CN108169920B - 可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法 - Google Patents

可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法 Download PDF

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Abstract

可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法，结合两个椭圆环形因子，将两个椭圆环形因子干涉叠加后，引入一个相位阶跃，用以形成微粒吞吐的缺口，得到掩模板复振幅透过率函数，将上述的掩模板复振幅透过率函数取角向后叠加闪耀光栅即可得到可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板，本发明所设计的掩模板可以实现在该掩模板远场产生一种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束，此外，该传送带其中一端光强有一个开口，通过调控传送因子，可依次使每一个携带微粒单元移动到开口处，处于开放状态，配合微流辅助等操作，可进行微粒的吞吐，形成稳定的捕获。因而在微操控领域中具有非常重要的应用前景。

Description

可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法
技术领域
本发明涉及微粒光操纵领域，具体的说是一种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法。
背景技术
随着涡旋光束的提出，关于涡旋光束的产生、调控、表征及应用得到了广大研究者们的关注。通过对涡旋光束的调控可以产生出多种多样的空间结构光场，这些新型光场表现出了一系列新颖的物理效应及现象，如灵巧光操控、特殊微结构等领域有着广泛的用途。
然而，由于每种光场往往有固定的操控模式，因此光场结构多样化的研究具有重要的意义。近年来，相继研究并提出了多种结构的空间光场。关于方阵结构，2008年使用因斯高斯光束叠加生成一种方形涡旋阵列【Opt.Express,vol.16,no.24,pp.19934-19949,Nov.2008.】。2013年，同一个课题组验证了该涡旋阵列适用于粒子的多光阱捕获【Opt.Express,vol.21,no.22,pp.26418-26431,Oct.2013.】。关于，环形结构，2007年提出了一种光学摩天轮结构，该结构在微操控领域可以捕获超冷原子，但是其可调性比较弱【Opt.Express,vol.15,no.14,pp.8619-8625,Jun.2007】。针对该问题，2017年，提出了一种可调的光学摩天轮，可以对微粒实现一个圆环上的多种精确控制【Ann.Phys.(Berlin),vol.529,no.12,pp.1700285,Dec.2017】。然而目前还尚未出现适用于超冷原子的椭圆环形捕获的光束。
此外，对于传统的光学摩天轮，其每一个粒子携带单元(暗核)都是封闭的。对于超冷原子及金属颗粒来说，其光强较大处为一个能量壁垒，阻止环外颗粒接近【光学学报，vol.36,no.10,pp.1026004,Oct.2016】。这使得传统光学摩天轮对微粒的捕获十分困难。
因此，在微操控领域中，尚缺少一种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束，用以实现微粒椭圆结构上的稳定捕获以及传送。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供了一种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法，并使用该掩模板产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束。在微操控领域具有非常重要的应用价值，本方案用光学手段构造了一种椭圆形光学传送带，避免了繁杂的机械手段，因而在微操控领域具有非常重要的应用价值。
本发明所采用的技术方案是：可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法，
该掩模板的复振幅透过率函数t的表达式为
Figure GDA0002302047540000021
其中，
Figure GDA0002302047540000022
为一个椭圆坐标系，其与直角坐标系(x,y)的变换关系定义为
Figure GDA0002302047540000023
Figure GDA0002302047540000024
M为一个常数，控制所述的椭圆光学传送带离心率；circ(ρ<P)为一个椭圆形光阑，用以均衡所提出的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束横纵两方向的能量，P为椭圆光阑的边界条件的径向椭圆变量；i为虚数单位；k为所提出可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束的波数；α为椭圆光学传送带径向缩放参数；△α为两个变形后的椭圆环形因子的径向差值，用以控制所提出的椭圆光学传送带光束的形成条件；l为所提出的椭圆光学传送带光束的角向调节因子，其取值范围为半整数，传送带携带微粒单元数量N＝2int(l)，int(·)为取整函数；θ为所提出的椭圆光学传送带光束的传送因子，用以控制传送带携带微粒单元沿着传送带移动；
将上述的掩模板的复振幅透过率函数t取角向后叠加闪耀光栅即可得到可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板T，掩模板T的表达式为T＝rem(angle(t)+BG,2π)，
其中，rem(.)是求余函数，BG是闪耀光栅。
进一步优化本方案，所述的掩模板复振幅透过率函数t的设计过程为：结合两个椭圆环形因子，将两个椭圆环形因子干涉叠加后，引入一个大小为π的相位阶跃，用以形成微粒吞吐的缺口，得到掩模板复振幅透过率函数t。
进一步优化本方案，所述的闪耀光栅为建立在椭圆坐标系下周期为D的闪耀光栅，其表达式为
Figure GDA0002302047540000031
此外，本方案中还提供了利用上述设计方法制得的掩模板产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束的方法，具体为：将掩模板T输入空间光调制器，使用平面波照射，即可在空间光调制器的远场产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束。
本发明的有益效果是：
本发明所设计的掩模板可以实现在该掩模板远场产生一种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束。其传送带携带微粒单元(暗核)数量由角向调节因子l控制；传送带运动由传送因子θ控制，传送因子θ的正负控制着传送带的传送方向。此外，该传送带其中一端光强有一个开口，通过调控传送因子θ，可依次使每一个携带微粒单元移动到开口处，处于开放状态，配合微流辅助等操作，可进行微粒的吞吐，形成稳定的捕获。因而在微操控领域中具有非常重要的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板。图片第一行椭圆光学传送带传送因子θ的取值分别为0每隔π/2取到2π；图片第二行椭圆光学传送带传送因子θ的取值分别为0每隔-π/2取到-2π。
图2是图1中所展示的掩模板生成的椭圆光学传送带光束。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的以及有益效果易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
图1是本发明产生的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束实施例的掩模板，其复透过率函数具体表达式为：
Figure GDA0002302047540000051
其中，
Figure GDA0002302047540000052
为一个椭圆坐标系，其与直角坐标系(x,y)的变换关系定义为
Figure GDA0002302047540000053
Figure GDA0002302047540000054
M为一个常数，控制所述的椭圆光学传送带离心率(具体实施方式取值为2)；circ(ρ<P)描述了一个椭圆形光阑，用以均衡所提出的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束横纵两方向的能量，P为椭圆光阑的边界条件的径向椭圆变量，具体实施方式中取值为1.88mm；i为虚数单位；k为所提出可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束的波数；α为椭圆光学传送带径向缩放参数(具体实施方式取值为15)；△α为两个变形后的椭圆环形因子的径向差值(具体实施方式取值为1.5)，用以控制所提出的椭圆光学传送带光束的形成条件；l为所提出的椭圆光学传送带光束的角向调节因子，其取值范围为半整数(具体实施方式取值为5.5)，l的小数部分即为产生相位阶跃的原因，传送带携带微粒单元(暗核)数量N＝2int(l)，int(·)为取整函数；θ为所提出的椭圆光学传送带光束的传送因子，用以控制传送带携带微粒单元沿着传送带移动；
上述掩模板复振幅透过率函数t的设计过程为：结合两个椭圆环形因子，将两个椭圆环形因子干涉叠加后，引入一个大小为π的相位阶跃，用以形成微粒吞吐的缺口，得到掩模板复振幅透过率函数t；
将上述的掩模板复振幅透过率函数t取角向后叠加闪耀光栅即可得到所述的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板，其公式可表述为：
T＝rem(angle(t)+BG,2π)
其中，rem(.)是求余函数，用以计算参数除以2π的余数，因为相位是周期分布，在0～2π上才有意义，因此使用求余函数得到0～2π上的稳定调制；BG是闪耀光栅，在本发明所建立的椭圆坐标系下周期为D(具体实施方式D取值为0.26mm)的闪耀光栅的表达式为
Figure GDA0002302047540000061
其作用在于将调制产生的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束与掩模板的0级杂光分离。
将上述掩模板T输入空间光调制器，使用平面波照射，即可在空间光调制器的远场产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束。
首次实验中需要确定传动带相关参数：首先给出椭圆光学传送带一个径向缩放参数与角向调节因子。之后，连续调节径向差值Δα的取值，直到生成所提出的椭圆光学传送带为止。图1是本发明产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板，附图中携带微粒单元数为10。
后续的实验可以使用首次实验的参数，调节传送因子θ，使得携带微粒单元在开口出与外界联通，图2所示，当传送因子θ取-π/2和3π/2时，此时可以通过微流辅助或调控光束移动等方法，将粒子送入携带微粒单元，之后连续调节传送因子θ使携带微粒单元开口封闭。重复上述操作，可将所有携带微粒单元装满粒子。调节光束位置即可实现粒子的传递。此外，值得指出的是，图2中仅仅为传送因子θ取几个固定值的案例，传送因子可以连续取值，从而调控携带微粒单元位置的连续变化。
实施例
以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板。该掩模板角向调节因子l取5.5，传送因子θ的取值分别为0每隔π/2取到2π；以及0每隔-π/2取到-2π。根据具体实施方式中的掩模板透过率函数最终得到可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板。图1给出了所述的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板。这种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带掩模板可以通过一个空间光调制器，在空间光调制器的远场来实现。以德国Holoeye公司的pluto-vis-016型号空间光调制器为例，对所提出的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板进行实验验证。
图2所示，我们实验得到了这种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板在NA＝0.025数值孔径，焦距为20mm的透镜焦平面上的光场光强分布。从图中可以看出，我们得到了携带微粒单元数量为10、依次顺逆时针旋转到不同位置时的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束光强分布。我们的实验结果表明，通过本发明提出的这种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带掩模板，可以得到可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束。这将为全息光镊领域提供一种新的操作手段。
综上所述，本发明提出了一种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的具体设计方案及实施方案，并以NA＝0.025的聚焦透镜、角向调节因子l取5.5，传送因子θ的取值分别为0每隔π/2取到2π；以及0每隔-π/2取到-2π为例，针对工作波长为532nm的激光，提出了一种可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带掩模板的技术实施路线。
以上所述产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板仅表达了本发明的一种具体实施方式，并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以对本专利所提出的具体实施细节做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法，其特征在于：
该掩模板的复振幅透过率函数t的表达式为
Figure FDA0001556906790000011
其中，
Figure FDA0001556906790000012
为一个椭圆坐标系，其与直角坐标系(x,y)的变换关系定义为
Figure FDA0001556906790000013
M为一个常数，控制所述的椭圆光学传送带离心率；circ(ρ<P)为一个椭圆形光阑，用以均衡所提出的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束横纵两方向的能量，P为椭圆光阑的边界条件的径向椭圆变量；i为虚数单位；k为所提出可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束的波数；α为椭圆光学传送带径向缩放参数；△α为两个变形后的椭圆环形因子的径向差值，用以控制所提出的椭圆光学传送带光束的形成条件；l为所提出的椭圆光学传送带光束的角向调节因子，其取值范围为半整数，传送带携带微粒单元数量N＝2int(l)，int(·)为取整函数；θ为所提出的椭圆光学传送带光束的传送因子，用以控制传送带携带微粒单元沿着传送带移动；
将上述的掩模板的复振幅透过率函数t取角向后叠加闪耀光栅即可得到可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板T，掩模板T的表达式为T＝rem(angle(t)+BG,2π)，
其中，rem(.)是求余函数，BG是闪耀光栅。
2.根据权利要求1所述的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法，其特征在于：
所述掩模板的复振幅透过率函数t的设计过程为：结合两个椭圆环形因子，将两个椭圆环形因子干涉叠加后，引入一个大小为π的相位阶跃，用以形成微粒吞吐的缺口，得到掩模板复振幅透过率函数t。
3.根据权利要求1所述的可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束掩模板的设计方法，其特征在于：所述的闪耀光栅为建立在椭圆坐标系下周期为D的闪耀光栅，其表达式为
Figure FDA0001556906790000021
4.利用权利要求1所述的设计方法制得的掩模板产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束的方法，其特征在于：将掩模板T输入空间光调制器，使用平面波照射，即可在空间光调制器的远场产生可传输吞吐微粒的椭圆光学传送带光束。
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