渦旋光束
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-10-12
渦旋光束的實例教程
其捕獲原理與渦旋光束不同，如下圖所示：
高斯光束利用梯度力捕獲粒子
高斯光束依靠的是作用在任意透明粒子上的偶極力導致的朝向光束焦點的力。如果光束聚焦緊密，合成的梯度力足以克服散射力和重力的影響，那么就可以為直徑達幾微米的透明粒子創建三維陷阱，使粒子束縛在光強最強的中心區域。
高斯光束越強，其捕獲粒子的能力就越大，但是對于很多微小的粒子，尤其是生物顆粒，高強度的激光有可能對粒子造成不可逆的損傷。
而渦旋光束的光強分布是環狀的：
中心光強為零的環狀光束
這樣的中心暗斑會降低對生命物質的傷害，即使增加光強也不會對粒子造成太大的損傷，粒子可以毫發無損地被束縛在光束中心，因此在生物醫學方面具有獨特優勢。因此渦旋光束被廣泛應用于粒子操控領域，如捕獲線粒體、溶酶體、金屬顆粒、無機物和有機物顆粒等。
捕獲CuO顆粒
捕獲并標記溶酶體
除了捕獲特性，渦旋光束攜帶的軌道角動量是一個相對穩定的量，在光通信中，渦旋光束的拓撲荷數既可以作為載體傳遞信息，也可以為信道提供全新的復用維度，從而提高空間光通信系統的容量。
渦旋光束還有哪些奇特之處呢？
1.渦旋光束有螺旋式相位結構，光場中存在奇異點，在奇點處，振幅為零且相位不確定，光束傳播過程中光強呈現為環狀分布。
2. 具有軌道角動量，這種角動量具有機械效應，不僅可以產生扭矩還可以使物體移動，從而促進了上文中提到的光鑷技術的發展。渦旋光束的軌道角動量，還可用于自由空間光通信，并且具有信息存儲量大、穩定性高和保密性好的特點，為高密度信息存儲和傳輸提供了理論支持。
3. 帶有偏振態分布的渦旋光束還可用于激光加工和材料處理等。
展開 因此，在形成渦旋光束過程中相位分布不夠精細，導致生成的渦旋光光束相位不夠理想，提取的拓撲荷數存在誤差。但是我們通過MATLAB代碼計算更為精密的渦旋相位，其實驗得到拓撲荷數與設計的拓撲荷數是一致的。
Express 16, 19934-19949(2008)]的步驟，利用嵌入Dove棱鏡的非平衡Mach-Zehnder干涉儀模擬了基于Ince-Gaussian模的渦旋陣列激光光束的生成。所提出的干涉裝置產生的渦旋陣列激光光束在傳播過程中和焦點都可以保持其光束輪廓。因此，所提出的渦旋陣列激光光束以二維陣列的形式應用于光鑷和原子阱中，具有很大的前景。
任務說明
在VirtualLab Fusion中構建系統
系統構建模塊—光源
系統構建模塊—組件和探測器
渦旋陣列激光光束產生的仿真
在光源中使用不同模式階次生成渦旋陣列
橢圓度參數對渦旋陣列圖案的影響
總結—系統構建模塊…
在VirtualLab Fusion的工作流程
? 設置輸入場
? Basic Source Models [教程視頻]
?Ince-Gaussian Models [用例]
? 使用界面構造真實組件
? 定義組件的位置和方向
- LPD II : Position and Orientation [教程視頻]
? 為非序列追跡設置通道
- Channel Setting for Non-Sequential Tracing [用例]
VirtualLab Fusion 技術
文件信息
進一步閱讀
- Mach-Zehnder Interferometer
- Ince-Gaussian Modes
展開 背景介紹
在現代光學與光子學領域，渦旋光束因其獨特的螺旋相位波前和軌道角動量（OAM）特性，成為精密操控、量子通信、超分辨成像等前沿方向的核心工具。這類光束的相位分布呈螺旋狀，光強表現為中心暗斑，其攜帶的 OAM 理論上可無限取值，為信息編碼與傳輸提供了全新維度。
然而，傳統的渦旋光束生成方法往往存在結構復雜、成本高昂或難以集成的局限。在此背景下，二維叉形光柵作為一種高效、緊湊的相位調制元件，逐漸成為生成渦旋光束的主流方案之一。它通過在基底上刻蝕出具有特定拓撲荷的叉形相位結構，可直接將入射的基模高斯光束轉換為攜帶 OAM 的渦旋光束，具有設計靈活、衍射效率高、易于批量制備等顯著優勢。
隨著微納加工技術的飛速發展，二維叉形光柵的制備精度與性能不斷提升，不僅能實現單一拓撲荷的渦旋光束輸出，還可通過級聯或復用設計生成多通道、多模式的 OAM 光束陣列。這一技術突破，極大地推動了渦旋光束在光通信、光學操控及量子信息處理等領域的實用化進程，為下一代光子學器件的發展奠定了重要基礎。
建模任務
這一期為大家介紹的案例為二維叉形光柵產生渦旋光陣列，如圖1所示。在本案例中用到光源為高斯光源，波長為532nm，束腰直徑為200μm。用可編程透過率函數模擬二維叉形光柵，經過透鏡后查看在焦平面的光場分布。在焦平面通過光闌篩選特定級次后查看特定的衍射級次。如圖1所示為本案例的裝置圖。
圖1. 二維叉形光柵產生渦旋光陣列示意圖
二維叉形光柵的結構如圖2所示，為水平叉形光柵和豎直叉形光柵的疊加，公式參考文獻3. 沿著x方向和y方向的光柵周期為28μm，沿著x和y方向的拓撲荷均為2，振幅因子γx和γy為0.5.
圖2.
展開 可編程光源代碼編輯以及參數設置
運行之可以看到最后得到和原點對稱分布的渦旋光束，如圖10所示。
圖10. 離軸雙渦旋光束強度和相位
在VirtualLab Fusion的光路編輯器中選中光源，鼠標右鍵后點擊Activate Light Source可以快速激活一個光源。
圖11. 快速激活一個光源
最后，別忘了在上方Layout Tools中可以將自定義的光源保存到自定義光源庫中，方便下次使用。
圖12. 保存可編程光源為自定義光源
渦旋光束的相關專題、標簽、搜索
渦旋光束的最新內容
電磁場的表達形式
VirtualLab Fusion用戶界面的基礎操作
2
基礎知識簡介
干涉發生的條件
楊氏雙縫干涉實驗特性
激光邁克爾遜干涉--非序列追跡和參數掃描功能介紹
3
干涉測量系統建模
利用FP腔研究鈉原子D線光譜
光學相干層析掃描系統
Inces - Gaussian光束產生渦旋陣列激光光束的觀測
可編程光源代碼編輯以及參數設置
運行之可以看到最后得到和原點對稱分布的渦旋光束，如圖10所示。
圖10. 離軸雙渦旋光束強度和相位
在VirtualLab Fusion的光路編輯器中選中光源，鼠標右鍵后點擊Activate Light Source可以快速激活一個光源。
圖11.
在此背景下，二維叉形光柵作為一種高效、緊湊的相位調制元件，逐漸成為生成渦旋光束的主流方案之一。它通過在基底上刻蝕出具有特定拓撲荷的叉形相位結構，可直接將入射的基模高斯光束轉換為攜帶 OAM 的渦旋光束，具有設計靈活、衍射效率高、易于批量制備等顯著優勢。
Ince-Gaussian模式1個月前
定義級次-奇次多項式
尺寸大小
橢圓參數
與厄米和拉蓋爾高斯模式的比較
文檔信息
拓展閱讀
□ 觀察Ince-Gaussian光束產生的渦旋陣列激光光束
光源選項——概述
定義級次-偶次多項式
定義級次-奇次多項式
尺寸大小
橢圓參數
與厄米和拉蓋爾高斯模式的比較
文檔信息
拓展閱讀
□ 觀察Ince-Gaussian光束產生的渦旋陣列激光光束
□ InceInce-Gaussian光束的聚焦
高斯光束產生渦旋陣列激光束的觀測
本文介紹了由Chu等人首次提出的使用嵌入Dove棱鏡的非平衡馬赫-澤德干涉儀，產生渦陣列激光束的方法[Opt. Express 16, 19934-19949 (2008)]。
Ince高斯模式
Ince高斯模式構成了傍軸波動方程的附加解。本用例演示了Ince高斯模式光源的功能，該功能可用于在光學系統中包含這些模式。
與Hermite和Laguerre高斯模式的對比
文件信息
延伸閱讀
? Ince高斯光束產生渦旋陣列激光束的觀測
? Ince高斯光束的聚焦
Express 16, 19934-19949(2008)]的步驟，利用嵌入Dove棱鏡的非平衡Mach-Zehnder干涉儀模擬了基于Ince-Gaussian模的渦旋陣列激光光束的生成。所提出的干涉裝置產生的渦旋陣列激光光束在傳播過程中和焦點都可以保持其光束輪廓。因此，所提出的渦旋陣列激光光束以二維陣列的形式應用于光鑷和原子阱中，具有很大的前景。
模式像散轉換器概念圖
如圖1所示，像散轉換器，即Astigmatic Mode Converter，是由一對柱透鏡組成的器件，最早由Allen等人提出，用于將厄米高斯光束轉化為渦旋光束。
任務描述
Ince-Gaussian模是近軸波動方程的第三個完整的精確和正交解族，與Hermite-Gaussian模和Laguerre-Gaussian模并列。由于高斯模式具有多樣的橫向模式。在本文件中，按照Chu等人[Opt.Express 16，19934-19949（2008）]的步驟，使用
