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前沿进展 | 高阶光学涡旋晶格——轨道角动量的再开发

两万人都 爱光学 2022-05-13
收录于合集 #前沿进展 125个


“中国光学十大进展”候选栏目正式更名为“前沿进展”，全新的命名，全新的开始，欢迎广大专家学者投稿。

1 导读
河南科技大学李新忠课题组结合相位翻倍技术和模式自由调控技术实现了拓扑荷值高达51的高阶光学涡旋晶格。这使得每个格点在相同光强下能够提供更大的轨道角动量，从而使人们对光学涡旋晶格中轨道角动量的角色、地位和作用有了全新的认识。同时，他们在实验上首次利用光学涡旋晶格的轨道角动量实现了对微粒的复杂运动操控。该研究成果以“Optical vortex lattice: an exploitation of orbital angular momentum”为题发表在Nanophotonics上。2021 | 前沿进展

2 研究背景
由于携带轨道角动量(OAM，大小为mħ，其中m为拓扑荷值，ħ为约化普朗克常数)，近年来，涡旋光束在光镊、粒子操控、大容量光通信、量子信息处理、光学测量、超分辨等领域取得了突飞猛进的进展。通过两个特定涡旋光束叠加产生的光学涡旋晶格(OVL)，已经被成功应用于玻色-爱因斯坦凝聚、微粒囚禁等光学前沿领域。与涡旋光束中OAM可以自由调节不同，OVL中每个涡旋格点的拓扑荷值m ≡ ±1，这使得OVL中的物理量OAM被雪藏，没有被开发利用。而这恰恰激发了研究人员的好奇心：为什么这类光学涡旋晶格m ≡ ±1？能否在保持OVL模式不变的前提下实现其拓扑荷值的任意翻倍？更进一步，翻倍后的OVL的物理量OAM能否发挥其作用？针对这些问题，河南科技大学物理工程学院李新忠教授课题组首先利用相位展开图解技术阐释了OVL中m ≡ ±1的缘由；然后，利用“纯相位翻倍技术+自由曲线塑形技术”，实现了阶数高达51且模式可控的高阶OVL (HO-OVL)，分析了HO-OVL的能流和OAM分布特性；最后，首次利用OVL中的OAM实现了对酵母细胞的捕获及复杂运动操控。
3 研究创新点1
解释OVL中m ≡ ±1的缘由
图1 相位展开图解技术解释m ≡ ±1。(a1)、(b1) OV 拓扑荷值分别为-1和3的光束；(a2)、(b2)水平展开的离散等差序列；(c)、(d)两种不同情况的叠加，白色和黑色的圆箭头分别表示负和正的单位OVs
要想回答这个问题，需要从拓扑荷值的定义出发，涡旋光场中拓扑荷值的由一个闭合环路积分决定，因此大小只取决于奇点周围的相位。如图1所示，在极限情况下，涡旋相位可以横向展开并离散化为一个0~2π的等差数列。如图1(a2)，m=-1时是首项aq为2π，末项a1为0，项数为q的递减数列。以m=-1、3的涡旋光束叠加为例，由于整体离散化后仅含有4对0和2π；同时，围绕每个奇点只有一个周期逆/顺时针从0增加到2π，分别如图1(c)、（d）所示；在使用不同的OV光束进行叠加时，仅仅只改变离散化后0和2π的数量，无法得到高阶的奇点。因此，OVL中m ≡ ±1。
3 研究创新点2
任意模式HO-OVL的生成及特性分析
图2 纯相位翻倍技术实现HO-OVL。(a1)~(a3) OV的初始相位、翻倍相位、高阶相位；(b1)~(b3) OVL的相位；(c1)~(c3) OV特定位置的放大图
要想获得HO-OVL，需要对叠加后产生的OVL光场进行适当操作。为此，他们发展了一种纯相位翻倍技术，图2展示了该技术的实现路径。第1列是初始相位，第2列是乘上倍增因子l之后的相位，第3列是e指数函数作用之后的相位。由于拓扑荷值的定义仅与奇点周围的相位相关，在进行拓扑荷翻倍时将OVL光场的相位提取后乘上倍增因子l，然后用e指数函数作用后即可得到HO-OVL。该方法仅对相位进行处理，从而消除了模式对翻倍结果的影响，适用于所有光场。
图3 HO-OVL的实验产生、干涉验证及自由模式调控。(a1)~(a3)和(c1)~(c3) 不同阶数的HO-OVL的实验光强图；(b1)~(b3)干涉验证；(d1)~(d3)自由模式调控
通过计算全息技术在实验中生成了HO-OVL，如图3所示。使用球面波对其阶数进行了干涉验证（图中第二行）。晶格中OV的OAM的容量是由l的最大值决定的，在本研究中，翻倍倍数最高可达到51倍(即l = 51)，且暗核面积随拓扑荷值增大线性增大。此外，受硬件所限，超过这个值，暗核的结构逐渐变为水滴状。如果对相位掩模和实验元件分别进行设计和调整，完全可以得到具有更高OAM的HO-OVLs。随后，结合自由曲线塑形技术生成了模式自由调控的HO-OVL，证明了该技术的适用性和灵活性。
图4 能流和OAM及微粒运动速度特性分析。(a1)~(a3)能流分布图；(b1)~(b3)局部能流放大图；(c1)~(c3) OAM分布图；(d1)~(d3)特定点能流、OAM和转速相对于l的变化曲线
为了再开发OVL中的OAM，突出HO-OVL既具有多模式、多格点又携带高阶OAM的优势，对其能流、OAM和微粒操纵转速特性进行了研究。由于传统OAM计算中心为光轴，因此计算结果不能反映环上格点的性质。因此，需要附加一个位移来改变计算中心，图中O点即为改变后的计算中心。同时，为了定量分析能流、OAM和转速随l增大的变化，对第二行标记的四个采样点的数据进行计算并绘制。如图4所示，其能流、OAM和转速的放大倍数近似等于l。与l = 1相比，当l= 10和20时，能流和OAM的倍数分别为9.7和17.8。数值模拟结果表明，HO-OVL具有操控微粒进行复杂运动的能力。
3 研究创新点3
首次使用HO-OVL完成了微粒的复杂操控
动图S1：双酵母细胞的格点公转（左图）和单酵母细胞的格点自转（右图）运动
最后，利用提出的HO-OVL首次成功实现了对酵母细胞微粒的复杂运动操控（如动图所示）。
4 总结与展望
针对OVL中物理量OAM无法调控的问题，利用“纯相位翻倍技术+自由曲线塑形技术”产生了阶数高达51的模式可自由调控的高阶OVL；通过对HO-OVL的能流、OAM特性分析和酵母细胞操纵实验表明，光学涡旋晶格也可以携带高阶OAM，这打通了连接型（镶嵌型）光学涡旋阵列和离散型光学涡旋阵列[Opt. Express 28(9), 13775, (2020)]的界限。该研究结果颠覆了人们对OVL中拓扑荷和OAM的传统认知，使得雪藏的物理量OAM再次被开发和利用，这为光学涡旋晶格的潜在应用开辟了广阔的空间，特别是在生物科学及生命科学领域的多微粒复杂运动的设计和操控。该工作得到了国家自然科学基金（11974102）、瞬态光学与光子技术国家重点实验室开放基金（SKLST201901）和河南省高等学校重点科研项目（21zx002）的资助。论文链接：https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2021-0139/html
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