Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory for Intelligent Micro-Nano Optoelectronic Technology, Foshan University, Foshan 528225, Guangdong , China
The use of light-induced micro-motors or micro-propellers, showcasing non-contact and non-damaging characteristics, is garnering increased attention in biomedical, micro-machine, and environmental fields. The High-order Poincaré (HOP) beam, as a vector beam, provides a controllable driving force with adjustable orbital angular momentum and spin angular momentum. In this study, we present the spin of a self-assembled micro-propeller structure propelled by the HOP beam, enabling flexible control over rotation velocity and direction. Our findings reveal that modifications to the total angular momentum of the driving beam field or alterations in the micro-propeller blade structure can influence rotation velocity. This research offers an efficient and versatile approach for applications in optical micromanipulation and micromachinery.
high-order Poincaré beam self-assemble propeller micro-propeller 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0536002
1 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
立足于偏振态空域调控技术，矢量光束所特有的偏振态空间结构属性，使其在光学及其交叉学科领域表现出巨大的研究价值和应用潜力。以往的研究主要关注偏振态的横向空域调控，而纵向(传播)方向同样是重要的光场调控维度，偏振态纵向变化矢量光束的出现，拓展了矢量光束的调控维度，为光与物质的相互作用带来更多可能，引起了广泛关注。文中围绕着偏振态纵向空域调控技术的发展，介绍了基于纵向变化位相差和振幅差的偏振态纵向变化矢量光束生成理论，并总结归纳了利用相位调制和空间频谱滤波的两类实验生成方法。此外，文中还对偏振态纵向变化矢量光束目前存在的问题进行了讨论，并对其发展前景进行了展望。
矢量光束 偏振 贝塞尔光束 庞加莱球 vector beam polarization Bessel beam Poincaré sphere 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230362
Author Affiliations
Abstract
1 Peking University, School of Physics, State Key Laboratory for Mesoscopic Physics and Frontiers Science Center for Nano-Optoelectronics, Beijing, China
2 Shanxi University, Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Taiyuan, China
3 Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing, China
Optical skyrmion serves as a crucial interface between optics and topology. Recently, it has attracted great interest in linear optics. Here, we theoretically introduce a framework for the all-optical generation and control of free-space optical skyrmions in extreme ultraviolet regions via high harmonic generation (HHG). We show that by employing full Poincaré beams, the created extreme ultraviolet fields manifest as skyrmionic structures in Stokes vector fields, whose skyrmion number is relevant to harmonic orders. We reveal that the generation of the skyrmionics structure is attributed to spatial-resolved spin constraint of HHG. Through qualifying the geometrical parameters of full Poincaré beams, the topological texture of extreme ultraviolet fields can be completely manipulated, generating the Bloch-type, Néel-type, anti-type, and higher-order skyrmions. We promote the investigation of topological optics in optical highly nonlinear processes, with potential applications toward ultrafast spintronics with structured light fields.
skyrmions Poincaré beam high harmonic generation spin-orbit interaction Advanced Photonics Nexus
2023, 2(4): 046009
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学基础部，北京 101416
柱矢量涡旋光束偏振态呈现柱对称分布并且具有螺旋形相位波前，可以用混合阶庞加莱球表示。基于对琼斯矩阵的推导，提出并验证了一种利用涡旋半波片产生多种混合阶庞加莱球光束的方法。通过合理设计涡旋半波片和半波片、1/4波片的组合，能够产生混合阶庞加莱球上任意位置对应的柱矢量涡旋光束。通过级联多个涡旋半波片，能够进一步扩大混合阶庞加莱球光束的阶数范围。实验上，对制备出的多种混合阶庞加莱球光束的偏振态分布进行了测量，并验证了其偏振阶数和拓扑荷数。该方法光路简单、调节方便，可以实现对拓扑荷数和偏振阶数的独立调控，在光学微操控、光学探测与传感，以及矢量涡旋光源设计等方面有潜在的应用价值。
物理光学 混合阶庞加莱球 柱矢量涡旋光束 琼斯矩阵 斯托克斯参数 光学学报
2022, 42(22): 2226001
1 西安交通大学国家级物理实验教学示范中心, 陕西 西安 710049
2 西安交通大学物质非平衡合成与调控教育部重点实验室, 陕西 西安 710049
3 西安交通大学陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室, 陕西 西安 710049
矢量涡旋光在光学微操控和光通信领域均具有独特优势。旋转多普勒效应常应用于涡旋光拓扑荷的研究, 分析矢量涡旋光的旋转多普勒效应可以有效导出其丰富的偏振性质。提出了一种基于旋转多普勒效应分辨矢量涡旋光偏振旋转方向的方法, 对应于矢量涡旋光符号的识别。在所提出方法中, 矢量光经过旋转物体散射, 散射光由于多普勒效应, 各组分之间产生强度随时间周期性变化的拍频信号。拍频信号变化函数的相位取决于矢量涡旋在高阶庞加莱球上的代表点的赤道角, 相位变化率取决于涡旋光拓扑荷。本工作提出测量理论并通过实验验证了涡旋方向相反的两种矢量光的拍频信号, 为矢量涡旋光拓扑荷的符号测量提供了一种新的可行方法。
光通信 矢量涡旋光 高阶庞加莱球 旋转多普勒效应 矢量涡旋拓扑荷 optical communication vector vortex beam higher-order Poincaré sphere rotational Doppler effect topological charges of vector vortex
对非傍轴条件下光学角动量及自旋-轨道耦合的研究有助于人们认识亚波长结构中的光现象，近场中的倏逝波也可能产生强烈的自旋-轨道耦合。基于角谱衍射理论和Parseval定理，详细分析了高阶庞加莱球上拉盖尔-高斯矢量涡旋光束的传播波、倏逝波和角动量的近场演化特性以及倏逝波引起的自旋-轨道耦合。结果表明，在亚波长束腰宽度光束的源平面附近倏逝波作用强烈，在总光场中占主导地位。此外，近场中的轨道角动量同时包含横向电场和纵向电场的贡献，倏逝波中横向自旋角动量和横向偏振态相关，且存在自旋方向锁定现象。该研究为矢量涡旋光束在亚波长结构中的研究和应用提供了理论依据。
物理光学 自旋-轨道耦合 角动量 倏逝波 矢量涡旋光束 高阶庞加莱球 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0726001
1 北京理工大学 光电学院，北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室，北京 100081
3 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
作为新型结构光束的一类，全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合，近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而，传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响，进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏，对具有“C”型偏振奇点的全庞加莱球光束、“V”型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明，相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言，坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r0=0.5 m, 0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r0=0.056 m)，优势区域缩小至2σ∈[−5π/32, 0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。
全庞加莱球光束 大气湍流 高稳定性 杂合庞加莱球 full Poincaré beams atmosphere turbulence higher robustness hybrid-order Poincaré sphere 红外与激光工程
2021, 50(9): 20210242
红外与激光工程
2021, 50(9): 20210447
长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
延迟器作为改变光信号偏振态的一种重要光学器件, 具有高偏振变换精度、低成本、算法简单等特点, 利用一个1/4波片和一个1/2波片组合可实现对径向矢量光场偏振调制的新方法, 采用Jones矩阵算法分析了双波片的调制机理, 将光场的偏振演化规律在庞加莱球上表示, 并通过实验验证理论分析的正确性, 研究结果表明: 双延迟器结构可实现对径向矢量光场的复杂偏振调控, 并获得光强均匀分布、偏振态有规律分布的矢量光束。
矢量光场 偏振 Jones矩阵 庞加莱球 vector field polarization Jones matrix Poincaré 红外与激光工程
2019, 48(5): 0517006
