轨道角动量可控的嫁接光学涡旋
2019-12-03

近日,河南科技大学李新忠教授课题组在涡旋光束的轨道角动量分布的调控研究中取得了新进展。该课题组通过对传统光学涡旋的螺旋相位进行重建,成功实现了一种光环上轨道角动量分布可控且光强保持恒定的嫁接光学涡旋,并且通过光镊实验验证了其微粒操纵特性。该嫁接光学涡旋可在不改变光强分布的条件下,调控光环上局部的轨道角动量的大小和方向,促进了在光学捕获和旋转微粒等领域的潜在应用。

由于涡旋光场携带轨道角动量,在微粒操纵、光学测量、图像处理以及基于轨道角动量的光通信等领域具有重要的应用,是国内外学者广泛重视的研究热点。在对涡旋光场的研究中,调控其轨道角动量分布是一个非常重要的研究方向。传统的方法是直接调控涡旋光束的拓扑荷值,但该方法只能得到光环上均匀的轨道角动量分布。为了获得更加多样的轨道角动量分布,具有丰富的轨道角动量分布的非经典光学涡旋和非对称光学涡旋被相继提出。然而这些方法对轨道角动量的分布的调控实质上是基于对光强分布的调控,轨道角动量分布强烈依赖光强分布,而且局部的轨道角动量的大小和方向也未被自由调控。

针对该问题,河南科技大学物理工程学院李新忠教授课题组与山东师范大学蔡阳健教授合作,结合相位重建技术,提出了一种轨道角动量可控的嫁接光学涡旋的产生方法。同时,从理论和实验上验证了这种嫁接光学涡旋具有光环上局部轨道角动量的大小和方向可自由调控且光强分布保持恒定的优点。该研究成果以“Grafted optical vortex with controllable orbital angular momentum distribution”为题发表在2019年第27期的Optics Express上[27(16), 22930 (2019)].


图1.嫁接光学涡旋的产生原理示意图。

如图1所示,该方法通过对两个螺旋相位进行裁剪并嫁接在一起,从而产生所需的嫁接光学涡旋的螺旋相位。两个具有不同拓扑荷的螺旋相位完美的嫁接在一起,但随着拓扑荷值的增大,光学涡旋的半径增大,光强无法完美嫁接。为了克服这个缺点,课题组使用一个狄拉克函数来限制环上的光强分布。通过改变嫁接所用的螺旋相位的拓扑荷值的大小和符号,即可调控光环上的局部轨道角动量的大小和方向。最后,基于计算全息技术产生相位掩模板,从而在实验中得到光强恒定且环上局部轨道角动量可控的嫁接光学涡旋,如图2所示。


图2.不同嫁接拓扑荷的嫁接光学涡旋的光强与轨道角动量分布。

此外,课题组通过光镊实验完成了对该嫁接光学涡旋的局部轨道角动量的大小和方向可控特性的验证。如图3所示,研究发现,改变嫁接拓扑荷m1和m2的大小时,可以实现微粒以不同的速度在光环的上下两个半环旋转;当m1和m2的符号相反时,可以实现两微粒在光环上相对运动。


图3.嫁接光学涡旋操纵3μm聚苯乙烯微球。

该工作突破了传统技术调控涡旋光束轨道角动量时,轨道角动量分布强烈依赖光强分布的限制,在光环上提供了一个大小和方向可控的局部切向力;有助于进一步扩展光学涡旋在特殊微粒操纵等领域的应用。

该工作得到了国家自然科学基金委员会的资助(Nos.11974102,61775052,11525418, 91750201, 11974218)。

论文链接:https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-16-22930&origin=search

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