結(jié)構(gòu)光是指在空間和時(shí)間上都經(jīng)過 "定制 "的光場，其特點(diǎn)是振幅、相位和偏振狀態(tài)在空間和時(shí)間上的獨(dú)特分布。

偏振在結(jié)構(gòu)光束中起著至關(guān)重要的作用。除了在單個(gè)橫向平面上控制偏振外，在縱向結(jié)構(gòu)光光束中沿傳播方向控制偏振也是一個(gè)重要方面。

目前的研究主要集中在沿光軸控制光束的偏振。然而，這極大地限制了縱向結(jié)構(gòu)光束偏振的空間自由度。

值得探討的是，是否有可能擺脫光軸的限制，沿著空間中的任何傳輸軌跡控制偏振。這可能會產(chǎn)生偏振沿任意軌跡變化的結(jié)構(gòu)光束，為創(chuàng)造定制的空間結(jié)構(gòu)光提供新的可能性。

在發(fā)表于《光電科學(xué)》（Opto-Electronic Science）的一項(xiàng)研究中，研究人員利用三層金屬元表面生成了具有沿任意空間軌跡變化的偏振結(jié)構(gòu)光束。

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結(jié)構(gòu)光束設(shè)計(jì)理念示意圖。

為了實(shí)現(xiàn)這些定制的空間結(jié)構(gòu)光，研究人員首先在輸入平面上設(shè)計(jì)了一個(gè)相位調(diào)制函數(shù)，該函數(shù)由一系列中心移動的膨脹圓環(huán)組成。傳播軌跡曲線由這些移動圓環(huán)在輸入平面上發(fā)出的錐形光束匯聚而成。

其次，通過控制與移動圓環(huán)相對應(yīng)的正交偏振光束分量的振幅和相位差，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定傳播軌跡上每一點(diǎn)的偏振控制。

按照預(yù)設(shè)的螺旋傳輸軌跡，他們設(shè)計(jì)了沿普安卡萊球赤道線從 15°到 75°連續(xù)變化的結(jié)構(gòu)光偏振，以及沿北半球赤道從 15°到圓偏振再到 75°連續(xù)變化的結(jié)構(gòu)光偏振。

利用太赫茲焦平面成像系統(tǒng)獲得了不同傳輸距離 z 下電場分量 Ex 和 Ey 的強(qiáng)度、振幅和相位差。在元面調(diào)制下，出現(xiàn)了一個(gè)高亮度主葉，周圍有幾個(gè)側(cè)葉，光場的整體強(qiáng)度分布類似于零階貝塞爾函數(shù)。

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沿螺旋傳輸軌跡具有線性縱向偏振變化的結(jié)構(gòu)光束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖片:structured-light-beams-2.jpg

沿螺旋傳輸軌跡具有非線性縱向偏振變化的結(jié)構(gòu)光束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過觀察不同傳輸距離 z 下的光場強(qiáng)度分布，他們發(fā)現(xiàn)光束的主葉在 5 毫米到 15 毫米的連續(xù)范圍內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，Ix 逐漸減小，Iy 逐漸增大。

不同的是，在 5 毫米到 15 毫米的范圍內(nèi)，兩束結(jié)構(gòu)光之間的 Ex 和 Ey 相位差分別從 0 到 -π 逐漸變化，與合成的偏振態(tài)相對應(yīng)，這與理論模擬結(jié)果一致。

具有縱向偏振變化的任意軌跡結(jié)構(gòu)光束提案為連續(xù)調(diào)節(jié)非軸向傳輸?shù)目臻g結(jié)構(gòu)光束的特性提供了一種實(shí)用方法，并為創(chuàng)建定制的空間結(jié)構(gòu)光束開辟了新的可能性。這項(xiàng)技術(shù)可用于光學(xué)加密、粒子操縱和生物醫(yī)學(xué)成像。

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