Création simultanée de multiples faisceaux courbes tracteurs 3D pour manipulation optique avancée

Résumé

Un faisceau tracteur, capable d'attirer des objets, est une classe de faisceaux optiques spéciaux. Actuellement, la technologie holographique est utilisée pour façonner des faisceaux tracteurs optiques complexes pour la recherche fondamentale et les applications pratiques. Cependant, la plupart des travaux rapportés se concentrent sur la génération de faisceaux tracteurs bidimensionnels (2D) et de simples faisceaux tracteurs tridimensionnels (3D), ce qui limite le développement futur sur le mécanisme et l'application du façonnage de faisceaux. Dans ce travail, nous présentons notre étude sur la conception de multiples faisceaux tracteurs 3D avec localisation spatiale régulée indépendamment. Pendant ce temps, chaque faisceau individuel pouvait être prescrit le long de courbes géométriques arbitraires et tordu à des angles arbitraires comme désiré. Dans notre méthode, l'hologramme généré par ordinateur (HGO) de chaque courbe est calculé, et tous les HGO sont multiplexés et encodés en un seul hologramme de phase seule en ajoutant un réseau de phase linéaire respectif de telle sorte que différentes courbes 3D apparaissent dans différentes positions des régions focales. Nous prouvons expérimentalement que la génération de faisceaux tracteurs optiques en configuration 3D peut être aisément réalisée. Les faisceaux générés dans cette étude sont particulièrement utiles pour applications telles que le micro-usinage optique multiple, le piégeage optique et la manipulation 3D complexe.

Introduction

Depuis longtemps, la capacité de la lumière à exercer des forces a été démontrée. L'idée d'attirer des objets avec des faisceaux optiques a aussi capté notre attention depuis longtemps. En raison de la singularité de phase et du moment angulaire orbital unique, le vortex optique a une importante valeur de recherche dans les domaines de la micromanipulation optique, communication quantique, imagerie optique, et mesure optique. Bien que la technologie pour générer des vortex optiques ait été développée et puisse être précieuse dans diverses applications, l'efficacité d'un vortex optique unique est encore faible. Afin de capturer plusieurs particules en même temps et opérer différentes particules séparément, la génération de réseaux de vortex optiques est devenue un sujet brûlant.

Des études théoriques récentes ont montré qu'un faisceau tracteur est une onde voyageuse qui peut transporter le matériau illuminé le long de sa longueur vers sa source. De nouvelles avancées dans le contrôle de faisceau laser ont mené à la réalisation expérimentale de faisceaux tracteurs. Un type important de piège vortex 3D est le faisceau solénoïde qui exhibe une forme spirale fixe autour de l'axe optique, 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 Bessel. Ruffner et Grier ont expérimentalement démontré et analysé les propriétés d'une classe de faisceau tracteur obtenue par l'interférence de deux faisceaux Bessel coaxiaux différant par leurs nombres d'onde axiaux. En 2013, Rodrigo et al. présentent une méthode pour la génération efficace de faisceaux tracteurs en chargeant des hologrammes de phase seule conçus dans le modulateur de lumière spatiale (MLS) et en irradiant simultanément le MLS avec des lasers. Ils ont utilisé la technique pour permettre la génération de faisceaux à gradient d'intensité élevé (HIG) dont la phase et l'intensité sont prescrites basées sur l'hologramme généré par ordinateur (HGO). Ils ont prouvé expérimentalement que des faisceaux en géométries 3D distinctes pouvaient être façonnés. Les HIG et forces de gradient de phase sont cruciaux pour la construction de pièges laser 3D capables de déplacer plusieurs particules même contre la pression de radiation lumineuse. Rodrigo a aussi montré qu'un piège laser freestyle, incluant forces HIG et gradient de phase, était capable de confiner plusieurs particules et piloter leur mouvement. Cependant, la plupart des travaux rapportés se concentrent sur la génération de simples faisceaux tracteurs 3D, ce qui limite le développement futur des applications de façonnage de faisceaux. Basée sur l'analyse ci-dessus, une technologie avancée de façonnage de faisceaux pour la génération de multiples faisceaux tracteurs 3D est urgemment nécessaire.

Dans cet article, nous démontrons la méthode pour la génération de multiples faisceaux tracteurs 3D en utilisant la technique de façonnage de faisceau holographique modifiée, où tous les HGO sont multiplexés et encodés en un seul hologramme de phase seule en ajoutant un réseau de phase linéaire respectif. Nous concevons multiples faisceaux tracteurs 3D qui sont tordus à différents angles. De tels nouveaux faisceaux tracteurs sont attendus pour étendre le champ d'application des vortex optiques et sont potentiellement utiles dans la réalisation d'applications optiques multi-performances.

Méthodes

La Figure 1a montre le schéma d'une technique de façonnage de faisceau 3D holographique qui permet de concevoir des faisceaux complexes dont la distribution d'intensité et de phase suit une courbe 3D prescrite. L'encodage du champ d'amplitude complexe en gratings holographiques de phase est une méthode pour calculer le HGO. Spécifiquement, afin de générer un faisceau focal désiré, l'amplitude complexe du plan incident est donnée par l'expression :

$$ G(x,y) = \int_0^{2\pi} \varphi(x,y,t) \phi(x,y,t) \sqrt{[x'_0(t)]^2 + [y'_0(t)]^2} dt $$ (1)

Les termes $\psi(x,y,t)$ et $\phi(x,y,t)$ dans l'Éq. (1) sont déterminés par :

$$ \varphi(x,y,t) = \exp \left( i\pi z_0(t) \frac{[x-x_0(t)]^2 + [y-y_0(t)]^2}{\lambda f_0^2} \right) $$ (2)

$$ \phi(x,y,t) = \exp \left( \frac{i}{\omega_0^2} [y x_0(t) - x y_0(t)] + \frac{i\sigma}{\omega_0^2} \int_0^t [x_0(\tau) y'_0(\tau) - y_0(\tau) x'_0(\tau)] d\tau \right) $$ (3)

$[x_0(t), y_0(t), z_0(t)]$ représente la courbe 3D prescrite dans les coordonnées cartésiennes avec $t \in [0,2\pi]$. $f_0$ et $\lambda$ réfèrent à la distance focale de la lentille de Fourier et la longueur d'onde, respectivement.

L'Éq. (1) permet de calculer le champ complexe incident (à savoir, HGO complexe) qui peut façonner un faisceau focal structuralement stable avec distribution d'intensité spéciale et gradient de phase (phase hélicoïdale le long de la courbe). Nous considérons d'abord une courbe anneau 2D $x_0(t) = R\cos(t), y_0(t) = R\sin(t)$. La distribution d'intensité du faisceau résultant est affichée Fig. 1b. La distribution de phase de l'anneau est bien définie le long des courbes sous la charge topologique m = 1 [voir Fig. 1c]. Nous considérons un anneau incliné Fig. 1d. Le plan de la courbe anneau incliné à 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 Fig. 1e].

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

$$ \varphi_i(x,y) = k z_i \sqrt{1 - \frac{x^2}{f_0^2} - \frac{y^2}{f_0^2}} + k \left( \frac{x u_i}{f_0} + \frac{y v_i}{f_0} \right) $$ (4)

$u_i$ et $v_i$ sont les coordonnées spatiales du faisceau généré dans le champ lointain, atteint avec une lentille de Fourier de distance focale $f_0$. $k = 2\pi/\lambda$ est le nombre d'onde, et $z_i$ est le déplacement axial décalé loin du plan focal (plan de Fourier). Afin de générer des faisceaux courbes tracteurs simultanément, les expressions du HGO complexe final doivent être additionnées par :

$$ H(x,y) = \sum_{i=1}^n G_i(x,y) \cdot \exp[i \varphi_j(x,y)] $$ (5)

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 différentes formes. Spécifiquement, nous considérons un anneau incliné Fig. 2a-e, une spirale d'Archimède Fig. 2f-j, une courbe nœud trèfle Fig. 2k-o, et une courbe carrée Fig. 2p-t. Les expressions de courbe correspondantes sont fournies Tableau 1. Ces structures 3D sont révélées le long de la propagation du faisceau dans la région focale. Les distributions d'intensité des faisceaux mesurées dans le plan focal ($z = 0$) sont montrées dans la troisième colonne de Fig. 2. Les coordonnées Z correspondant aux autres colonnes de Fig. 2 sont marquées dans les diagrammes de simulation.

Dans les domaines de la micromanipulation optique, les faisceaux tracteurs avec différents degrés de distorsion 3D peuvent jouer un rôle plus grand dans les applications. Cependant, pour une efficacité plus élevée, il est hautement désiré d'exécuter simultanément des manipulations différenciées à différents emplacements. Par conséquent, nous concevons multiples faisceaux tracteurs de quatre motifs simultanément, chacun pouvant être utilisé pour confiner des particules données dans toute courbe géométrique prescrite avec un certain degré de distorsion 3D. La position relative des faisceaux tracteurs peut être conçue. Afin de montrer que multiples faisceaux tracteurs sont focalisés sur la région 3D, nous avons sélectionné six plans 2D pour observer. Les faisceaux tracteurs sont focalisés sur différents plans 2D, vu Fig. 3. Ces structures 3D sont révélées le long de la propagation du faisceau dans la région focale.

Afin d'observer l'interaction de multiples particules manipulées, nous avons conçu des faisceaux tracteurs graphiques imbriqués type cuivre. La distorsion 3D et les formes des faisceaux interne et externe peuvent être conçues séparément. La courbe anneau est focalisée sur le plan ($z = 0$), et la courbe carrée a un certain degré de distorsion 3D [vu Fig. 4a-e]. La courbe carrée est focalisée sur le plan ($z = 0$), et la courbe anneau a un certain degré de distorsion 3D [vu Fig. 4f-j]. Les distributions d'intensité des faisceaux mesurées dans le plan focal ($z = 0$) sont montrées dans la troisième colonne de Fig. 4. Les coordonnées z correspondant aux autres colonnes de Fig. 4 sont marquées dans les diagrammes de simulation. La forme des faisceaux tracteurs peut être ajustée flexiblement pour contrôler les particules à différentes positions.

Des expériences optiques ont été effectuées pour vérifier que la méthode introduite ci-dessus peut être utilisée pour atteindre le but de focaliser multiples faisceaux tracteurs 3D dans des régions focales ajustables. Comme montré Fig. 5, le montage optique pour générer le faisceau tracteur 3D est composé d'un modulateur de lumière spatiale à cristal liquide (MLS), un système de filtrage 4f, et une lentille de transformation de Fourier (focalisation). Un laser à état solide avec longueur d'onde 532 nm est collimaté en illumination onde plane. Le MLS (Holoeye Pluto, pas de pixel 8, résolution 1920 × 1080) est utilisé pour adresser un HGO de phase seule. Nous utilisons la méthode double-phase pour encoder le HGO complexe $H(x,y)$ calculé par l'Éq. (4) en un HGO de phase seule. Cela consiste en l'encodage de la fonction complexe comme hologramme dans le MLS. Le faisceau modulé par MLS est ensuite projeté vers l'ouverture arrière de la lentille de transformation de Fourier ($f = 400$ mm) à travers une configuration de filtrage optique 4f. Une caméra à dispositif à charge couplée (CCD) est placée au plan de Fourier de la lentille de focalisation pour enregistrer les motifs d'intensité générés. Les résultats des faisceaux tracteurs 3D sont montrés Fig. 6. Bien que les faisceaux résultants aient des erreurs après passage à travers le système optique 4f, ils sont en bon accord avec les résultats de simulation.

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

Les résultats des faisceaux tracteurs graphiques imbriqués type cuivre sont montrés Fig. 8. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Ainsi, les deux faisceaux imbriqués interagissent à peine l'un avec l'autre. Les faisceaux tracteurs peuvent être utilisés pour la manipulation multi-particules sur différentes courbes.

Conclusion

Nous concevons multiples faisceaux tracteurs 3D avec localisation spatiale régulée indépendamment. Pendant ce temps, chaque faisceau individuel pouvait être prescrit le long de courbes géométriques arbitraires et tordu à des angles arbitraires comme désiré. Nous prouvons théoriquement et expérimentalement que la génération de faisceaux tracteurs optiques en configuration 3D peut être aisément réalisée. Les gradients d'intensité élevée et gradients de phase ont la capacité de capturer des particules. Actuellement, des expériences ont été menées et les faisceaux vortex optiques endommagent les particules à un minimum. Notre travail élargit les types de faisceaux tracteurs. On croit que c'est significatif et utile pour le développement futur de faisceaux tracteurs pour applications optiques multiples.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

3D :

Tridimensionnel

HGO :

Hologramme généré par ordinateur

HIG :

Gradient d'intensité élevé

MLS :

Modulateur de lumière spatiale