Génération simultanée de plusieurs faisceaux tridimensionnels de courbe de tracteur

Introduction

Il y a longtemps, les gens ont démontré la capacité de la lumière à exercer des forces. L'idée d'attirer des objets avec des faisceaux optiques a également longtemps retenu notre attention. En raison de la singularité de phase et du moment angulaire orbital unique, le vortex optique a une valeur de recherche importante dans les domaines de la micromanipulation optique, de la communication quantique, de l'imagerie optique et de la mesure optique [1,2,3,4,5,6]. Bien que la technologie de génération de vortex optiques ait été développée et puisse être utile dans diverses applications, l'efficacité d'un seul vortex optique est encore faible. Afin de capturer plusieurs particules en même temps et d'exploiter différentes particules séparément, la génération de réseaux de vortex optiques est devenue un sujet brûlant [7, 8].

Des études théoriques récentes [9,10,11,12,13] ont montré qu'un faisceau tracteur est une onde progressive qui peut transporter la matière illuminée sur toute sa longueur jusqu'à sa source. De nouvelles avancées dans le contrôle des faisceaux laser ont conduit à la réalisation expérimentale de faisceaux tracteurs [14, 15]. Un type important de piège à vortex 3D est le faisceau dit solénoïde qui présente une forme en spirale fixe autour de l'axe optique [16], dans lequel le gradient de phase peut être prescrit le long de cette courbe pour obtenir un faisceau tracteur. Il a été réalisé en imposant des phases hélicoïdales à une superposition colinéaire de faisceaux de Bessel. Ruffner et Grier [17] ont démontré expérimentalement et analysé les propriétés d'une classe de faisceaux tracteurs obtenus par l'interférence de deux faisceaux de Bessel coaxiaux qui diffèrent par leurs nombres d'ondes axiaux. En 2013, Rodrigo et al. présentent une méthode de génération efficace de faisceaux tracteurs en chargeant des hologrammes conçus uniquement en phase dans le modulateur spatial de lumière (SLM) et en irradiant le SLM avec des lasers. Ils ont utilisé la technique pour permettre la génération de faisceaux à gradient de haute intensité (HIG) dont la phase et l'intensité sont prescrites sur la base de l'hologramme généré par ordinateur (CGH) [18]. Ils ont prouvé expérimentalement que les faisceaux dans des géométries 3D distinctes pouvaient être façonnés. Les HIG et les forces de gradient de phase sont cruciales pour la construction de pièges laser 3D capables de déplacer plusieurs particules même contre la pression de rayonnement lumineux [19]. Rodrigo a également montré qu'un piège laser freestyle, comprenant des forces HIG et de gradient de phase, était capable de confiner plusieurs particules et de piloter leur mouvement [20]. Cependant, la plupart des travaux rapportés se concentrent sur la génération de faisceaux tracteurs 3D simples, ce qui présente des limites dans le développement ultérieur d'applications de mise en forme de faisceau. Sur la base de l'analyse ci-dessus, une technologie avancée de mise en forme de faisceau pour la génération de plusieurs faisceaux tracteurs 3D est nécessaire de toute urgence.

Dans cet article, nous démontrons la méthode de génération de plusieurs faisceaux tracteurs 3D à l'aide de la technique de mise en forme de faisceau holographique modifiée, où tous les CGH sont multiplexés et codés en un seul hologramme de phase en ajoutant un réseau de phase linéaire respectif. Nous concevons plusieurs faisceaux tracteurs 3D qui sont tordus à différents angles. Ces nouveaux faisceaux tracteurs devraient élargir le champ d'application des tourbillons optiques et sont potentiellement utiles dans la réalisation d'applications optiques multiples super performantes.

Méthodes

La figure 1a montre le schéma d'une technique holographique de mise en forme de faisceau 3D dans [18] qui permet de concevoir des faisceaux complexes dont l'intensité et la distribution de phase suivent une courbe 3D prescrite. Le codage du champ d'amplitude complexe en réseaux holographiques de phase est une méthode de calcul de CGH. Plus précisément, afin de générer un faisceau focal souhaité, l'amplitude complexe du plan incident est donnée par l'expression :

un Schéma de la technique de mise en forme de faisceau holographique 3D. b , c Intensité et distribution de phase reconstruites de la courbe en anneau 2D au plan focal. d Schéma spatial d'une courbe annulaire inclinée par rapport au plan z = 0. e Le faisceau tracteur annulaire focalisé sur le plan focal (z = 0)

Les termes ψ (x , y , t ) et φ (x , y , t ) dans l'éq. (1) sont déterminés par

[x ₀ (t ), y ₀ (t ), z ₀ (t )] représente la courbe 3D prescrite dans la coordonnée cartésienne avec t ∈[0,2π ]. f ₀ et λ se réfèrent respectivement à la distance focale de la lentille de Fourier et à la longueur d'onde.

Éq. (1) permet de calculer le champ complexe incident (à savoir, le CGH complexe) qui peut former un faisceau focal structurellement stable avec une distribution d'intensité et un gradient de phase particuliers (phase hélicoïdale le long de la courbe). On considère d'abord une courbe annulaire 2D x ₀ (t ) = Rcos(t ), y ₀ (t ) = Rsin(t ). La distribution d'intensité du faisceau résultant est représentée sur la figure 1b. La distribution de phase de l'anneau est bien définie le long des courbes sous la charge topologique de m = 1 [voir Fig. 1c]. Nous considérons un anneau incliné sur la figure 1d. Le plan de la courbe annulaire incliné d'un certain angle sur la base du plan z =0. Dans ce cas, le faisceau est focalisé apparaissant sur les points haut et bas [vu sur la figure 1e].

Afin de multiplexer divers faisceaux de courbes tracteurs partiellement séparés dans le champ focal, chaque CGH complexe calculé par l'Eq. (1) doit être codé avec une fréquence porteuse unique. Ceci peut être réalisé en ajoutant un réseau de phase linéaire à l'hologramme de chaque faisceau. Des réseaux linéaires en combinaison avec des filtres spatiaux sont couramment utilisés pour isoler le premier ordre de diffraction des ordres de diffraction zéro et supérieurs indésirables. La fonction de transfert d'un réseau de phase linéaire est donnée par

u _i et v _i sont les coordonnées spatiales du faisceau généré dans le champ lointain, obtenu avec une lentille de Fourier de distance focale f ₀ . k = 2π /λ est le nombre d'onde, et z _i est le déplacement décalé axial du plan focal (plan de Fourier). Afin de générer simultanément des faisceaux de courbes tracteurs, les expressions du complexe CGH final doivent être additionnées par

Résultats et discussion

La régulation du champ lumineux en configuration 3D est très significative dans les applications pratiques, telles que la manipulation 3D de particules dans un environnement fluide. Par conséquent, nous étudions la génération de faisceaux HIG dont l'intensité et la phase sont prescrites le long de courbes 3D de formes différentes. Plus précisément, nous considérons un anneau incliné Fig. 2a–e, une spirale d'Archimède Fig. 2f–j, une courbe trilobée Fig. 2k–o et une courbe carrée Fig. 2p–t. Les expressions de courbe correspondantes sont fournies dans le tableau 1. Ces structures 3D sont révélées le long de la propagation du faisceau dans la région focale. Les distributions d'intensité du faisceau mesurées dans le plan focal (z = 0) sont indiqués dans la troisième colonne de la Fig. 2. Le Z les coordonnées correspondant aux autres colonnes de la figure 2 sont marquées dans les diagrammes de simulation.

Résultats de simulation de faisceaux tracteurs 3D. a –e Courbe annulaire des faisceaux tracteurs 3D focalisés sur différents z Avions. f –j Spirale d'Archimède de faisceaux tracteurs 3D focalisés sur différents z Avions. k –o Courbe en trèfle des faisceaux tracteurs 3D focalisés sur différents z Avions. p –t Courbe carrée des faisceaux tracteurs 3D focalisés sur différents z avions

Dans les champs de micromanipulation optique, les faisceaux tracteurs avec différents degrés de distorsion 3D peuvent jouer un rôle plus important dans les applications. Cependant, pour une plus grande efficacité, il est fortement souhaitable d'effectuer de manière synchrone des manipulations différenciées à différents emplacements. Par conséquent, nous concevons plusieurs faisceaux tracteurs de quatre motifs simultanément, chacun pouvant être utilisé pour confiner des particules données dans n'importe quelle courbe géométrique prescrite avec un certain degré de distorsion 3D. La position relative des faisceaux tracteurs peut être conçue. Afin de montrer que plusieurs faisceaux tracteurs sont focalisés sur la région 3D, nous avons sélectionné six plans 2D à observer. Les faisceaux tracteurs sont focalisés sur différents plans 2D, illustrés à la Fig. 3. Ces structures 3D sont révélées le long de la propagation du faisceau dans la région focale.

Résultats de simulation de plusieurs faisceaux tracteurs 3D à différents endroits. un –c Intensité reconstituée des faisceaux avant le plan focal. d –f Intensité des faisceaux reconstituée après le plan focal

Afin d'observer l'interaction de plusieurs particules manipulées, nous avons conçu des faisceaux tracteurs graphiques imbriqués de type cuivre. La distorsion 3D et les formes des poutres intérieures et extérieures peuvent être conçues séparément. La courbe annulaire est focalisée sur le plan (z = 0), et la courbe carrée a un certain degré de distorsion 3D [vu sur la Fig. 4a–e]. La courbe carrée est focalisée sur le plan (z = 0), et la courbe en anneau a un certain degré de distorsion 3D [vu sur la Fig. 4f–j]. Les distributions d'intensité du faisceau mesurées dans le plan focal (z = 0) sont indiqués dans la troisième colonne de la Fig. 4. Le z les coordonnées correspondant aux autres colonnes de la figure 4 sont indiquées dans les diagrammes de simulation. La forme des faisceaux tracteurs peut être ajustée de manière flexible pour contrôler les particules à différentes positions.

Résultats de simulation de faisceaux tracteurs graphiques imbriqués de type cuivre. un –e Les faisceaux en forme de courbe carrée inclinée se concentrent sur différents z Avions. f –j Les faisceaux en forme d'anneau incliné sont concentrés sur différents z avions

Des expériences optiques ont été réalisées pour vérifier que la méthode présentée ci-dessus peut être utilisée pour atteindre l'objectif de focaliser plusieurs faisceaux tracteurs 3D dans des régions de focalisation accordables. Comme le montre la figure 5, la configuration optique pour générer le faisceau tracteur 3D est composée d'un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides (SLM), d'un système de filtrage 4f et d'une lentille à transformée de Fourier (focalisation). Un laser à semi-conducteur d'une longueur d'onde de 532  nm est collimaté à un éclairage à ondes planes. Le SLM (Holoeye Pluto, pas de 8 pixels, résolution 1920 × 1080) est utilisé pour adresser un CGH en phase uniquement. Nous utilisons la méthode à double phase [18, 20] pour coder le complexe CGH H (x ,y ) calculé par l'Éq. (4) dans un CGH à phase seule. Elle consiste en l'encodage de la fonction complexe sous forme d'hologramme dans le SLM. Le faisceau modulé par SLM est ensuite projeté vers la contre-ouverture de la lentille à transformée de Fourier (f = 400 mm) à travers une configuration de filtrage optique 4f. Une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) est placée dans le plan de Fourier de la lentille de focalisation pour enregistrer les modèles d'intensité générés. Les résultats des faisceaux tracteurs 3D sont présentés sur la figure 6. Bien que les faisceaux résultants présentent des erreurs après avoir traversé le système optique 4f, ils sont en bon accord avec les résultats de la simulation.

Montage expérimental. L'hologramme est adressé au SLM, qui est éclairé par un faisceau laser collimaté. Une fois que le faisceau a traversé la lentille 1, le motif souhaité peut être filtré avec un diaphragme. Ensuite, les faisceaux résultants traversent les lentilles 2 et 3 et peuvent être capturés par la caméra

Résultats expérimentaux des faisceaux tracteurs 3D. un –e Courbe annulaire des faisceaux tracteurs 3D focalisés sur différents z Avions. f –j Spirale d'Archimède de faisceaux tracteurs 3D focalisés sur différents z Avions. k –o Courbe en trèfle des faisceaux tracteurs 3D focalisés sur différents z Avions. p –t Courbe carrée des faisceaux tracteurs 3D focalisés sur différents z avions

Les résultats des multiples faisceaux tracteurs 3D sont présentés sur la figure 7. Nous avons sélectionné six plans 2D à observer, ce qui est pratique pour la comparaison avec la simulation. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Il est vérifié que cette méthode peut générer plusieurs faisceaux tracteurs 3D de manière flexible et efficace. Différents faisceaux avec un certain degré de distorsion 3D peuvent confiner des particules.

Résultats expérimentaux de plusieurs faisceaux tracteurs 3D à différents endroits. un –c Intensité reconstituée des faisceaux avant le plan focal. d –f Intensité des faisceaux reconstituée après le plan focal

Les résultats des faisceaux tracteurs graphiques imbriqués de type cuivre sont présentés sur la figure 8. Les résultats de la simulation sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Ainsi, les deux faisceaux imbriqués interagissent à peine entre eux. Les faisceaux tracteurs peuvent être utilisés pour la manipulation de plusieurs particules sur différentes courbes.

Résultats expérimentaux de faisceaux tracteurs graphiques imbriqués de type cuivre. un –e Les faisceaux en forme de courbe carrée inclinée se concentrent sur différents z Avions. f –j Les faisceaux en forme d'anneau incliné sont concentrés sur différents z avions

Conclusion

Nous concevons plusieurs faisceaux tracteurs 3D avec une localisation spatiale régulée indépendamment. Pendant ce temps, chaque faisceau individuel pourrait être prescrit le long de courbes géométriques arbitraires et tordu à des angles arbitraires comme souhaité. Nous prouvons théoriquement et expérimentalement que la génération de faisceaux tracteurs optiques en configuration 3D peut être facilement réalisée. Les gradients de haute intensité et les gradients de phase ont la capacité de capturer des particules. À l'heure actuelle, des expériences ont été menées et les faisceaux de vortex optiques endommagent au minimum les particules. Notre travail élargit les types de poutres tracteurs. Il est considéré comme significatif et utile pour le développement ultérieur de faisceaux tracteurs pour de multiples applications optiques.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

3D :

Tridimensionnel

CGH :

Hologramme généré par ordinateur

HIG :

Gradient de haute intensité

SLM :

Modulateur spatial de lumière