Toepassing van ruimtelijke lichtmodulatoren op samengesteld wervellicht
Achtergrond
Wervelverschijnselen komen in het leven voor, zoals badkuipwervelingen die ontstaan bij het aftappen van water, zogwervelingen die loskomen van schepen tijdens hun vaart, tornado's, tyfonen en oceaancirculatie. Wervellicht (met orbitaal hoekmomentum, OAM) werd voor het eerst ontdekt en vooral toegepast in de optica, d.w.z. het genereren van vortexfotonen en vortexbundels. Het concept van vortexbundels werd voor het eerst voorgesteld door Coullet et al. in 1989. In 1922 bewezen L. Allen et al. theoretisch het bestaan van OAM in vortexbundels, wat het vakgebied wereldwijd op de kaart zette.
Vergeleken met de traditionele enkelringwervellamp is samengestelde wervellamp (COV) een samengesteld lichtveld dat wordt gecombineerd met meerdere wervellampen. Hierdoor heeft het complexere en diversere eigenschappen, wat zorgt voor een meer gediversifieerd toepassingspotentieel in verschillende vakgebieden.
Bij het manipuleren van deeltjes kan samengesteld wervellicht bijvoorbeeld lichtbundels genereren met verschillende baanimpulsmomenten, waardoor complexere manipulatie van deeltjes mogelijk wordt. Bij optische communicatie kan samengesteld wervellicht meer informatie via hetzelfde optische pad overbrengen, wat van groot belang is voor de verdere uitbreiding van de capaciteit van optische communicatie.
Ruimtelijke lichtmodulatoren behoren tot de meest voorkomende methoden om het optische veld te moduleren. Ze worden op grote schaal gebruikt in uiteenlopende vakgebieden vanwege hun gebruiksgemak en hun vermogen om goede beeldeffecten te produceren. Het gebruik van ruimtelijke lichtmodulatoren om wervellicht te genereren kent een breed toepassingsperspectief in zowel optische communicatie als deeltjesmanipulatie.
Abstract
Een optische vortex is een bundel met een spiraalvormig fasegolffront en orbitaal impulsmoment (OAM) dat verschillende topologische ladingsgetallen kan dragen. Recente ontwikkelingen in onderzoek naar vortexbundels hebben een revolutie teweeggebracht in toepassingen zoals geavanceerde optische manipulatie, optische communicatie met hoge capaciteit en superresolutie-beeldvorming. Het lijdt geen twijfel dat methoden voor het genereren en detecteren van vortexbundels cruciaal zijn voor vortexbundeltoepassingen.
Generatieprincipe
De generatiemethoden op basis van ruimtelijk licht omvatten voornamelijk de spiraalfaseplaatmethode, de ruimtelijke lichtmodulatormethode, de holografische roostermethode en de kolomlensmethode. Een ruimtelijke lichtmodulator is een opto-elektronisch apparaat dat een deel of alle fysieke informatie, zoals de amplitude, fase en polarisatietoestand van een lichtgolf, ruimtelijk kan moduleren.
Door gebruik te maken van het elektro-optische effect van vloeibare kristallen kan de ruimtelijke lichtmodulator worden gerealiseerd om de amplitude en fase van de invallende lichtgolf te moduleren, zodat de lichtgolf de golffronttransformatie realiseert. De ruimtelijke lichtmodulator kan worden gebruikt om een hologram te laden om een wervellicht te vormen, of optioneel om fase-informatie van een spiraalvormige faseplaat in te voeren.
Wervelstralen die overeenkomen met verschillende topologische ladingsgetallen (afbeelding van interne metingen)
Experimentele realisatie
In dit experiment is gekozen voor een He-Ne-laser met een golflengte van 632,8 nm. Het experimentele optische pad is weergegeven in de onderstaande afbeelding. De laser passeert eerst een gecollimeerd bundelspreidingssysteem om een groot lichtveld met een bijna vlakke bovenkant te vormen, en passeert vervolgens een polarisator voordat hij de ruimtelijke lichtmodulator bereikt, waar een lichtscherm direct voor de ruimtelijke lichtmodulator is geplaatst.
Het laserlicht bereikt de ruimtelijke lichtmodulator na modulatie van de lichtintensiteit door het masker. Na fasemodulatie wordt de laser gereflecteerd naar een andere polarisator, en de experimentele resultaten kunnen na deze polarisator worden waargenomen. Omdat het beeldoppervlak van de ruimtelijke lichtmodulator 15,36 mm × 8,64 mm is, wat veel groter is dan het beeldontvangstoppervlak van de CCD, wordt het beeld door de CCD ontvangen via het 4f-systeem.
Experimenteel apparaat
De ruimtelijke lichtmodulator die in dit experiment wordt gebruikt, is onze FSLM-2K70-P02. De belangrijkste parameters ervan zijn als volgt:
| Modelnr. | FSLM-2K70-VIS |
| Modulatietype | Fasetype |
| Vloeibaar kristaltype | Reflectief |
| Grijswaardenniveau | 8 bits, 256 niveaus |
| Aantal pixels | 1920×1080 |
| Afbeeldingsgrootte | 8um |
| Effectief gebied | 0,69" 15,36 mm × 8,64 mm |
| Optisch gebruik | 75% bij 532 nm |
| Fasebereik | 2,8π bij 633 nm |
| Vulfactor | 87% |
| Spectraal bereik | 430nm-750nm |
| Vernieuwingsfrequentie | 60 Hz |
| Bias start en detectie | Hoek 0° ten opzichte van de lange zijde van de vloeibaar-kristallichtklep |
| Stroomverbruik | 5V 3A |
| Oriëntatiehoek | 0° |
| Gegevensinterface | HDMI |
| Schadedrempel | 2W/cm² |
Resultaten
(a)-(d) tonen de lichtintensiteitsverdelingen die ontstaan wanneer de topologische ladingen respectievelijk 2,5, -5 en 10 zijn.
Figuur (a)(b) toont twee annulair-spiraalvormige faseplaat (ASPP)-schermen met dezelfde ringbreedte, maar verschillende stralen en ondoorzichtige middenpunten. De r1 en r2 van de twee zijn respectievelijk 1,2 mm, 2,4 mm en 2,4 mm, 3,6 mm.
Figuur (c)(d) tonen de beelden verkregen door de topologische lading van de ruimtelijke lichtmodulator op 2 in te stellen en verschillende lichtmaskers voor de ruimtelijke lichtmodulator te plaatsen. Figuur (e)(f) tonen de beelden die zijn waargenomen na het instellen van de topologische lading op 10.
Figuur (a) toont de tinten van het samengestelde wervellichtgeneratieapparaat.
Figuur (b) toont de lichtintensiteitsverdeling die ontstaat wanneer de binnenste en buitenste topologische ladingen respectievelijk 1 en 3 zijn.
Figuur (c) toont de verdeling van de lichtintensiteit wanneer het topologische ladingsgetal constant is en de ondoorzichtige strook is verwijderd.
Figuur (d) toont de verdeling van de lichtintensiteit nadat de topologische ladingen constant zijn gehouden en de stroken zijn vervangen door transparante stroken.
Figuur (e) en (f) tonen de lichtintensiteitsverdelingen die worden gegenereerd wanneer de interne en externe topologische ladingen respectievelijk 5,1; 20,1 zijn.
Conclusie
De modulatie van de lichtintensiteit en -fase wordt gerealiseerd door een lichtmasker en een ruimtelijke lichtmodulator van het fasetype te combineren. Het vermogen van het samengestelde wervellichtgeneratieapparaat om COV's te genereren en de kenmerken ervan worden experimenteel geverifieerd, evenals de kenmerken van de spiraalfaseplaat (SPP) en de annulaire spiraalfaseplaat (ASPP) bij het genereren van wervellicht.
Het in dit artikel ontworpen apparaat voor het genereren van samengestelde vortexlicht kan een willekeurig aantal concentrische ringen vormen, afhankelijk van de gebruiksvereisten. Dit samengestelde vortexlicht zal een breed scala aan toepassingen hebben op het gebied van optische communicatie en deeltjesmanipulatie.