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COL Highlight (Vol .21, Iss. 3): 全息法制备自修复“莫尔晶格”光场

发布:lina000288阅读:408时间:2023-5-5 09:44:49

全息法制备自修复“莫尔晶格”光场

 

光场自修复

 

光场自修复,一般是指光在传播中遇到障碍或扰动后,能够自我重建、并恢复到初始状态的性质,其在光通信、显微成像和光镊等技术领域中的重要应用价值。自修复特性最早于1996年在贝塞尔光束中被发现。此后,随着研究的深入,研究人员发现无衍射光束也具有自修复特性,例如马修光束和横向抛物线光束等。这些无衍射光束都有一个共同特征,即具有圆锥型波矢,这一规律预示了无衍射光子晶格光场的自修复特性。印度的Vaity博士从实验上证实了环形晶格光束的自修复性质,横截面的横向坡印廷矢量分布显示能量从未被阻挡的部分流向被阻挡的部分并重建了该部分的结构。虽然该实验中的光场为单一晶格结构,不是周期性的,但足以体现晶格光场的自修复性质。

 

离散无衍射光束具有周期或准周期的横向光强结构,常被用于光子晶格设计和光调控的研究。其中经典的棱形、石墨烯和Kagome型光子晶格在空间光孤子、边界态和平带光局域等方面均有大量研究。2020年,光诱导莫尔光子晶格被提出,仅靠改变两个子晶格的扭转角即可实现光场局域,拓展了光场局域调控的维度。随后,莫尔光子晶格在光场局域、孤子态调控和拓扑等领域备受关注。莫尔光子晶格光场由两种同周期的离散无衍射光束旋转叠加形成,其仍属于无衍射光束。

 

山东师范大学光场调控及应用光子晶格蔡阳健教授团队研究了莫尔光子晶格光场的自修复性质。该工作发表在Chinese Optics Letters 2023年第21卷第3期上(S. Tang, et al., Self-healing of holographically generated moiré lattice wave fields),并被选为当期Editors’ Pick。

 

全息法产生缺陷莫尔晶格光场

 

研究人员通过多平面光干涉叠加方法,设计了周期和准周期的莫尔光子晶格光场,并在光场中引入不同尺寸和形状的缺陷,如图1所示。研究人员选用全息方法产生所设计的缺陷莫尔晶格光场。一方面,该方法能够根据所设计的光场相位灵活实现所需的光场结构,提高了实验的便捷性且降低了实验成本;另一方面,该方法产生的莫尔晶格光场可以在较大尺寸范围内保持光强结构的一致性,是制作光诱导光子晶格常用的方法之一。

 

图1 全息法产生缺陷莫尔晶格光场的自修复研究实验装置示意图

 

缺陷莫尔晶格光场的自修复

 

通过数值模拟和实验观测得出,在缺陷莫尔光子晶格光场形成后,在无衍射范围内,其自修复距离与缺陷大小正相关,且缺陷的中心最先被修复。此外,还发现全息法产生的莫尔光子晶格光场在4f系统后焦面前仍有一段无衍射距离。在此段无衍射范围内,从透镜到4f系统后焦面,莫尔光子晶格光场的缺陷越来越大,逐渐趋近于所预先设计的缺陷大小和形状。为定量地衡量自修复效果,研究人员引入相似度公式,基于数值模拟得出光传输方向不同位置的相似度大小。该方法证实了莫尔光子晶格光场自修复距离的规律,并表明自修复距离与莫尔光子晶格的周期和准周期性质无关。该方法有望应用在光学成像、捕获和信息处理等领域。