در شکل PSG ایجاد کننده حالت قطبش ، PSA تحلیلگر حالت قطبش هستند.
روش B )شبه بدون حسگر): یک پلاریزر شدت را قبل ازپرتو رسیدن به متمرکز کننده فیلتر می کند و طرح نور متمرکز شده توسط دوربین که بعد از عدسی قرار دارد، به ماژول V-AO برای اصلاح انحراف بازخورد خواهد داد.
روش V-AO) C بدون حسگر ساختاری): شدت متمرکز شده در انتها به عنوان وسیله ای برای بهینه‌سازی فاز خروجی و SOPهای پرتو استفاده می‌شود.
توضیح این روش ها بصورت زیر است:
بهینه سازی تطبیقی اپتیکی برداری مبتنی بر حسگر (روشA)
درمرکز پیاده‌سازی V-AO مبتنی بر حسگر، یک قطبش سنج وجود دارد که میتواند ویژگی‌های قطبش را در از مشخصات پرتو یا جسم بطور کامل استخراج کند . این قطبش سنج ، از یک مولد حالت قطبش (PSG) و یک تحلیلگر حالت قطبش (PSA) تشکیل شده است. پس از اندازه گیری قطبش سنج ، مدولاتور های شکل فضایی به گونه ای تنظیم می شوند که حالت SOP خروجی پس از انتشار در شیء از نظر فضایی یکنواخت شود. اینکار با تنظیم مدولاتور ها طوری اتفاق خواهد افتاد که یک انحراف فضایی در پرتو را ایجاد و بعد از تغییرات انحراف قطبش و فاز پرتو در شی، پرتو خروجی دارای SOP یکنواخت شود. در این پروسه ممکن است انحرافات فاز توسط شی یا حتی مدولاتور های شکل فضایی ایجاد شوند. تصحیح کامل قطبش و فاز ابتدا با اصلاح انحراف SOP با استفاده از مدولاتورهای شکل فضایی و سپس اصلاحات مخصوص فاز توسط یک AO بدون سنسور معمولی اعمال خواهد شد.
بهینه سازی تطبیقی اپتیکی برداری شبه بی حسگر (روشB)
اصل این روش بر اساس حداکثر کردن شدت پس از گذشت پرتو از پلارایزر است؛ که در هر نقطه از شکل فضایی پرتو آزمایش می‌شود. دوربین در صفحه متمرکز کننده قرار دارد و شدت میدان خروجی را پس از عبور پرتو از پلاریزر اندازه گیری می کند، که جهت پلارایزرجهت قطبش مورد نظر است (بصورت کلی، قطبش می تواند حالات متفاوتی داشته باشد، اما در اینجا قطبش خطی در نظر گرفته شده است.که این موضوع برای ساده توضیحات است). هنگامی که SOP خروجی، موازی با بردار قطبش پلارایزر باشد، شدت حداکثر پرتو خواهد شد. بنابراین می توان انحراف SOP را با حداکثر رساندن شدت در هر نقطه از متمرکز کننده اصلاح کرد.
بهینه سازی تطبیقی اپتیکی برداری بدون حسگر ساختاری(روش C)
این روش تصحیح V-AO بدون سخت‌افزار اضافی و به تنهایی از طریق اندازه‌گیری سطح کانونی به اصلاح خواص پرتو خواهد پرداخت. سناریوهای زیادی وجود دارد که انحرافات مختلف قطبش و فاز در پرتو دیده می‌شوند، یکی از موارد مورد استفاده در مواد های اپتیکی هستند که خواص پرتو به فشار وابسته است؛ که یکی از نمونه های آن لنز آندوسکوپی است. در این لنز ها دوشکستی ها مختلفی (وابسته به شعاع و زاویه فضایی پرتو) ممکن است رخ دهد، که این دوشکستی ها توسط تنش درونی مواد تعیین می شوند. روش C همانند روش‌های تصحیح فازی معمولی عمل می‌کند، که براساس آزمون و خطا و امتحان تصحیح های مختلف و در نظر گرفتن بهترین حالت ایجاد شده تصحیح را انجام خواهند داد. تفاوت برجسته روش C این است که تصحیح قطبش و انحراف فاز به طور همزمان با مدولاتور های شکل فضایی و آینه های منعطف به طور هماهنگ انجام می شود. در این روش تصحیح از طریق فیدبک بدون حسگر برای حالات قطبش و فاز بصورت همزمان، یک کار چالش برانگیز است، این موضوع به این دلیل است که قطبش و فاز رفتارهای پیچیده ای بین یکدیگر در هنگام اجرای جبران با استفاده از ترکیبی از مدولاتور های شکل فضایی خواهند داشت.
این سه روش یک جعبه ابزار همه کاره برای جبران انحرافات برداری ارائه می دهند که می توانند برای شرایط مرتبط انتخاب شوند. روش مبتنی بر حسگر، جامع ترین رویکردی است که میتواند با تنظیم های مختلف سنسور ها قابل استفاده باشد. با این حال، روش شبه بدون حسگر (و بدون حسگر ساختاری) می‌توانند توانایی اجرای V-AO را با سخت‌افزاری ساده و سازگارتر در سناریوهای کاربردی فراهم کنند. روش شبه بدون حسگر دارای مزایای منحصربه‌فردی است: اول، سخت‌افزارهای پیچیده اندازه‌گیری حالت قطبش با یک آنالایزر ساده بدون قطعات متحرک ، جایگزین می‌شود. دوم، محاسبه قطبش سنج دیگر مورد نیاز نیست، و همچنین تجزیه و تحلیل پرتو برای اعمال تنظیمات مدولاتور های شکل فضایی ( برای جلوگیری ازتقویت خطای پیچیده در محاسبه ماتریس قطبش سنج ) لازم نیست. سوم، کالیبراسیون دقیق مدولاتور های شکل فضایی ضروری نیست، زیرا بهینه سازی مستقیماً از مقادیرپیکسل استخراج و اعمال خواهند شد. رویکرد بدون حسگر ساختاری به سخت افزار اضافی و هیچ اندازه گیری متمرکز کننده اضافی نیاز ندارد، از دانش قبلی در مورد هدف استفاده می‌کند و صرفا بر اساس بهینه سازی نور متمرکز شده است. این روش‌ها به‌طور جداگانه می‌توانند به سناریوهای مختلف سیستم نوری که زیاد شناخته شده نیستند، کمک کنند.
برای پیشرفت‌های آینده میتوان از این روش‌ها را برای مقابله با نورهای دیپولاریزه شده توسط جسم نیز استفاده کرد، که هدف اصلی این نوع آزمایش ها، نظارت یا تشخیص بافت مورد نظر است . علاوه بر این، با افزایش تعداد دستگاه های AO، فرمت وشکل های V-AO را می توان گسترش داد. در سیستم فعلی، با استفاده از دو بار گذراندن از دستگاه های مدولاتور شکل فضایی ، میتوان جبران انحراف برداری را با ثبات روشنایی حالات فراهم کرد. برای دسترسی های وسیع‌تر، پرتو را میتوان به سه بار گذراندن از دستگاه های مدولاتور شکل فضایی، گسترش داد؛ که اجازه خواهد داد حالات برداری نور به صورت ترکیب شده بوجود آیند مانند پرتو های مورد نیاز در مسیر انتشار یک میکروسکوپ.
منبع
“Vectorial adaptive optics” by Chao He, Jacopo Antonello and Martin J. Booth, 27 November 2023, eLight.
DOI: 10.1186/s43593-023-00056-0
