CN110472294B - 一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法 - Google Patents

一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法 Download PDF

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Abstract

一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，结合了一个嫁接螺旋相位因子和一个闪耀光栅以及一个锥透镜透过率函数，得到该嫁接涡旋光束掩模板的复透过率函数t G ，所述的闪耀光栅用于分离所需的嫁接涡旋光束与零级光斑；将该复透过率函数通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生所述的嫁接涡旋光束的掩模板。本方法，可以实现在该掩模板的远场产生一种光扳手力可局部自由调控的嫁接涡旋光束，通过改变两个或多个嫁接的光学涡旋的拓扑荷可自由控制该嫁接涡旋光束环上的局部光扳手力的大小和方向，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。

Description

一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法
技术领域
本发明涉及微粒操纵领域，具体的说是一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法。
背景技术
光学涡旋因携带有轨道角动量，在微粒操纵、光学测量、图像处理、基于轨道角动量的光通信等多种领域有着广泛应用，成为了近年来光学领域的一大研究热点。
在微粒操纵领域，涡旋光束的光强提供了梯度力，其携带的轨道角动量提供了一种角向的光扳手力。调控其轨道角动量分布可以改变其光扳手力的分布，从而实现微粒的复杂操纵。对于轨道角动量的调控，最直接的方法就是调控其拓扑荷值【Phys.Rev.A,1992,8185-8189】。但是该方法只能实现光环上均匀的轨道角动量分布。为了调控轨道角动量分布，2014年，李鹏等人通过调控相位梯度因子，生成了一种螺旋形的幂指数相位型涡旋光束【Opt.Express,2014,7598-7606】。2015年，Rodrigo生成了具有三维自由空间结构的涡旋光场【Optica,2015,812-815】。2016年，Kovalev产生了一种具有新月形光强和轨道角动量分布的非对称拉盖尔-高斯光束【Opt.Lett.,2016,2426-2429】。虽然上述方法产生的涡旋光场具有丰富的轨道角动量分布，但是其轨道角动量分布强烈依赖光强分布。在微粒操纵领域，还需要一种轨道角动量不依赖于光强分布的涡旋光场。
综上所述，在微粒操纵领域中，尚缺少一种光环上局部光扳手力可自由调控且光强保持恒定的嫁接涡旋光束，用以应对微粒操纵领域尤其是微粒的变速运动的需求。
发明内容
为解决上述技术问题的不足，本发明提供了一种光环上局部光扳手力可自由调控且光强保持恒定的嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，并通过该方法所得的掩模板产生了局部光扳手力能够自由调控的嫁接涡旋光束，在微粒操纵领域具有重要应用。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，结合了一个嫁接螺旋相位因子和一个闪耀光栅以及一个锥透镜透过率函数，得到该嫁接涡旋光束掩模板的复透过率函数tG，其复透过率函数具体表达式为：
tG＝tτexp(i·EG+Q)
其中，tτ是锥透镜复透过率函数；EG为嫁接螺旋相位因子；Q为闪耀光栅的相位表达式；所述的闪耀光栅Q的表达式为：
Figure BDA0002136594850000021
其中，D为该闪耀光栅的相位周期，在嫁接涡旋光束的实验产生中，该闪耀光栅的作用是分离所需的嫁接涡旋光束与零级光斑；
将该复透过率函数通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生所述的嫁接涡旋光束的掩模板。
所述的锥透镜透过率函数tτ表达式为：
Figure BDA0002136594850000031
其中，r为极坐标系下的径向参数，R为锥透镜的光瞳半径，n为锥透镜的折射率，α为锥透镜的锥角，k为波矢。
所述的嫁接螺旋相位因子EG的表达式为：
Figure BDA0002136594850000032
其中，(r,θ)是极坐标；angle(·)为对该嫁接螺旋相位因子求相位的函数；rect(·)是矩形函数，用来对光学涡旋的两个或多个螺旋相位因子进行嫁接；N是嫁接的螺旋相位因子的数量；mn’是嫁接的光学涡旋的拓扑荷。通过调控嫁接的光学涡旋的拓扑荷mn’的值，可以调控所产生的嫁接涡旋光束环上的局部光扳手力的大小和方向。
通过上述方法制得所述嫁接涡旋光束的掩模板后，可将平行光照射在输入有嫁接涡旋光束相位掩模板的空间光调制器上，由空间光调制器反射的光束经由傅里叶变换透镜射出，即可在远场得到所需的光环上局部光扳手力可自由调控的嫁接涡旋光束。
本发明的技术效果：
本发明所设计的掩模板可以实现在该掩模板的远场产生一种光扳手力可局部自由调控的嫁接涡旋光束。通过改变两个或多个嫁接的光学涡旋的拓扑荷可自由控制该嫁接涡旋光束环上的局部光扳手力的大小和方向，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明产生的光环上局部光扳手力可自由调控的嫁接涡旋光束的掩模板。用于嫁接的螺旋相位数量N＝2，其拓扑荷分别选取为m1＝4、m2＝2；m1＝5、m2＝1；m1＝7、m2＝-1；m1＝8、m2＝-2。
图2是图1展示的掩模板所生成的光环上局部光扳手力可自由调控的嫁接涡旋光束。
具体实施方式
图1是本发明产生的局部光扳手力可自由调控的嫁接涡旋光束实施例的掩模板，该掩模板通过如下方式获得：结合一个嫁接螺旋相位因子和一个闪耀光栅以及一个锥透镜透过率函数，得到该嫁接涡旋光束掩模板的复透过率函数tG，其复透过率函数具体表达式为：
tG＝tτexp(i·EG+Q)
其中，tτ是锥透镜复透过率函数，EG为嫁接螺旋相位因子，Q为闪耀光栅的相位表达式，angle(·)为对该嫁接涡旋螺旋相位因子求相位的函数。将该复透过率函数通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生这种嫁接涡旋光束的掩模板。
所述的锥透镜透过率函数tτ表达式为：
Figure BDA0002136594850000041
式中，r为极坐标系下的径向参数，R为锥透镜的光瞳半径，n为锥透镜的折射率，α为锥透镜的锥角，k为波矢。
所述的嫁接螺旋相位因子EG的表达式为：
Figure BDA0002136594850000051
其中，(r,θ)是极坐标；angle(·)为对该嫁接螺旋相位因子求相位的函数；rect(.)是矩形函数，用来对光学涡旋的两个或多个螺旋相位进行嫁接；N是嫁接的螺旋相位因子的数量，mn’是嫁接的光学涡旋的拓扑荷。通过调控嫁接的光学涡旋的拓扑荷mn’的值，可以调控所产生的嫁接涡旋光束光环上的局部光扳手力的大小和方向。
所述的闪耀光栅Q的表达式为：
Figure BDA0002136594850000052
其中，D为该闪耀光栅的相位周期，在该嫁接涡旋光束的实验产生中，闪耀光栅的作用是分离所需的嫁接涡旋光束与零级光斑。
实验中令α＝0.03rad，n＝1.732，调节闪耀光栅的周期使三个衍射级分离，直到可以使用光阑筛选出+1衍射级，即可得到嫁接涡旋光束掩模板。图1为N＝2，其拓扑荷分别为m1＝4、m2＝2；m1＝5、m2＝1；m1＝7、m2＝-1；m1＝8、m2＝-2的嫁接涡旋光束掩模板。
实施例
下面以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了嫁接涡旋光束的掩模板。该掩模板中α＝0.03rad，n＝1.732，D＝0.25。对两个光学涡旋进行嫁接，其拓扑荷值分别选取为m1＝4、m2＝2；m1＝5、m2＝1；m1＝7、m2＝-1；m1＝8、m2＝-2。根据具体实施方式中的掩模板复透过率函数最终得到光环上局部光扳手力可自由调控的嫁接涡旋光束掩模板。图1即为实施例中所使用的嫁接涡旋光束掩模板。这种嫁接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50mW。
图2所示，即为实施例中所生成的嫁接涡旋光束在数值孔径为0.05的透镜焦平面上的光强分布。其拓扑荷分别为m1＝4、m2＝2；m1＝5、m2＝1；m1＝7、m2＝-1；m1＝8、m2＝-2。从图中可以看出，改变嫁接的拓扑荷m1和m2的值，实验中产生的嫁接涡旋光束的光强保持恒定，其光环上的局部光扳手力的大小和方向可控，这将为微粒操纵领域尤其是微粒的变速运动提供重要的应用。
综上所述，本发明提出了一种光环上局部光扳手力可自由调控且光强保持恒定的嫁接涡旋光束掩模板的具体设计方案及实施方案。并以N＝2拓扑荷分别为m1＝4、m2＝2；m1＝5、m2＝1；m1＝7、m2＝-1；m1＝8、m2＝-2为例，针对工作波长为532nm的激光，提出了一种光环上局部光扳手力可自由调控且光强保持恒定的嫁接涡旋光束掩模板的技术实施路线。
以上所述产生的嫁接涡旋光束掩模板仅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)

1.一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，其特征在于：
结合一个嫁接螺旋相位因子、一个闪耀光栅以及一个锥透镜透过率函数，得到该嫁接涡旋光束掩模板的复透过率函数tG，其复透过率函数具体表达式为：
tG＝tτexp(i·EG+Q)
其中，tτ是锥透镜复透过率函数；EG为嫁接螺旋相位因子；Q为闪耀光栅的相位表达式；其中，所述的闪耀光栅用于分离所需的嫁接涡旋光束与零级光斑，其表达式为：
Figure FDA0002136594840000011
其中，D为该闪耀光栅的相位周期；
将该复透过率函数tG通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生所述的嫁接涡旋光束的掩模板。
2.根据权利要求1所述的一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，其特征在于：所述的锥透镜透过率函数tτ表达式为：
Figure FDA0002136594840000012
其中，r为极坐标系下的径向参数，R为锥透镜的光瞳半径，n为锥透镜的折射率，α为锥透镜的锥角，k为波矢。
3.根据权利要求1所述的一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，其特征在于：所述的嫁接螺旋相位因子EG的表达式为：
Figure FDA0002136594840000013
其中，(r,θ)是极坐标；angle(·)为对该嫁接螺旋相位因子求相位的函数；rect(·)是矩形函数，用来对光学涡旋的两个或多个螺旋相位因子进行嫁接；N是嫁接的螺旋相位因子的数量；mn’是嫁接的光学涡旋的拓扑荷；通过调控嫁接的光学涡旋的拓扑荷mn’的值，可以调控所产生的嫁接涡旋光束环上的局部光扳手力的大小和方向。
4.利用权利要求1-3任一项所述的设计方法制备的掩模板产生嫁接涡旋光束的方法，其特征在于：
将平行光照射在输入有嫁接涡旋光束相位掩模板的空间光调制器上，由空间光调制器反射的光束经由傅里叶变换透镜，即可在远场得到所需的光环上局部光扳手力可自由调控的嫁接涡旋光束。
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Denomination of invention: A mask design method for grafting vortex beams

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