Forskere foreslår en perfekt ny optisk hvirvel med kontrollerbar impulsringprofil

En optisk hvirvel er identificeret som en fasesingularitet omkranset med spiralformet bølgefront, og takket være dens unikke egenskaber, herunder båret orbital vinkelmoment (OAM) forbundet med donutformede profiler det har fundet spændende anvendelser inden for stimuleret emissionstømning (STED) nanoskopi, optisk manipulation, både kvante og klassisk OAM-multiplexering optisk kommunikation, forbedret optisk billeddannelse, og for nylig inden for højintensiv hvirvelfysik, etc. Dog, størrelsen af ​​de doughnut-formede mønstre genereret af konventionelle hvirvler er stærkt afhængig af den bærede topologiske ladning.

I 2013, Ostrvsky og kolleger foreslog først konceptet om perfekte optiske hvirvler (POV'er), som blev formet til en impulsring ved Fourier-planet med sin radius kvasi-uafhængig af den topologiske ladning. I samme år, denne "perfekte" hvirvelstråle blev demonstreret for dynamisk indfangning af mikropartikler langs de lyse ringe, og det blev vist, at disse perfekte hvirvler gav mulighed for at overføre OAM til fangede partikler langs de lyse impulsringe.

Et år senere, denne nye type optiske hvirvler blev foreslået til OAM-multiplexing optisk fiberkommunikation, hvilket giver mulighed for at koble flere OAM -bjælker til en bestemt ringformet fiber. Imidlertid, impulsringene for de POV'er, der tidligere er rapporteret, er alle lyse ringe, hvilket også kunne forhindre deres applikationer i nogle scenarier.

For nylig, en type generaliserede POV'er med kontrollerbar impulsringprofil baseret på Circular Dammann Gratings (CDG'er) blev foreslået og demonstreret af et forskerhold fra Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Kinesisk videnskabsakademi. Konceptet blev offentliggjort i Fotonisk forskning .

Med udviklingen af ​​dens designteori, CDG'erne havde fundet deres anvendelser inden for optisk måling, optisk billedkodning, strukturerede lyspumpelasere, og ringformet laserbelysning, etc. Dog, impulsringene, der genereres af traditionelle CDG'er, besidder ikke nogen orbital vinkelmoment.

Ifølge forskergruppen, Fourierspektret for hver diffraktionsorden af ​​et CDG, der er indlejret i en spiralfase, var i det væsentlige en vægtssum på to impulsringe, en indad- og en anden udadrettet impulsringe.

Dermed, det er muligt at styre impulsringprofilen for den ringformede ring, der er indlejret i spiralfasen vilkårligt ved at ændre vægtkoefficienten mellem de to impulsringe.

I princippet om principeksperiment, en programmerbar rumlig lysmodulator blev brugt til at simulere fasen af ​​CDG'er indlejret i spiralfase, hvis struktur blev optimeret til at opnå den ønskede vægtkoefficient mellem de to impulsringe.

Det viste, at der blev præsenteret en type "absolutte" mørke POV'er omgivet af to lyse lap-ringe på hver side, hvilket gav et perfekt ringformet potentiale godt langs de mørke impulsringe til indfangning af støt lave indekspartikler, celler, eller kvantgas, etc.

Desuden, flere POV'er med forskellige impulsringprofiler, herunder konventionelle POV'er med lyse ringe, mørke POV'er nævnt ovenfor, og også POV'er med kontrollerbar impulsringprofil blev demonstreret.

Dette arbejde åbner op for nye muligheder for vilkårligt at omforme impulsringens profil til perfekte hvirvler. Det bør have stor interesse for optisk manipulation, både kvante- og klassisk optisk kommunikation, forbedret optisk billeddannelse, og også nye strukturerede pumpelasere.