Fast Spatial Light Modulators for Neuronal Excitation and Imaging

用于神经元激发和成像的快速空间光调制器

基本信息

  • 批准号:
    9766307
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.61万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-01 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary: We propose to develop fast spatial light modulators (SLM) to address the need for optical hardware compatible with the current fast genetically encoded sensors and actuators. SLMs are versatile optical components that enable beam steering and holographic projection of arbitrary patterns. They have recently been used for patterned optogenetic excitation of specific sets of neurons in the brain. However, current experiments are limited by the low speed of available spatial light modulators (~100 Hz). To match the needs of fast neuronal activation we propose to develop a technology for ultra-fast free-space SLMs with speeds exceeding 10 MHz operating at near infrared wavelengths (850nm-1000nm) and thus compatible with two-photon optogenetic excitation and two-photon microscopy. We already demonstrated proof of concept devices in silicon operating at telecom wavelength (~1550nm) modulated at slower speed via the thermo-optic effect. However, operation at telecom wavelengths is not suitable for most applications in neural stimulation and imaging, and Si can nor be used for wavelengths below ~1100nm because it is absorptive. We will use similar designs and techniques as in our current silicon photonics SLMs to develop devices in GaAs capable of fast optical beam steering in free space in the near infrared. The technology is based on GaAs nano-photonics that already enables on-chip photonic modulators operating at speeds exceeding several GHz. Aim 1: Develop proof of concept of a single SLM pixel and demonstrate operation at speeds faster than 10MHz in the near infrared. For this aim we will translate our already developed designs for Si SLMs to the GaAs material. We will show first modulation using the thermo-optic effect with speeds exceeding 1KHz, and then modulation using carrier injection/depletion at speeds exceeding 10MHz. The pixel size will be ~10µmx10µm Aim 2: Develop a prototype SLM with 8x8 pixels and demonstrate basic beam deflection functionality. This is a small version of the final device. It will allow us to troubleshoot any problems that may arise with the device, like cross-talk between pixels, heating, maximum optical power that can be handled. Aim 3: Develop a prototype SLM with >1000x1000 pixels and demonstrate fast optical beam steering. This is a SLM prototype that will have most of the functionality required to demonstrate proof of concept beam steering and pattern projection at speeds greater than 10MHz. We will demonstrate proof of concept two photon excitation microscopy.
项目摘要:我们建议开发快速空间光调制器(SLM)来解决 需要与当前快速基因编码传感器兼容的光学硬件 执行器。 SLM 是多功能光学元件,可实现光束控制和全息 任意图案的投影。它们最近被用于图案化光遗传学 大脑中特定神经元组的兴奋。然而,目前的实验受到以下限制 可用空间光调制器的速度较低(~100 Hz)。为了满足快速的需求 我们建议开发一种用于超快自由空间 SLM 的技术 在近红外波长(850nm-1000nm)下运行速度超过 10 MHz,因此 与双光子光遗传学激发和双光子显微镜兼容。我们已经 展示了在电信波长(~1550nm)下运行的硅器件概念验证 通过热光效应以较慢的速度调制。然而,电信运营商 波长不适用于神经刺激和成像中的大多数应用,而硅可以 也不能用于低于 ~1100nm 的波长,因为它具有吸收性。我们将使用类似的 采用我们当前的硅光子 SLM 的设计和技术来开发 GaAs 器件 能够在近红外自由空间中进行快速光束控制。该技术是基于 GaAs 纳米光子学已经使片上光子调制器能够高速运行 超过数GHz。 目标 1:开发单个 SLM 像素的概念证明并在 在近红外区域速度快于10MHz。为了这个目标,我们将翻译我们已经 开发了从 Si SLM 到 GaAs 材料的设计。我们将使用以下方式展示第一个调制 速度超过1KHz的热光效应,然后使用载波调制 注入/耗尽速度超过 10MHz。像素尺寸约为 10μmx10μm 目标 2:开发 8x8 像素的 SLM 原型并演示基本的光束偏转 功能。这是最终设备的小型版本。它将使我们能够解决任何问题 设备可能出现的问题,例如像素之间的串扰、发热、最大 可以处理的光功率。 目标 3:开发像素 >1000x1000 的原型 SLM 并演示快速光学 光束转向。这是一个 SLM 原型,具有以下功能所需的大部分功能: 展示概念证明光束转向和图案投影速度大于 10兆赫。我们将演示两个光子激发显微镜的概念验证。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
NEMS-tunable dielectric chiral metasurfaces.
  • DOI:
    10.1021/acsphotonics.1c00898
  • 发表时间:
    2021-10-20
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Kwon, Hyounghan;Faraon, Andrei
  • 通讯作者:
    Faraon, Andrei
Nanoelectromechanical Tuning of High-Q Slot Metasurfaces.
  • DOI:
    10.1021/acs.nanolett.3c00999
  • 发表时间:
    2023-06-28
  • 期刊:
  • 影响因子:
    10.8
  • 作者:
    Zheng, Tianzhe;Kwon, Hyounghan;Faraon, Andrei
  • 通讯作者:
    Faraon, Andrei
Nano-electromechanical Tuning of Dual-Mode Resonant Dielectric Metasurfaces for Dynamic Amplitude and Phase Modulation.
  • DOI:
    10.1021/acs.nanolett.0c04888
  • 发表时间:
    2021-04-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
    10.8
  • 作者:
    Kwon H;Zheng T;Faraon A
  • 通讯作者:
    Faraon A
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  • 资助金额:
    $ 23.61万
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