CN109870890A - 一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束相位掩模板及光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束的相位掩模板，所产生的新型涡旋光束同时具有整数阶涡旋的拓扑荷与分数阶涡旋的光强轮廓。该相位掩模板通过将其输入反射式空间光调制器来产生涡旋光束，其透过率函数表达式为：

Description

一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束相位掩模板及光 路系统

技术领域

本发明涉及微粒操纵领域，具体涉及一种涡旋光束的相位掩模板以及相应的光路系统。

背景技术

对光场中的轨道角动量的大量研究主要集中于涡旋光束，它已经应用于许多领域，如微粒的光操纵，光学成像，光通信，光学遥感等等。正因为其广泛的应用价值成为了近年来结构光场领域的一大研究热点。

关于整数阶涡旋光束已经涌现了大量研究成果，早在1996年，Simpson,N.B.等提出光学涡旋在微操纵领域可以作为“光扳手”【J.Mod.Opt.1996,2485–2491】。在最近几年，一些特殊结构的涡旋光场对微粒操纵的研究也方兴未艾【Optica，2015，812-815；Light-Science&Applications，2017，e17050】，成为现阶段研究的一大前沿领域。分数阶涡旋光束由于具有独特的缺口结构及分数轨道角动量，对微粒的一些特殊操纵有着独特的应用。例如，2005年S.H.Tao等利用半整数涡旋光束对粒子进行了光学排序【Opt.Express，2005，7726-7731】。然而，在对粒子排序的过程中，不同大小、不同折射率、不同化学性质的粒子需要使用不同轨道角动量的涡旋光束。但是，相邻两半整数的涡旋光束每个光子轨道角动量相差了一个约化的普朗克常数难以做到连续变化。

综上所述，目前尚缺少一种新型的涡旋光束，其同时具有整数阶涡旋的拓扑荷与分数阶涡旋的光强轮廓，用以应对微操纵领域缺口型涡旋光束拓扑荷值的连续调控。

发明内容

为解决上述技术问题的不足，本发明提供了一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束的相位掩模板，所产生的新型涡旋光束同时具有整数阶涡旋的拓扑荷与分数阶涡旋的光强轮廓，在细胞操纵领域具有重要的应用价值。

本发明利用计算全息原理，通过光束复振幅设计获得相位掩膜板，在远场产生具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束。这种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束实现了缺口型涡旋光束拓扑荷值的连续调控，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明通过调节相位阶跃和拓扑荷值分别控制交织在一起的螺旋相位面的数量和波场相位的梯度；其用公式可以表示为：

其中ψ是光束的相位；rem(.)为求余函数；m是光束的拓扑荷值；n(n>m)是相位阶跃因子，通过改变n的值可以压缩相位阶跃，以产生所需要的相位阶跃大小；θ为极坐标系的极角；

基于振幅调制，本发明的一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板可以表示为：

其中A(x,y)为振幅调制函数，用于改变入射相干光场的轮廓以提高涡旋光束的质量并避免相位调制信号与振幅调制信号的干扰；ang(.)是对虚数求角向函数；2πx/d为闪耀光栅项，用以产生一个周期为d的闪耀光栅，其作用是将能量集中于+1级衍射。

关于振幅调制，具体可使用一种二值振幅相位调制技术，振幅调制函数A(x,y)可表示为：

其中为对灰度矩阵转变为二值矩阵的函数，(x,y)为笛卡尔坐标变量，w为光束的束腰半径；二值振幅A的作用是给相位掩模板提供一个振幅调制，改变入射相干光场的轮廓，从而提高所生成光束的质量；此外，由于将振幅调制转换为二值化的振幅，避免了在实际实验中相位调制信号与振幅调制信号的干扰。

将本发明所设计的掩模板输入空间光调制器，在远场即可产生具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束。具体的光路系统包括：沿入射光路依次设置的连续波激光器、反射镜、准直扩束器、起偏器以及分束立方体；经过所述准直扩束器后的光束近似为平面波，并经过起偏器后变为线偏振光，再经分束立方体后分为反射光束和透射光束；

其中，反射光束照射在写有上述相位掩模板的反射式空间光调制器上；经该反射式空间光调制器调制后依次通过分束立方体、检偏器，再经过凸透镜进行傅里叶变换，在其后焦平面上得到掩模板远场光束，即所述的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束。

可通过小孔光阑筛选出+1级衍射光束，由一台CCD相机成像记录所述的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束的光强。

本发明的技术效果：

本发明所设计的掩模板能在远场产生一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束；通过选取不同的相位阶跃参数n可以改变光束形状以实现与分数阶涡旋光束相同的轮廓；调节拓扑荷m的值可以实现轨道角动量的连续变化。因此为粒子的光学排序提供了一种可连续变化轨道角动量的模式分布，在光学微操纵领域有着很大的应用价值。

附图说明

图1是选取拓扑荷值m＝5，相位阶跃因子n＝5.5的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板。

图2是使用所述的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板产生具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束的实验光路原理图；图中标记：100、激光器，110、反射镜，120、准直扩束器，130、凸透镜，140、起偏器，141、检偏器，150、分束立方体，200、反射式空间光调制器，210、小孔光阑，300、CCD相机。

图3左列是图1展示的掩模板所生成的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束光强及角动量分布图；右列是拓扑荷m＝5.5的传统分数阶涡旋光束光强及角动量分布图，其作用是与本发明所提出的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束做对比。

具体实施方式

图1所示为本发明所设计的掩模板，其首先通过调节相位阶跃和拓扑荷值分别控制交织在一起的螺旋相位面的数量和波场相位的梯度；其用公式可以表示为：

其中ψ是光束的相位；rem(.)为求余函数；m是光束的拓扑荷值；n(n>m)是相位阶跃因子，通过改变n的值可以压缩相位阶跃，以产生所需要的相位阶跃大小，其在本具体实施方式中取半整数值m+0.5；θ为极坐标系的极角；

本发明使用一种二值振幅相位调制技术。其振幅调制可以表示为：

其中为对将灰度矩阵转变为二值矩阵的函数，(x,y)为笛卡尔坐标变量，w为光束的束腰半径，其在本具体实施方式中取值为10.5mm；二值振幅A的作用是给相位掩模板提供一个振幅调制，改变了入射相干光场的轮廓，从而提高所生成光束的质量；此外，由于将振幅调制转换为二值化的振幅，避免了在实际实验中相位调制信号与振幅调制信号的干扰；

基于上述振幅调制，本发明所设计的一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板可以表示为：

其中ang(.)是对虚数求角向函数；2πx/d为闪耀光栅项，用以产生一个周期为d的闪耀光栅，其作用是将能量集中于+1级衍射，具体实施方式中闪耀光栅周期选取0.26mm；

将本发明所设计的掩模板输入空间光调制器200，在远场即可产生具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束。图2所示光学系统架构与本领域应用反射式空间光调制器的现有技术类似。具体如下：

步骤一、打开连续波激光器100电源，连续波激光器100发出的光束被反射镜110反射后，进入准直扩束器120进行扩束准直，准直后的光束近似为平面波，并经过起偏器140后变为线偏振光，照射在分束立方体150上；经分束立方体150后的光束被分为两束，一束为反射光，一束为透射光；所述的反射光束照射在写有本发明所设计的掩模板的反射式空间光调制器200上；

步骤二、光束经写有本发明所设计的掩膜板的反射式空间光调制器200调制后通过分束立方体150与检偏器141，在经过凸透镜130进行傅里叶变换在其后焦平面上得到掩模板远场光束，即所述的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束。最终通过小孔光阑210筛选出+1级衍射光束，由一台CCD相机300成像记录所述的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束的光强。

以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板；该掩模板参数选取为拓扑荷值m＝5，相位阶跃因子n＝5.5，并根据具体实施方式中的掩模板函数最终得到具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板，图1所示；这种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板，可以通过一个空间光调制器来实现；以德国Holoeye公司的PLUTO-VIS-016型相位空间光调制器为例，其像素尺寸8μm，填充因子为93％，分辨率为1920pixel×1080pixel；实验中使用波长为532nm的连续波固体激光器，功率为100mW；

图3所示左列即为实施例中所生成的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束且实验中的分数阶特征清晰可辨；图3右列为普通涡旋光束与所提出的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束做对比；由图3第一行光强图可知，所生成的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束的光强轮廓与传统分数阶涡旋光束光强轮廓基本相同，两光强数据拟合后相关系数可高达0.9938；从第二行轨道角动量分布图可知，所提出的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束的轨道角动量分布于传统分数阶类似，但其大小明显低于传统分数阶涡旋光束；该现象证明了本发明所提出的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板确实可以实现缺口型涡旋光束轨道角动量的调控。

以上以拓扑荷值m＝5，相位阶跃因子n＝5.5为例，针对工作波长为532nm的激光，给出了一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束掩模板的较佳的实现方案。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，还可以对本实施例做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束相位掩模板，通过将其输入反射式空间光调制器来产生涡旋光束，其特征在于：

该相位掩模板通过调节相位阶跃和拓扑荷值分别控制交织在一起的螺旋相位面的数量和波场相位的梯度，涡旋光束的相位的表达式为：

其中ψ是光束的相位；rem(.)为求余函数；m是光束的拓扑荷值；n是相位阶跃因子，n>m，通过改变n的值能够压缩相位阶跃，以产生所需要的相位阶跃大小；θ为极坐标系的极角；

该相位掩模板的透过率函数表达式为：

其中A(x,y)为振幅调制函数，用于改变入射相干光场的轮廓以提高涡旋光束的质量并避免相位调制信号与振幅调制信号的干扰；ang(.)是对虚数求角向函数；2πx/d为闪耀光栅项，用以产生一个周期为d的闪耀光栅，从而将能量集中于+1级衍射。

2.根据权利要求1所述的具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束相位掩模板，其特征在于：振幅调制函数A(x,y)的表达式为：

其中为对灰度矩阵转变为二值矩阵的函数，(x,y)为笛卡尔坐标变量，w为光束的束腰半径。

3.一种产生具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束的光路系统，其特征在于，包括：沿入射光路依次设置的连续波激光器、反射镜、准直扩束器、起偏器以及分束立方体；经过所述准直扩束器后的光束近似为平面波，并经过起偏器后变为线偏振光，再经分束立方体后分为反射光束和透射光束；

其中，反射光束照射在写有权利要求1所述相位掩模板的反射式空间光调制器上；经该反射式空间光调制器调制后依次通过分束立方体、检偏器，再经过凸透镜进行傅里叶变换，在凸透镜的后焦平面上得到掩模板远场光束，即具有分数阶涡旋轮廓的整数阶涡旋光束。