渦旋光
關注創(chuàng)建者：opt-simul 創(chuàng)建時間：2022-02-14
渦旋光的實例教程
28，F(xiàn)DTD仿真渦旋光的傳播 ￥1000
fdtd內(nèi)置有平面光，高斯光，模式光，全場散射光，這些足夠滿足大部分情況。但是在一些特殊情況中，需要在fdtd中自定義光源，比如，在fdtd中入射一個渦旋光，徑向/角向偏振光等等，這個時候就需要編寫一些代碼將光源導入到FDTD中。
下面是我簡簡單單在FDTD中仿真的一個渦旋光的傳播。
渦旋光沿z軸向上傳播，兩側(cè)的4個動圖是不同z值時的XY面的光強分布，可以看到xy面上好像是一個厄密特光不停的旋轉(zhuǎn)，與一般印象中的”甜甜圈“狀渦旋光相去甚遠。這是因為這是時域中的結(jié)果，如果用監(jiān)視器轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域中的結(jié)果那么就像下圖
看一下yz面的頻域結(jié)果，也是明顯的空心狀
最后，檢測一下相位，是非常典型的”渦旋“
這里只展示渦旋光，至于其他光源的仿真暫時懶得仿了。如果你有其他特殊光源想在FDTD中入射仿真，先自己多多嘗試，實在不會可以找我代做，根據(jù)難度定價，一般難度1000元。下面是付費內(nèi)容，F(xiàn)DTD入射渦旋光。
展開 comsol仿真高斯光經(jīng)過渦旋板變成渦旋光，其中渦旋板的建模要動點腦子
comsol模型在下面的付費內(nèi)容中
背景介紹
在現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)的渦旋光束生成方法往往存在結(jié)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(diào)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(jié)構，可直接將入射的基模高斯光束轉(zhuǎn)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(yōu)勢。
隨著微納加工技術的飛速發(fā)展，二維叉形光柵的制備精度與性能不斷提升，不僅能實現(xiàn)單一拓撲荷的渦旋光束輸出，還可通過級聯(lián)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(fā)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(chǎn)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(shù)模擬二維叉形光柵，經(jīng)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(chǎn)生渦旋光陣列示意圖
二維叉形光柵的結(jié)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 010 - COMSOL超表面產(chǎn)生渦旋光（僅包含模型文件，53元）
基本介紹：
主要內(nèi)容：基于文獻《利用超表面天線陣列產(chǎn)生太赫茲渦旋光束 作者：李瑤等》，用COMSOL重復了所有內(nèi)容；
計算所需的內(nèi)存：32 GB；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.4 (5.4.0.225)；
涉及的內(nèi)容：幾何-程序設計、在App開發(fā)器用模型方法構建幾何、端口、周期性條件、參數(shù)化掃描 等；
繪制了：透射光的振幅和相位變化圖、透射光的電場分布、透射渦旋光的電場模和相位分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，該器件是由 L 形金天線構成的超表面，超表面上分成 8 個區(qū)域，對應不同的 h 和 r 尺寸，從而實現(xiàn)對相位的調(diào)制。超表面的排列周期 P = 1.5 mm，t1 = 300 nm，工作頻率是 0.1 THz。
x方向偏振的高斯光束從下往上入射到超表面，能夠輸出一個渦旋光。
計算的內(nèi)容和結(jié)果：
1、對幾何結(jié)構參數(shù)r和h進行掃描，得到透射光電場和相位變化情況。左：文獻中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果??
2、對于文中編號為A1~A8的八個尺寸不同的單元構成的超表面，利用平面線偏振入射，正交方向透射光的振幅和相位改變。左：文獻中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果??
3、對于文中的陣列A，透射光電場x分量和y分量的分布情況。左：文獻中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果??
4、對于文中的陣列B，透射光電場x分量和y分量的分布情況。左：文獻中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果??
5、撲荷l = 1的透射光情況，受制于計算機性能，本案例中只截取了6×6的陣列來模擬，且網(wǎng)格剖分得很粗。
展開 如下圖，作者制作了一排鋯硅納米柱，在其中摻雜熒光染料，隨后用顯微鏡聚焦渦旋光在納米柱一側(cè)，觀察到熒光分子被激活且熒光向著一側(cè)單向輻射。有兩點需要說明，第一個作者在仿真中使用的是偶極子光來近似等效聚焦渦旋光，第二點是作者的實驗現(xiàn)象我覺得也并不明顯是單向輻射，盡管他的仿真很明顯。
先用fdtd把上面的靜態(tài)圖片的模型仿真一下，就能得到動態(tài)圖看的更直觀
這篇文章是今年暑假回去學車時，抽空弄了弄，我用fdtd和comsol復現(xiàn)了本文圖1中de四幅圖的仿真，如下
下面是fdtd復現(xiàn)結(jié)果
下面是comsol的復現(xiàn)結(jié)果
另外還用comsol復現(xiàn)了圖3a，如下
下面是付費內(nèi)容
渦旋光的最新內(nèi)容
如果HG01和HG10具有π/2的相位差則會疊加形成一階渦旋光。
2. 疊加拉蓋爾高斯光束（Combination of Laguerre Gaussian Modes）
原理和疊加拉蓋爾高斯光束類似，這個也可以在疊加厄密高斯光束的編輯卡上方勾選拉蓋爾高斯光束，或者從目錄中導入。
圖4. 疊加拉蓋爾高斯光束
3.
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(fā)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(chǎn)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(shù)模擬二維叉形光柵，經(jīng)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。
這種現(xiàn)象可以應用于例如產(chǎn)生渦旋光。以方解石晶體為例，這個用例在VirtualLab Fusion中證明了單軸晶體中的偏振轉(zhuǎn)換。并且可以觀察到在過程中產(chǎn)生的渦旋光。
模式像散轉(zhuǎn)換器VirtualLab Fusion光線追跡結(jié)果
場追跡的結(jié)果如圖8所示：可以看到將3階渦旋光轉(zhuǎn)換成了傾斜像散厄米高斯光束
圖8. 光源分布（左）和模式像散轉(zhuǎn)換器VirtualLab Fusion場追跡結(jié)果（右）
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(shù)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(shù)與設計的拓撲荷數(shù)是一致的。
這種現(xiàn)象可以應用于例如產(chǎn)生渦旋光。以方解石晶體為例，這個用例在VirtualLab Fusion中證明了單軸晶體中的偏振轉(zhuǎn)換。并且可以觀察到在過程中產(chǎn)生的渦旋光。
comsol仿真高斯光經(jīng)過渦旋板變成渦旋光，其中渦旋板的建模要動點腦子
comsol模型在下面的付費內(nèi)容中
在上一篇文章中，展示了了使用FDTD自定義光源，并舉例一個渦旋光的傳播仿真。那么，其實FDTD中也可以自定幾何形貌，下面展示下隨機分布的納米團簇。
1，鋪在基板上的金納米錐團簇，排列可以按照TEM圖來
2，隨機分布的任意大小，不同形貌的金納米顆粒
3，超表面結(jié)構
下面是付費內(nèi)容，F(xiàn)DTD入射渦旋光。
如下圖，作者制作了一排鋯硅納米柱，在其中摻雜熒光染料，隨后用顯微鏡聚焦渦旋光在納米柱一側(cè)，觀察到熒光分子被激活且熒光向著一側(cè)單向輻射。有兩點需要說明，第一個作者在仿真中使用的是偶極子光來近似等效聚焦渦旋光，第二點是作者的實驗現(xiàn)象我覺得也并不明顯是單向輻射，盡管他的仿真很明顯。
