Strukturierte Lichtstrahlen mit steuerbarer Polarisation entlang beliebiger Bahnen

Unter strukturiertem Licht versteht man ein zeitlich und räumlich „maßgeschneidertes“ Lichtfeld, das sich durch seine einzigartige zeitlich und räumliche Verteilung von Amplitude, Phase und Polarisationszustand auszeichnet.

Bei strukturierten Lichtstrahlen spielt die Polarisation eine entscheidende Rolle. Neben der Polarisationsmanipulation auf einer einzelnen Querebene ist auch die Steuerung der Polarisation entlang der Ausbreitungsrichtung bei longitudinalen strukturierten Lichtstrahlen eine wichtige Dimension.

Derzeitige Forschungen konzentrieren sich vor allem auf die Steuerung der Polarisation von Strahlen entlang der optischen Achse. Dies schränkt allerdings die räumliche Freiheit der Polarisation für longitudinal strukturierte Lichtstrahlen stark ein.

Es lohnt sich zu untersuchen, ob es möglich ist, sich von den Beschränkungen der optischen Achse zu lösen und die Polarisation entlang beliebiger Übertragungsbahnen im Raum zu manipulieren. Dies könnte zur Erzeugung strukturierter Lichtstrahlen führen, deren Polarisation entlang beliebiger Bahnen variiert, was neue Möglichkeiten für die Erzeugung maßgeschneiderter räumlicher strukturierter Lichter eröffnet.

In einem Studie veröffentlicht in Optoelektronische Wissenschaftverwendeten Forscher dreischichtige metallische Metaoberflächen, um strukturierte Lichtstrahlen mit Polarisationsvariationen entlang beliebiger räumlicher Bahnen zu erzeugen.

Um diese maßgeschneiderten, räumlich strukturierten Lichter zu erzielen, wurde im Rahmen der Arbeit zunächst eine Phasenmodulationsfunktion auf der Eingangsebene entwickelt, die aus einer Reihe sich ausdehnender Kreisringe mit beweglichen Mittelpunkten besteht. Die Ausbreitungskurve wird durch die Konvergenz der kegelförmigen Strahlen gebildet, die von diesen beweglichen Kreisringen auf der Eingangsebene emittiert werden.

Zweitens kann durch die Steuerung der Amplitude und Phasendifferenz der orthogonal polarisierten Strahlkomponenten, die den sich bewegenden Kreisringen entsprechen, eine Polarisationssteuerung an jedem Punkt auf der vorgegebenen Übertragungstrajektorie erreicht werden.

Sie folgten der voreingestellten spiralförmigen Übertragungsbahn und entwarfen kontinuierliche Variationen von strukturiertem Licht, das entlang der Äquatorlinie auf der Poincaré-Kugel von 15° bis 75° polarisiert war, sowie kontinuierliche Variationen von strukturiertem Licht, das von 15° bis zur zirkularen Polarisation und dann bis 75° entlang des Äquators der nördlichen Hemisphäre polarisiert war.

Ein Terahertz-Focal-Plane-Bildgebungssystem wurde verwendet, um Intensität, Amplitude und Phasendifferenz der elektrischen Feldkomponenten Ex und Ey bei unterschiedlichen Übertragungsdistanzen z zu ermitteln. Unter Metaoberflächenmodulation erschien ein Hauptlappen mit hoher Helligkeit, der von mehreren Nebenlappen umgeben war, und die Gesamtintensitätsverteilung des Lichtfelds ähnelte einer Bessel-Funktion nullter Ordnung.

Durch Beobachtung der Intensitätsverteilung des Lichtfelds bei unterschiedlichen Übertragungsdistanzen z stellten sie fest, dass sich der Hauptkeulenstrahl in einem kontinuierlichen Bereich von 5 mm bis 15 mm gegen den Uhrzeigersinn drehte, wobei Ix allmählich abnahm und Iy allmählich zunahm.

Der Unterschied besteht darin, dass sich die Phasendifferenz von Ex und Ey zwischen den beiden strukturierten Lichtern im Bereich von 5 mm bis 15 mm allmählich von 0 bis -π ändert, entsprechend den synthetisierten Polarisationszuständen, die mit theoretischen Simulationen übereinstimmen.

Der Vorschlag für strukturierte Lichtstrahlen mit beliebiger Flugbahn und longitudinal variierender Polarisation bietet eine praktische Methode zur kontinuierlichen Regulierung der Eigenschaften räumlich strukturierter Lichtstrahlen mit nichtaxialer Übertragung und eröffnet neue Möglichkeiten zur Erzeugung maßgeschneiderter räumlich strukturierter Lichtstrahlen. Diese Technik kann in der optischen Verschlüsselung, Partikelmanipulation und biomedizinischen Bildgebung eingesetzt werden.