라게르-가우시안 모드 빛을 이용한 마이크로 입자의 광 제어

Abstract

본 연구에서는 궤도각운동량을 가지는 것으로 알려진 Laguerre Gaussian 모드(mode)를 시뮬레이션을 통해 이해하고, 이를 이용하여 폴리스티렌(polystyrene) 마이크로 구(microsphere)를 포획하고 제어하는 것을 보고한다. 궤도각운동량은 빛의 편광에 의존하는 스핀각운동량과는 달리 빛의 위상의 공간적인 분포에 의존한다. Laguerre Gaussian 모드는 등위상면이 나선(helical)으로 꼬인 모양을 가지며 이로부터 궤도각운동량이 생성된다. 또한 이러한 등위상면의 분포에 의해 Gaussian 모드와 간섭을 시켰을 때 회전날개를 가진 특이한 모양의 간섭무늬가 생성된다. Laguerre Gaussian 모드는 여러가지 방법으로 생성될 수 있지만 대표적으로 원기둥 렌즈(cylindrical lens)로 이루어진 모드 converter와 컴퓨터 생성 홀로그램(computer generated hologram)을 이용한 방법이 있다. 본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 컴퓨터 생성 홀로그램의 패턴(pattern)을 얻었다. 그 후 reactive ion etching방법을 통해 홀로그램 격자를 제작하였고, 이로부터 Laguerre Gaussian 모드를 생성할 수 있었다. Laguerre Gaussian 모드와 Gaussian 모드를 간섭시키기 위해 마흐-젠더(Mach-Zehnder)간섭계를 구성하였다. 간섭계의 한 팔에는 홀로그램 격자를 설치하여 Laguerre Gaussian 모드를 생성했고, 다른 한쪽 팔에는 유리판(glass plate)을 두어 빛의 광경로에 변화를 줌으로써 간섭무늬를 회전시킬 수 있도록 하였다. 생성된 간섭무늬는 광 집게(optical tweezer) 시스템의 대물렌즈를 통해 샘플에 입사하였고, 이를 CCD(charge coupled device)를 통해 관찰한 결과 입자가 포획되는 것을 알 수 있었다. 또한 간섭무늬의 회전에 의해 포획된 입자들도 회전하는 것을 확인할 수 있었다.;We have demonstrated an optical trapping and rotation of polystyrene microspheres with a Laguerre Gaussian mode laser beam. The total angular momentum of a laser beam is characterized by the spin angular momentum associated with circular polarization and the orbital angular momentum associated with the spatial distribution of the wave. Light beams with an azimuthal phase dependence of exp(-ilφ) carries an orbital angular momentum independent of the polarization state. An angle φ is the azimuthal coordinate in the beam's cross section, and l can take any integer value. This orbital angular momentum would have a value of L=lh per photon. Laguerre Gaussian mode laser beam has an azimuthal phase dependence of exp(-ilφ) and possesses a well-defined orbital angular momentum. For any given l, the beam has l intertwined helical phase fronts. Therefore the cross-sectional intensity pattern of Laguerre Gaussian mode has an annular shape that persists no matter how tightly the beam is focused. And the handedness of the helical phase front depends on the sign of l. By interfering Laguerre Gaussian beam with a plane wave, an azimuthal phase variation transforms to an azimuthal intensity variation, resulting in a pattern with l spiral arms. We used a computer generated hologram to generate a Laguerre Gaussian mode. The computer generated hologram is produced from the calculated interference pattern that occurs when the desired beam intersects the beam of a conventional laser at a small angle. When the developed hologram is placed in the original laser beam, a diffraction pattern results, the first order of which has the desired amplitude and phase distribution. We constructed a Mach-Zehnder interferometer to obtain an interference pattern of Laguerre Gaussian mode and Gaussian mode. In one arm of the interferometer, we placed the computer generated hologram to generate Laguerre Gaussian mode, and we placed a glass plate in the other arm, to give a change in the optical path of the beam. As we change the path length in one arm of the interferometer, the interference pattern rotates around the beam axis. The generated interference pattern was introduced to our optical tweezer system, and the sample position is observed by a CCD(charge coupled device). We observed that one microsphere is trapped in a spiral arm which is generated by the interference of a Laguerre Gaussian mode(l=3) and a Gaussian mode and remains still while other microspheres are moving. And we also observed the three microshperes are captured in three spiral arms. Since the interference pattern rotates, the trapped particles also rotate.