Aplicación de moduladores de luz espacial á luz de vórtice composto
Fondo
Os fenómenos de vórtices obsérvanse na vida, como os vórtices de bañeira que se producen ao drenar auga, os vórtices de estela que se desprenden dos barcos mentres viaxan, os tornados, os tifóns e a circulación oceánica. A luz de vórtice (que leva momento angular orbital, MAO) descubriuse e aplicouse por primeira vez principalmente no campo da óptica, é dicir, na xeración de fotóns de vórtice e feixes de vórtice, e o concepto de feixes de vórtice foi proposto por primeira vez por Coullet et al. en 1989. En 1922, L. Allen et al. demostraron teoricamente a existencia de MAO en feixes de vórtice, o que levou o campo á vangarda mundial.
En comparación coa luz de vórtice dun só anel tradicional, a luz de vórtice composta (COV) é un campo de luz composta combinado por varias luces de vórtice e, polo tanto, ten propiedades máis complexas e diversas, o que permite un potencial de aplicación máis diversificado en diferentes campos.
Por exemplo, na manipulación de partículas, a luz de vórtice composta pode xerar feixes de luz con diferente momento angular orbital, o que permite unha manipulación máis complexa das partículas; na comunicación óptica, a luz de vórtice composta pode transmitir máis información na mesma traxectoria óptica, o que é de grande importancia para a expansión continua da capacidade da comunicación óptica.
Como unha das principais formas de modular o campo óptico, os moduladores espaciais de luz úsanse amplamente en varios campos debido á súa facilidade de funcionamento e á capacidade de producir bos efectos de imaxe, e o uso de moduladores espaciais de luz para xerar luz de vórtice ten unha ampla perspectiva de aplicación tanto na comunicación óptica como na manipulación de partículas.
Resumo
Un vórtice óptico é un feixe cunha fronte de onda de fase helicoidal con momento angular orbital (MAO) que pode transportar diferentes números de carga topolóxica. Os avances recentes na investigación de feixes de vórtices revolucionaron as aplicacións de feixes como a manipulación óptica avanzada, as comunicacións ópticas de alta capacidade e a imaxe de superresolución. Non hai dúbida de que os métodos de xeración e detección de feixes de vórtices son cruciais para as aplicacións de feixes de vórtices.
Principio de xeración
Os métodos de xeración baseados na luz espacial inclúen principalmente o método da placa de fase en espiral, o método do modulador de luz espacial, o método da reixa holográfica e o método da lente de columna. Entre eles, un modulador de luz espacial é un dispositivo optoelectrónico que pode modular espacialmente algunha ou toda a información física, como a amplitude, a fase e o estado de polarización dunha onda de luz.
Usando o efecto electroóptico dos cristais líquidos, pódese realizar o modulador de luz espacial para modular a amplitude e a fase da onda de luz incidente, de xeito que a onda de luz realice a transformación da fronte de onda. O modulador de luz espacial pódese utilizar para cargar un holograma para formar unha luz de vórtice ou, opcionalmente, para introducir información de fase dunha placa de fase helicoidal.
Feixes de vórtice correspondentes a diferentes números de carga topolóxica (imaxe de medicións internas)
Realización experimental
Neste experimento, o láser escollido para usar é un láser He-Ne cunha lonxitude de onda de 632,8 nm. A traxectoria óptica experimental móstrase na figura seguinte. O láser pasa primeiro por un sistema de dispersión de feixe colimado para formar un campo de luz case plano de gran formato e, a continuación, pasa por un polarizador antes de chegar ao modulador de luz espacial, onde se coloca un escudo de luz inmediatamente diante do modulador de luz espacial.
A luz láser chega ao modulador de luz espacial despois da modulación da intensidade da luz pola máscara. Despois da modulación de fase, o láser reflíctese noutro polarizador e os resultados experimentais pódense observar despois deste polarizador. Aquí, debido a que a área de imaxe do modulador de luz espacial é de 15,36 mm × 8,64 mm, que é moito maior que a área de recepción de imaxes do CCD, a imaxe é recibida polo CCD a través do sistema 4f.
Dispositivo experimental
O modulador espacial de luz empregado neste experimento é o noso FSLM-2K70-P02, e os seus principais parámetros son os seguintes:
| Nº de modelo | FSLM-2K70-VIS |
| Tipo de modulación | Tipo de fase |
| Tipo de cristal líquido | Reflectante |
| Nivel de escala de grises | 8 bits, 256 niveis |
| Número de píxeles | 1920 × 1080 |
| Tamaño da imaxe | 8 µm |
| área efectiva | 0,69" 15,36 mm × 8,64 mm |
| Utilización óptica | 75% a 532 nm |
| Rango de fase | 2,8π@633nm |
| Factor de recheo | 87% |
| Rango espectral | 430 nm-750 nm |
| Frecuencia de actualización | 60 Hz |
| Arranque e detección de polarización | Ángulo de 0° respecto ao lado longo da válvula de luz de cristal líquido |
| Entrada de enerxía | 5V 3A |
| ángulo de orientación | 0° |
| Interface de datos | HDMI |
| Limiar de dano | 2 W/cm² |
Resultados
(a)-(d) mostran as distribucións de intensidade luminosa producidas cando as cargas topolóxicas son 2, 5, -5 e 10, respectivamente.
As figuras (a)(b) mostran dúas pantallas de placa de fase espiral anular (ASPP) coa mesma anchura de anel pero diferentes raios con centros opacos. Os valores r1 e r2 das dúas son de 1,2 mm, 2,4 mm; 2,4 mm e 3,6 mm, respectivamente.
As figuras (c)(d) mostran as imaxes obtidas axustando a carga topolóxica do modulador espacial de luz a 2 e colocando diferentes máscaras de luz diante do modulador espacial de luz. As figuras (e)(f) mostran as imaxes observadas despois de axustar o número de carga topolóxica a 10.
A figura (a) mostra as sombras do dispositivo composto de xeración de luz de vórtice.
A figura (b) mostra a distribución da intensidade luminosa xerada cando as cargas topolóxicas internas e externas son 1 e 3, respectivamente.
A figura (c) mostra a distribución da intensidade luminosa cando o número de carga topolóxica é constante e se retira a tira opaca.
A figura (d) mostra a distribución da intensidade luminosa despois de manter constantes as cargas topolóxicas e substituír as tiras por transparentes.
As figuras (e) e (f) mostran as distribucións de intensidade luminosa xeradas cando as cargas topolóxicas internas e externas son 5,1; 20,1, respectivamente.
Conclusión
A modulación da intensidade e fase da luz realízase combinando unha máscara de luz e un modulador espacial de luz de tipo fase, e verifícanse experimentalmente a capacidade do dispositivo composto de xeración de luz de vórtice para xerar COV e as súas características, así como as características da placa de fase en espiral (SPP) e da placa de fase en espiral anular (ASPP) na xeración de luz de vórtice.
O dispositivo composto de xeración de luz de vórtice deseñado neste artigo pode formar calquera número de aneis concéntricos segundo os requisitos de uso. Esta luz de vórtice composto terá unha ampla gama de aplicacións nos campos das comunicacións ópticas e a manipulación de partículas.