Sert çekirdek: lazer yapılı ışığın prensibi, tasarımı ve türünün ayrıntılı açıklaması
Resim kaynağı: istock
Yazılı | Jun and Go
01
Yapılandırılmış ışığın tarihsel arka planı
Lazerin geçmişi yarım asırdan daha önceye kadar uzanmaktadır.Sadece birçok araştırma disiplini üzerinde değil, aynı zamanda günlük hayatımızda da derin bir etkiye sahiptir.
Maymanın ilk optik boşluğu gerekli Üç temel parça : Bir kazanç ortamı, onu uyarmak için bir araç ve bir optik rezonatör Rezonans modlarının uzaysal dağılımı, bir düzlem düzlemli Fabry-Perot (FP) boşluğunda kırınım ile "şekillendirilir".
İlk başta, böyle bir boşlukta yalnızca düzlem dalgalarının rezonansa gireceği düşünülüyordu ve çıkış ışığının uzamsal dağılımını "kesmek" için neredeyse hiç yer yoktu.
Bu öncü çalışmadan sonra, araştırmacılar çıktı alanının yapısının nasıl kontrol edileceğini düşünmeye başladılar ve genlik filtreleme yoluyla uzamsal mod kontrolünü başarıyla gösterdiler ve ardından benzer bir etki elde etmek için faz filtrelemeyi kullandılar ve son zamanlarda daha fazlasıyla birleştirdiler Işığın dönüşü ve yörüngesel açısal momentumu gibi pek çok serbestlik derecesi, doğrudan ışık kaynağında tam mod kontrolünün nihai hedefine doğru kademeli olarak ilerler.
02
Yapılandırılmış ışık nedir?
Yapılandırılmış ışık Uzay ve zamanda " özel yapılmış " Işık alanı yeteneği İlki, ışık alanının genlik (yoğunluk), faz (dalga cephesi) ve polarizasyonunun kontrolünü ifade ederken, ikincisi ışık alanının zaman ve frekans spektrumunun kontrolünü ifade eder.
Yapılandırılmış ışık, kademeli olarak optik alanında önemli bir araca dönüşmüştür ve görüntüleme, mikroskop incelemesi, lazer malzeme işleme ve optik iletişim gibi birçok alanda büyük uygulama olanakları göstermiştir.
Şekil 1. Çeşitli yapılandırılmış ışık biçimlerine örnekler
03
Lazerin dışında ve içinde yapılandırılmış ışık nasıl oluşturulur?
3.1 Tasarım yöntemi
3.1.1 Yapılandırılmış ışık
Yapılandırılmış ışıkların çoğu, ışık kaynağının dışında inşa edilmiş skaler bir alandır. Şekil 2'de gösterildiği gibi, izin verilen adım sayısına, kontrol edilme özgürlüğünün derecesine ve kabul edilebilir kayıp miktarına bağlı olarak bunu başarmanın birçok yolu vardır.
Yapılandırılmış ışığı harici olarak inşa etmenin ilk yöntemi Şekil 2a'da gösterilmektedir.
Tek adımlı kayıplı karmaşık genlik modülasyon yöntemi , Yakın alan fazını ve genliğini kontrol edebilir. Lens grubu, çıkış düzlemini istenen konuma iletmek için kullanılırken, lens grubu ayrıca istenmeyen ışığı gidermek için bir uzamsal filtre görevi görür. Bu noktada, çıkış uzak alanın fazı ve genliği istenen profile oluşturulmuştur.
Yapılandırılmış ışığı dışarıdan inşa etmenin ikinci yöntemi Şekil 2b'de gösterilmektedir.
Tek adımlı kayıpsız saf faz modülasyon yöntemi , Çıkış uzak alan genliğini veya yakın alan fazını yeniden şekillendirebilir, bu sırada çıkış uzak alan fazı kontrol edilmez.
Yapılandırılmış ışığı dışarıdan inşa etmenin üçüncü yöntemi Şekil 2c'de gösterilmektedir.
İki aşamalı kayıpsız saf faz modülasyon yöntemi , Çıkış alanındaki faz ve genliği şekillendirebilir. İlk eleman gerekli genliği oluşturur ve ikinci eleman fazı düzeltir.
Şekil 2. Lazerin dışında yapılandırılmış ışık oluşturma yöntemi
3.1.2 İçeride yapılandırılmış ışık
Rezonans boşluğu içinde yapılandırılmış ışık üretme yöntemleri arasında büyük bir fark vardır Burada örnek olarak basit bir FP rezonans boşluğu alıyoruz. Temel fikir, rezonatörün temel rezonans modunu, yani her gidiş-dönüş yolculuğundan sonra en düşük kayıpla tekrar eden modu bulmaktır.
İç yapılı hafif konstrüksiyonun ilk yöntemi Şekil 3a'da gösterilmektedir.
Tek adımlı kayıplı genlik modülasyon yöntemi , Boşluğun içine bir genlik maskesi yerleştirilerek, istenen modu seçmek için kazanç veya kayıp mekansal olarak kontrol edilebilir.
İç yapılı hafif konstrüksiyonun ikinci yöntemi Şekil 3b'de gösterilmektedir.
Kademeli faz aynası modülasyon yöntemi Kademeli bir faz aynası, genellikle bir miktar genlik kontrolü ile birlikte faz kontrolü yoluyla bir rezonans boşluğunun bir rezonans modunu oluşturmak için tasarlanabilir.
İç yapılı hafif konstrüksiyonun üçüncü yöntemi Şekil 3c'de gösterilmektedir.
İki aşamalı kayıpsız saf faz modülasyon yöntemi Harici olarak yapılandırılmış ışık oluşturmanın üçüncü yöntemine benzer şekilde, harici iki aşamalı şekillendirme yöntemi, dahili yapılandırılmış ışığın yapısını gerçekleştirmek için lazer boşluğuna yerleştirilir.
Şekil 3. Lazerin içinde yapılandırılmış ışık oluşturma yöntemi
3.2 Uygulama planı
Erken yapılandırılmış ışıkta, genlik kontrolü için yalnızca iletim maskesi kullanılırken, daha sonraki dönemde bilgisayar tarafından oluşturulmuştur. Hologram (CGH) Faz kontrolü gerçekleştirin. CGH, (dinamik) fazı ayarlamak için uzamsal olarak değişen derinlik d (x, y) kullanır.
Daha sonra Uzaysal ışık modülatörü (SLM) görünümü derinliği sabit tutar ve bunun yerine her pikselin yerel kırılma indisini n (x, y) değiştirir.
SLM'nin ortaya çıkışı, yapılandırılmış ışığın hızla gelişmesine yol açtı ve özellikle optik iletişim, kuantum optiği, görüntüleme, mikroskopi, lazer malzeme işleme, optik yakalama ve optik cımbız alanlarında sayısız uygulamayı harekete geçirdi.
Şu anda, özel yapılandırılmış ışık desenleri oluşturmak için ışığın polarizasyonu, fazı ve genliğinin tam kontrolünü sağlamak için yalnızca iki SLM kullanmak mümkün olmuştur. Her bir polarizasyon bileşenini ayrı ayrı inşa ederek ve daha sonra bunları interferometri ile birleştirerek, dinamik faz kullanarak bir vektör ışını oluşturmanın bir yoludur.
Dinamik faz yerine geometrik faz kullanın , Ayrıca özel bir ışık vektörü durumu oluşturabilir.
Başlangıçta uzaysal olarak değişen alt dalga boyu ızgaralı metamalzemeler kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Her alt dalga boyu ızgarası bir polarizör görevi görür ve ek optik faz değişiklikleri ile birlikte gelir.
Daha sonra benimseyin likit kristal , Metasurface ile Süper malzeme Benzer cihazlar da gerçekleştirildi ve yörünge açısal momentumu (OAM) taşıyan skaler ve vektör yapılı ışıkların yapımında özel başarı elde etti.
Bundan sonra, erken genlik maskesinde kullanılan Fourier tekniği ile birleştirildiğinde, Dijital mikro ayna ekipmanı (DMD'ler) ayrıca ışığın genliği, fazı ve polarizasyon durumunun tam kontrolünü de sağlayabilir.Şu anda, yalnızca yapılandırılmış ışığa ulaşmak için genliği kontrol eden bu tür teknoloji, yeni bir araştırma etkin noktası haline geldi ve çeşitli yapılandırılmış ışık biçimlerini oluşturmak için kullanılıyor.
04
Çeşitli yapısal ışık lazeri türleri
4.1 OAM lazer
Lazerin OAM modu özel bir skaler moddur .
Bir lazer boşluğundan OAM desenleri oluşturmak genellikle özel optik bileşenlerin eklenmesini gerektirir.
En erken bildirilen OAM modu, bir karbondioksit lazerde üretildi. Lazer, fazı kontrol etmek için boşluk içi silindirik bir mercek kullanır ve belirli bir sarmallığa sahip bir OAM modu oluşturmak için spiral bir faz plakası ile birleşir.
O zamandan beri, OAM lazerleri gelişmeye devam etti ve birçok ilerleme sağlandı. Şu anda, lazer çıktısının OAM modunun en yüksek sarmallığı, ayna yüzeyine oyulmuş halka genlik maskesi tarafından üretilen l = 288'dir.Sonucunun bir kısmı Şekil 4'te gösterilmiştir.
Şekil 4. Yüksek OAM yapılı ışık
üretmek Vektör girdap ışını OAM ışınlarının, özellikle de radyal ve azimut polarize ışığın oluşumunun bir uzantısıdır.
Şekil 5'te gösterildiği gibi, polarizasyon seçici yansımalı bir intrakavite aksinin kullanılması, radyal olarak polarize halka ve ark yapılı ışık üretebilir.
Şekil 5. Radyal olarak polarize halka yapılı ışık
OAM ve dalga boyunun ayarlanabilirliği, iletişim ve biyolojik örnekleme alanlarında sıcak bir konudur.
Şekil 6, hibrit bir boş alan ve fiber platform üzerinde gerçekleştirilen yeniden yapılandırılabilir bir vorteks lazeri göstermektedir.
Bu lazer, = 35 nm ve l = 10 aralığında ayarlanabilir dalga boyu ve helisiteye sahip bir vorteks ışını oluşturmak için bir fiber lazer konseptini dinamik intrakavite modu kontrolü ile SLM ile birleştirir.
Şekil 6. Ayarlanabilir vorteks lazer
4.2 Diğer geometrik yapılara dayalı yapılandırılmış ışık lazeri
Şimdiye kadar, açıklanan lazerler bir rezonans boşluğunun varlığını varsaydı ve her gidiş-dönüş yolculuğundan sonra gerekli modu çıktı. Bu kavramı terk ettikten sonra, daha egzotik yapılı lazerler yapılabilir.
Konfokal kararsız rezonatöre dayalı lazer Çıkış modu Şekil 7'de gösterilmiştir.
Basit bir diyafram açıklığına ve geleneksel cilalı küresel aynaya ek olarak, bu lazer Başka dahili bileşen yok , Ancak karmaşık çıktı verebilir Fraktal yapılı ışık Desen.
Şekil 7. Kararsız boşluktan gelen fraktal yapılı ışık
Boşlukta iki boyutlu mikro küre dizisine dayalı hibrit mikro lazer Şekil 8'de gösterildiği gibi fraktal yapılı ışık üretmek için başka bir yöntemdir.
Boşluğun uzunluğunu ve kürenin geometrisini ayarlayarak, bu hibrit lazer, küreden Laguerre-Gauss ışınları, Hermite-Gauss ışınları ve İnce-Gauss ışınları çıkarabilir. ) ışın.
Şekil 8. Hibrit mikro lazerden gelen fraktal yapılı ışık
Astigmatik rezonatör bazlı kaleydoskop lazer , Astigmatik lazer boşluğundan üretilen çoklu Hermite-Gauss ışınları, silindirik lensin içinden geçer ve Şekil 9'da gösterildiği gibi, bu tuhaf fraktal benzeri yapılandırılmış ışık kaleydoskop modellerini oluşturmak için birbirlerinin üstüne bindirirler.
Şekil 9. Kaleidoscope lazer modu
Düzensiz yapıya dayalı optik boşluksuz rastgele lazer Şimdiye kadar tartışılan lazerlerin tümü, optik rezonatörler tarafından, Düzensiz yapı (Toz, sıvı kristal gibi) rezonans boşluğu olmadan lazer etkisi elde edebilir - yani Rastgele lazer .
Son çalışmalar, rastgele lazer çıktı ışık alanının uzaysal yapısının, Şekil 10'da gösterildiği gibi nanoyapıların yönünü ve yoğunluğunu kontrol ederek kontrol edilebileceğini göstermiştir.
Şekil 10. Kontrollü rastgele lazer modu
4.3 Yapılandırılmış maddeye dayalı yapılandırılmış ışık lazeri
Özel bir optik boşluk yapısı kullanmanın yanı sıra, Yapılandırılmış madde Yapılandırılmış ışık lazerlerinin tasarımında da önemli bir rol oynar.
Geleneksel lazer kavramı, topolojik fotonik fikri ile birleştirildiğinde, yapılandırılmış ışık, gerçekten heyecan verici olan yapılandırılmış bir malzeme boşluğundan üretilir. Şu anda, yapılandırılmış ışık üretimi için fotonik kristal nano-mikro boşluklar ve topolojik yalıtıcılar kullanılmaktadır.
En son gelişme, çıktı OAM modunun sarmallığını kontrol etmek için yarı iletken mikro lazerlerde zaman-tersine simetrinin kullanılmasıdır.
Şekil 11'de gösterildiği gibi, Mikropillar yapı Şiral pompa tarafından uyarılan uyarılmış OAM modunun sarmallığı, pompa ışığının dönüş yönü tarafından kontrol edilir.
Şekil 11. Mikro lazerden kiral kontrol
05
sonuç olarak
5.1 Yapılandırılmış hafif lazerlerin avantajları
1. Lazer, istenmeyen modları ortadan kaldırmak için kullanılabilen doğal bir filtredir. Harici yöntemlerle karşılaştırıldığında, Modelin saflığını ve gücünü artırın .
2. Dış yapıdan yapısal ışığın getirilmesi kayıp Kolaylıkla üstesinden gelinemez ve yapılandırılmış hafif lazerler pompa gücü artırılarak telafi edilebilir. 3. Yapılandırılmış ışık lazerlerinin uygulanması daha kolaydır Çip üstü entegrasyon .
4. Yapısal ışık lazeri Entegre çözüm , Gelecekteki piyasa uygulamalarında bariz avantajlara sahiptir.
5.2 Yapılandırılmış hafif lazerlerin karşılaştığı mevcut darboğazlar
1. Güç sınırlıdır
Işın şekillendirme elemanının güç eşiğiyle sınırlandırılan çoğu yapılandırılmış ışık lazerinin gücü düşüktür. Meta yüzeylerin uygulanması da dahil olmak üzere yeni malzemelerin kullanımı gelecekte bu sınırlamanın üstesinden gelebilir; ayrıca yapılandırılmış optik amplifikatörlerin kullanımı da dikkate değer bir çözümdür.
2. Tasarım yöntemleri sınırlıdır
Diğer bir acil sınırlama, tasarım yönteminin kendisidir. Şu anda, çoğu tasarım tekniğinin odak noktası en düşük seviyeli rezonans modunu belirlemektir, ancak olası daha yüksek seviyeli modlar dikkate alınmamaktadır. Geleceğin gelişmesi için çok çalışması gerekiyor Evrensel tasarım yöntemi .
Kısacası, yapılandırılmış ışık lazerleri alanında muazzam ilerleme kaydedilmesine rağmen, Tasarım yöntemi , Realizer Formül ve Gerçek cihaz Hâlâ geniş fırsatlar var.
Kağıt " Lazerlerden Yapısal Işık "" "Laser and Photonics Reviews" dergisinde yayınlandı. Orijinal metni görüntülemek için burayı tıklayın
kaynak: Changchun Optik ve Mekanik Enstitüsü Işık Akademik Yayın Merkezi
Editör: O ve kedi
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. 15 yıl önce oyun dünyasını sansasyonelleştiren veba, ABD CDC'yi şok etti ve en iyi dergileri yayınladı
2. Uçak neden uçabiliyor? Bugüne kadar bilim adamlarının hala bir cevabı yok
3. Pirinç Pişirici Pastalar için Sert Bilim Rehberi: Başlamaktan Vazgeçmek
4. Evde kalırsanız vücudunuza ne olur?
5. Feynman: Fizik mi yoksa matematik öğrenmek daha mı iyi?
6. Nash: Nesneleri bilimsel olarak nasıl takip edebilirim?
7. Yumurtalar neden dövülemiyor? Çünkü köpürme prensibini iyi öğrenmedin
8. Kuru üzümler önce kurutulur ve sonra toplanır mı? Çocukluktaki şüpheleri çözen fındık işleme hattı
9. Newton salgın nedeniyle ne yaptı?
10. Neden! BEN! Yine kayboldum!
