基于拓扑结构光流控芯片技术的新型涡旋光产生和调控机理研究

In recent years, optical vortex has become a hot spot and drawn attentions by scientists all over the world due to its wide application prospects in the fields of free-space optical communications, optical manipulation, cell culture and propagation etc. The traditional spiral phase plate method to generate vortex beam is based on the mask lithography technique to produce the three-dimensional spiral phase plate. The surface of phase plate produced by this method is not smooth, which will affect the quality of the generated vortex beam. Moreover, once the traditional solid phase plate is finished, the vortex beam is then fixed, which is lack of adaptability to the change of real-time demand. The project team aims at researching the mechanism of generation and control method of vortex beam based on optofluidics chip technology. It can be realized by proposing a novel liquid spiral phase plate. At first, a solid spiral structure with smooth surface will be made by a maskless 3D lithography with a high precision digital micromirror device. Then, applying this structure as a mould, a micro/nano optical device to generate vortex beam can be made, and the liquid spiral phase plate can be completed by injecting liquid of specific refractive index into the device. By adjusting the refractive index of liquid in real time, the reconstruction of the topological charges of the vortex can be realized. This novel device can generate vortex beam with various topological charges and the corresponding orbital angular momentum real-timely, so as to adjust the levels of orbital angular momentum modulation and multiplexing of the communication system real-timely and with low cost. It is of important significance in theory, engineering and economy.

涡旋光凭借其在空间光通信以及光学操纵、细胞培养和繁殖等领域的广泛应用前景，近年来逐渐成为国内外研究的热点。传统的基于掩膜光刻技术制作固体螺旋相位板生成涡旋光的方法，其相位板表面不平滑，会影响生成涡旋光的质量。而且，传统的固体相位板一旦制作完成，其生成的涡旋光性质也固定下来，缺乏对实时需求变化的适应性。针对上述问题，本项目组研究基于光流控芯片技术的新型涡旋光束产生和调控机理，提出一种新型的可调液体螺旋相位板。先利用无掩膜高精度数字微透镜阵列进行三维光刻，制作出具有平滑表面的固体螺旋结构，然后以此为模板制作产生涡旋光的微纳光器件，并在其中注入特定折射率的液体制成液体螺旋相位板。通过实时调节液体折射率，可实现对生成涡旋光拓扑荷数的重构。这种新型器件能够实时生成不同拓扑荷数及其对应轨道角动量的涡旋光束，便于低成本、实时调节通信系统的轨道角动量调制、复用阶数，在理论、工程和经济方面具有重要的意义。

本项目的研究背景——涡旋光及其在空间光通信以及光学操纵、细胞培养和繁殖等领域有着日益广泛的应用前景，在近10年来正在进一步成为国内外研究的热点。项目组研究基于光流控芯片技术的新型涡旋光束产生和调控机理，提出一种新型的可调液体螺旋相位板，通过在空心螺旋结构倒模中注入特定折射率的液体制成液体螺旋相位板，通过实时调节液体折射率，可实现对生成涡旋光拓扑荷数的重构，进而得到拓扑荷数可调的涡旋光。项目组在研究过程中，不仅得到了可调涡旋光束本身，而且将其应用于基于轨道角动量的空间光通信系统和光学操纵。在前者中，通过对多阶梯螺旋相位板生成的涡旋光进行光场和拓扑荷级数分析，来研究用这些作为复用载体的涡旋光进行轨道角动量复用的光通信系统的误码性能，并定性定量求解误码率和阶梯个数、拓扑荷数的关系。并对上述通信系统进行了基于蒙特卡洛的误码性能仿真。初步的理论分析和仿真结果揭示了所提出的高性价比方案对复用误码率性能产生的影响包括对有用信号的衰减和复用路径之间可能的路径间串扰，并可根据实际应用需求，通过合理设置阶梯个数和拓扑荷数的值，避免信道间串扰，减少对有用信号的衰减，兼顾应用成本。在后者中，提出了涡旋光阵列分级筛选方案，调整不同阵列元所对应的涡旋光的拓扑荷数，进而调整各个层级捕获、筛选不同半径范围微观粒子的能力。此外，研究了对涡旋场本身的优化方面：探索涡旋光束的最优旁瓣抑制方法，提出归一化类贝塞尔函数来抑制其旁瓣，并定性、定量研究此优化方案在分级筛选中的性能改进情况。基于相关成果，项目组发表了超出预期研究成果一倍的共8篇SCI收录论文，并申请3项发明专利，圆满实现预期目标。.项目组提出的新型可调涡旋光方案能够实时生成不同拓扑荷数及其对应可变的轨道角动量的涡旋光束，进而低成本、实时调节涡旋光场的灵活性和通信系统的轨道角动量复用阶数，拓展了光镊捕获的应用潜能通信容量，在理论、工程和经济方面具有重要的意义。