CN111158156B - 环形艾里涡旋光束产生方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种环形艾里涡旋光束产生方法及系统。所述方法包括：激光器生成高斯光束；空间光调制器对所述高斯光束进行相位调制，所述空间光调制器的相位调制图案是由模拟得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉产生的；傅里叶变换透镜对相位调制后的高斯光束进行傅里叶变换，得到环形艾里涡旋光束。上述环形艾里涡旋光束产生方法及系统，通过在空间光调制器上产生相位调制图案，使用相位调制图案对高斯光束进行相位调制，从而得到环形艾里涡旋光束。环形艾里涡旋光束带有光学涡旋轨道角动量，可以将光子携带的动能传递给微粒，从而实现旋转操纵微粒的功能，而且，该光场分布形式能应用于捕获微粒的折射率小于周围介质的情况。

Description

环形艾里涡旋光束产生方法及系统

技术领域

本申请涉及光学技术及光场调控领域，特别是涉及一种环形艾里涡旋光束 产生方法及系统。

背景技术

近年来，艾里光束引起研究人员广泛关注。它打破了人们对光在平直时空 中沿直线传播的固有认识，即该光束能在无外场的情况下在自由空间沿弯曲轨 迹传输。艾里光束是最早发现的自加速光束，具有无衍射、自愈、自加速(自弯 曲)等奇异特性，使得其在众多领域有着独特的应用价值和前景，如微粒操纵、 时空光子弹、自会聚光束、弯曲等离子体、超分辨成像等领域。譬如在军事领 域，可形成无衍射无损耗的光子弹沿弯曲轨迹打击掩体后面的目标；在生物医 学领域，可以形成光束“镊子”绕过障碍物将细胞体或药物粒子等输送到指定 区域。因此，操纵光波按预定的轨迹传输具有极大的应用价值，是科学家一直 的追求梦想。

光镊是采用以芯片为基础的光子共振捕获技术的光阱，能对纳米至微米级 的粒子进行操纵和捕获，然而，目前的艾里光束在应用于光镊时，并不适用于 捕获粒子的折射率小于周围介质的情况，而且也无法实现旋转操纵微粒的功能。

发明内容

基于此，有必要针对目前的艾里光束在应用于光镊时，并不适用于捕获粒 子的折射率小于周围介质的情况，而且也无法实现旋转操纵微粒的功能的问题， 提供一种环形艾里涡旋光束产生方法及系统。

一种环形艾里涡旋光束产生方法，所述方法包括：

激光器生成高斯光束；

空间光调制器对所述高斯光束进行相位调制，所述空间光调制器的相位调 制图案是由模拟得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉产生的；

傅里叶变换透镜对相位调制后的高斯光束进行傅里叶变换，得到环形艾里 涡旋光束。

在其中一个实施例中，所述环形艾里涡旋光束的涡旋对阵列中每个涡旋对 的旋向一致时，会在焦平面上产生空心的聚焦光环。

在其中一个实施例中，所述环形艾里涡旋光束的涡旋对阵列中每个涡旋对 的旋向相反时，会在焦平面上产生实心的聚焦光斑点。

在其中一个实施例中，所述环形艾里涡旋光束是由多个艾里光束按环形阵 列均匀排列形成的。

在其中一个实施例中，所述环形艾里涡旋光束通过增加涡旋对阵列的数目， 可以提高在焦平面的光强和自聚焦能力。

在其中一个实施例中，所述环形艾里涡旋光束通过增加艾里光束的环形阵 列的数目，可以提高在焦平面的自聚焦能力。

一种环形艾里涡旋光束产生系统，所述系统包括：

激光器，用于生成高斯光束；

空间光调制器，用于对所述高斯光束进行相位调制，所述空间光调制器的 相位调制图案是由模拟得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉产生的；

傅里叶变换透镜，用于对相位调制后的高斯光束进行傅里叶变换，得到环 形艾里涡旋光束。

在其中一个实施例中，所述环形艾里涡旋光束产生系统还包括准直扩束镜， 所述准直扩束镜位于所述激光器和空间光调制器之间，用于对高斯光束进行准 直和扩束。

在其中一个实施例中，所述环形艾里涡旋光束产生系统还包括分光棱镜， 所述准直扩束镜位于所述准直扩束镜和空间光调制器之间，用于将准直扩束后 的高斯光束反射至空间光调制器。

在其中一个实施例中，所述环形艾里涡旋光束产生系统还包括图像传感器， 所述图像传感器位于所述傅里叶变换透镜之后，用于接收环形艾里涡旋光束并 进行显示观察。

上述环形艾里涡旋光束产生方法及系统，通过在空间光调制器上产生由模 拟得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉得到的相位调制图案，使用相位 调制图案对高斯光束进行相位调制，从而得到环形艾里涡旋光束。环形艾里涡 旋光束带有光学涡旋轨道角动量，可以将光子携带的动能传递给微粒，从而实 现旋转操纵微粒的功能，而且，该光场分布形式能应用于捕获微粒的折射率小 于周围介质的情况。

附图说明

图1为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法中环形艾里光束阵列 数n＝100，单个涡旋且拓扑荷数l＝1时加载在轴上的环形艾里涡旋光束的相位图 案；

图3为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法中环形艾里光束阵列 数n＝100，涡旋阵列的个数m＝2，拓扑荷数l＝1时同向离轴涡旋对阵列的相位图 案；

图4为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法中环形艾里光束阵列 数n＝100，涡旋阵列的个数m＝4，拓扑荷数l＝1时同向离轴涡旋对阵列的相位图 案；

图5为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法中环形艾里光束阵列 数n＝100，单个涡旋且拓扑荷数l＝1时加载在轴上的环形艾里涡旋光束在归一化 距离为0,150,208处的光场分布；

图6为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生系统的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅 用以解释本申请，并不用于限定本申请。

提高激光的光强一直是科研工作者研究的重要课题，在实际中具有重要的 应用价值。目前提高激光光强的方法主要是单光束聚焦和多光束合成。单光束 聚焦主要是通过凸透镜汇聚实现，一般情况下透镜焦距不可改，因此缺乏灵活 性。多光束是通过多个实际光束合成然后汇聚于焦点提高光强。除此之外，还 可以利用非线性材料的方法实现将光束自动聚焦，但现实中这样的材料制备相 当困难实现。

然而，最近，美国中弗罗里达大学Siviloglou等人在Berry的工作基础 上进行创新性的研究，在实验上第一次实现了具有限能量的自加速(自弯曲)、 无衍射、自愈奇异特性的艾里光束。在过去短短的几年时间里,艾里光束的奇 异特性使得它具有广泛的应用价值，先后被应用到了光子弹、光学微粒操控、 等离子体通道的产生、电子加速、艾里激光器等众多研究领域。2010年， Efremidis等人利用艾里光束奇异的自加速特性发展了一种自动聚焦的光束，该 光束能不依赖任何外界辅助元件自动聚焦，与初始光场相比，在焦点处光强突 然提高几个数量级。而且在到达焦点前一直保持很低的功率。这个特点在生物 和医学领域具有特殊的应用价值。此外，这些独特的光学特性和新颖的光学特 性，也广泛应用于光镊，如原子捕获，粒子操控等领域。

请参阅图1，图1为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法的流程示 意图。

步骤100，激光器生成高斯光束。

在本实施例中，所述激光器200为氦氖激光器200，可见光波长为632.8nm。 在其它实施例中，所述激光器200可以为其它类型的激光器200或激光产生装 置。

步骤110，准直扩束镜对高斯光束进行准直和扩束。

在本实施例中，所述准直扩束镜210接收所述激光器200发射的高斯光束 并对高斯光束进行准直和扩束，使光束充满整个通光孔径。具体地，所述准直 扩束镜210的焦距为300mm，通光口径为50mm。在其它实施例中，所述准直扩 束镜210可以为其它型号的准直扩束镜210，焦距和通光口径可以根据具体情况 进行调整。

步骤120，分光棱镜将准直扩束后的高斯光束反射至空间光调制器。

在本实施例中，所述分光棱镜220将准直扩束后的高斯光束将高斯光束进 行分束，并反射至空间光调制器230。具体地，所述分光棱镜220的尺寸为 25mm*25mm。在其它实施例中，可以选用其它尺寸的分光棱镜220或分光器。

步骤130，空间光调制器对所述高斯光束进行相位调制，所述空间光调制器 的相位调制图案是由模拟得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉产生的。

具体地，理论上，所述环形艾里涡旋光束可以表示为：

φ_CAAB(s_x,s_y,0)代表环形阵列的艾里光束(未加涡旋)。s_x和s_y分别代表无量纲的横纵坐标，(S_xt,S_yt)是代表涡旋在s_x-s_y直角坐标系下的位置。m为涡旋阵列的个 数，其必须为偶整数(即：当m＝2表示1个涡旋对)。这里

l代表光学涡 旋拓扑荷数。sign(·)代表数学上的符号函数，它定义了涡旋的旋向。n为环形艾 里光束阵列的个数，c是一个与振幅相关的常数，a是有限能量艾里光束的衰减 常数。w₀是一个比例因子。其中cAi(X_j/w₀)exp(aX_j/w₀)代表第j个一维有限艾里光束， cAi(Y_j/w₀)exp(aY_j/w₀)代表由cAi(X_j/w₀)exp(aX_j/w₀)旋转π/2而得到的另外一个第j个一维 艾里光束。因此，

代表一个二维有限能量的艾里 光束。这里，X_j可以表示s_x和s_y为的函数，即

同 理Y_j也有相似的规律。这里d表示艾里主瓣中心离开光束中心的距离，且有

可以理解的，在计算机250中通过上述公式模拟得到上述环形艾里涡旋光 束，并与平面波进行干涉产生全息相位调制图案，并将该全息相位调制图案加 载在空间光调制器230上，即可对高斯光束进行调制。

具体地，所述空间光调制器230为反射式空间光调制器230，像素大小为 8um，分辨率为1920*1080，工作波段为400-700nm。在其它实施例中，所述空 间光调制器230可以采用其它类型的空间光调制器230，只需起到调制所述高斯 光束的效果即可。

请参阅图2，图2为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法中环形艾 里光束阵列数n＝100，单个涡旋l＝1时加载在轴上的环形艾里涡旋光束的相位图 案。

请参阅图3，图3为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法中环形艾 里光束阵列数n＝100，涡旋阵列的个数m＝2，拓扑荷数l＝1时同向离轴涡旋对阵 列的相位图案。

请参阅图4，图4为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法中环形艾 里光束阵列数n＝100，涡旋阵列的个数m＝4，拓扑荷数l＝1时同向离轴涡旋对阵 列的相位图案。

步骤140，傅里叶变换透镜对相位调制后的高斯光束进行傅里叶变换，得到 环形艾里涡旋光束。

在本实施例中，所述傅里叶变换透镜240对相位调制后的高斯光束进行傅 里叶变换，在其后焦面上产生环形艾里涡旋光束。具体地，所述傅里叶变换透 镜240焦距为300mm。在其它实施例中，可以根据实际情况采用其它类型或其它 焦距大小的透镜。

请参阅图5，图5为本发明一实施例的环形艾里涡旋光束产生方法中环形艾 里光束阵列n＝100，光学涡旋拓扑荷数l＝1时产生的环形艾里涡旋光束在归一化 距离为0,150,208处的光场分布。图5中(a)图为环形艾里光束阵列数n＝100， 单个涡旋且拓扑荷数l＝1时加载在轴上的环形艾里涡旋光束在归一化距离为0 处的光场分布。图5中(b)图为环形艾里光束阵列n＝100，光学涡旋拓扑荷数l＝1 时产生的环形艾里涡旋光束在归一化距离为150处的光场分布。图5中(c)图 为环形艾里光束阵列n＝100，光学涡旋拓扑荷数l＝1时产生的环形艾里涡旋光束 在归一化距离为208处的光场分布。

步骤150，图像传感器接收环形艾里涡旋光束并进行显示观察。

在本实施例中，所述图像传感器260，用于接收环形艾里涡旋光束并通过计 算机250进行显示观察。在本实施例中，所述图像传感器260为CCD(电荷藕合 器件图像传感器260)，所述CCD分辨率为1920*1080。在其它实施例中，所述 图像传感器260不限于CCD，可以为CMOS(互补金属氧化物半导体)，只要能够 达到接收环形艾里涡旋光束的效果即可。

示例性地，通过上述方法产生的环形艾里涡旋光束是通过多个艾里光束按 环形分布，叠加而产生环形艾里光束，同时在该光束基础上引入涡旋对阵列产 生的。同时，艾里光束具有自加速特性，环形阵列分布的艾里光束在传播过程 中精确自动汇聚到光轴上的同一焦点处，其焦点处能量将突然提高，因此该光 束具有自聚焦特性。可以理解的是，通过增加环形艾里光束阵列数目n，可以明 显增强该光束的自聚焦特性。在其它实施例中，通过改变环形艾里光束阵列的 半径，可以控制自聚焦焦点的位置，适应性更强。

示例性地，通过改变涡旋对的旋向特性，可以改变自聚焦光场处的光强分 布特点，既可以在自聚焦处形成高强度度的实心聚焦光斑点，也可以形成空心 聚焦光环。当所述环形艾里涡旋光束的涡旋对阵列中每个涡旋对的旋向一致时， 会在焦平面上产生空心的聚焦光环；当所述环形艾里涡旋光束的涡旋对阵列中 每个涡旋对的旋向相反时，会在焦平面上产生实心的聚焦光斑点。可以理解的 是，通过引入涡旋阵列，焦平面处的光强大大提高。具体地，通过改变相位调 制图案的公式中拓扑荷的正负符号，可以调节所述环形艾里涡旋光束的涡旋对 阵列中每个涡旋对的旋向特性。

示例性地，上述环形艾里涡旋光束产生方法，先通过激光器200生成高斯 光束，并将高斯光束发射到准直扩束镜210，经过准直扩束镜210的准直和扩束 发射到分光棱镜220上，分光棱镜220将准直扩束后的高斯光束将高斯光束进 行分束，并反射至空间光调制器230，所述空间光调制器230上通过计算机250 加载有相位调制图案，对高斯光束进行相位调制，所述相位调制图案是由模拟 得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉产生的，傅里叶变换透镜240对相 位调制后的高斯光束进行傅里叶变换，得到环形艾里涡旋光束，图像传感器260 接收所述环形艾里涡旋光束并通过计算机250进行显示观察。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示， 但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的 说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执 行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些 子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行， 这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或 者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图6所示，提供了一种环形艾里涡旋光束产生系统， 包括：激光器200、准直扩束镜210、分光棱镜220、空间光调制器230、傅里 叶变换透镜240、图像传感器260和计算机250，所述激光器200用于发射高斯 光，所述准直扩束镜210位于所述激光器200和所述分光棱镜220之间，用于 接收所述高斯光束并进行高斯光束准直扩束。所述分光棱镜220位于所述激光 器200和所述空间光调制器230之间，用于将所述高斯光束传输至空间光调制 器230，并改变经所述空间光调制器230反射后光束的传输光路，进而实现显示观察。所述空间光调制器230、图像传感器260分别与所述计算机250连接。所 述计算机250用于实现对所述空间光调制器230相位调制图的加载，及对所述 图像传感器260数据的接收显示，所述空间光调制器230位于高斯光束的传输 光路上，所述空间光调制器230加载有预定的相位调制图，依据所述相位调制 图对所述高斯光束进行调制，傅里叶变换透镜240用于对相位调制后的高斯光 束进行傅里叶变换，得到环形艾里涡旋光束。

具体地，所述空间光调制器230为反射式空间光调制器230，所述反射式空 间光调制器230用于将经所述空间光调制器230进行相位调制后的高斯光束反 射。所述激光器200发射高斯光束，经准直扩束镜210准直扩束后传输至所述 分光棱镜220上，经准直扩束后的高斯光束经所述分光棱镜220透射传输至所 述反射式空间光调制器230上，所述反射式空间光调制器230事先由所述计算 机250加载了相位调制图案，进而所述反射式空间光调制器230对所述透射的 高斯光束进行相位调制，再通过傅里叶变换透镜240进行傅里叶变换，进而得 到环形艾里涡旋光束，所述环形艾里涡旋光束经所述反射式空间光调制器230 反射，传输至所述分光棱镜220上，由所述分光棱镜220反射传输至所述图像 传感器260，所述图像传感器260将接收到的环形艾里涡旋光束传输至所述计算 机250，所述计算机250显示图像。

关于环形艾里涡旋光束产生系统的具体限定可以参见上文中对于环形艾里 涡旋光束产生方法的限定，在此不再赘述。上述环形艾里涡旋光束产生系统中 的各个器件可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬 件形式内嵌于或独立于计算机250设备中的处理器中，也可以以软件形式存储 于计算机250设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的 操作。

上述环形艾里涡旋光束产生方法及系统，通过在空间光调制器230上产生 由模拟得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉得到的相位调制图案，使用 相位调制图案对高斯光束进行相位调制，从而得到环形艾里涡旋光束。环形艾 里涡旋光束带有光学涡旋轨道角动量，可以将光子携带的动能传递给微粒，从 而实现旋转操纵微粒的功能，而且，该光场分布形式能应用于捕获微粒的折射 率小于周围介质的情况。同时，艾里光束具有自加速特性，环形阵列分布的艾 里光束在传播过程中精确自动汇聚到光轴上的同一焦点处，其焦点处能量将突 然提高，因此该光束具有自聚焦特性。另外，通过增加环形艾里光束阵列数目n， 可以明显增强该光束的自聚焦特性。在其它实施例中，通过改变环形艾里光束 阵列的半径，可以控制自聚焦焦点的位置，适应性更强。同时，通过改变涡旋 对阵列中每个涡旋对的旋向特性，可以改变自聚焦光场处的光强分布特点，既 可以在自聚焦处形成高强度度的实心聚焦光斑点，也可以形成空心聚焦光环， 可以更自由灵活地操控微粒。可以理解的是，通过引入涡旋阵列，焦平面处的 光强大大提高。因此，该方法产生的光束能明显提升自聚焦光场的应用价值， 大大拓展其在生物医疗，激光加工，粒子捕获，拉曼光谱成像等领域的应用潜 力。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述 实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特 征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权 利要求为准。

Claims (8)

1.一种环形艾里涡旋光束产生方法，其特征在于，所述方法包括：

激光器生成高斯光束；

空间光调制器对所述高斯光束进行相位调制，所述空间光调制器的相位调制图案是由模拟得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉产生的；

傅里叶变换透镜对相位调制后的高斯光束进行傅里叶变换，得到目标环形艾里涡旋光束；其中，所述目标环形艾里涡旋光束是由多个艾里光束按环形阵列均匀排列形成的；所述目标环形艾里涡旋光束的涡旋对阵列中每个涡旋对的旋向一致时，会在焦平面上产生空心的聚焦光环。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标环形艾里涡旋光束的涡旋对阵列中每个涡旋对的旋向相反时，会在焦平面上产生实心的聚焦光斑点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标环形艾里涡旋光束通过增加涡旋对阵列的数目，可以提高在焦平面的光强和自聚焦能力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标环形艾里涡旋光束通过增加艾里光束的环形阵列的数目，可以提高在焦平面的自聚焦能力。

5.一种环形艾里涡旋光束产生系统，其特征在于，所述系统包括：

激光器，用于生成高斯光束；

空间光调制器，用于对所述高斯光束进行相位调制，所述空间光调制器的相位调制图案是由模拟得到的环形艾里涡旋光束与平面波进行干涉产生的；

傅里叶变换透镜，用于对相位调制后的高斯光束进行傅里叶变换，得到目标环形艾里涡旋光束；其中，所述目标环形艾里涡旋光束是由多个艾里光束按环形阵列均匀排列形成的；所述目标环形艾里涡旋光束的涡旋对阵列中每个涡旋对的旋向一致时，会在焦平面上产生空心的聚焦光环。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述环形艾里涡旋光束产生系统还包括准直扩束镜，所述准直扩束镜位于所述激光器和空间光调制器之间，用于对高斯光束进行准直和扩束。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述环形艾里涡旋光束产生系统还包括分光棱镜，所述分光棱镜位于所述准直扩束镜和空间光调制器之间，用于将准直扩束后的高斯光束反射至空间光调制器。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述环形艾里涡旋光束产生系统还包括图像传感器，所述图像传感器位于所述傅里叶变换透镜之后，用于接收目标环形艾里涡旋光束并进行显示观察。

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