光学扳手—光的轨道角动量探秘虚拟仿真实验介绍PPT课件

1、光学扳手光学扳手光的轨道角动量探秘光的轨道角动量探秘虚拟仿真实验介绍虚拟仿真实验介绍张张 沛沛大学大学物理国家级实验物理国家级实验教学示范中心教学示范中心一、实验目的一、实验目的 认识光的角动量：自旋角动量和轨道角动量 认识激光的两种横向模式（LG模式和HG模式） 掌握激光横向模式的产生、操控和检测手段 通过光镊实验直观观察光的角动量与粒子之间的动量交换（光学扳手） 掌握复杂光学系统的调节 了解干涉法测量波前相位 了解空间光调制器的使用 了解光镊系统核心知识点实验方法和技巧二、背景介绍二、背景介绍 光的轨道角动量是近20年来光学领域的前沿方向 2018年诺贝尔物理学奖授予光镊技术光的力学效应光

2、镊示意图 光镊技术 + 光的轨道角动量 = 光学扳手自旋角动量引起微粒的自转轨道角动量引起微粒的公转 光学领域的科技前沿知识； 在光学、生物、生命、医学、纳米材料等领域具有重要的应用； 实际实验系统极为复杂、精密，调试系统耗时久； 整套实验系统价格昂贵，实验环境要求高，不便于开展大面积教学。 通过虚拟仿真技术，可以有效降低实验复杂度、环境要求和实验成本，便于大面积教学和研究生培养。同时保留核心知识点，还原真实实验关键过程，实现实验所设定的目标，让学生掌握光的轨道角动量基本知识和光镊技术。三、实验内容三、实验内容实验光路图及装置包含8个知识点：（1）利用空间光调制器产生）利用空间光调制器产生LG

3、光和光和HG光；光；（2）计算全息光栅的原理及）计算全息光栅的原理及产生产生（暂未开放）（暂未开放）；（3）利用柱状透镜实现）利用柱状透镜实现LG光和光和HG光的相互转换；光的相互转换；（4）LG光的振幅和横向相位测量；光的振幅和横向相位测量；（5）光镊的基本原理及实验实现；）光镊的基本原理及实验实现；（6）光的自旋角动量对微粒旋转的影响；）光的自旋角动量对微粒旋转的影响；（7）光的轨道角动量对微粒旋转的影响；）光的轨道角动量对微粒旋转的影响； （8）光的自旋角动量和轨道角动量对微粒旋转的）光的自旋角动量和轨道角动量对微粒旋转的共同影响。共同影响。 所有仪器和镜片均可自由调节。正确的操作得到正

4、确的结果，错误的操作得到正确的错误结果，最大化还原真实实验关键过程。具体介绍可以观看教学引导视频。实验操作及系统得分点得分点1: 找到激光器电源模块，打开开关，出现激光。 得分点2: 调节激光，保证功率在200mw以上，波长在632.8nm左右（正负20nm范围）得分点3: 第一个空间光调制器选择HG模式，输入合适的参数，观察光栅的样式，打开接收高阶高斯光的CCD相机，观察高阶高斯光。得分点4: 调节第一个空间光调制器的位置，进行微调，使得在CCD上观察到的高阶高斯光能够完全显示。（演示未对准光栅中心时的激光光斑变化）得分点5: 空间光调制器换成LG高斯模式，观察CCD上的图案。得分点6: 调

5、节双柱面透镜，保证两个透镜间距是其焦距的1.41倍，HG高斯光通过之后转换为LG高斯模式，通过CCD观察。 实验操作及系统得分点得分点 7: 调节第二个空间光调制器，选择分束模式。得分点8: 打开显微镜控制模块，产生显微镜照明灯光。得分点9: 打开最后一个CCD，调出微粒自旋的效果。得分点10: 让最后一个CCD上出现拉盖尔高阶高斯光，观察微粒自旋和公转的效果。 注：具体操作在实验引导视频中有介绍。目前版本是“简单难度”，已经给出整体光路。计划今年开放难度选择功能，“专家难度”不再给出初始光路，让学生按照理论光路图自己搭建，并加入其他设计功能。常见疑问1. 光学镜架有一个螺丝，可以打开或者拧紧

6、，打开后才可以调节高低。2. 底座也有开关，移动时注意关闭磁性开关。3. 目前总的光学元件个数固定，无法超出设定个数（后期会改进）4. 建议学生用一个CCD在光路不同位置观察光斑形状变化，确认光路正确5. 光镊实验要打开显微镜的光源，并且让双色镜的波长范围与入射光波长匹配6. 实验演示为主，无数据采集，实验报告可以要求学生截取每个实验内容的图片实验内容总结补充说明1）实验设置的得分点只是为了让学生完成对应的步骤，不代表对实验的掌握。 对着得分点刷分，几分钟就能得到满分。2）学生对系统的操作熟悉需要一定时间，有时候可能会卡在一些非常简单的操作上。 要仔细阅读操作说明。3）系统操作的自由度比较大，可以满足想要深入研究实验现象的同学。 可以不按照给