Liuhao Zhu 1Yuping Tai 1,2Hehe Li 1Huajie Hu 1[ ... ]Yijie Shen 5,6,9,*
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics and Engineering, Henan University of Science and Technologyhttps://ror.org/05d80kz58, Luoyang 471023, China
2 State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China
3 Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulations and Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
4 Joint Research Center of Light Manipulation Science and Photonic Integrated Chip of East China Normal University and Shandong Normal University, East China Normal University, Shanghai 200241, China
5 Optoelectronics Research Centre, University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, UK
6 Centre for Disruptive Photonic Technologies, School of Physical and Mathematical Sciences and The Photonics Institute, Nanyang Technological University, Singapore 637378, Singapore
7 e-mail: xzli@haust.edu.cn
8 e-mail: yangjian_cai@163.com
9 e-mail: yijie.shen@ntu.edu.sg
Structured light with more extended degrees of freedom (DoFs) and in higher dimensions is increasingly gaining traction and leading to breakthroughs such as super-resolution imaging, larger-capacity communication, and ultraprecise optical trapping or tweezers. More DoFs for manipulating an object can access more maneuvers and radically increase maneuvering precision, which is of significance in biology and related microscopic detection. However, manipulating particles beyond three-dimensional (3D) spatial manipulation by using current all-optical tweezers technology remains difficult. To overcome this limitation, we theoretically and experimentally present six-dimensional (6D) structured optical tweezers based on tailoring structured light emulating rigid-body mechanics. Our method facilitates the evaluation of the methodology of rigid-body mechanics to synthesize six independent DoFs in a structured optical trapping system, akin to six-axis rigid-body manipulation, including surge, sway, heave, roll, pitch, and yaw. In contrast to previous 3D optical tweezers, our 6D structured optical tweezers significantly improved the flexibility of the path design of complex trajectories, thereby laying the foundation for next-generation functional optical manipulation, assembly, and micromechanics.
Photonics Research
2023, 11(9): 1524
胡俊涛 1,*马海祥 1李新忠 1,2,*唐苗苗 1,2[ ... ]王静鸽 1,2
作者单位
摘要
1 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 河南省光电储能材料与应用重点实验室, 河南 洛阳 471023
3 河南科技大学化工与制药学院, 河南 洛阳 471023
完美涡旋光场模式的单一性难以满足其在多种领域的应用需求。为解决该问题,提出了一种同心矢量完美涡旋模式,其光强分布为一族同心的矢量完美涡旋,各环矢量完美涡旋的性质得到了验证。研究发现,每个完美涡旋的光环大小、偏振阶数等特征参数相互独立。对同心矢量完美涡旋模式光环叠加的实验表明,与标量完美涡旋光束叠加不同,矢量叠加产生的子涡旋会在特定位置消失,原因是两光环在该位置偏振正交。该研究极大地丰富了完美涡旋的模式分布,拓宽了完美涡旋在微操纵、光通信等领域的潜在应用。
物理光学 矢量光场 涡旋光束 完美涡旋光束 physical optics vectorial optical field vortex beam perfect vortex beam 
光学学报
2019, 39(1): 0126015
张浩 1,2马海祥 1,2李新忠 1,2,*李贺贺 1,2[ ... ]李秀芳 5
作者单位
摘要
1 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 河南省光电储能材料与应用重点实验室, 河南 洛阳 471023
3 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
4 广东工业大学物理与光电工程学院, 广东 广州 510006
5 大恒新纪元科技股份有限公司北京光电研究所, 北京 100085
基于特定参数下的因斯高斯Ince-Gaussian(IG)光束的奇偶模式线性叠加,提出了一种每个光瓣均为“V”字形的光束模式(VIG模式)。通过实验与数值模拟对所提VIG模式进行分析研究,结果发现VIG模式的“V”字形光瓣个数为其阶数的两倍。通过给奇偶模式施加一个初始相位差可以自由调控“V”字形光瓣连续分离为一大一小两个光瓣,并且可以对调两个光瓣的空间位置。通过力场分析发现,VIG模式有望应用于细胞分选。通过两个偶模一个奇模阶数比为1∶3∶2进行叠加,可以生成三个分支的VIG模式。
物理光学 因斯高斯模式 空间模式分布 力场分析 physical optics Ince-Gaussian mode spatial pattern distribution force field analysis 
光学学报
2018, 38(6): 0626001
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
3 广东工业大学物理与光电工程学院, 广东 广州 510006
完美涡旋光场具有亮环半径不随拓扑荷值改变而改变的优点, 在微粒操纵及量子通信等领域具有重要的应用价值, 已成为近年来光场调控领域的研究热点。介绍了产生完美涡旋光场的三种典型方法, 综述了完美涡旋光场的调控技术及表征方法, 并对其应用进行了总结。
物理光学 光场调控 完美涡旋 physical optics optical field modulation perfect vortex 
激光与光电子学进展
2017, 54(9): 090007
作者单位
摘要
1 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
3 广东工业大学物理与光电工程学院, 广东 广州 510006
提出了一种基于奇偶模初始相位差因子调控的新型Ince-Gaussian(IG)光束, 即PIG(Ince-Gaussian beam with phase difference)光束。对传统IG光束偶模施加具有初始相位差φ的e指数相位因子, 将偶模与奇模进行线性叠加后得到了PIG光束。在其他参数相同的条件下, 重点研究了初始相位差调控因子对PIG光束空间模式的调控特性。数值模拟和实验结果表明: 当参数φ在0到π区间上连续取值时, 可实现正负涡旋PIG光束的连续变换; 当φ=π/2时, 中间状态涡旋消失; 调节φ使其为π的整数倍, 可以实现正负涡旋模式的跳变切换; 当调节φ为π的半整数倍时, 该光束可实现光瓣在椭圆轨迹上的精确位移控制。PIG光束为微粒操纵及光束微雕刻等领域提供了额外的调控自由度。
物理光学 光学涡旋 因斯-高斯模式 自由调控技术 微粒操纵 physical optics optical vortex Ince-Gaussian modes free-control technique micro-particle manipulation 
光学学报
2017, 37(6): 0626002
作者单位
摘要
1 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 河南科技大学化工与制药学院, 河南 洛阳 471023
利用涡旋光束与锥透镜透射率函数设计相位掩模板,采用平面光照射写入相位掩模板的空间光调制器(SLM),则在SLM的傅里叶平面上产生了完美涡旋光束,解决了傅里叶平面0级和±1级光谱重叠的问题。提出了一种完美涡旋光束的空间自由调控技术,通过实验分析,明确了空间调控位移与调控因子间的函数关系,调控精度达到了2.25 μm。通过在线调节锥透镜的锥角参数,实现了完美涡旋光束中心亮环半径的自由调控,并得到光束中心亮环半径与锥角的二次函数关系。将波长为532 nm和632.8 nm入射光产生的完美涡旋光束作对比,结果表明,当入射波长较长时,仍可得到较小半径的完美涡旋光束。该研究为完美涡旋光束在微粒操纵、光学信息编码、光学测量及基于轨道角动量的光纤通信等领域的应用提供了新思路。
物理光学 光学涡旋光束 完美涡旋光束 自由调控 微粒操纵 physical optics optical vortices perfect vortex beams free-control technique micro-particle manipulation 
光学学报
2016, 36(10): 1026018
作者单位
摘要
1 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 河南科技大学化工与制药学院, 河南 洛阳 471023
3 新加坡南洋理工大学数学物理学院, 新加坡 637371
4 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
利用矢量波分析法对分数阶高阶贝塞尔涡旋光束(FBV)的电矢量特性进行了研究。在紧聚焦和非紧聚焦条件下,研究了拓扑荷(TCs)增量为0.1阶、拓扑荷从2.1增到3的过程中,Ex、Ey、Ez三个电场分量强度图的变化情况。进而对比分析了TCs值为整数阶和半整数阶FBV光束在由紧聚焦向非紧聚焦过渡过程中Ex分量强度的变化情况。数值模拟结果表明,紧聚焦和非紧聚焦情况下,三个分量的电场强度分布差异较大,其亮环圆对称性均遭到破坏;非紧聚焦情况下,Ex分量的圆对称性增强,而Ey、Ez分量与紧聚焦条件下的光强分布基本相同;在由紧聚焦向非紧聚焦过渡过程中,Ex分量整数阶TCs光束亮环圆对称性逐渐增强,而半整数阶TCs光束亮环结构基本不变,仅存在缩放关系。
激光光学 奇异光学 贝塞尔涡旋光束 矢量波 紧聚焦光束 laser optics singular optics Bessel vortex beam vector wave tightly focused beam 
中国激光
2016, 43(6): 0605002
李新忠 1,2,*田晓敏 1王辉 1汤洁 2[ ... ]王静鸽 1
作者单位
摘要
1 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
3 南洋理工大学数学物理学院, 新加坡 637371
研究了拉盖尔-高斯光束照射毛玻璃产生的散斑场的特性。利用空间光调制器结合计算全息法产生了拉盖尔-高斯涡旋光束;较深入地研究了拉盖尔-高斯光束照射下散斑大小与光束径向指数、角向指数及涡旋光束面积间的关系。结果显示:对同一径向指数,散斑颗粒平均大小随角向指数的增大呈直线减小趋势;对同一角向指数,散斑大小随径向指数的增大而减小;散斑大小与涡旋光束照射面积的负指数成正比;随径向指数的增大,其逐渐接近高斯光束照射的结果。
物理光学 涡旋光束 拉盖尔-高斯光束 毛玻璃 散斑场 physical optics vortex beams Laguerre-Gaussian beam ground glass plate speckle field 
光学学报
2015, 35(7): 0726001

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