KR101163367B1 - Apparatus and method for generating optical lattice - Google Patents

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KR101163367B1
KR101163367B1 KR1020110015193A KR20110015193A KR101163367B1 KR 101163367 B1 KR101163367 B1 KR 101163367B1 KR 1020110015193 A KR1020110015193 A KR 1020110015193A KR 20110015193 A KR20110015193 A KR 20110015193A KR 101163367 B1 KR101163367 B1 KR 101163367B1
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optical
holographic pattern
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liquid crystal
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KR1020110015193A
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고도경
송동훈
황성인
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광주과학기술원
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Abstract

PURPOSE: An apparatus and method for generating an optical lattice are provided to control each angular momentum of each optical vortex by using a double axicon holographic pattern. CONSTITUTION: A laser generation unit(110) is composed of a light source generating laser beams. A beam expanding unit(120) expands a laser light source irradiated from the laser generation unit according to the size of a liquid crystal active area of a spatial light modulator(150). A beam reflection device(130) reflects the laser light source to let the expanded laser light source to a polarization control unit(140). The polarization control unit controls the polarization state of the laser beams to match the polarization state of the entered laser light source with the polarization state of the spatial light modulator.

Description

광학 격자 형성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING OPTICAL LATTICE}Optical grid forming apparatus and method {APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING OPTICAL LATTICE}

본 발명은 광학 격자 형성에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 홀로그래픽 패턴을 이용하여 광학 격자를 형성하고 제어할 수 있는 광학 격자 형성 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to optical grating formation, and more particularly, to an optical grating forming apparatus and method capable of forming and controlling an optical grating using a single holographic pattern.

최근들어 마이크로 또는 나노 크기의 미세한 입자를 광을 이용하여 이동시키고 제어하는 광 집게 기술(optical tweezer)이 큰 각광을 받고 있다. 광 집게 기술은 나사선(Helical)과 같은 위상구조를 가지는 광원을 이용하여 보다 효율적으로 입자를 포획하고 포획된 입자에 궤도 각 운동량(orbital angular momentum)과 같은 특성을 부여하는 기술로, 상기한 바와 같이 입자를 포획하기 위해 사용되는 광원을 광 보텍스(optical vortex)라 부른다.Recently, optical tweezers for moving and controlling micro or nano-sized fine particles using light have gained great attention. Optical tong technology captures particles more efficiently by using a light source having a phase structure such as a helical structure, and imparts orbital angular momentum to the captured particles, as described above. The light source used to capture the particles is called an optical vortex.

광 보텍스는 중앙에 불일치점(screw dislocation) 또는 특이점을 가지는 빔으로 1974년 Nye와 Berry에 의해서 이론적으로 연구가 된 후 Allen에 의해서 실험적으로 구현 되었다. 광 보텍스는 중앙에 어두운 특이점을 가지는 특성으로 인하여 빔은 도넛 형태를 띄며 빔의 꼬임정도에 따라 빔 위상특성(topological charge)이 변형되게 된다.Optical vortex is a beam with screw dislocation or singularity in the center, which was theoretically studied by Nye and Berry in 1974 and then experimentally implemented by Allen. Since the optical vortex has a dark singularity in the center, the beam has a donut shape and the beam topological charge is deformed according to the degree of twist of the beam.

광 보텍스는 일반적으로 방위각 위상 변환자(Spiral plate)라 불리는 방위각에 따라 각각 다른 위상을 부여하는 소자나 실린더 렌즈를 이용한 TEM(Transverse ElectroMagnetic) 모드의 합성을 통하여 형성되어 왔으나, 최근에는 액정 기반의 공간광변조기를 이용하여 입력광원의 위상을 조절하여 형성하는 방법이 널리 사용되고 있다.Optical vortex has been formed through synthesis of TEM (Transverse ElectroMagnetic) mode using elements or cylinder lenses that give different phases according to azimuths, commonly called azimuth phase plates. The method of adjusting and forming the phase of an input light source using an optical modulator is widely used.

한편, 서로 다른 위상특성(topological charge)를 가진 광 보텍스를 간섭시킴으로써 주기적인 광학적인 포텐셜을 지닌 광학 격자를 형성하는 방법이 연구되었다. 이 기술은 주기적인 광학 격자에 포획되어 배치된 원자 가스들 간의 얽힘 현상이나 위상변환 역학 등과 같은 입자들의 양자 집단 특성(Collective Quantum behavior)의 연구에 이용될 수 있는 기술로, 기존의 고체 격자를 대체할 수 있는 기술로 각광받고 있다. Meanwhile, a method of forming an optical grating having periodic optical potential by interfering optical vortices having different topological charges has been studied. This technique can be used for the study of the collective quantum behavior of particles such as entanglement and phase shift dynamics between atomic gases trapped and placed in a periodic optical grating, replacing the existing solid grating. It is attracting attention as a technology that can be done.

또한, 광 보텍스의 합성을 통해 형성된 광학 격자는 합성되는 광 보텍스의 위상특성 차이나 광 보텍스 간의 간섭 비율을 조정함으로써 기존의 고체 격자와는 달리 광학 격자의 광학 깊이나 주기 등을 조절할 수 있는 장점이 있다.In addition, the optical grating formed by synthesizing the optical vortex has the advantage that the optical depth or period of the optical grating can be adjusted unlike the conventional solid grating by adjusting the phase characteristic difference of the optical vortex and the interference ratio between the optical vortices. .

종래의 광 보텍스의 합성을 통한 광학 격자 형성 방법은 서로 다른 위상 특성을 갖는 광 보텍스 쌍를 형성하고, 형성된 광 보텍스 쌍을 같은 방향으로 진행하게 하는 방법이 사용되었다. 구체적으로, 종래의 광학 격자 형성 방법은 서로 다른 위상 특성을 가지는 광 보텍스 쌍을 형성하기 위해 두 개의 서로 다른 홀로그래픽 패턴을 사용하였고, 생성된 각 광 보텍스의 방향을 제어하기 위해 추가적인 광학 부품을 사용하였기 때문에 광학 격자를 형성하기 위해 필요한 장치가 복잡하고 비용이 상승하는 단점이 있다.As a conventional method of forming an optical grating through synthesizing an optical vortex, a method of forming an optical vortex pair having different phase characteristics and allowing the formed optical vortex pair to travel in the same direction is used. Specifically, the conventional optical grating formation method uses two different holographic patterns to form optical vortex pairs having different phase characteristics, and uses additional optical components to control the direction of each generated optical vortex. As a result, the apparatus required for forming the optical grating is complicated and the cost increases.

또한, 펄스형 광원을 이용한 종래의 광학 격자 형성 방법에서는 서로 다른 두 개의 홀로그래픽 패턴을 통해 각각 생성된 광 보텍스간의 광 경로차를 정확히 맞추어야 하는 어려움이 있다.In addition, in the conventional optical grating formation method using a pulsed light source, it is difficult to accurately match the optical path difference between the optical vortices generated through two different holographic patterns.

상술한 단점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 하나의 홀로그래픽 패턴을 이용하여 광학 격자를 생성 및 제어할 수 있는 광학 격자 형성 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention for overcoming the above-described disadvantages is to provide an optical grating forming apparatus capable of generating and controlling an optical grating using one holographic pattern.

또한, 본 발명의 다른 목적은 하나의 홀로그래픽 패턴을 이용하여 광학 격자를 생성 및 제어할 수 있는 광학 격자 형성 방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide an optical grating forming method capable of generating and controlling an optical grating using one holographic pattern.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 광학 격자 형성 장치는, 레이저 광원을 생성하는 레이저 발생부와, 생성된 레이저 광원의 편광 상태를 조절하는 편광 조절부와, 복수의 액정 셀로 구성되고 패턴 제어 신호에 기초하여 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하고 편광 상태가 조절된 레이저 광원이 상기 홀로그래픽 패턴에 입사되면 광 보텍스 쌍을 형성하고 형성된 광 보텍스 쌍을 합성하여 광학 격자를 형성하는 공간광변조기와, 상기 홀로그래픽 패턴을 생성하기 위한 패턴 제어신호를 제공하는 패턴 제어부를 포함한다. 여기서, 광학 격자 형성 장치는 상기 레이저 광원을 상기 공간광변조기의 액정 활성 영역의 크기에 상응하도록 확대하는 빔 확대부 및 상기 광학 격자를 촬영하고 촬영된 광학 격자를 표시하는 모니터부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 편광 조절부는 상기 레이저 광원의 편광상태를 상기 공간광변조기의 편광방향에 상응하도록 조절할 수 있다. 여기서, 상기 홀로그래픽 패턴은 상기 공간광변조기를 구성하는 복수의 액정 셀 각각의 좌표 인덱스에 따라 복수의 액정 셀을 두 개의 집합으로 구분하고 구분된 각 집합에 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성함으로써 구현될 수 있다. 여기서, 상기 광학 격자의 깊이는 상기 광 보텍스 쌍의 합성 비율에 따라 제어되고, 상기 광 보텍스 쌍의 합성비율은 상기 복수의 액정 셀 각각의 좌표 인덱스에 따라 구분되는 두 개의 집합에 각각 포함되는 액정 셀의 개수를 다르게 하여 조절할 수 있다. 여기서, 상기 홀로그래픽 패턴은, 중앙부의 제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역으로 홀로그래픽 패턴이 형성될 영역을 구분한 후, 상기 제1 영역 및 제2 영역에 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성함으로써 구현될 수 있다. 상기 홀로그래픽 패턴은 상기 광학 격자를 형성하기 위해 하나의 광 보텍스의 피크 위치가 다른 광 보텍스의 피크 위치와 영점교차 위치 사이에 위치하도록 각 광 보텍스의 각 운동량 지수(angular momentum index) 및 방사 파수(angular wavenumber)가 설정될 수 있다. 상기 홀로그래픽 패턴은 원형 그레이팅 형태를 가질 수 있고, 상기 원형 그레이팅의 방향에 상응하여 각각의 광 보텍스가 서로 다른 각 운동량을 가질 수 있다. 여기서, 상기 이중 액시콘 프로파일은 최대 위상 지연이 2π인 키노폼(Kinoform) 타입으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 홀로그래픽 패턴은 상기 광 보텍스 쌍을 형성하기 위해 포크 패턴(forked pattern)으로 형성될 수 있다.An optical grating forming apparatus according to an aspect of the present invention for achieving the above object of the present invention, a laser generating unit for generating a laser light source, a polarization control unit for adjusting the polarization state of the generated laser light source, a plurality of Forming a single holographic pattern composed of a liquid crystal cell and applying a double axicon profile based on a pattern control signal, and forming a light vortex pair when a laser light source having a controlled polarization state enters the holographic pattern, forms a pair of light vortex A spatial light modulator for synthesizing an optical grating and a pattern control unit for providing a pattern control signal for generating the holographic pattern. Here, the optical grating forming apparatus may further include a beam expanding unit for enlarging the laser light source to correspond to the size of the liquid crystal active region of the spatial light modulator, and a monitor unit for capturing the optical grating and displaying the photographed optical grating. . Here, the polarization control unit may adjust the polarization state of the laser light source to correspond to the polarization direction of the spatial light modulator. The holographic pattern may be implemented by dividing the plurality of liquid crystal cells into two sets according to the coordinate indexes of the plurality of liquid crystal cells constituting the spatial light modulator, and forming different axicon profiles in the separated sets. Can be. Herein, the depth of the optical grating is controlled according to the composition ratio of the optical vortex pairs, and the composition ratio of the optical vortex pairs is each included in two sets divided according to coordinate indices of the plurality of liquid crystal cells. Can be adjusted by changing the number of. Here, the holographic pattern may be divided into a first region and a second region surrounding the first region, and then, the axicons may be different from each other in the first region and the second region. It can be implemented by forming a profile. The holographic pattern includes an angular momentum index and an emission wave count of each optical vortex such that the peak position of one optical vortex is located between the peak position and the zero crossing position of the other optical vortex to form the optical grating. angular wavenumber) may be set. The holographic pattern may have a circular grating shape, and each optical vortex may have a different angular momentum corresponding to the direction of the circular grating. Here, the dual axicon profile may be formed as a Kinoform type having a maximum phase delay of 2π. Here, the holographic pattern may be formed in a forked pattern to form the optical vortex pair.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 광학 격자 형성 방법은, 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계와, 상기 홀로그래픽 패턴에 편광 상태가 조절된 레이저 광원이 조사되는 단계 및 상기 조사된 레이저 광원이 상기 홀로그래픽 패턴에 의해 위상이 제어되어 광 보텍스 쌍을 형성하고, 형성된 광 보텍스 쌍이 합성되어 광학 격자를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계는, 공간광변조기를 구성하는 복수의 액정 셀 각각의 좌표 인덱스에 따라 복수의 액정 셀을 두 개의 집합으로 구분하고 구분된 각 집합에 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성할 수 있다. 상기 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계는, 상기 광 보텍스 쌍의 합성비율을 조정하기 위해 상기 복수의 액정 셀 각각의 좌표 인덱스에 따라 구분되는 두 개의 집합에 각각 포함되는 액정 셀의 개수가 조절할 수 있다. 상기 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계는, 상기 홀로그래픽 패턴은 중앙부의 제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역으로 홀로그래픽 패턴이 형성될 영역을 구분한 후, 상기 제1 영역 및 제2 영역에 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성함으로써 구현될 수 있다. 여기서, 상기 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계는, 상기 광학 격자를 형성하기 위해 하나의 광 보텍스의 피크 위치가 다른 광 보텍스의 피크 위치와 영점교차 위치 사이에 위치하도록 각 광 보텍스의 각 운동량 지수(angular momentum index) 및 방사 파수(angular wavenumber)가 설정될 수 있다. 여기서, 상기 홀로그래픽 패턴에 편광 상태가 조절된 레이저 광원이 조사되는 단계는, 상기 레이저 광원을 상기 홀로그래픽 패턴이 형성되는 공간광변조기의 액정 활성 영역의 크기에 상응하도록 확대하는 단계 및 확대된 레이저 광원의 편광상태를 상기 공간광변조기의 편광방향에 상응하도록 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 홀로그래픽 패턴은 원형 그레이팅 형태를 가질 수 있고, 상기 원형 그레이팅의 방향에 상응하여 각각의 광 보텍스가 서로 다른 각 운동량을 가질 수 있다.In addition, the optical grating formation method according to an aspect of the present invention for achieving another object of the present invention, forming a single holographic pattern to which a double axicon profile is applied, and the polarization state is adjusted to the holographic pattern Irradiating the irradiated laser light source and controlling the phase of the irradiated laser light source by the holographic pattern to form a light vortex pair, and combining the formed light vortex pairs to form an optical grating. The forming of one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied may be performed by dividing the plurality of liquid crystal cells into two sets according to the coordinate indexes of the plurality of liquid crystal cells constituting the spatial light modulator. Different axicon profiles can be formed. The forming of one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied may include: liquid crystals included in two sets divided according to coordinate indices of the plurality of liquid crystal cells to adjust the synthesis ratio of the optical vortex pairs. The number of cells can be adjusted. In the forming of the single holographic pattern to which the dual axicon profile is applied, the holographic pattern may be divided into a first region in the center and a second region surrounding the first region, in which the holographic pattern is formed. Thereafter, it may be implemented by forming different axicon profiles in the first region and the second region. Here, the forming of one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied may be performed such that the peak positions of one optical vortex are positioned between the peak positions of the other optical vortex and the zero crossing position to form the optical grating. Angular momentum index and angular wavenumber of the optical vortex may be set. Here, the step of irradiating a laser light source whose polarization state is adjusted to the holographic pattern, expanding the laser light source to correspond to the size of the liquid crystal active region of the spatial light modulator in which the holographic pattern is formed and the enlarged laser And adjusting the polarization state of the light source to correspond to the polarization direction of the spatial light modulator. The holographic pattern may have a circular grating shape, and each optical vortex may have a different angular momentum corresponding to the direction of the circular grating.

상술한 바와 같은 광학 격자 형성 장치 및 방법에 따르면, 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 이용하여 생성된 광 보텍스 쌍을 합성하여 광학 격자를 형성함으로써 광 경로차를 맞추기 위한 추가적인 광학 소자가 필요없다. According to the optical grating forming apparatus and method as described above, an additional optical element for synthesizing the optical path by synthesizing the optical vortex pair generated using one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied to form the optical grating, Not required.

또한, 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴을 이용하여 각각의 광 보텍스의 각 운동량을 임의로 제어함으로써 광학 격자의 주기를 제어할 수 있고, 광 보텍스의 합성 비율을 제어함으로써 광학 깊이를 제어할 수 있다.In addition, the period of the optical grating can be controlled by arbitrarily controlling the angular momentum of each optical vortex using the dual axicon holographic pattern, and the optical depth can be controlled by controlling the composition ratio of the optical vortex.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 격자 형성 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 격자 형성 방법에 적용된 이중 액시콘을 예시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 격자 형성 방법에서 하나의 홀로그래픽 패턴에 이중 액시콘 프로파일을 형성하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 4는 어드레싱 방법 및 기하학적 분할 방법을 통해 각각 생성된 이중 액시콘 프로파일을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학 격자 형성 방법에서 비축 홀로그래픽 방식에 의한 베셀 빔 쌍의 형성 및 합성을 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴을 통해 형성된 광학 격자를 나타낸다.1 is a block diagram showing the configuration of an optical grating forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 illustrates a double axicon applied to the optical grating formation method according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram illustrating a method of forming a double axicon profile in one holographic pattern in the optical grating forming method according to an embodiment of the present invention.
4 shows the dual axicon profiles generated respectively via the addressing method and the geometric partitioning method.
5 is a conceptual diagram illustrating formation and synthesis of a vessel beam pair by a non-axis holographic method in an optical grating formation method according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 illustrates an optical grating formed through a double axicon holographic pattern in accordance with an embodiment of the invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. Hereinafter, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions of the same components are omitted.

이하, 본 발명의 실시예들에서 광 보텍스와 베셀 빔은 모두 광학 격자를 생성하기 위해 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴을 통해 생성되는 광원을 지칭하는 용어로 설명의 편의를 위해 동일한 의미로 사용된다.
Hereinafter, in the embodiments of the present invention, both the optical vortex and the vessel beam are used to refer to a light source generated through a double axicon holographic pattern to generate an optical grating, and are used in the same sense for convenience of description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 격자 형성 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of an optical grating forming apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 격자 형성 장치(100)는 레이저 발생부(110), 빔 확대부(120), 빔 반사수단(130), 편광 조절부(140), 공간광변조기(150), 패턴 제어부(160), 모니터부(170)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the optical grating forming apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a laser generator 110, a beam expanding unit 120, a beam reflecting unit 130, a polarization adjusting unit 140, The spatial light modulator 150 may include a pattern control unit 160 and a monitor unit 170.

레이저 발생부(110)는 레이저 빔을 생성하는 광원으로, 모드 락킹(mode locking) 여부에 따라 연속파(CW: Continuous Wave) 또는 펄스 형태의 레이저 빔을 생성한다. 여기서, 모드 락킹은 연속파 형태의 광원을 펄스 형태의 광원으로 변형시키는 것을 의미한다. 레이저 발생부(110)는 예를 들어 중심 파장이 785 nm인 레이저를 생성할 수 있고, 티타늄-사파이어(Ti:sapphire) 기반의 레이저 광원을 생성할 수 있다.The laser generator 110 is a light source for generating a laser beam, and generates a continuous wave (CW) or pulsed laser beam according to mode locking. Here, the mode locking means to transform the light source of the continuous wave form into the light source of the pulse form. For example, the laser generator 110 may generate a laser having a center wavelength of 785 nm, and generate a titanium-sapphire (Ti: sapphire) based laser light source.

빔 확대부(120)는 레이저 발생부(110)로부터 조사된 레이저 광원을 공간광변조기(150)의 액정 활성 영역의 크기에 맞도록 확대하는 기능을 수행한다. 빔 확대부(120)는 예를 들어 초점 거리가 다른 두 개의 볼록 렌즈로 구성된 텔레스코프 방식으로 구현될 수 있고, 이와 같은 경우 상기 두 개의 볼록 렌즈의 초점 거리에 의해 광원의 확대 배율이 결정된다. 예를 들어, 상기 두 개의 볼록 렌즈의 초점 거리가 각각 f=2.5 및 f=12.5인 경우 광원의 확대 배율은 5배가 된다.The beam enlarger 120 enlarges the laser light source irradiated from the laser generator 110 to match the size of the liquid crystal active region of the spatial light modulator 150. For example, the beam expanding unit 120 may be implemented in a telescope method consisting of two convex lenses having different focal lengths. In this case, the magnification of the light source is determined by the focal lengths of the two convex lenses. For example, when the focal lengths of the two convex lenses are f = 2.5 and f = 12.5, respectively, the magnification of the light source is five times.

빔 반사수단(130)은 거울 등으로 구성될 수 있고, 빔 확대부(120)를 통해 확대된 레이저 광원이 편광 조절부(140)에 입사되도록 레이저 광원을 반사하는 기능을 수행한다.The beam reflecting unit 130 may be configured as a mirror, and performs a function of reflecting the laser light source such that the laser light source enlarged through the beam expanding unit 120 is incident on the polarization control unit 140.

편광 조절부(140)는 입사된 레이저 광원의 편광 상태가 공간광변조기(150)의 편광상태와 일치하도록 레이저 빔의 편광 상태를 제어하고 조절하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에서는 공간광변조기(150)의 각 액정 셀의 위상 지연 정보를 달리함으로써 광학 격자를 형성한다. 따라서, 각 액정 셀의 위상지연을 가능하게 하기 위해서는 광학적 이방성을 지니고 있는 액정의 장축 및 단축의 방향과 일치하는 편광방향을 가진 광원이 필요하다. 편광 조절부(140)는 공간광변조기(150)의 각 액정 셀의 장축 및 단축의 방향과 일치하는 편광방향을 가지는 레이저 광원을 제공한다.The polarization controller 140 controls and adjusts the polarization state of the laser beam such that the polarization state of the incident laser light source coincides with the polarization state of the spatial light modulator 150. In an embodiment of the present invention, an optical grating is formed by changing phase delay information of each liquid crystal cell of the spatial light modulator 150. Therefore, in order to enable the phase delay of each liquid crystal cell, a light source having a polarization direction coinciding with the direction of the major axis and minor axis of the liquid crystal having optical anisotropy is required. The polarization control unit 140 provides a laser light source having a polarization direction coinciding with a direction of long axis and short axis of each liquid crystal cell of the spatial light modulator 150.

구체적으로, 편광 조절부(140)는 반파장 편광판(141) 및 편광빔 분할기(143)로 구성될 수 있다. 여기서, 반파장 편광판(141)은 회전 가능하도록 설치되고, 공간광변조기의 액정에 의해 편광상태가 제어될 수 있도록 회전을 통해 입사된 레이저 광원의 편광방향을 조절한다.In detail, the polarization controller 140 may include a half-wave polarizer 141 and a polarization beam splitter 143. Here, the half-wave polarizer 141 is installed to be rotatable and adjusts the polarization direction of the incident laser light source through rotation so that the polarization state can be controlled by the liquid crystal of the spatial light modulator.

공간광변조기(SLM: Spatial Light Modulator)(150)는 복수의 액정 셀이 이차원 배열로 공간상에 구현된 형태를 가지며, 각 액정 셀은 유전율 이방성과 광학적 이방성을 가지며, 액정을 감싸고 있는 투명전극에 인가된 전압에 상응하여 편광자로 동작하게 된다. 공간광변조기(150)는 근적외선 영역에 적합하도록 액정셀의 간극이나 입력된 광원에 평탄한 스펙트럼 응답 특성을 가지도록 광학적으로 코팅되었다는 점에서 일반적인 디스플레이 장치와 차이가 있다.Spatial light modulator (SLM) 150 has a form in which a plurality of liquid crystal cells are implemented in space in a two-dimensional array, each liquid crystal cell has a dielectric anisotropy and optical anisotropy, and a transparent electrode surrounding the liquid crystal. The polarizer is operated in correspondence with the applied voltage. The spatial light modulator 150 is different from a general display device in that the spatial light modulator 150 is optically coated to have a flat spectral response characteristic to a gap of a liquid crystal cell or an input light source to be suitable for a near infrared region.

또한, 공간광변조기는 크게 투과형과 반사형으로 구분할 수 있는데, 최근에는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 기반의 반사형이 많이 사용되고 있다. LCos 기반의 반사형 공간광변조기는 투명 전극 사이에 액정과 미러(mirror)를 동시에 삽입하여 픽셀간의 간섭 현상을 줄일 수 있기 때문에 투과형 보다 큰 개구율을 가지는 장점이 있다. 개구율이 크면 고차회절에 의한 입력 광원의 손실이 감소하기 때문에 입력 광원의 변환 효율이 높은 장점이 있다. 상기한 바와 같은 특징에 기초하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 격자 형성 장치에서는 LCos 기반 반사형 공간광변조기가 사용될 수 있다.In addition, the spatial light modulator can be largely divided into a transmissive type and a reflective type. Recently, a liquid crystal on silicon (LCoS) -based reflective type has been used. The LCos-based reflective spatial light modulator has an advantage of having a larger aperture ratio than the transmissive type because it can reduce the interference between pixels by simultaneously inserting a liquid crystal and a mirror between the transparent electrodes. If the aperture ratio is large, the loss of the input light source due to the high order diffraction is reduced, so that the conversion efficiency of the input light source is high. In the optical grating forming apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention, an LCos-based reflective spatial light modulator may be used.

공간광변조기(150)의 복수의 액정 셀은 패턴 제어부(160)에 의해 제어되어 이중 액시콘 프로파일(double axicon profile)이 적용된 홀로그래픽 패턴(holographic pattern)을 형성한다. 형성된 홀로그래픽 패턴에 편광 상태가 조절된 레이저 광원이 입사되면, 홀로그래픽 패턴에 의해 레이저 광원의 위상이 제어되어 각 운동량(angular momentum)이 다른 광 보텍스(optical vortex) 쌍을 형성하고 형성된 광 보텍스 쌍은 회절(diffraction)을 통해 합성되어 1차원 링 형태의 광학 격자가 형성된다.The plurality of liquid crystal cells of the spatial light modulator 150 are controlled by the pattern controller 160 to form a holographic pattern to which a double axicon profile is applied. When the laser light source with the polarization state is adjusted to the formed holographic pattern, the phase of the laser light source is controlled by the holographic pattern to form an optical vortex pair having different angular momentums, and the formed optical vortex pair. Is synthesized through diffraction to form an optical grating in the form of a one-dimensional ring.

패턴 제어부(160)는 프로그래밍이 가능한 컴퓨터 등의 정보 처리 장치로 구성될 수 있고, 프로그램 방식을 통해 공간광변조기(150)의 액정 셀을 제어함으로써 공간광변조기(150)에 이중 액시콘 프로파일을 가지는 홀로그래픽 패턴이 형성되도록 한다. 여기서, 감마 곡선(Gamma curve)을 선형적으로 조정할 수 있는 그래픽 처리 기능을 구비하는 것이 바람직하다.The pattern controller 160 may be configured as an information processing apparatus such as a programmable computer, and has a double axicon profile in the spatial light modulator 150 by controlling the liquid crystal cell of the spatial light modulator 150 through a program method. Allow the holographic pattern to be formed. Here, it is preferable to have a graphic processing function capable of linearly adjusting the gamma curve.

패턴 제어부(120)는 후술할 이중 액시콘 프로파일이 적용된 홀로그래픽 패턴을 공간광변조기(150)에 생성하기 위해 공간광변조기(150)의 액정 셀들을 프로그램 방식으로 제어한다.The pattern controller 120 programmatically controls the liquid crystal cells of the spatial light modulator 150 to generate the holographic pattern to which the dual axicon profile, which will be described later, is applied to the spatial light modulator 150.

모니터부(170)는 CCD 또는 CMOS 등의 촬상소자 및 촬상소자를 통해 촬상된 이미지를 표시하기 위한 디스플레이 소자를 포함할 수 있고, 공간광제어부(150)를 통해 형성된 링 형태의 광 보텍스 쌍 및 광학 격자의 전파 방향에 따른 구성 형태를 촬영하고, 촬영된 영상을 표시한다.
The monitor unit 170 may include an image pickup device such as a CCD or a CMOS and a display device for displaying an image picked up through the image pickup device, and include a ring-shaped optical vortex pair and optical formed through the spatial light control unit 150. The configuration form according to the propagation direction of the grating is photographed, and the photographed image is displayed.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 이중 액시콘 프로파일이 적용된 홀로그패픽 패턴 생성 방법 및 이를 이용한 광학 격자 형성 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method for generating a holographic packet pattern to which a dual axicon profile is applied according to an embodiment of the present invention and an optical grating forming method using the same will be described.

본 발명의 일 실시예서는 홀로그래픽 패턴을 이용하여 공간 광 보텍스를 형성하기 위해 포크 패턴(forked pattern)을 이용한다. 또한, 하나의 홀로그래픽 패턴에 2개의 포크 패턴을 형성하기 위해 이중 액시콘 프로파일을 도입하고, 이중 액시콘 프로파일은 최대 위상 지연이 2π인 키노폼(Kinoform) 타입을 이용하여 구성된다.One embodiment of the present invention uses a forked pattern to form a spatial light vortex using a holographic pattern. In addition, a double axicon profile is introduced to form two fork patterns in one holographic pattern, and the double axicon profile is constructed using a Kinoform type with a maximum phase delay of 2π.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 격자 형성 방법에 적용된 이중 액시콘을 예시한 것이다.Figure 2 illustrates a double axicon applied to the optical grating formation method according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같은 이중 액시콘 프로파일이 적용된 홀로그래픽 패턴(이하, '이중 액시콘 홀로그래픽 패턴'으로 약칭함)은 공간적으로 가우시안(Gaussian) 형태를 가지는 빔을 베셀 빔(Bessel Beam)으로 변환하는 역할을 한다. 상기한 바와 같은 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴은 광학 소자인 액시콘의 프로파일을 키노폼 타입으로 2π 래핑(wrapping)하여 형성한다. The holographic pattern to which the double axicon profile as shown in FIG. 2 is applied (hereinafter, abbreviated as 'double axicon holographic pattern') is a beam having a gaussian shape spatially as a Bessel beam. It is responsible for converting. The double axicon holographic pattern as described above is formed by wrapping the profile of the axicon, which is an optical element, by 2π in a kinoform type.

키노폼 타입은 광원에 가해지는 모든 위상을 0 내지 2π 구간으로 매핑하는 것을 의미하는 것으로, 임의의 위상을 2π로 나눈 나머지 값으로 매핑한다. 여기서, 2π 위상 변화는 광원의 특정 중심 파장에서 공간광변조기(150)의 액정에 가해지는 전압을 조정함으로써 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 LCos 기반의 공간광변조기(150)는 φ=(2π/λ)Δnd(여기서, φ는 액시콘에 의한 광원의 위상 변화값, n은 액정의 굴절률, d는 액시콘의 각 영역에서의 두께, Δn는 액정의 정상(ordinary) 굴절률과 이상(extraordinary) 굴절률의 차이를 의미함)에 의해 액정 셀의 가해지는 전압에 따른 Δn에 의해 광의 위상이 변화한다.The kinoform type means that all phases applied to the light source are mapped to a range of 0 to 2π, and an arbitrary phase is mapped to the remaining value divided by 2π. Here, the 2π phase change may be made by adjusting the voltage applied to the liquid crystal of the spatial light modulator 150 at a specific center wavelength of the light source. LCos-based spatial light modulator 150 according to an embodiment of the present invention is φ = (2π / λ) Δnd (where φ is the phase change value of the light source by the axicon, n is the refractive index of the liquid crystal, d is axi The thickness of each region of the cone, Δn means the difference between the normal refractive index and the extraordinary refractive index of the liquid crystal, and the phase of the light is changed by Δn depending on the voltage applied to the liquid crystal cell.

2π 래핑되어 형성된 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴은 원형 그레이팅(grating) 형태를 띄며, 원형 그레이팅의 주기(grating period)에 따라 그 특징이 변화한다. 즉, 원형 그레이팅의 주기를 변경시킴으로써 액시콘에 의해 변환되는 베셀 빔의 횡적 파수(transverse wave number)를 조절할 수 있다. 한편 액시콘에 의한 베셀 빔의 종방향 특성은 횡적 파수에 영향을 받으며, 횡적 파수가 작은 베셀 빔일수록 종방향으로 그 특성을 긴 거리 동안 유지할 수 있다. 즉, 그레이팅의 주기에 따라 비축(off-axis)으로 빔이 회절되는 특성이 변화하게 된다. The double axicon holographic pattern formed by 2π lapping has a circular grating shape, and its characteristics change according to the grating period of the circular grating. That is, the transverse wave number of the Bessel beam converted by the axicon can be adjusted by changing the period of the circular grating. On the other hand, the longitudinal characteristic of the vessel beam by the axicon is influenced by the lateral wave, and the vessel beam having a small lateral wave can maintain the characteristic for a long distance in the longitudinal direction. That is, the characteristic that the beam is diffracted off-axis according to the period of the grating is changed.

원형 그레이팅의 주기는 0 내지 2π의 반복 주기로 정의될 수 있고, 패턴 제어부(160)를 통해 프로그램 방식으로 공간광변조기(150)의 각 액정셀에 가해지는 전압을 제어함으로써 변경될 수 있다.
The period of the circular grating may be defined as a repetition period of 0 to 2π, and may be changed by controlling the voltage applied to each liquid crystal cell of the spatial light modulator 150 programmatically through the pattern controller 160.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 격자 형성 방법에서 하나의 홀로그래픽 패턴에 이중 액시콘 프로파일을 형성하는 방법을 나타내는 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating a method of forming a double axicon profile in one holographic pattern in the optical grating forming method according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서는 공간광변조기(150)의 각 액정 셀의 어드레스에 따라 서로 다른 액시콘 프로파일을 구현한다(이하, '어드레싱 방법'이라 지칭함).As shown in FIG. 3, in the exemplary embodiment of the present invention, different axicon profiles are implemented according to addresses of liquid crystal cells of the spatial light modulator 150 (hereinafter, referred to as an 'addressing method').

도 3을 참조하면, 공간광변조기(150)를 구성하는 복수의 액정 셀 각각에 대해 가로 인덱스(i) 및 세로 인덱스(j)를 부여한 후, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 각 액정 셀의 가로 인덱스 및 세로 인덱스의 합(즉, i+j)이 짝수인 액정 셀들을 이용하여 하나의 액시콘 프로파일을 형성하고, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 각 액정 셀의 가로 인덱스 및 세로 인덱스의 합(즉, i+j)이 홀수인 액정 셀들을 이용하여 다른 액시콘 프로파일을 구현하고, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이 각각의 액시콘을 중첩시켜 이중 액시콘 프로파일을 형성한다.Referring to FIG. 3, after a horizontal index (i) and a vertical index (j) are assigned to each of the plurality of liquid crystal cells constituting the spatial light modulator 150, each liquid crystal as shown in FIG. One axicon profile is formed using liquid crystal cells having an even sum of horizontal and vertical indexes (ie, i + j) of the cells, and the horizontal index of each liquid crystal cell as shown in FIG. And implementing different axicon profiles using liquid crystal cells whose sum of vertical indices (i.e., i + j) is odd, and overlapping each axicon as shown in FIG. To form.

도 3에 도시한 바와 같은 어드레싱 방법을 통한 이중 액시콘 프로파일 형성 방법은 액정 셀을 제어하기 위한 과정이 비교적 간단하고 서로 다른 액시콘에 의해 형성되는 베셀 빔의 합성비율을 쉽게 조절할 수 있고, 이를 통해 광학 격자의 깊이를 조절할 수 있는 장점이 있다.In the dual axicon profile forming method using the addressing method as shown in FIG. 3, the process for controlling the liquid crystal cell is relatively simple, and the synthesis ratio of the Bessel beams formed by different axicon can be easily adjusted. There is an advantage that the depth of the optical grating can be adjusted.

여기서, 합성 비율의 조정은 가로 인덱스 및 세로 인덱스로 표현된 각 액정 셀의 주소에 따라 각각 다른 액시콘 프로파일을 형성함으로써 가능하다. 예를 들어, 공간광변조기(150)의 특정 액정 셀의 주소가 (i,j)로 표현될 때 i와 j의 합을 3으로 나누어 나머지가 0인 액정 셀들을 이용하여 제1 액시콘 프로파일을 형성하고, i와 j의 합을 3으로 나누어 나머지가 1 또는 2인 액정 셀들을 이용하여 제2 액시콘 프로파일을 형성함으로써 상기 제1 액시콘 프로파일과 제2 액시콘 프로파일에 의해 각각 생성되는 베셀 빔의 합성비율을 조절할 수 있다.Here, the adjustment of the synthesis ratio is possible by forming different axicon profiles depending on the addresses of the respective liquid crystal cells represented by the horizontal index and the vertical index. For example, when the address of a specific liquid crystal cell of the spatial light modulator 150 is represented by (i, j), the sum of i and j is divided by 3 to form a first axicon profile using liquid crystal cells having a remainder of 0. And a Bessel beam generated by the first axicon profile and the second axicon profile, respectively, by forming a second axicon profile using liquid crystal cells having a remainder of 1 or 2 by dividing the sum of i and j by 3 The synthesis ratio of can be adjusted.

한편, 본 발명의 다른 실시예서는 하나의 홀로그래픽 패턴을 중심부의 제1 영역과 중심부를 둘러싸는 제2 영역으로 구분한 후, 상기 제1 영역과 제2 영역에 각각 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성함으로써 하나의 홀로그래픽 패턴에 이중 액시콘 프로파일을 적용할 수 있다(이하, '기하학적 분할 방법'이라 약칭함).Meanwhile, another embodiment of the present invention divides a holographic pattern into a first area of the center and a second area surrounding the center, and then forms different axicon profiles in the first area and the second area, respectively. As a result, a double axicon profile can be applied to one holographic pattern (hereinafter, abbreviated as 'geometric partitioning method').

기하학적 분할 방법을 통해 홀로그래픽 패턴의 바깥쪽인 제2 영역에 형성된 액시콘 프로파일에 의해 형성되는 베셀 빔은 회절 현상에 의해 광원의 광축으로 진입하게 되어 결과적으로 홀로그래픽 패턴의 안쪽인 제1 영역에 형성된 액시콘 프로파일에 의해 형성되는 베셀 빔과 간섭을 일으키게 되고, 이와 같은 두 베셀 빔의 간섭에 의해 광학 격자가 형성된다.The Bessel beam, formed by the axicon profile formed in the second region outside of the holographic pattern by the geometric division method, enters the optical axis of the light source by diffraction and consequently enters the first region inside the holographic pattern. Interferes with the Bessel beam formed by the formed axicon profile, the optical grating is formed by the interference of the two Bessel beams.

기하학적 분할 방법은 도 3에 도시한 어드레싱 방법에 비해 베셀 빔의 합성 비율을 조절하기 어려운 단점이 있으나, 어드레싱 방법보다 평균 컨트라스트가 높은 광학 격자를 얻을 수 있는 장점이 있다.
The geometric division method has a disadvantage in that it is difficult to control the synthesis ratio of the vessel beam compared to the addressing method shown in FIG. 3, but has an advantage of obtaining an optical grating having a higher average contrast than the addressing method.

도 4는 어드레싱 방법 및 기하학적 분할 방법을 통해 각각 생성된 이중 액시콘 프로파일을 나타낸다.4 shows the dual axicon profiles generated respectively via the addressing method and the geometric partitioning method.

도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 그레이팅 주기가 360μm인 단일 액시콘 프로파일을 나타내고, 도 4의 (b)는 그레이팅 주기가 160μm인 단일 액시콘 프로파일을 나타낸다.Referring to FIG. 4, FIG. 4A illustrates a single axicon profile having a grating period of 360 μm, and FIG. 4B illustrates a single axicon profile having a grating period of 160 μm.

또한, 도 4의 (c)는 도 4의 (a) 및 (b)에 나타낸 단일 액시콘 프로파일을 기하학적 분할 방법을 통해 형성한 이중 액시콘 프로파일을 나타내고, 도 4의 (d)는 어드레싱 방법을 통해 형성한 이중 액시콘 프로파일을 나타낸다.4C shows a double axicon profile in which the single axicon profile shown in FIGS. 4A and 4B is geometrically divided, and FIG. 4D shows the addressing method. Shows the double axicon profile formed through.

이중 액시콘 홀로그래픽 패턴은 구현방식에 따라 어드레싱 방법 또는 기하학적 분할 방법을 통해 형성할 수 있으나, 두 방법을 통해 각각 형성된 광학 격자의 특성은 유사하다.
The double axicon holographic pattern may be formed by an addressing method or a geometric division method according to an implementation method, but the characteristics of the optical gratings formed through the two methods are similar.

광학 격자를 형성하기 위해서는 홀로그래픽 패턴에 형성된 각 액시콘 프로파일을 통해 형성되는 베셀 빔이 서로 다른 각 운동량을 가지도록 액시콘 프로파일이 변형 되어야 한다. 각 운동량은 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴에서 그레이팅의 방향을 조절함으로써 부여할 수 있고, 각 운동량의 제어를 통해 광학 격자의 주기를 제어할 수 있다. 그레이팅의 방향은 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴의 좌표(coordinate)를 회전 매트릭스를 이용하여 변환함으로써 조절할 수 있다.In order to form the optical grating, the axicon profile must be modified so that the Bessel beams formed through each axicon profile formed in the holographic pattern have different angular momentums. The angular momentum can be given by adjusting the direction of the grating in the dual axicon holographic pattern, and the period of the optical grating can be controlled by controlling the angular momentum. The direction of the grating can be adjusted by converting the coordinates of the dual axicon holographic pattern using a rotation matrix.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학 격자 형성 방법에서 비축 홀로그래픽 방식에 의한 베셀 빔 쌍의 형성 및 합성을 나타내는 개념도이다.5 is a conceptual diagram illustrating formation and synthesis of a vessel beam pair by a non-axis holographic method in an optical grating formation method according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5에서 (a)는 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴의 그레이팅 방향의 조정을 통해 각 운동량을 가지지 않는 베셀 빔 쌍의 생성을 나타내고, (b)는 (a)에 도시한 베셀 빔 쌍을 합성한 결과를 나타낸다.In FIG. 5, (a) shows the generation of a vessel beam pair having no angular momentum by adjusting the grating direction of the dual axicon holographic pattern, and (b) shows the result of synthesizing the vessel beam pair shown in (a). Indicates.

또한, (c)는 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴의 그레이팅 방향의 조정을 통해 각 운동량(l1=3, l2=11)을 가지는 베셀 빔 쌍의 생성을 나타내고, (d)는 (c)에 도시한 베셀 빔 쌍을 합성한 결과를 나타낸다.
Also, (c) shows the generation of a vessel beam pair having an angular momentum (l 1 = 3, l 2 = 11) by adjusting the grating direction of the double axicon holographic pattern, and (d) in (c) The result of synthesizing the illustrated Bessel beam pair is shown.

각 운동량을 갖도록 변형된 액시콘 프로파일은 축(on-axis)과 비축(off-axis) 구현 형태에 따라서 각기 다른 형태를 띄고 있는데, 도 2에 나타낸 바와 같이 축(on-axis)의 경우에는 회오리 패턴을 가지며, 비축(off-axis)의 경우에는 포크 패턴(forked pattern) 형태를 가진다.Axicon profiles deformed to have angular momentum have different shapes according to on-axis and off-axis implementations, and in the case of on-axis as shown in FIG. It has a pattern, and in the case of off-axis it has a forked pattern.

또한, 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴에 의한 바람직한 1차원 광학 격자를 형성하기 위해서는 각 베셀 빔의 특성을 조절해야 한다. 각 베셀 빔의 바람직한 조건은 수학식 1과 같다.In addition, in order to form a desirable one-dimensional optical grating by a double axicon holographic pattern, the characteristics of each Bessel beam must be adjusted. Preferred conditions of each Bessel beam are shown in Equation (1).

Figure 112011012371459-pat00001
Figure 112011012371459-pat00001

수학식 1에서 l1 및 l2는 각각 제1 및 제2 베셀 빔의 각 운동량 지수(angular momentum index)를 의미하고, kr1 및 kr2는 각각 제1 및 제2 베셀 빔의 방사 파수(radial wavenumber)를 의미한다.In Equation 1, l 1 and l 2 denote angular momentum indexes of the first and second Bessel beams, respectively, and k r1 and k r2 represent the radial waves of the first and second Bessel beams, respectively. wavenumber).

수학식 1은 광학 격자가 방위각 방향으로 주기적으로 형성되도록 조정하기 위해 제1 베셀 빔의 피크(peak) 위치는 제2 베셀 빔의 피크 위치와 영점 교차(zero crossing) 위치 사이에 위치하도록 홀로그래픽 패턴의 파라미터가 설정되어야 함을 의미한다.Equation 1 shows a holographic pattern such that the peak position of the first vessel beam is located between the peak position and the zero crossing position of the second vessel beam so that the optical grating is periodically formed in the azimuth direction. Means that the parameter must be set.

상술한 조건을 만족하도록 설정된 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴에 의해 형성된 광학 격자는 바퀴 모양(optical wheel)을 띄고 있으며, 두 베셀 빔 간의 종파수 차이에 의해서 빔이 진행하면서 회전하는 광학 격자의 양상을 보이고 있다.
The optical grating formed by the dual axicon holographic pattern set to satisfy the above conditions has an optical wheel, and the optical grating rotates as the beam progresses due to the difference in the longitudinal frequency between the two Bessel beams. have.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이중 액시콘 홀로그래픽 패턴을 통해 형성된 광학 격자를 나타낸다.6 illustrates an optical grating formed through a double axicon holographic pattern in accordance with an embodiment of the invention.

도 6의 (a), (b), (c)는 각각 계산을 통해 예측된 광학 격자를 나타내며, (d), (e), (f)는 상기 (a), (b), (c)에 나타낸 광학격자를 실험을 통해 획득한 것을 나타낸다. 또한, (a) 및 (d)는 제1 베셀 빔의 각 운동량 지수(l1)와 제2 베셀 빔의 각운동량 지수(l2)의 차이가 5인 경우를 나타내고, (b) 및 (e)는 제1 및 제2 베셀 빔의 각 운동량 지수 차이가 8인 경우를 나타내며, (c) 및 (f)는 제1 및 제2 베셀 빔의 각 운동량 지수 차이가 12인 경우를 각각 나타낸다.(A), (b) and (c) of FIG. 6 represent optical gratings predicted through calculation, respectively, and (d), (e) and (f) are (a), (b) and (c). It shows that the optical grating shown in the obtained through the experiment. In addition, (a) and (d) indicate the case where the difference between the angular momentum index (l 1 ) of the first vessel beam and the angular momentum index (l 2 ) of the second vessel beam is 5, and (b) and (e) Denotes a case in which the angular momentum index differences of the first and second vessel beams are 8, and (c) and (f) denote the cases in which the angular momentum index differences of the first and second vessel beams are 12, respectively.

도 6에 도시한 바와 같이 광학 격자는 두 베셀 빔의 각 운동량 지수 차이값과 동일한 개수의 광학 공간(optical void) 및 광학 우물(optical well)을 가진다. 따라서, 두 베셀 빔의 각 운동량 지수의 조절을 통해 원하는 개수의 광학 공간을 가지는 광학 격자를 형성할 수 있다.As shown in FIG. 6, the optical grating has the same number of optical voids and optical wells as the angular momentum difference values of the two Bessel beams. Accordingly, an optical grating having a desired number of optical spaces may be formed by adjusting the angular momentum indices of the two Bessel beams.

광원의 파장 또는 입자의 종류에 따라 광학 격자의 광학 공간과 광학 우물 중 어느 하나에 입자가 트랩(trap)되고, 광학 격자에 의해 주기적인 입자의 정렬이 가능하다.
Depending on the wavelength of the light source or the type of particles, particles are trapped in either the optical space of the optical grating or the optical well, and periodic particles can be aligned by the optical grating.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. This is possible.

110 : 레이저 발생부 120 : 빔 확대부
130 : 빔 반사수단 140 : 편광 조절부
141 : 반파장 편광판 143 : 편광빔 분할기
150 : 공간광변조기 160 : 패턴 제어부
170 : 모니터부110: laser generating unit 120: beam expanding unit
130: beam reflecting means 140: polarization control unit
141: half-wave polarizer 143: polarizing beam splitter
150: spatial light modulator 160: pattern control unit
170: monitor

Claims (17)

레이저 광원을 생성하는 레이저 발생부;
생성된 레이저 광원의 편광 상태를 조절하는 편광 조절부;
복수의 액정 셀로 구성되고, 패턴 제어 신호에 기초하여 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하고, 편광 상태가 조절된 레이저 광원이 상기 홀로그래픽 패턴에 입사되면 광 보텍스 쌍을 형성하고 형성된 광 보텍스 쌍을 합성하여 광학 격자를 형성하는 공간광변조기; 및
상기 홀로그래픽 패턴을 생성하기 위한 패턴 제어신호를 제공하는 패턴 제어부를 포함하는 광학 격자 형성 장치.A laser generator for generating a laser light source;
A polarization control unit controlling a polarization state of the generated laser light source;
A holographic pattern composed of a plurality of liquid crystal cells, and based on a pattern control signal, forms one holographic pattern to which a double axicon profile is applied, and when a laser light source having a controlled polarization state is incident on the holographic pattern, a light vortex pair is formed and formed. A spatial light modulator for synthesizing a pair of optical vortex to form an optical grating; And
And a pattern control unit for providing a pattern control signal for generating the holographic pattern. 제1항에 있어서, 상기 광학 격자 형성 장치는
상기 레이저 광원을 상기 공간광변조기의 액정 활성 영역의 크기에 상응하도록 확대하는 빔 확대부; 및
상기 광학 격자를 촬영하고 촬영된 광학 격자를 표시하는 모니터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The apparatus of claim 1, wherein the optical grating forming apparatus
A beam enlarger configured to enlarge the laser light source to correspond to a size of the liquid crystal active region of the spatial light modulator; And
And a monitor configured to photograph the optical grating and display the photographed optical grating. 제1항에 있어서, 상기 편광 조절부는
상기 레이저 광원의 편광상태를 상기 공간광변조기의 편광방향에 상응하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The method of claim 1, wherein the polarization control unit
And adjusting the polarization state of the laser light source to correspond to the polarization direction of the spatial light modulator. 제1항에 있어서,
상기 홀로그래픽 패턴은 상기 공간광변조기를 구성하는 복수의 액정 셀 각각의 좌표 인덱스에 따라 복수의 액정 셀을 두 개의 집합으로 구분하고 구분된 각 집합에 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성함으로써 구현되는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The method of claim 1,
The holographic pattern may be implemented by dividing the plurality of liquid crystal cells into two sets according to the coordinate indexes of the plurality of liquid crystal cells constituting the spatial light modulator, and forming different axicon profiles in the separated sets. Optical grating forming apparatus. 제4항에 있어서,
상기 광학 격자의 깊이는 상기 광 보텍스 쌍의 합성 비율에 따라 제어되고, 상기 광 보텍스 쌍의 합성비율은 상기 복수의 액정 셀 각각의 좌표 인덱스에 따라 구분되는 두 개의 집합에 각각 포함되는 액정 셀의 개수를 다르게 하여 조절하는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The method of claim 4, wherein
The depth of the optical grating is controlled according to the composition ratio of the optical vortex pairs, and the composition ratio of the optical vortex pairs is the number of liquid crystal cells each included in two sets divided according to the coordinate indexes of each of the plurality of liquid crystal cells. Optical grating forming apparatus, characterized in that for differently adjusted. 제1항에 있어서,
상기 홀로그래픽 패턴은, 중앙부의 제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역으로 홀로그래픽 패턴이 형성될 영역을 구분한 후, 상기 제1 영역 및 제2 영역에 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성함으로써 구현되는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The method of claim 1,
The holographic pattern may be divided into a first region and a second region surrounding the first region, and then may have different axicon profiles in the first region and the second region. Optical grating forming apparatus, characterized in that implemented by forming. 제1항에 있어서,
상기 홀로그래픽 패턴은 상기 광학 격자를 형성하기 위해 하나의 광 보텍스의 피크 위치가 다른 광 보텍스의 피크 위치와 영점교차 위치 사이에 위치하도록 각 광 보텍스의 각 운동량 지수(angular momentum index) 및 방사 파수(angular wavenumber)가 설정되는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The method of claim 1,
The holographic pattern includes an angular momentum index and an emission wave number of each optical vortex such that a peak position of one optical vortex is located between a peak position and a zero crossing position of another optical vortex to form the optical grating. and an angular wavenumber) is set. 제1항에 있어서,
상기 홀로그래픽 패턴은 원형 그레이팅 형태를 가지며, 상기 원형 그레이팅의 방향에 상응하여 각각의 광 보텍스가 서로 다른 각 운동량을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The method of claim 1,
The holographic pattern has a circular grating shape, wherein each optical vortex has a different angular momentum corresponding to the direction of the circular grating. 제1항에 있어서,
상기 이중 액시콘 프로파일은 최대 위상 지연이 2π인 키노폼(Kinoform) 타입인 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The method of claim 1,
And the dual axicon profile is a kinoform type with a maximum phase delay of 2π. 제1항에 있어서,
상기 홀로그래픽 패턴은 상기 광 보텍스 쌍을 형성하기 위해 포크 패턴(forked pattern)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 장치.The method of claim 1,
And the holographic pattern is formed in a forked pattern to form the optical vortex pair. 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계;
상기 홀로그래픽 패턴에 편광 상태가 조절된 레이저 광원이 조사되는 단계; 및
상기 조사된 레이저 광원이 상기 홀로그래픽 패턴에 의해 위상이 제어되어 광 보텍스 쌍을 형성하고, 형성된 광 보텍스 쌍이 합성되어 광학 격자를 형성하는 단계를 포함하는 광학 격자 형성 방법.Forming one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied;
Irradiating a laser light source whose polarization state is adjusted to the holographic pattern; And
And the irradiated laser light source is phase controlled by the holographic pattern to form a light vortex pair, and the formed light vortex pairs are synthesized to form an optical grating. 제11항에 있어서, 상기 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계는,
공간광변조기를 구성하는 복수의 액정 셀 각각의 좌표 인덱스에 따라 복수의 액정 셀을 두 개의 집합으로 구분하고 구분된 각 집합에 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성하는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 방법.The method of claim 11, wherein the forming of one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied comprises:
A method of forming an optical grating, characterized in that the plurality of liquid crystal cells are divided into two sets according to the coordinate indexes of the plurality of liquid crystal cells constituting the spatial light modulator, and different axicon profiles are formed in the separated sets. 제12항에 있어서, 상기 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계는,
상기 광 보텍스 쌍의 합성비율을 조정하기 위해 상기 복수의 액정 셀 각각의 좌표 인덱스에 따라 구분되는 두 개의 집합에 각각 포함되는 액정 셀의 개수를 조절하는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 방법.The method of claim 12, wherein the forming of one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied comprises:
And adjusting the number of liquid crystal cells included in two sets divided according to coordinate indexes of each of the plurality of liquid crystal cells in order to adjust the synthesis ratio of the optical vortex pairs. 제11항에 있어서, 상기 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계는,
상기 홀로그래픽 패턴은 중앙부의 제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역으로 홀로그래픽 패턴이 형성될 영역을 구분한 후, 상기 제1 영역 및 제2 영역에 서로 다른 액시콘 프로파일을 형성함으로써 구현되는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 방법.The method of claim 11, wherein the forming of one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied comprises:
The holographic pattern is divided into a first region of a central portion and a second region surrounding the first region, and then forms different axicon profiles in the first region and the second region. The optical grating formation method, characterized in that implemented by. 제11항에 있어서, 상기 이중 액시콘 프로파일이 적용된 하나의 홀로그래픽 패턴을 형성하는 단계는,
상기 광학 격자를 형성하기 위해 하나의 광 보텍스의 피크 위치가 다른 광 보텍스의 피크 위치와 영점교차 위치 사이에 위치하도록 각 광 보텍스의 각 운동량 지수(angular momentum index) 및 방사 파수(angular wavenumber)가 설정되는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 방법.The method of claim 11, wherein the forming of one holographic pattern to which the dual axicon profile is applied comprises:
An angular momentum index and an angular wavenumber of each optical vortex are set such that the peak position of one optical vortex is located between the peak position and the zero crossing position of the other optical vortex to form the optical grating. The optical grating formation method characterized by the above-mentioned. 제11항에 있어서, 상기 홀로그래픽 패턴에 편광 상태가 조절된 레이저 광원이 조사되는 단계는,
상기 레이저 광원을 상기 홀로그래픽 패턴이 형성되는 공간광변조기의 액정 활성 영역의 크기에 상응하도록 확대하는 단계; 및
확대된 레이저 광원의 편광상태를 상기 공간광변조기의 편광방향에 상응하도록 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 방법.The method of claim 11, wherein the step of irradiating the laser light source of the polarization state is adjusted to the holographic pattern,
Enlarging the laser light source to correspond to the size of the liquid crystal active region of the spatial light modulator in which the holographic pattern is formed; And
And adjusting the polarization state of the enlarged laser light source to correspond to the polarization direction of the spatial light modulator. 제11항에 있어서,
상기 홀로그래픽 패턴은 원형 그레이팅 형태를 가지며, 상기 원형 그레이팅의 방향에 상응하여 각각의 광 보텍스가 서로 다른 각 운동량을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 격자 형성 방법.The method of claim 11,
The holographic pattern has a circular grating shape, wherein each optical vortex has a different angular momentum corresponding to the direction of the circular grating.
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