სივრცითი სინათლის მოდულატორების გამოყენება კომპოზიტურ ვორტექსურ სინათლეზე
ფონი
მორევის ფენომენები შეინიშნება სიცოცხლეში, როგორიცაა აბაზანის მორევი, რომელიც წარმოიქმნება წყლის დაცლის დროს, ტალღის მორევი, რომელიც შორდება გემებს მათი მოძრაობისას, ტორნადოები, ტაიფუნები და ოკეანის ცირკულაცია. მორევის სინათლე (ორბიტალური კუთხური იმპულსის მატარებელი, OAM) პირველად აღმოაჩინეს და გამოიყენეს ძირითადად ოპტიკის სფეროში, ანუ მორევის ფოტონებისა და მორევის სხივების გენერაციაში, ხოლო მორევის სხივების კონცეფცია პირველად შემოგვთავაზეს კულეტმა და სხვებმა 1989 წელს. 1922 წელს ლ. ალენმა და სხვებმა თეორიულად დაამტკიცეს OAM-ის არსებობა მორევის სხივებში, რამაც ეს სფერო მსოფლიო წინა პლანზე წამოწია.
ტრადიციულ ერთრგოლიან ვორტექსურ სინათლესთან შედარებით, კომპოზიტური ვორტექსური სინათლე (COV) წარმოადგენს კომპოზიტურ სინათლის ველს, რომელიც გაერთიანებულია მრავალი ვორტექსური ნათურით და, შესაბამისად, აქვს უფრო რთული და მრავალფეროვანი თვისებები, რაც საშუალებას იძლევა, სხვადასხვა სფეროში უფრო დივერსიფიცირებული გამოყენების პოტენციალი განვითარდეს.
მაგალითად, ნაწილაკების მანიპულირებისას, კომპოზიტურ ვორტექსურ სინათლეს შეუძლია წარმოქმნას სინათლის სხივები სხვადასხვა ორბიტალური კუთხური იმპულსით, რაც ნაწილაკების უფრო რთული მანიპულირების საშუალებას იძლევა; ოპტიკურ კომუნიკაციაში, კომპოზიტურ ვორტექსურ სინათლეს შეუძლია მეტი ინფორმაციის გადაცემა იმავე ოპტიკური გზით, რასაც დიდი მნიშვნელობა აქვს ოპტიკური კომუნიკაციის შესაძლებლობების შემდგომი გაფართოებისთვის.
როგორც ოპტიკური ველის მოდულაციის ერთ-ერთი მთავარი გზა, სივრცითი სინათლის მოდულატორები ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში მათი მარტივი გამოყენებისა და კარგი გამოსახულების ეფექტების მიღების უნარის გამო, ხოლო სივრცითი სინათლის მოდულატორების გამოყენებას ვორტექსური სინათლის გენერირებისთვის ფართო გამოყენების პერსპექტივა აქვს როგორც ოპტიკურ კომუნიკაციაში, ასევე ნაწილაკების მანიპულირებაში.
აბსტრაქტული
ოპტიკური მორევი არის სხივი სპირალური ფაზის ტალღის ფრონტით ორბიტალური კუთხური იმპულსით (OAM), რომელსაც შეუძლია სხვადასხვა ტოპოლოგიური მუხტის რიცხვის ტარება. მორევის სხივების კვლევაში ბოლოდროინდელმა მიღწევებმა რევოლუცია მოახდინა სხივის ისეთ აპლიკაციებში, როგორიცაა მოწინავე ოპტიკური მანიპულირება, მაღალი სიმძლავრის ოპტიკური კომუნიკაციები და სუპერგარჩევადობის გამოსახულება. ეჭვგარეშეა, რომ მორევის სხივის გენერირებისა და აღმოჩენის მეთოდები გადამწყვეტია მორევის სხივების აპლიკაციებისთვის.
გენერაციის პრინციპი
სივრცულ სინათლეზე დაფუძნებული გენერაციის მეთოდები ძირითადად მოიცავს სპირალურ ფაზურ ფირფიტის მეთოდს, სივრცულ სინათლის მოდულატორის მეთოდს, ჰოლოგრაფიულ ბადეურ მეთოდს და სვეტისებრი ლინზის მეთოდს. მათ შორის, სივრცული სინათლის მოდულატორი არის ოპტოელექტრონული მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია სივრცულად მოდულირება მოახდინოს ფიზიკური ინფორმაციის ნაწილის ან მთლიანად, როგორიცაა სინათლის ტალღის ამპლიტუდა, ფაზა და პოლარიზაციის მდგომარეობა.
თხევადი კრისტალების ელექტროოპტიკური ეფექტის გამოყენებით, სივრცითი სინათლის მოდულატორის გამოყენება შესაძლებელია დაცემული სინათლის ტალღის ამპლიტუდისა და ფაზის მოდულირებისთვის, ისე, რომ სინათლის ტალღა ახორციელებდეს ტალღის ფრონტის ტრანსფორმაციას. სივრცითი სინათლის მოდულატორის გამოყენება შესაძლებელია როგორც ჰოლოგრამის ჩასატვირთად, ისე, რომ შეიქმნას ვორტექსური სინათლის ფორმა, ასევე, სურვილისამებრ, ფაზის ინფორმაციის სპირალური ფაზური ფირფიტიდან შეყვანისთვის.
სხვადასხვა ტოპოლოგიური მუხტის რიცხვების შესაბამისი ვორტექსური სხივები (სურათი კომპანიის შიდა გაზომვებიდან)
ექსპერიმენტული რეალიზაცია
ამ ექსპერიმენტში გამოსაყენებლად შერჩეულია He-Ne ლაზერი 632.8 ნმ ტალღის სიგრძით. ექსპერიმენტული ოპტიკური გზა ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაზე. ლაზერი თავდაპირველად გადის კოლიმირებულ სხივის გამავრცელებელ სისტემაში, რათა შექმნას დიდი ფორმატის თითქმის ბრტყელზედა სინათლის ველი, შემდეგ კი გადის პოლარიზატორში, სანამ სივრცულ სინათლის მოდულატორამდე მიაღწევს, სადაც სინათლის ფარი მოთავსებულია სივრცული სინათლის მოდულატორის წინ.
ლაზერული სინათლე სივრცულ სინათლის მოდულატორამდე აღწევს ნიღბით სინათლის ინტენსივობის მოდულაციის შემდეგ. ფაზური მოდულაციის შემდეგ, ლაზერი აირეკლება სხვა პოლარიზატორისკენ და ექსპერიმენტული შედეგების დაკვირვება ამ პოლარიზატორის შემდეგ არის შესაძლებელი. აქ, რადგან სივრცული სინათლის მოდულატორის გამოსახულების არეა 15.36 მმ × 8.64 მმ, რაც გაცილებით დიდია CCD-ის გამოსახულების მიღების არეზე, გამოსახულება CCD-ის მიერ მიიღება 4f სისტემის მეშვეობით.
ექსპერიმენტული მოწყობილობა
ამ ექსპერიმენტში გამოყენებული სივრცითი სინათლის მოდულატორი არის ჩვენი FSLM-2K70-P02 და მისი ძირითადი პარამეტრებია:
| მოდელის ნომერი | FSLM-2K70-VIS |
| მოდულაციის ტიპი | ფაზის ტიპი |
| თხევადი კრისტალის ტიპი | ამრეკლავი |
| ნაცრისფერი შკალის დონე | 8 ბიტი, 256 დონე |
| პიქსელების რაოდენობა | 1920×1080 |
| სურათის ზომა | 8 მიკრონი |
| ეფექტური ფართობი | 0.69" 15.36 მმ × 8.64 მმ |
| ოპტიკური გამოყენება | 75% @532nm |
| ფაზის დიაპაზონი | 2.8π@633 ნმ |
| შევსების ფაქტორი | 87% |
| სპექტრული დიაპაზონი | 430 ნმ-750 ნმ |
| განახლების სიხშირე | 60 ჰერცი |
| მიკერძოების დაწყება და გამოვლენა | 0° კუთხე თხევადკრისტალური სინათლის სარქვლის გრძელ მხარესთან |
| შემავალი სიმძლავრე | 5 ვოლტი 3 ა |
| ორიენტაციის კუთხე | 0° |
| მონაცემთა ინტერფეისი | HDMI |
| დაზიანების ზღვარი | 2W/სმ² |
შედეგები
(ა)-(დ) აჩვენებენ სინათლის ინტენსივობის განაწილებას, რომელიც წარმოიქმნება, როდესაც ტოპოლოგიური მუხტები შესაბამისად 2,5, -5,10-ია.
ნახაზებზე (ა)(ბ) ნაჩვენებია რგოლისებრი სპირალური ფაზური ფირფიტის (ASPP) ორი ელფერი, რომლებსაც აქვთ ერთი და იგივე რგოლის სიგანე, მაგრამ განსხვავებული რადიუსები გაუმჭვირვალე ცენტრებით. ორივეს r1 და r2 შესაბამისად 1.2 მმ, 2.4 მმ; 2.4 მმ, 3.6 მმ-ია.
ნახაზები (გ)(დ) გვიჩვენებს გამოსახულებებს, რომლებიც მიღებულია სივრცითი სინათლის მოდულატორის ტოპოლოგიური მუხტის 2-ზე დაყენებით და სივრცითი სინათლის მოდულატორის წინ სხვადასხვა სინათლის ნიღბების განთავსებით. ნახაზები (ე)(ვ) გვიჩვენებს გამოსახულებებს, რომლებიც დაკვირვებულია ტოპოლოგიური მუხტის 10-ზე დაყენების შემდეგ.
სურ. (ა)-ზე ნაჩვენებია კომპოზიტური ვორტექსური სინათლის გენერატორის მოწყობილობის ელფერები.
სურათი (ბ) გვიჩვენებს სინათლის ინტენსივობის განაწილებას, რომელიც წარმოიქმნება, როდესაც შიდა და გარე ტოპოლოგიური მუხტები შესაბამისად 1 და 3-ია.
ნახ. (გ) გვიჩვენებს სინათლის ინტენსივობის განაწილებას, როდესაც ტოპოლოგიური მუხტის რიცხვი მუდმივია და გაუმჭვირვალე ზოლი მოცილებულია.
სურათი (დ) გვიჩვენებს სინათლის ინტენსივობის განაწილებას ტოპოლოგიური მუხტების მუდმივი შენარჩუნებისა და ზოლების გამჭვირვალე მუხტებით ჩანაცვლების შემდეგ.
ნახაზები (ე) და (ვ) აჩვენებს სინათლის ინტენსივობის განაწილებას, რომელიც წარმოიქმნება, როდესაც შიდა და გარე ტოპოლოგიური მუხტები შესაბამისად 5,1; 20,1-ია.
დასკვნა
სინათლის ინტენსივობისა და ფაზის მოდულაცია ხორციელდება სინათლის ნიღბისა და ფაზური ტიპის სივრცითი სინათლის მოდულატორის კომბინაციით, ხოლო კომპოზიტური ვორტექსური სინათლის გენერატორის მოწყობილობის COV-ების გენერირების უნარი და მისი მახასიათებლები ექსპერიმენტულად დადასტურებულია, ისევე როგორც სპირალური ფაზური ფირფიტის (SPP) და რგოლისებრი სპირალური ფაზური ფირფიტის (ASPP) მახასიათებლები ვორტექსური სინათლის გენერირებაში.
ამ ნაშრომში შემუშავებულ კომპოზიტურ ვორტექსურ სინათლის გენერატორ მოწყობილობას შეუძლია შექმნას კონცენტრული რგოლების ნებისმიერი რაოდენობა გამოყენების მოთხოვნების შესაბამისად. ამ კომპოზიტურ ვორტექსურ სინათლეს ფართო გამოყენება ექნება ოპტიკური კომუნიკაციებისა და ნაწილაკების მანიპულირების სფეროებში.