渦旋光束學習案例集含渦旋光束步驟教學案例教程

你還不知道“渦旋光束”？(轉載）

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。　　

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Lumerical FDTD設計超透鏡產生渦旋光束

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。

[VirtualLab] Inces-Gaussian光束產生渦旋陣列激光光束的觀測

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

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[VirtualLab] 二維叉形光柵產生渦旋光陣列

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.

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VirtualLab Fusion光源的這些設置方法，你掌握了嗎?

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