CN110989315A - 一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置 - Google Patents

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CN110989315A CN202010009572.1A CN202010009572A CN110989315A CN 110989315 A CN110989315 A CN 110989315A CN 202010009572 A CN202010009572 A CN 202010009572A CN 110989315 A CN110989315 A CN 110989315A
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Abstract

本发明公开了以一种利用关联涡旋阵列控制微粒光漏开关的装置。实施步骤是：用计算机制备一组全息图序列并加载至空间光调制器以动态帧的形式重复播放；用激光照射空间光调制器，经反射使光束竖直向上，即与重力场的方向相反；选取反射光束的一级衍射光并照射进入10x的物镜中聚焦形成光阱；将微粒放入光阱中，微粒的状态由经过空间光调制器调制产生的关联涡旋光束的相位和相干度决定；通过更改参数制备不同的全息图序列并加载至空间光调制器上以动态帧的形式播放，以实现对粒子的上下移动和转动的控制。本发明所提供的装置使用的光学器件数目少，布局简单，属于光学操纵领域。

Description

一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置
技术领域
本发明提供一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置。该装置产生的关联涡旋可调，可实现微粒的上下移动和转动，属于光学微粒操控领域。
背景技术
涡旋光束中的光子既可以携带轨道角动量(与涡旋相位有关)，又可以携带自旋角动量(与偏振状态有关)，聚焦形成的光阱可以和微粒之间发生动量和角动量的交换，是操纵微粒平动和转动最有潜力的手段之一。近年来，利用涡旋光对粒子进行实时动态操控，受到越来越广泛的关注。
相干涡旋是一种特殊的光学涡旋，在两点交叉谱密度函数中具有螺旋相位结构。两点相关函数与光的相干性有关，因此称为相干涡旋。相干涡旋在湍流中通过障碍物传播时受到的影响比光学涡旋小，因此，被应用于目标识别和成像、光学操纵和障碍物成像中的自重构等领域。
文献[MIN-JIE LIU,JUN CHEN,YANG ZHANG,YAN SHI,CHUN-LIU ZHAO,AND SHANG-ZHONG JIN,“Generation of coherence vortex by modulating the correlationstructure of random lights”,Photon.Res.7,1485-1492(2019)，doi:10.1364/PRJ.7.001485]报道了一种使用数字技术的方式产生关联涡旋的方法。然而，通过利用关联涡旋光束来实现粒子的转动和上下移动的操纵，是目前尚未实现的问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置。本发明提供的装置通过数字技术的调控直接实现对粒子转动和上下移动，通过控制全息图上的参数，可以实现微粒顺时针或逆时针转动。通过调节相干度的大小，可以实现微粒上下移动。本发明使用的装置光学器件少且布局简单。
实现发明目的的技术方案是提供一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置，包括以下步骤：
(1)计算机产生一种特殊的数字全息图；该数字全息图能够产生以下形式的叠加态光场：
Figure BDA0002356605580000011
表示第k张全息图产生的光场是由N个子光源构成的径向阵列在M个相干叠加场中形成，此处取N＝5；δp表示随机相位，范围为0～2π；
Figure BDA0002356605580000021
表示第j个子光源的光场，
Figure BDA0002356605580000022
为该子光源光场的初相位，
Figure BDA0002356605580000023
αj为子光源的方位角，0≤L0<N；
Figure BDA0002356605580000024
表示第j个子光源光场的振幅，(aj,bj)为子光源在径向阵列中的位置，
Figure BDA0002356605580000025
表示扰动中心的位置；所述扰动中心在半径为c0的圆内均匀地随机分布；在用于制备全息图的程序中修改上述参数L0和c0，制备不同的全息图组，并将每组全息图分别加载至空间光调制器上并以一定的频率进行动态播放，从而可以调制激光束产生具有一定特性的关联涡旋光束，以实现光漏开光的作用；
(2)将计算机与空间光调制器连接；将全息图序列加载至所述空间光调制器，并以动态帧的形式在液晶屏重复播放；
(3)打开激光器产生波长稳定的线偏振光，调整所述激光器出射光的偏振面使其与空间光调制器匹配；将所述激光器的出射光束射入扩束器上进行扩束；
(4)将所述扩束后的光束射入所述空间光调制器的液晶屏，调节所述空间光调制器液晶屏的角度，使经过调制的光束经液晶屏反射竖直向上；使用小孔光阑选取一级衍射光，并将此一级衍射光照射进入10x的物镜中聚焦产生光阱；所述竖直向上方向为重力场反方向；
(5)将微粒放入光阱中，微粒受到来自光束竖直向上的力和自身重力，其状态由经过所述空间光调制器调制产生的关联涡旋光束的相位和相干度决定，相位和相干度可分别通过参数L0和c0调节；
(6)处在关联涡旋光束中心位置处的微粒不会受到相位的影响而改变运动状态；只有当微粒的初始位置不在光束中心位置时，微粒才会受光的导引而旋转；当L0＝1，2时，所产生的关联涡旋导引微粒顺时针旋转，且状态L0＝2比状态L0＝1转速更快；当L0＝3，4时，所产生的关联涡旋导引微粒逆时针旋转，且状态L0＝4比状态L0＝3转速更快；非中心位置的微粒感受到的光力在水平方向不对称，这使得微粒向光束中心移动，从而形成微粒光漏斗；
(7)当c0增大时，所述关联涡旋光束的相干度降低，中心光强增大，处于中心位置的微粒在光场作用下向上移动；当c0减小时，所述关联涡旋光束的相干度增大，中心光强减弱，处于中心位置的微粒在重力作用下向下移动；当L0＝0和5时，由五个子光源构成的径向阵列不能形成涡旋光，微粒光漏斗消失。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置。本发明提出的装置可以通过关联涡旋控制微粒转动和上下移动。
2.本发明所采用的装置光路简单，光学器件少。
3.本发明采用全数字的方法产生关联涡旋光束，光源关联结构可调，且被调控模式间不会发生相互干扰。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详尽说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，它是本实施例提供的一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关装置的结构示意图：它包括激光器1；扩束器2；空间光调制器3；计算机4；小孔光阑5；10x物镜6。
本实施例中，所述用于产生关联涡旋阵列的光场：
Figure BDA0002356605580000031
表示第k张全息图产生的光场是由N个子光源构成的径向阵列在M个相干叠加场中形成，此处取N＝5；δp表示随机相位，范围为0～2π；
Figure BDA0002356605580000032
表示第j个子光源的光场，
Figure BDA0002356605580000033
为该子光源光场的初相位，
Figure BDA0002356605580000034
αj为子光源的方位角，0≤L0<N；
Figure BDA0002356605580000035
表示第j个子光源光场的振幅，(aj,bj)为子光源在径向阵列中的位置，
Figure BDA0002356605580000036
表示扰动中心的位置；所述扰动中心在半径为c0的圆内均匀地随机分布；在用于制备全息图的程序中修改上述参数L0和c0，制备不同的全息图组，并将每组全息图分别加载至空间光调制器3上并以一定的频率进行动态播放，从而可以调制激光束产生具有一定特性的关联涡旋光束，以实现光漏开光的作用；将计算机4与空间光调制器3连接；将全息图序列加载至所述空间光调制器3，并以动态帧的形式在液晶屏重复播放；打开激光器1产生波长稳定的线偏振光，调整所述激光器1出射光的偏振面使其与空间光调制器3匹配；将所述激光器1的出射光束射入扩束器2上进行扩束；将所述扩束后的光束射入所述空间光调制器3的液晶屏，调节所述空间光调制器3液晶屏的角度，使经过调制的光束经液晶屏反射竖直向上；使用小孔光阑5选取一级衍射光，并将此一级衍射光照射进入10x物镜6中聚焦产生光阱；所述竖直向上方向为重力场反方向；将微粒放入光阱中，微粒受到来自光束竖直向上的力和自身重力，其状态由经过所述空间光调制器3调制产生的关联涡旋光束的相位和相干度决定，相位和相干度可分别通过参数L0和c0调节；
本实施例中，处在关联涡旋光束中心位置处的微粒不会受到相位的影响而改变运动状态；只有当微粒的初始位置不在光束中心位置时，微粒才会受光的导引而旋转；当L0＝1，2时，所产生的关联涡旋导引微粒顺时针旋转，且状态L0＝2比状态L0＝1转速更快；当L0＝3，4时，所产生的关联涡旋导引微粒逆时针旋转，且状态L0＝4比状态L0＝3转速更快；非中心位置的微粒感受到的光力在水平方向不对称，这使得微粒向光束中心移动，从而形成微粒光漏斗；当c0增大时，所述关联涡旋光束的相干度降低，中心光强增大，处于中心位置的微粒在光场作用下向上移动；当c0减小时，所述关联涡旋光束的相干度增大，中心光强减弱，处于中心位置的微粒在重力作用下向下移动；当L0＝0和5时，由五个子光源构成的径向阵列不能形成涡旋光，微粒光漏斗消失。

Claims (3)

1.一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关装置由激光器(1)，扩束器(2)，空间光调制器(3)，计算机(4)，小孔光阑(5)，10x物镜(6)组成；其特征在于：
(A)表示第k张全息图产生的光场是由N个子光源构成的径向阵列在M个相干叠加场中形成
Figure FDA0002356605570000011
此处取N＝5；δp表示随机相位，范围为0～2π；
Figure FDA0002356605570000012
表示第j个子光源的光场，
Figure FDA0002356605570000013
为该子光源光场的初相位，
Figure FDA0002356605570000014
αj为子光源的方位角，0≤L0<N；
Figure FDA0002356605570000015
表示第j个子光源光场的振幅，(aj,bj)为子光源在径向阵列中的位置，
Figure FDA0002356605570000016
表示扰动中心的位置；所述扰动中心在半径为c0的圆内均匀地随机分布；在用于制备全息图的程序中修改上述参数L0和c0，制备不同的全息图组，并将每组全息图分别加载至空间光调制器(3)上并以一定的频率进行动态播放，从而可以调制激光束产生具有一定特性的关联涡旋光束，以实现光漏开光的作用；
(B)将计算机(4)与空间光调制器(3)连接；将全息图序列加载至所述空间光调制器(3)，并以动态帧的形式在液晶屏重复播放；打开激光器(1)产生波长稳定的线偏振光，调整所述激光器(1)出射光的偏振面使其与空间光调制器(3)匹配；将所述激光器(1)的出射光束射入扩束器(2)上进行扩束；将所述扩束后的光束射入所述空间光调制器(3)的液晶屏，调节所述空间光调制器(3)液晶屏的角度，使经过调制的光束经液晶屏反射竖直向上；
(C)使用小孔光阑(5)选取一级衍射光，并将此一级衍射光照射进入10x物镜(6)中聚焦产生光阱；所述竖直向上方向为重力场反方向；将微粒放入光阱中，微粒受到来自光束竖直向上的力和自身重力，其状态由经过所述空间光调制器(3)调制产生的关联涡旋光束的相位和相干度决定，相位和相干度可分别通过参数L0和c0调节；
(D)处在关联涡旋光束中心位置处的微粒不会受到相位的影响而改变运动状态；只有当微粒的初始位置不在光束中心位置时，微粒才会受光的导引而旋转；当L0＝1，2时，所产生的关联涡旋导引微粒顺时针旋转，且状态L0＝2比状态L0＝1转速更快；当L0＝3，4时，所产生的关联涡旋导引微粒逆时针旋转，且状态L0＝4比状态L0＝3转速更快；非中心位置的微粒感受到的光力在水平方向不对称，这使得微粒向光束中心移动，从而形成微粒光漏斗；当c0增大时，所述关联涡旋光束的相干度降低，中心光强增大，处于中心位置的微粒在光场作用下向上移动；当c0减小时，所述关联涡旋光束的相干度增大，中心光强减弱，处于中心位置的微粒在重力作用下向下移动；当L0＝0和5 时，由五个子光源构成的径向阵列不能形成涡旋光，微粒光漏斗消失。
2.根据权利要求1所述的一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置，其特征在于：所述计算机(4)反复产生的各张全息图的随机相位彼此无关。
3.根据权利要求1所述的一种利用关联涡旋阵列实现微粒光漏开关的装置，其特征在于：所述10x物镜(6)要放在远场才能形成涡旋光束，距离大约为10倍的瑞利距离。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112816962A (zh) * 2021-04-19 2021-05-18 上海思岚科技有限公司 一种激光雷达同轴光学核心装置
CN114578576A (zh) * 2022-05-05 2022-06-03 华南师范大学 一种旋角、旋速和聚焦可控的光学扳手的制备方法及系统
CN114815282A (zh) * 2022-05-25 2022-07-29 中国计量大学 一种角向径向关联光源实现超分辨的装置

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