יישום של מודולטורי אור מרחביים לאור מערבולת מורכב
רֶקַע
תופעות מערבולת נראות בחיים, כגון מערבולות אמבטיה המתרחשות בעת ניקוז מים, מערבולות אחריות המתנתקות מספינות בזמן שהן מפליגות, סופות טורנדו, טייפונים ומחזור אוקיינוס. אור מערבולת (נושא תנע זוויתי מסלולי, OAM) התגלה לראשונה ויושם בעיקר בתחום האופטיקה, כלומר, יצירת פוטוני מערבולת וקורות מערבולת, והרעיון של קורות מערבולת הוצע לראשונה על ידי קולט ועמיתיו בשנת 1989. בשנת 1922, ל. אלן ועמיתיו הוכיחו תיאורטית את קיומו של OAM בקרני מערבולת, מה שדחף את התחום לחזית העולם.
בהשוואה לאור מערבולת מסורתי בעל טבעת אחת, אור מערבולת מורכב (COV) הוא שדה אור מורכב המשולב על ידי מספר אורות מערבולת, ולכן יש לו תכונות מורכבות ומגוונות יותר, המאפשרות פוטנציאל יישומים מגוון יותר בתחומים שונים.
לדוגמה, במניפולציה של חלקיקים, אור מערבולת מורכב יכול לייצר קרני אור בעלות תנע זוויתי מסלולי שונה, מה שמאפשר מניפולציה מורכבת יותר של חלקיקים; בתקשורת אופטית, אור מערבולת מורכב יכול להעביר מידע רב יותר באותו נתיב אופטי, דבר בעל משמעות רבה להרחבת קיבולת התקשורת האופטית המתמשכת.
כאחת הדרכים המרכזיות לוויסות השדה האופטי, מודולטורים של אור מרחבי נמצאים בשימוש נרחב בתחומים שונים בשל קלות ההפעלה שלהם ויכולתם לייצר אפקטים טובים של הדמיה, והשימוש במודולטורים של אור מרחבי ליצירת אור מערבולת טומן בחובו פוטנציאל יישום רחב הן בתקשורת אופטית והן במניפולציה של חלקיקים.
תַקצִיר
מערבולת אופטית היא קרן בעלת חזית גל פאזה סלילית עם תנע זוויתי מסלולי (OAM) שיכולה לשאת מספרי מטען טופולוגיים שונים. התקדמות אחרונה במחקר אלומת מערבולת חוללה מהפכה ביישומי אלומה כגון מניפולציה אופטית מתקדמת, תקשורת אופטית בעלת קיבולת גבוהה והדמיה ברזולוציה גבוהה. אין ספק ששיטות יצירת וגילוי אלומת מערבולת הן קריטיות עבור יישומי אלומת מערבולת.
עקרון הדור
שיטות הייצור המבוססות על אור מרחבי כוללות בעיקר את שיטת לוח הפאזה הספירלי, שיטת אפנן האור המרחבי, שיטת הסריגים ההולוגרפיים ושיטת עדשת העמודה. ביניהן, אפנן אור מרחבי הוא התקן אופטואלקטרוני שיכול לווסת מרחבית חלק או את כל המידע הפיזי כגון משרעת, פאזה ומצב הקיטוב של גל אור.
באמצעות האפקט האלקטרו-אופטי של גבישים נוזליים, ניתן לממש את מודולטור האור המרחבי כדי לווסת את האמפליטודה והפאזה של גל האור הפוגע, כך שגל האור מממש את טרנספורמציית חזית הגל. ניתן להשתמש במווסת האור המרחבי כדי לטעון הולוגרמה ליצירת אור מערבולת, או באופן אופציונלי כדי להזין מידע פאזה מלוח פאזה סלילי.
קרני מערבולת המתאימות למספרי מטען טופולוגיים שונים (תמונה ממדידות פנימיות)
מימוש ניסיוני
בניסוי זה, הלייזר שנבחר לשימוש הוא לייזר He-Ne בעל אורך גל של 632.8 ננומטר. הנתיב האופטי הניסיוני מוצג באיור למטה. הלייזר עובר תחילה דרך מערכת פיזור קרן מקולימטת כדי ליצור שדה אור גדול כמעט שטוח, ולאחר מכן עובר דרך מקטב לפני שהוא מגיע למווסת האור המרחבי, שם מגן אור ממוקם מיד לפני מווסת האור המרחבי.
אור הלייזר מגיע למווסת האור המרחבי לאחר אפנון עוצמת האור על ידי המסכה. לאחר אפנון הפאזה, הלייזר מוחזר למקטב אחר, וניתן לצפות בתוצאות הניסוי לאחר מקטב זה. כאן, מכיוון ששטח הצילום של מווסת האור המרחבי הוא 15.36 מ"מ × 8.64 מ"מ, שהוא גדול בהרבה משטח קליטת התמונה של ה-CCD, התמונה נקלטת על ידי ה-CCD דרך מערכת 4f.
מכשיר ניסיוני
מודולטור האור המרחבי בו נעשה שימוש בניסוי זה הוא ה-FSLM-2K70-P02 שלנו, והפרמטרים העיקריים שלו הם כדלקמן:
| מספר דגם | FSLM-2K70-VIS |
| סוג אפנון | סוג פאזה |
| סוג גביש נוזלי | רַעיוֹנִי |
| רמת גווני אפור | 8 סיביות, 256 רמות |
| מספר פיקסלים | 1920×1080 |
| גודל התמונה | 8um |
| שטח אפקטיבי | 0.69 אינץ' 15.36 מ"מ × 8.64 מ"מ |
| ניצול אופטי | 75% @532nm |
| טווח פאזות | 2.8π@633nm |
| גורם מילוי | 87% |
| טווח ספקטרלי | 430nm-750nm |
| תדירות רענון | 60 הרץ |
| התחלה וגילוי הטיה | זווית 0° לצד הארוך של שסתום האור הגבישי הנוזלי |
| קלט הספק | 5V 3A |
| זווית כיוון | 0° |
| ממשק נתונים | HDMI |
| סף נזק | 2W/סמ"ר |
תוצאות
(א)-(ד) מציגים את התפלגות עוצמת האור המופקת כאשר המטענים הטופולוגיים הם 2,5, -5,10, בהתאמה.
איורים (א)(ב) מציגים שני גווני לוח פאזה ספירלי טבעתי (ASPP) בעלי רוחב טבעת זהה אך רדיוסים שונים עם מרכזים אטומים. r1 ו-r2 של השניים הם 1.2 מ"מ, 2.4 מ"מ; 2.4 מ"מ, 3.6 מ"מ, בהתאמה.
איורים (ג)(ד) מציגים את התמונות שהתקבלו על ידי הגדרת המטען הטופולוגי של מודולטור האור המרחבי ל-2 והצבת מסכות אור שונות לפני מודולטור האור המרחבי. איורים (ה) (ו) מציגים את התמונות שנצפו לאחר הגדרת מספר המטען הטופולוגי ל-10.
איור (א) מציג את גווני המכשיר ליצירת אור מערבולת מרוכב.
איור (ב) מציג את התפלגות עוצמת האור הנוצרת כאשר המטענים הטופולוגיים הפנימיים והחיצוניים הם 1 ו-3, בהתאמה.
איור (ג) מציג את התפלגות עוצמת האור כאשר מספר המטען הטופולוגי קבוע והפס האטום מוסר.
איור (ד) מציג את התפלגות עוצמת האור לאחר שהמטענים הטופולוגיים נשמרים קבועים והרצועות מוחלפות ברצועות שקופות.
איורים (ה) ו-(ו) מראים את התפלגות עוצמת האור הנוצרת כאשר המטענים הטופולוגיים הפנימיים והחיצוניים הם 5,1; 20,1, בהתאמה.
מַסְקָנָה
הוויסות של עוצמת האור והפאזה מתבצע על ידי שילוב של מסכת אור ומווסת אור מרחבי מסוג פאזה, ויכולתו של התקן יצירת אור מערבולת מרוכב לייצר COVs ומאפייניו מאומתים בניסוי, כמו גם המאפיינים של לוח הפאזה הספירלי (SPP) ולוח הפאזה הספירלי הטבעתי (ASPP) ביצירת אור מערבולת.
התקן יצירת אור מערבולת מרוכב שתוכנן במאמר זה יכול ליצור כל מספר של טבעות קונצנטריות בהתאם לדרישות השימוש. לאור מערבולת מרוכב זה יהיה מגוון רחב של יישומים בתחומי התקשורת האופטית ומניפולציית חלקיקים.