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濱松渦旋光解決方案 :空間光調(diào)制器LCOS-SLM和科研相機(jī)

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2023-07-24 07:10 ? 次閱讀

渦旋光簡介

光學(xué)中,有一類光束具有螺旋相位波前結(jié)構(gòu)或者相位奇點(diǎn)的特殊光場分布,其波前沿傳播方向上的軸螺旋前進(jìn),這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致光束在光軸處相互抵消,投影到一個(gè)平面上看起來像中心暗孔的光環(huán),這類光波通常被稱作"光學(xué)渦旋(Optical Vortices,簡稱OV)"。光學(xué)渦旋具有三大主要特性:螺旋相位波前結(jié)構(gòu)、確定的光子軌道角動(dòng)量(OAM)以及暗心結(jié)構(gòu)。

首先,光學(xué)渦旋主要被應(yīng)用光學(xué)微操縱技術(shù)。與傳統(tǒng)方法相比,光學(xué)為操縱具有無接觸、無損傷、可靠性高、重復(fù)性高、尺度小等特點(diǎn),光子在對微觀粒子的微操縱方面具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢。渦旋光束是具有螺旋形相位分布的光束,其表達(dá)式中帶有相位因子,光束攜帶軌道角動(dòng)量,其中 l 稱為拓?fù)浜芍怠S捎跍u旋光束具有軌道角動(dòng)量,所攜帶的軌道角動(dòng)量可以傳遞給微粒,以驅(qū)動(dòng)微粒旋轉(zhuǎn),還可以實(shí)現(xiàn)對微米、亞微米微粒的俘獲、平移。

另外,渦旋光在信息編碼上也有較大的應(yīng)用前景,利用渦旋光束的軌道角動(dòng)量可對信息進(jìn)行編碼與傳輸。這種新型的編碼方式有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。普通計(jì)算機(jī)為0,1二進(jìn)制編碼,而渦旋光拓?fù)浜煽扇我飧淖?,增加編碼程度,可用于密碼通信,具有以下兩種優(yōu)勢。

1)由于拓?fù)浜芍祃的取值可以為整數(shù),零,甚至分?jǐn)?shù),所以有很高的編碼能力。

2)具有更高的保密性。

由于光子軌道角動(dòng)量本征態(tài)在數(shù)學(xué)上構(gòu)成了一組完備的正交基矢, 因此可以利用軌道角動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)高維信息的編碼, 這種優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在經(jīng)典光通信領(lǐng)域, 也體現(xiàn)在量子通信領(lǐng)域。

渦旋光的產(chǎn)生

傳統(tǒng)上渦旋光的產(chǎn)生主要有叉形光柵、螺旋相位版、柱透鏡組合和集成軌道角動(dòng)量發(fā)射器這幾種方法。而隨著技術(shù)的進(jìn)步,空間光調(diào)制器(產(chǎn)品介紹)由于其可以實(shí)時(shí)高速刷新、針對多種不同波長、高精度和靈活性,成為了目前制備光子軌道角動(dòng)量最廣泛采用的設(shè)備。

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平行高斯光入射,偏振方向?yàn)樗?,和LCOS的液晶排列方向相同,垂直入射。經(jīng)過SLM的調(diào)制,反射光經(jīng)過透鏡聚焦,之后由CCD觀察光斑。SLM加載的相位為螺旋相位,所以調(diào)制之后的光的相位就是螺旋形的,用CCD觀察的光斑上可以看到圓環(huán)中心清晰的奇點(diǎn)。SLM上加載的相位圖可以變換拓?fù)浜芍?,例如下圖所示拓?fù)浜芍祃分別為1,2,3。

wKgZomS9s0eAREt2AAB2yhlbFZc149.png

濱松可以提供免費(fèi)的相位圖生成軟件,用戶只需輸入拓?fù)浜芍担纯缮上鄳?yīng)相位圖。

wKgaomS9s0iASoHmAACWxLdj0EE789.png

生成的渦旋光光斑如下圖所示。

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影響渦旋光光斑質(zhì)量的因素

1)SLM精度。影響渦旋光光斑質(zhì)量的因素,主要是由SLM的調(diào)制精度所決定的。因此,對于渦旋光相關(guān)的應(yīng)用,與精度相關(guān)的參數(shù),如線性度、衍射效率、表面平整度等,就是在選擇SLM時(shí)需要關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

濱松SLM的主要優(yōu)勢之一就是它的精度非常高,能保證渦旋光的調(diào)制精度和光斑的質(zhì)量,例如l=1的渦旋光光斑,用不同品牌不同精度的SLM調(diào)制出來的效果如下圖,可以看出精度差的SLM會(huì)導(dǎo)致光斑奇點(diǎn)不圓。

wKgaomS9s0iAUVjLAAD1BVkq-fg273.png

其中線性度還影響SLM使用的方便性,線性度差的SLM需要用戶手動(dòng)進(jìn)行LUT定標(biāo),需要額外的工作才能使用SLM,而濱松良好的線性度便為用戶省去了這個(gè)步驟,使操作更為便捷。

2)入射光的偏振純度。有的激光器偏振不純,所以一般我們都建議在入射光路中加入偏振片來調(diào)節(jié)偏振方向至與液晶同向。下圖是加入偏振片前后的光斑效果圖。

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wKgaomS9s0mAJhSFAABHty7yUgQ478.jpg

3)由透鏡聚焦后的光斑效果比不聚焦的要好,請見如下實(shí)驗(yàn)。

4)入射光沒有對準(zhǔn)液晶中心。這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)奇點(diǎn)的位置是偏移的,通過調(diào)節(jié)光路,或者在LcosControl軟件中調(diào)節(jié)相位圖的位置偏移。

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審核編輯 黃宇

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