LBSA：图形化激光光束整形软件

软件X 22（2023）101342原始软件出版物LBSA：一个基于GUI的Matlab软件，用于空间光调制器的先进激光束整形Mateusz Szatkowski，Przemysawaw Litwin，Jan Masajada弗罗茨瓦夫科技大学光学与光子学系，Wybrzeße Wyspiaßskiego 27，50-370弗罗茨瓦夫，波兰ar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年12月7日收到2023年2月9日收到修订版，2023年保留字：激光束整形空间光调制器数字全息a b st ra ct我们介绍LBSA -一个复杂的激光光束整形应用程序，它将设计和控制功能集成到一个图形用户界面应用程序中。这种方法使先进的光束整形操作即使对于非技术用户也可以访问。控制组件自动检测反射式空间光调制器和外部摄像头，而设计组件则提供内置的相位整形功能。在这项工作中，我们通过每个LBSA组件，描述其功能，并提供基于实验结果的使用示例。版权所有2023作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.1用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00411Code Ocean compute capsule none法律代码许可证MIT许可证使用的代码版本控制系统无使用MATLAB的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性Matlab R2020或更高版本、图像采集如果有开发人员文档/手册链接https://github.com/corlic29/lbsa/问题支持电子邮件mateusz. pwr.edu.pl1. 动机和意义术语光结构化描述了用于将光塑造成任何期望输出的所有努力和技术[1]。由于60年代激光器的发明，这一领域的主要发展成为可能.从那时起，用于激光束整形的技术和专用设备的数量一直在不断增加。一般来说，它侧重于调整激光相位、振幅或偏振的能力。因此，它的范围从简单的模拟孔径或狭缝切断光*通讯作者。电子邮件地址：mateusz. pwr.edu.pl（Mateusz Szatkowski）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2023.101342修改特定的灯光参数。这种器件的两个最常见的例子是数字微镜器件（DMD），它使用微镜来控制光两者都能够进行先进的光束整形，并且由于其适应性和实施容易性，成为光学实验室的标准设备。其广泛的应用范围包括显微镜[4]，光学捕获[5]，电信，量子信息和天文学。这种多种可能的应用引起了人们对光结构化工具和方法的兴趣。这导致了即使是非专业用户也必须直观地控制光束整形设备。在这项工作中，我们提出了SLM操作软件，在Matlab环境下开发，使我们能够控制SLM，设计独特的全息图，正确的2352-7110/©2023作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxMateusz Szatkowski、Przemysawaw Litwin和Jan Masajada软件X 22（2023）1013422光学设置的不对准，操作外部相机，并且仍然保持与多个SLM制造商兼容。出于这项工作的目的，我们将SLM称为硅上液体晶体空间光调制器，其工作在反射模式下并且工作在仅相位机制下。由于其精度高，被广泛应用于与奇异光学相关的基础和应用研究。SLM的主要优点是操作简单。一般来说，它们的作用是将描述必须实现的相位分布的灰度相位图转换为所需的相位变化。这是通过在所施加的电压下与灰度值成比例地重新定向液晶来这样的设备使用即插即用模式并且用作扩展显示器。光束成形过程然后仅减少到用户同样重要的是光学设置对准，其能够实现适当的相位/幅度调制。根据SLM制造商和具体型号，用户可以购买专用控制软件以实现简单的SLM使用。这种软件通常配备有基本的光束整形功能，帮助用户进行全息图设计过程。然而，现代光学实验室通常配备有多个SLM，不一定由共同的制造商生产。每个制造商专注于不同的SLM功能。例如，Holoeye提供高相位调制深度（高达6π），Hamamatsu SLM具有水冷功能，可实现高功率应用，Santec提供独特的10位相位梯度（1024个相位电平）。因此，即使它们中的每一个都提供操作软件，但设计、功能和整体用户体验都不同。它们彼此不兼容，并且功能范围和可能的内置全息图设计是有限的。更重要的是，它们不支持相机预览，导致缺乏自动设置校正。为了克服这些问题，实验室开始开发自己的独立软件，用于结构光方法的OTSLM工具箱[6]就是这种努力的一个很好的例子。它提供了几个独立的组件，让用户设计全息图或它们的叠加。它还实现了更多的结构光另一方面，OTSLM工具箱被设计为一系列独立的功能，每个功能都由用户启动。最后，由于同时显示多个弹出窗口，此外，它不提供相机预览，用户需要使用外部相机软件来操作设置。这增加了应用任何需要来自光学设置的直接反馈的校正的难度，并且影响软件的可能的进一步开发，更不用说依赖外部软件的必要性。为了克服这些问题并实现多功能激光束，在此基础上，提出了一种基于MATLAB框架的一体化SLM操作软件 ： LaserBeam Shaping App （ LBSA ） 该 软 件 与 Holoeye 、Hamamatsu和Santec SLM以及任何其他作为扩展显示器运行的SLM兼容。LBSA提供基本的光结构工具和嵌入在单个图形用户界面（GUI）应用程序中的相机支持。SLM和相机在LBSA初始化阶段自动检测，这大大简化了光学设置的使用和操作。此外，LBSA拥有两种基于迭代或手动方法实现的高级设置校正方法。2. 软件描述LBSA 是 作 为 MATLAB 框 架 中 的 独 立 应 用 程 序 开 发 的 。MATLAB提供了用户友好的体验，以及对进一步数据分析的广泛支持以及管理软件特征的流程。 我们相信，广泛的可用MATLAB相关的文献位置，特别是关于数字全息的不同方面，以及广泛的支持文档，结果其缺点，如付费许可证。mlapp的核心函数LBSA.mlapp让用户只与GUI交互然而，主要功能是指与光结构和光束校正方法相关的其他内部功能。如果用户希望将某些软件功能实现到其他任务，则这种结构提供了额外的自由度2.1. 软件构架GUI分为2个模块，第一个模块提供了一种直接的方式来操作SLM，预览当前显示的全息图和控制外部相机。另一个模块负责光束整形操作，并分为三个主要部分：a）内置相位整形b）校正，c）外部负载。这些组件相互连接，并可同时使用，由于集中寻址系统。这使用多维矩阵来存储全息图。矩阵的每个切片与特定类型的光束整形相关。对全息图的任何修改之后都要替换特定的矩阵片。这样的操作使得能够实时更新当前显示的全息图，其仅仅是所有切片的叠加。特定的全息图具有相关联的开/关按钮，其确定在叠加时是否考虑这样的全息图。这允许用户冻结全息图参数以供将来使用。用户也已经有可能关闭自动叠加，并通过启动更新程序（按钮“开始”）手动更新最终的全息图。图形用户界面及其体系结构的流程图如图所示。1.一、2.2. 软件功能软件功能基于两个相互关联的模块：设计和控制。第一个重点是准备最终的全息图将激光束成形为所需的输出。后者负责与外部硬件通信每个模块都包含一系列独立的功能，可实现高效的光束整形。2.2.1. 设计内置相位整形作为该模块的基本组成部分，实现了最基本的光束整形操作。每个可用功能都有预定义的参数，可以在GUI中修改。以下列表简要介绍了所有可用的功能及其效果：airy创建分辨率可调的Airy光束全息图。菲涅耳用焦距可调的菲涅耳透镜制作全息图。这种全息图是传统透镜的相位表示[7]。vortex创建光学漩涡的全息图，具有可变的拓扑电荷（整数）。更多的细节可以在[8]中找到。所设计的全息图是螺旋形位相板的位相表示。轴棱锥设计产生贝塞尔光束的全息图，是轴棱锥的相位表示[9]。用户可以控制轴棱锥Mateusz Szatkowski、Przemysawaw Litwin和Jan Masajada软件X 22（2023）1013423图1.一、 LBSA体系结构的可视化表示。diffraction_gratings负责创建衍射光栅。实现了两种类型的相位光栅：闪耀和正弦。光栅的空间频率受到限制，服从奈奎斯特极限。这是由最大值控制的每个方向的凹槽数量，由SLM分辨率设置phase_shift将全息图的相位移动所需的相位值。光圈用指定直径的圆形光圈覆盖输出全息图。im_translate在两个垂直方向x和y上平移输出全息图，external_loading加载外部相位图。纠正的内容同样重要。通常，SLM放置在光学系统中，该光学系统由激光源、光学元件组（诸如反射镜和物镜）以及附加延迟器（例如，半/四分之一波片）组成。这些元件中的任何一个（包括SLM本身）都可能是引入光学系统中的附加意外像差的源。因此，检测到的波束可能与预期的理想场景显著不同。幸运的是，SLM提供了通过实施校正相位图来抵消和改善光束质量的可能性这将常规光束整形提升为自适应方法，并提供两种解决方案来校正光学系统内的像差。其中一个是自动的，而另一个需要手动控制。这两项职能相互补充，如下所述：G-S使用迭代Gerchberg-Saxton（G-S）相位算法来找到光学系统的像差。该算法使用扭曲的光学涡旋图像作为参考，并迭代以产生将产生这种扭曲的涡旋图像的全息图从当前显示的全息图中减去此全息图将校正现有的光学设置。用户将被引导完成整个过程，这也在GitHub上的LBSA教程中描述。无论是否必须产生涡旋，只要需要对称光束，该方法就将是合适的，校正将简单地提供表示光学系统的缺陷的校正图。Zernike允许用户通过Zernike多项式的叠加手动构建校正相位图，并可选择修改影响最终创建的全息图的多项式权重。目前，多达9个诺尔顺序指数的多项式除了光束校正之外，该功能还可以用于在需要这样的操作的情况下手动地将受控像差引入到虽然这种方法需要一些进一步的经验，但它也提供了更多的自由度，可以选择哪些光束作为适当校正的光束，使其更适合需要这种高控制的任何时候。值得指出的是，所执行的校正不取决于缺陷源，例如光学系统的特定元件。畸变光束是复杂的，并且通常同时源自多个源。校正模块的目的是让用户创建最合适的光束形状，无论缺陷的原因。因此，这种校正是唯一的，这意味着如果任何设置组件将被修改，则将需要重新校正。这指的是任何光学组件的平移、旋转或替换，包括SLM本身。为了减少SLM2.2.2. 控制虽然LBSA可以用作独立的全息设计应用程序，但其主要功能是与最流行的SLM 模型进行高效通信。这些涉及Holoeye ，Meadowlark和Hamamatsu生产的设备。LBSA自动检测设备分辨率，并在扩展模式下将SLM屏幕视为秒级显示器。这使得用户直接显示设计的全息图，而无需使用单独的软件。用户可以在每次修改全息图时更新SLM上的全息图的自动显示或手动选项之间进行选择，手动选项要求用户通过点击“do it”按钮来启动全息图更新程序同时，LBSA能够预览和配准来自外部相机的图像。默认情况下，相机处于实时预览状态，因此这是Gerchberg-Saxton所需Mateusz Szatkowski、Przemysawaw Litwin和Jan Masajada软件X 22（2023）1013424图二. 拓扑荷为L=1的涡旋光束的光强分布a）校正前b）校正后c）高斯光束校正后的像。校正算法以有效地工作。然而，用户可以继续使用LBSA，即使实时预览窗口关闭，如果出于任何原因，这更合适。 如果制造商提供MATLAB支持包，则可以与外部摄像头进行通信。我们成功操作了FLIR、Basler和µEye相机，每次都没有出现任何技术问题。只要MATLAB图像采集工具正确检测到摄像头，在LBSA。这些都需要用户安装Matlab附加包含相机适配器. LBSA检测已安装的适配器并显示可用适配器的通知。用户可以轻松修改相机采集参数，如亮度、对比度、曝光和增益。为此，选项按钮打开一个新的弹出窗口，其中包含摄像头上述参数限制一个特定的是相机特定于设备，LBSA会自动设置它们，以避免任何编译问题。3. 说明性实例3.1. 迭代束流校正LBSA的关键特性之一是激光束校正，这取决于LBSA对输出光束进行充分整形的能力。这些可以通过各种光束整形算法和工具来完成，这些算法和工具可以克服光学设置对准挑战或光束不完美 的 任 何 其 他 原 因 。 因 此 ， 为 了 证 明 其 性 能 ， 我 们 基 于Gerchberg-Saxton算法和光学涡旋图像实现了迭代光束校正光学涡旋图像的使用提供了一个机会，以检测即使是最小的光束缺陷，并让算法收敛速度比在常规高斯光束的情况下。在真实实验场景中展示这种校正的视频可在附录A中获得。图图2a所示的光束具有与未校正的光学装置配准的光学涡旋。光束的特征形状意味着光学装置内存在像散，这是主要像差和典型装置对准问题之一[5]。该算法使用图中所示的图像。2a确定梁的缺陷来源。所设计的校正相位模板消除了已有的畸变。使用内置迭代校正算法校正的光束具有光学涡旋的特征甜甜圈形状，其中心具有可见的奇点（图1）。2b）。良好的校正设置将使用户产生任何光束，期望它具有良好的质量。所示的例子图2c示出了用相同的光学系统获得的高斯光束。而所提出的校正是通过内置的Gerchberg-Saxton迭代算法来实现的。也可以使用LBSA Zernike多项式特征并手动改善波束。对于较小的缺陷，这种方法与用户的光束整形经验相结合，也可以是足够的。3.2. 光束整形此外，我们证明了LBSA的能力，通过产生一些最复杂的光场的激光束的形状。这些例子如图所示。3 .第三章。首先，我们产生了艾里光束（图1）。图3a），具有自愈能力的光束的示例，其具有特征核心强度，伴随着一系列强度较低、逐渐减小的区域。这样的光束作为光片显微镜的完美候选者[14，15]。我们还展示了控制光学涡旋奇点位置并使其向任何方向移动的可能性（图10）。3b）。该功能被纳入光学涡旋扫描显微镜[4]中，提供了检索有关相位物体信息的工具最后，我们利用贝塞尔光束与光学涡旋的叠加产生了所谓的完美涡旋光束。已知光场的该示例具有一种环形结构，具有几乎恒定直径的窄亮环，与涡旋拓扑荷的值无关[16]。这种行为可用于控制捕获粒子围绕光束中心旋转的频率，而无需修改强度分布[17，18]。4. 影响LBSA是我们致力于激光束整形及其应用的研究成果在我们的研究团队中进行的项目的多功能性作为一个独立的MATLAB应用程序。这成为我们日常实验室工作的标准，也被我们合作的其他实验室成功使用。通过这项工作，我们提供了一个通用的，紧凑的，易于使用的SLM操作应用程序，能够进一步开发，如果需要任何定制下面，我们列出了开发的应用程序的最重要的功能：它是一个紧凑的软件。现代光学实验室使用不同类型的SLM，由不同的制造商生产。此外，如果实验设置需要进一步校正，则任何使用SLM的人都被迫在设计和操作过程之间切换，相机预览模式也不是，·Mateusz Szatkowski、Przemysawaw Litwin和Jan Masajada软件X 22（2023）1013425图三. 通过LBSA获得的强度分布：（a）艾里光束，（b）拓扑电荷L=1的光学涡旋，其内部偏移50 SLM px（左），内部偏移100 SLM px（右）。折射率1.5（左），拓扑电荷L=10，顶角0.1°，折射率1.5（右）。应单独控制。如果在光学设置中存在多个SLM，则这些问题变得更加严重，其中每个SLM由独立的制造商生产并且由完全不同的软件操作。相反，LBSA提供了一种通用的方法，只要在外部显示模式下使用，设计和控制就存在于操作最流行的SLM模型的单个应用程序中。它提供基于Gerchberg-Saxton算法的自动迭代光束校正。该算法使用光学涡旋图像作为光束质量标记，其比使用常规高斯光束的情况下收敛更快[12]。在没有摄像机访问的情况下，这种实现将是不可能的，因此它使LBSA成为独特且复杂的光束整形软件，不仅能够进行常规光束整形，而且还能够提供改善光束质量和校正设置未对准的解决方案。这种校正是通用的，并且作为改善质量的校正全息图工作，而不管当前显示的光束形状如何。G-S还可以与其他校正方法结合使用，特别是SLM表面校正，如果制造商提供的话，可以提供更特定于设置的作为GUI，它提供了直接的可用性，因此它不需要潜在用户具有任何波束成形经验。每个全息图都有默认参数，可以毫不费力地调整，无需任何编程技能，使LBSA成为研究和教育目的的有利选择。它具有开放式结构，允许实现新的功能，可以针对实验室特定目的进行定制。设计架构使用特定的选项卡对应用程序功能进行分组，选项卡的数量可以增加，从而为包括其他功能和保留“一体化”方法铺平道路LBSA还可以作为全息图设计工具，而无需连接到任何外部设备。它完全支持外部全息图的导入，有机会将它们与LBSA中可用的函数叠加和/或用Zernike多项式修改它们。最后，这些操作的结果可以作为单个全息图导出以用于进一步的目的。这一特性使得LBSA成为设计复杂全息图的一种快速有效的方法，如果需要的话，可以进一步使用其他编程语言进行操作。到目前为止，我们已经成功地将LBSA及其功能应用于我们的工作中，包括[19这使我们能够开发LBSA接口及其关键组件，同时证明LBSA在波束成形能力和使用简单性方面符合5. 结论LBSA是一个开源软件，专用于激光束整形，并在MATLAB框架中运行。它旨在实现先进的激光束整形，即使是非技术用户。软件-设备通信的自动化是一项重大努力，因此SLM和外部相机都可以在单个应用程序下操作，同时启用内置的动态数字全息工具。我们介绍了应用程序架构和所有可用组件。该软件的性能已经在一个真实的实验场景中进行了检查，包括迭代设置校正和示例性光束整形功能。通过该软件，我们的目标是将激光束整形提供的优势带给更广泛的受众，而不依赖于他们的编程能力和技术背景。到目前为止，该软件旨在与反射SLM的最流行版本合作，希望在未来的更新中，我们将扩展其功能，以提供幅度和相位幅度调制，同时保持用户友好的方法，我们将其····Mateusz Szatkowski、Przemysawaw Litwin和Jan Masajada软件X 22（2023）1013426∗竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作数据可用性数据将根据要求提供。致谢我们要感谢我们的合作伙伴和合作者，他们帮助我们开发了一套工具，LBSA。我们要特别感谢Klaudia Nowacka、EmiliaBurnecka 、 AnnaKhoroshun 、 DorilianLopez-Mago 、RosarioPorras - Aguilar和Agnieszka Popioszek-Masajada。资金该研究由波兰国家科学中心资助，2022/45/B/ST 7/01234。附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2023.101342上找到。引用[1] Forbes A，de Oliveira M，Dennis MR. 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