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前沿进展 | 新型、高效的多扭曲光束方法,产生可自由调控的手性光场

有理想 爱光学 2024-01-23

“前沿进展”栏目,旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文,促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日,浙江师范大学钱义先教授与河南科技大学李新忠课题组合作,提出了一种高效产生具有手性结构的多扭曲光束的方法。他们通过引入角向位移因子对经典的螺旋锥相位进行改造,然后叠加多个具有不同角向位移因子的螺旋锥子相位,产生了一种结构可自由调控的手性光场。

相关研究成果以“Generation and manipulation of multi-twisted beams via azimuthal shift factors”为题发表在Applied Physics Letters 上。

2023 | 前沿进展

02 研究背景


光学涡旋由于携带轨道角动量(OAM),成为光学和光子学领域的研究热点,被广泛应用于超大容量光通信、超分辨显微成像、光学测量等领域。OAM具有“扭曲”熔融物质的能力,并用于制造复杂的手性纳米结构。近年来,具有扭曲强度分布和携带OAM的手性结构光场、因在光镊和粒子操纵方面的独特优势而引起了人们的极大兴趣。对于这些应用,如何有效地产生手性结构光场成为了一个主要问题。

03 研究创新点


为了进一步促进手性结构光场的应用,该团队通过将多个具有不同角向位移因子的螺旋锥子相位共轴叠加,产生了一种结构可控的手性光场,命名为多扭曲光束(MTB)。通过灵活地控制角向位移因子和螺旋子相位数量,可以生成不同结构的多扭曲光束。
图1(a1)-(a3)展示了引入角向位移因子后的螺旋相位,角向位移因子分别为0、2π/3、4π/3。进一步地,将具有不同角向位移因子螺旋相位同轴叠加形成MTB的初始场相位,如图1(a4)所示。图1(b)展示了由叠加相位诱导产生多扭曲光束的产生原理,即在平面波照射的傅里叶变换透镜的焦平面处产生多扭曲光束。
图1 MTB的生成原理图
多扭曲光束的实验结果如图2所示。研究发现:角向位移因子决定了扭曲叶强度的分布,扭曲叶的数量取决于螺旋子相位的数量。此外,拓扑电荷符号并不改变扭曲叶的旋转方向,仅扭曲叶的位置绕光轴旋转了180度。这是因为螺旋相位和圆锥相位的符号同时改变,从而产生了一个不改变强度方向的复共轭。通过进一步的调控,可以产生更加丰富多样的手性结构光场,如图3所示。
图2 MTB的初始场相位、模拟强度分布及实验结果
图3 结构更加多样的多扭曲光束
最后,该团队利用所提出的MTB对聚苯乙烯微球进行了操纵和引导,如图4所示。聚苯乙烯微球的运动轨迹与扭曲叶的形状完全相似,验证了MTB的可行性和实用性。

图4 粒子操纵实验

04 总结与展望


该团队通过在经典的螺旋锥相位中引入角向位移因子,提出了一种产生具有手性结构的多扭曲光束的有效方法。这种多扭曲光束的结构可控,特别有利于沿着弯曲轨迹捕获和引导微粒,并可能在光学微加工和光镊中产生潜在的应用。
文章的第一作者为博士生胡俊涛,通讯作者为浙江师范大学的钱义先教授和河南科技大学的李新忠教授。
论文链接

https://doi.org/10.1063/5.0123142

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编辑 | 方紫璇

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