Térbeli fénymodulátorok alkalmazása kompozit örvényfényre

Háttér

Az életben is megfigyelhetők örvényjelenségek, például a víz leeresztésekor keletkező fürdőkádörvények, a hajókról utazás közben leváló nyomörvények, tornádók, tájfunok és az óceáni áramlatok. Az örvényfényt (amely pályamomentumot, OAM) először az optika területén fedezték fel és alkalmazták, azaz örvényfotonok és örvénynyalábok generálására, az örvénynyalábok koncepcióját pedig Coullet és munkatársai vetették fel először 1989-ben. 1922-ben L. Allen és munkatársai elméletileg bizonyították az OAM létezését az örvénynyalábokban, ami a terület világszintű előtérbe helyezte.

A hagyományos, egygyűrűs örvényfényhez képest a kompozit örvényfény (COV) egy összetett fénymező, amelyet több örvényfény kombinál, így összetettebb és változatosabb tulajdonságokkal rendelkezik, ami lehetővé teszi a változatosabb alkalmazási lehetőségeket különböző területeken.

Például a részecskemanipulációban az összetett örvényfény különböző pályamomentumú fénysugarakat képes létrehozni, lehetővé téve a részecskék összetettebb manipulálását; az optikai kommunikációban az összetett örvényfény több információt képes továbbítani ugyanazon az optikai útvonalon, ami nagy jelentőséggel bír az optikai kommunikáció kapacitásának folyamatos bővítése szempontjából.

Az optikai mező modulálásának egyik fő módjaként a térbeli fénymodulátorokat széles körben használják különböző területeken a könnyű kezelhetőségük és a jó képalkotási effektusok előállításának képessége miatt, és a térbeli fénymodulátorok használata örvényfény előállítására széles körű alkalmazási lehetőséget kínál mind az optikai kommunikációban, mind a részecske-manipulációban.

Absztrakt

Az optikai örvény egy helikális fázishullámfronttal és pályamomentummal (OAM) rendelkező nyaláb, amely különböző topológiai töltésszámokat hordozhat. Az örvénynyaláb-kutatás legújabb eredményei forradalmasították a nyalábalkalmazásokat, mint például a fejlett optikai manipuláció, a nagy kapacitású optikai kommunikáció és a szuperfelbontású képalkotás. Kétségtelen, hogy az örvénynyaláb-generálási és -érzékelési módszerek kulcsfontosságúak az örvénynyaláb-alkalmazásokban.

Generációs elv

A térbeli fényen alapuló fénygenerálási módszerek főként a spirális fázisú lemez módszert, a térbeli fénymodulátor módszert, a holografikus rács módszert és az oszloplencse módszert foglalják magukban. Ezek közül a térbeli fénymodulátor egy optoelektronikai eszköz, amely képes térben modulálni a fizikai információk egy részét vagy egészét, például a fényhullám amplitúdóját, fázisát és polarizációs állapotát.

A folyadékkristályok elektrooptikai hatását kihasználva a térbeli fénymodulátor megvalósítható a beeső fényhullám amplitúdójának és fázisának modulálására, így a fényhullám hullámfront-transzformációt valósít meg. A térbeli fénymodulátor felhasználható hologram betöltéséhez örvényfény létrehozásához, vagy opcionálisan fázisinformációk bevitelére egy spirális fázislemezről.

Különböző topológiai töltésszámoknak megfelelő örvénynyalábok (kép saját mérésekből)

Kísérleti megvalósítás

Ebben a kísérletben a használt lézer egy 632,8 nm hullámhosszú He-Ne lézer. A kísérleti optikai útvonal az alábbi ábrán látható. A lézer először egy kollimált nyalábszóró rendszeren halad át, hogy egy nagyméretű, közel sík tetejű fénymezőt hozzon létre, majd egy polarizátoron halad át, mielőtt elérné a térbeli fénymodulátort, ahol egy fényárnyékolót helyeznek el közvetlenül a térbeli fénymodulátor előtt.

A lézerfény a fényintenzitás maszk általi modulálása után éri el a térbeli fénymodulátort. A fázismoduláció után a lézer egy másik polarizátorra verődik vissza, és a kísérleti eredmények e polarizátor után figyelhetők meg. Mivel a térbeli fénymodulátor képalkotási területe 15,36 mm × 8,64 mm, ami jóval nagyobb, mint a CCD képérzékelő területe, a CCD a képet a 4f rendszeren keresztül veszi fel.

Kísérleti eszköz

A kísérletben használt térbeli fénymodulátor az FSLM-2K70-P02, amelynek fő paraméterei a következők:

Eredmények

Az (a)-(d) ábrák a 2,5, -5 és 10 topológiai töltések esetén keletkező fényintenzitás-eloszlást mutatják.

Az (a)(b) ábrák két gyűrűs spirálfázisú lemezes (ASPP) ernyőt mutatnak, azonos gyűrűszélességgel, de eltérő sugarú és átlátszatlan középponttal. A kettő r1 és r2 értékei rendre 1,2 mm, 2,4 mm; 2,4 mm, 3,6 mm.

A (c)(d) ábrák a térbeli fénymodulátor topológiai töltésének 2-re állításával és a térbeli fénymodulátor elé helyezett különböző fénymaszkok alkalmazásával kapott képeket mutatják. Az (e)(f) ábrák a topológiai töltésszám 10-re állítása után megfigyelt képeket mutatják.

Az (a) ábra a kompozit örvényfény-generáló eszköz árnyalatait mutatja.

A (b) ábra a belső és külső topológiai töltések 1-es, illetve 3-as értékei esetén keletkező fényintenzitás-eloszlást mutatja.

A (c) ábra a fényintenzitás-eloszlást mutatja állandó topológiai töltésszám és az átlátszatlan csík eltávolítása esetén.

A (d) ábra a fényintenzitás-eloszlást mutatja, miután a topológiai töltéseket állandó értéken tartottuk, és a csíkokat átlátszó csíkokkal helyettesítettük.

Az (e) és (f) ábrák az 5,1 belső és 20,1 külső topológiai töltések esetén keletkező fényintenzitás-eloszlást mutatják.

Következtetés

A fényintenzitás és a fázis modulációját egy fénymaszk és egy fázis típusú térbeli fénymodulátor kombinálásával valósítják meg, és kísérletileg igazolják a kompozit örvényfény-generáló eszköz COV-ok generálására való képességét és jellemzőit, valamint a spirális fázislemez (SPP) és a gyűrűs spirális fázislemez (ASPP) örvényfény generálásában betöltött szerepét.

Az ebben a cikkben tervezett kompozit örvényfény-generátor eszköz tetszőleges számú koncentrikus gyűrűt képes létrehozni a felhasználási igényeknek megfelelően. Ez a kompozit örvényfény széles körben alkalmazható az optikai kommunikáció és a részecskemanipuláció területén.