CN113272918A

CN113272918A - 用于使用投射光控制粒子的系统和方法

Info

Publication number: CN113272918A
Application number: CN202080007894.0A
Authority: CN
Inventors: M·萨夫曼
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2021-08-17
Also published as: AU2020204705A1; US20220076857A1; EP3906568A4; JP2022517319A; WO2020142718A1; US12020828B2; US10559392B1; KR20210108473A; CA3123899A1; EP3906568A1

Abstract

提供了一种用于通过使用投射的光控制粒子的系统和方法。在一些方面，所述方法包括使用光源生成光束；将所述光束引导到包括第一掩模、第一透镜、第二掩模和第二透镜的光束滤波器。所述方法还包括使用所述光束滤波器形成光学图案；以及将所述光学图案投射到多个粒子上以控制所述多个粒子在空间中的位置。

Description

用于使用投射光控制粒子的系统和方法

关于联邦资助研究的说明

本发明在陆军/美国陆军研究实验室(ARMY/ARL)颁发的W911NF-15-2-0061和国家科学基金会颁发的1720220的政府资助下完成。政府具有本发明中的某些权利。

背景技术

本公开的领域涉及用于控制粒子的系统和方法。更具体地，本公开涉及用于使用投射光捕获粒子的系统和方法。

使用光学技术约束和操纵粒子的能力为若干科学进步铺平了道路。例如，已经使用所捕获的粒子创造无缺陷人造晶体，并且无缺陷人造晶体用于研究管控相互作用和材料性质的各种基本原理。中性原子由于其明确的量子结构和电荷中性而受到特别的关注。电荷中性将原子与电荷相关的微扰(perturbation)隔离开，并且有助于将量子信息保留更长时间。另外，中性原子可以单独控制，并且可以扩展到大系统。

通过所施加的光的电磁场和原子中所引起的振荡电偶极矩之间的相干相互作用捕获原子。具体地，电磁场会引起生成有效势的内部原子能移(energy shift)，从而产生约束力。为了捕获原子，光的频率通常相对于原子共振频率发生移位或失谐。特别地，当光的频率低于原子跃迁频率或“红失谐”时，所引起的原子电偶极矩同相，并且原子被吸引到光的强度极大值。吸引强度取决于失谐的量级。相比之下，当频率为“蓝失谐”时，所引起的极矩异相，原子被从极大值排斥。另外，可以通过控制所施加的光的强度或功率来修改吸引/排斥的强度。

光学技术也已经被广泛应用于捕获用于量子计算和原子钟应用的原子阵列。阵列已经制备成一维、二维或三维配置或光学晶格。亮的、红失谐的阵列将原子定位在局部极大值处，而暗的、蓝失谐的阵列将原子定位在局部极小值处。通常，暗的阵列需要更复杂的光学系统，但有重要的优点，即通过将原子定位在强度低的位置处，可以由较少的微扰。这对于延长原子量子位的相干时间以及将光学钟中对原子的干扰最小化具有重要意义。

光学晶格(optical lattice)通常是由来自不同光源的光的干涉形成的。例如，可以使用通过将两个反向传播的激光束叠加所生成的驻波来创建1D晶格。更高维光学晶格需要附加的光源。例如，通过使用三对反向传播的光源所形成的三个正交驻波的重叠，可以产生3D简单立方晶格结构。然而，由反向传播光束的干涉所生成的晶格中的原子位置对光程长度非常敏感。轻微的漂移会引起光束间的微分相移，并且显著影响原子位置。虽然相移原则上可以通过使用主动稳定来补偿，但此类技术通常应用于单个原子。这是因为对多个原子执行主动稳定所需的系统复杂性增加。

干涉条纹的位置对干涉光束的相对相位敏感，并且因此对光程长度敏感。此类敏感度可以通过投射不要求干涉稳定性的强度图案来消除。然而，由于泰伯效应(Talboteffect)，投射的光形成多于一个平面的光阱，这是由于相位相干光在自由空间中重复的周期性性质引起的。这可能导致在多个空间平面中的不想要的原子捕获。在试图抑制该效应时，一些先前的技术已经针对每一个光阱利用不同频率的光，或者利用空间光调制器来将随机相位赋予每一个光阱。然而，此类方法需要若干部件(例如，声光偏转器、空间光调制器、衍射、偏振敏感光学部件等)，这些部件增加了显著的系统复杂性和成本。

鉴于上述情况，需要用于粒子约束的系统和方法，这些系统和方法易于实现和避免不期望的效应，诸如由于光学相位波动、串扰和泰伯效应所引起的位置漂移。

发明内容

本公开通过提供一种用于使用投射的光控制粒子的系统和方法，克服了先前技术的缺点。

在本公开的一个方面，提供了一种用于通过使用投射的光控制粒子的系统。该系统包括：粒子系统，该粒子系统被配置为提供多个粒子；以及光源，该光源被配置为生成具有从该多个粒子的原子共振移位的频率的光束。该系统还包括光束滤波器，该光束滤波器被定位于该粒子系统和该多个粒子之间，并且包括第一掩模、第一透镜、第二掩模和第二透镜，其中该光源、该光束滤波器和该粒子系统被布置为使得来自该光源的该光束穿过该光束滤波器，并且被投射到该多个粒子上以形成光学图案，该光学图案控制该粒子在空间中的位置。

在本公开的另一个方面，提供了一种用于通过使用投射的光控制粒子的方法。在一些方面，该方法包括：使用光源生成光束；将该光束引导到包括第一掩模、第一透镜、第二掩模和第二透镜的光束滤波器。该方法还包括使用该光束滤波器形成光学图案；以及将该光学图案投射到多个粒子上以控制该多个粒子在空间中的位置。

本发明的前述以及其他方面和优点将从以下描述而显现。在该说明书中，参考形成其一部分的附图，附图中作为图解示出本发明的优选实施例的附图。然而，这样的实施例不必要表示本发明的全部范围，并因参考权利要求和本文以用于解释本发明的范围。

附图说明

图1是根据本公开的方面的系统的示意图。

图2A是根据本公开的方面的光束滤波器的一个实施例的示意图。

图2B是根据本公开的方面的光束滤波器的一个实施例的示意图。

图3A是根据本公开的方面的示例掩模的立体视图。

图3B是根据本公开的方面的另一个示例掩模的立体视图。

图4A是根据本公开的方面的示例光束滤波器的图示。

图4B是根据本公开的方面的另一个示例光束滤波器的图示。

图4C是在图4B所示的光束滤波器中使用的示例掩模的图示。

图5是根据本发明的方面的将从圆形孔的均匀照明中获取的高斯(Gaussian)光束(I_G)与艾利高斯(Airy-Gauss)光束(I₂)的强度轮廓进行比较的图。

图6是将根据由高斯光束(I_G)、艾利高斯光束(I_AG)、暗艾利高斯光束(|1-E_AG|²)和暗高斯光束(|1-E_G|²)的菲涅耳衍射所计算的轴向坐标z的轴上强度进行比较的图。

图7是根据本公开的方面的又一个示例光束滤波器的图示。

图8是根据本公开阐述处理的步骤的流程图。

具体实施方式

常规的粒子捕获技术通常依赖于相互相干光束之间的干涉。这些方法有若干缺点，包括对光束失准、源相位漂移和相位噪声的敏感度。相比之下，发明人发现投射的光场可以用于捕获粒子。如美国专利9,355,750(其通过引用整体并入本文)中所详述的，投射的光场可以用于克服常规技术的缺点，并提供若干优点。例如，使用投射的光场创建的粒子阱是可缩放的，可以提供更深的阱深，并且不会响应于源相位漂移或噪声而改变位置或深度。另外，每一个捕获点所需的能量较少，因此允许在给定能量下有更多的点。

在认识到实际考虑因素(诸如易于实现和成本)时，本公开引入了一种使用光场来捕获粒子的新颖的方法。特别地，本公开提供了一种简单、低成本的技术方案，该技术方案与先前技术相比通过提高捕获强度和粒子定位来增强性能。另外，该方法还提高了稳健性，并有效地利用了光。

如从下面的描述将理解的，本发明可以用于改进各种技术领域。例如，根据本公开所生成的原子粒子阵列可以是用于量子计算机或量子计算系统的硬件配置的一部分。附加地，使用本文的方法所捕获的原子也可以用作原子钟或原子传感器，以及在量子模拟应用中使用。其他改进的技术领域可以包括光力学和小球应用。例如，所捕获的粒子(例如，微球、纳米球)可以用作测量物理量的探针，或用作用于光频梳的激光源。

现在转到图1，示出了根据本公开的方面的示例系统100的示意图。通常，系统100可以包括光源102、光束滤波器104和粒子系统106。系统100可以任选地包括控制器108，控制器108与光源102、光滤波器104和/或粒子系统106通信并且被配置为控制光源102、光滤波器104和/或粒子系统106。

光源102可以包括用于生成光的各种硬件。特别地，光源102可以被配置为生成具有各种频率、波长、功率级、空间轮廓、时间调制(例如，周期性或非周期性)等的光。在一些方面，光源102可以被配置为使用从至少一个原子共振移位的频率来生成光场。例如，光源102可以被配置为生成蓝失谐或红失谐光，其中失谐量可以取决于要捕获的粒子种类(例如，原子种类)。作为示例，失谐可以在近似10纳米与近似100纳米之间的范围内。

在一个实施例中，光源102包括激光器，该激光器产生具有在近似500nm到近似1500nm之间的范围内的波长的光，尽管其他波长是可能的。在另一个实施例中，光源102包括以多个频率操作的多个激光器，其中激光器之间的频率间隔被配置为实现目标相干性。可以选择频率以实现光学图案的各种光区域之间的完全相干、部分相干或非相干。在一个非限制性示例中，可以利用两个频率，其中波长差可以变化高达近似100纳米，尽管其他值是可能的。以这种方式，形成特定光场的不同部件可以被配置为相互不相干。

位于光源102下游的光束滤波器104被配置为控制由光源102所生成的(多个)光束。特别地，光束滤波器104被配置为使用所生成的光形成光学图案，当光学图案投射到各种粒子(例如，中性原子)上时，将在空间中捕获粒子。具体参考图2A，通常，光束滤波器104可以包括第一掩模202、第一透镜204、第二掩模206和第二透镜208，该光束滤波器104被配置为使得入射光200依次穿过第一掩模202、第一透镜204、第二掩模206和第二透镜208，然后离开光束滤波器104以形成光学图案210。在另一个变型中，如图2B所示，光束滤波器104可以进一步包括位于第一掩模202与第一透镜202之间的第三掩模212，其中第三掩模212可以包括相位扰动掩模。相位扰动掩模可以包括若干个扰动区域，每一个扰动区域将相移传输并赋予到穿过其中的光。在一些实施例中，由不同的相位扰动区域提供的相移是不同的，并且相移跨2π以上的相位扰动掩模随机地分布。为此，不同的相位扰动区域可以包括不同的介电特性或层。

在一些方面中，第一掩模202可以具有各种传输区域(例如，孔)和反射区域，这些传输区域和反射区域被配置为生成包括亮区域和暗区域的光学图案。亮区域和暗区域被配置为由于光学诱导的捕获力而将一个或多个粒子的位置约束在期望的图案中。如本文所使用的，“亮”是指光强度较大值的区域，而“暗”是指光强度极小值的区域。在一些非限制性示例中，光学图案可以分别包括一个或多个亮点(bright spot)或暗点(dark spot)的布置。例如，光学图案可以包括以一维(1D)或二维(2D)阵列布置的亮点或暗点阵列。其他1D和2D布置也可以是可能的。例如，可以产生非直线网格(诸如平行四边形、三角形或六边形网格)以及亮区域和暗区域的配置。另外，在一些实施例中，光学图案可以包括3D配置，该3D配置包括亮区域和/或暗区域的1D或2D阵列，这些亮区域和/或暗区域的1D或2D阵列之间具有各种期望的空间间隔。

在一些实施例中，光束滤波器104的第一掩模202可以使用反射平面300形成，如图3A-图3B所示。反射平面300可以包括涂覆有反射层304的基板302(例如，玻璃或其他透明基板)，该反射层304具有预确定反射率r。如图3A所示，反射层304可以覆盖基板302的一部分以形成光可以传输通过其中的至少一个孔306。以这种方式，当反射平面300暴露于光时，可以形成一个或多个亮点。在一些变型中，孔306也可以延伸穿过基板302。替代地，反射层304可以在基板302上形成反射区域308，以便形成至少一个暗点，如图3B所示。尽管图3A中的孔306和图3B中的反射区域308示出为圆形，它们可以具有各种其他形状(例如，线性、矩形、正方形、椭圆形和其他规则或不规则形状)、数量、维度和空间布置/间隔，这取决于所期望的光学图案。

再次参考图1，粒子系统106可以被配置为提供和控制若干个粒子。具体地，粒子系统106可以包括各种材料、气体和硬件，这些材料、气体和硬件被配置为生成、转移、操纵和大致约束粒子。例如，粒子系统106可以包括真空系统以及在真空系统中生成、转移和约束粒子的能力。在一些非限制性实例中，粒子可以包括任何种类的中性原子，诸如Rb、Cs、Ho、Sr、Tb、Ca等或其组合。然而，本发明的系统和方法不限于碱金属或原子粒子，并且可以应用于适于光学约束的任何粒子或分子。在一些方面，粒子系统106可以被配置有将粒子冷却到任何期望温度的能力，以便于捕获。例如，粒子系统106可以包括用于将粒子冷却到1微开尔文与100微开尔文之间的范围内的温度的激光器，尽管其他值也是可能的。或者，光源102可以用于该目的。附加地，粒子系统106还可以包括各种光学元件，以促进将所生成的光场投射到其中的粒子上。

在一些实施例中，系统100还可以包括用于引导、传输、修改、聚焦、分割、调制和放大所生成的光场的各种其他硬件和光学元件，以实现各种形状、尺寸、轮廓、取向、偏振和强度，以及任何其他期望的光特性。例如，在一个非限制性示例中，系统100可以包括顶帽式光束整形器，该顶帽式光束整形器被配置为将由激光器发射的高斯形光束转换成例如，具有尖锐边缘的均匀强度光束。系统100还可以包括其他光学元件，诸如各种分束器、光束整形器、整形器、衍射元件、折射元件、光栅、反射镜、偏光器、调制器等。这些光学元件可以被定位在光源102和光束滤波器104之间和/或光束滤波器104之后。

另外，系统100可以任选地包括其他能力，包括硬件控制或询问根据本公开配置和布置的粒子的量子状态。此类能力促进了包括量子计算等的应用。这些以及其他任务可以任选地由图1所示的控制器108执行。例如，控制器108可以被配置为触发光源102以生成光。附加地或替代地，控制器108还可以被配置为控制粒子系统106及其各种部件的操作。

在一些实施例中，系统100的光束滤波器104可以被配置为使用傅里叶滤波或“4f”光学布置来生成光学图案。具体参考图4A，光束滤波器104可以包括具有半径为a的圆形孔的第一掩模402、具有焦距f₁的第一透镜404、具有半径为b的圆形孔的第二掩模406和具有焦距f₂的第二透镜408。如图所示，第一掩模402和第二掩模406被定位于第一透镜404的焦距f₁处。另外，第二掩模406被定位于第二透镜408的焦距f₂处。当光束滤波器104被均匀地照明时，输入光400的一部分穿过位于输入平面处的第一孔402，并且第一透镜404在第二掩模406所定位的后焦平面处产生艾利光图案。然后，第二掩模406对艾利光图案进行滤波，并且滤波后的艾利图案由第二透镜408进行傅里叶变换以在输出平面处产生光学图案410。使用标准光衍射理论，输出平面处的场由下式给出：

其中A₀是输入光400的幅度。等式1中贝塞尔函数的有限积分可以使用下式表示为b的幂级数：

这里，₂F₁是超几何函数。在一些方面，第二掩模406的焦距和孔可以选择为f₁＝f₂＝f，并且b＝(f/ak)x₁，其中x₁是3.8317并且是J₁的第一个零点。这种选择对应于将艾利环阻挡在中心瓣外，由于中心瓣中的积分功率是总功率I₀πa²的0.84，因此只导致很小的功率损失，其中I₀为输入强度。在这些选择的情况下，输出场可以表示为ρ₂/a的幂级数。前导项为：

所得的光学图案被称为艾利高斯(AG)光束，因为光束滤波器104对艾利光图案进行滤波，并且强度具有近高斯形式。如图5所示，AG光束是靠近原点的ρ₂的二次函数。将二次项与高斯强度轮廓的二次项匹配，得到

w＝0.974a。因此，为了良好的近似，对均匀地照明的圆形孔进行傅里叶滤波，产生了腰参数略小于孔半径a的高斯分布。尽管AG光束不是纯高斯，如图5的插图所示具有二次波瓣，但波瓣足够微弱以在衍射传播后轮廓仍然接近高斯轮廓。注意，时间反转对称性意味着通过类似的双孔设置传播高斯或近高斯光束，有可能有效地制备均匀或近均匀光束。因此，在一些实现方式中，图4A中所示的光束滤波器104也可以用于制备均匀光束。为此，高斯或近高斯光束可以通过光束滤波器104反向传播(即，依次通过第二透镜408、第二掩模406、第一透镜404和第一掩模402)，并且由此将入射光束转换为具有均匀强度轮廓和尖锐边缘的光束(例如，顶帽式光束)。

上述用于光束整形的傅里叶滤波方法可以很容易地延伸，以创建类高斯光束阵列。具体参考图4B，在一些实施例中，光束滤波器104的第一掩模402可以包括以间距d布置在二维网格上的孔阵列。传输通过第一掩模402的每一个孔的光场具有由等式1给定的形式，并出现在输出平面中的位置-ρ_ij处，其中ρ_ij是第ij孔相对于第一掩模402的轴412的位置。在间距满足关系

的条件下，相邻光束之间的干涉可以忽略不计。在一些方面，输出平面上的亮点阵列可以以任何期望的放大率重新成像，以创建具有d_出＝(df₂/f₁)×M的给定间距的光束阵列，其中M是重新成像光学器件的放大率。

阵列创建的效率可以定义为ε＝I_t/I_d，其中I_t是输出光束的峰值强度，I_d＝P/d²是每d×d晶胞(unit cell)的功率P的输入强度。然后，峰值强度可以被写作为：

所以ε＝1.66，与a的值无关。

在一些应用(诸如量子计算)中，可能期望具有高斯轮廓的暗点阵列，用于在光强度的局部极小值处处捕获粒子。因此，可以通过将宽输入光束或平面波与具有相同振幅和π相位差的亮高斯光束相结合来创建暗点，以从相消干涉中创建场零(field zero)。为此，如图4C所示，图4B中所示的光束滤波器104的第一掩模402可以被具有半径为a的反射斑阵列的经修改的第一掩模402'替换，并且该第一掩模402原本完全透射。在一些实施例中，如参考图3B所描述的，可以使用透明基板和部分或完全反射区域(例如，圆点)的阵列来形成经修改的第一掩模402'。

特别参考图4B，通过经修改的第一掩模402'传输的光场可以被写作：

其中E_d是入射到经修改的第一掩模402'上的平面波的幅度，E_ij是由第ij孔传输的光场，r是每一个点的反射率。可以比单个孔的场宽得多的平面波将完全传输通过经修改的第一掩模402′和光束滤波器104。因此，输出平面处的场将为：

其中E_2，ij是在输出平面中-ρ_ij位置处居中的等式(1)的场。选择r＝1/√1.66＝0.78，将会存在被具有高斯轮廓的强度图案围绕的-ρ_ij处的场中的零点。效率可以通过以下等式给出：

如上文所描述的，该效率略低于针对亮点阵列获取的效率。然而，这两种的效率与常规方法相比都更好。具体地，先前利用高斯光束阵列使用衍射光学元件所创建的暗点具有ε≤0.51，以及ε≤0.97的线阵列。相比之下，当前的傅里叶滤波方法提供了比线阵列实质上更好的效率，因为用于制备此类阵列的衍射多点光栅具有～0.75的效率。在某种程度上，这是因为提供均匀照明的光束整形器(例如，顶帽式光束整形器)可以具有近100％的效率。

在粒子或原子捕获中，重要参数为与I_t成正比的阱深(the depth of the trap)，以及空间定位。当所捕获的粒子具有与阱势(trapping potential)的深度相比更小的运动能时，定位程度由阱中心附近的强度的二次变型管控。对于将粒子定位在强度极大值附近的亮阱，阱势可以被写作为：

U＝U₀(1-α_⊥ρ²-α_||z²+...). (8)。

这里，ρ是径向坐标，z是沿阱轴的轴向坐标。对于具有运动温度T的粒子，维里定理(virial theorem)给出：

2U₀α_⊥<ρ²>＝2k_BT

2U₀α_||<z²>＝k_BT(9)；

其中k_B是玻耳兹曼(Boltzmann)常数。因此，粒子位置的标准偏差为，

对于具有腰参数w_G、光波长λ的理想高斯光束，其可以具有：

然后，等式10可以被写作：

对于艾利高斯光束，w_G＝0.974a，给出位置偏差：

使用a＝d/3，位置因子可以被写作：

等式12和等式14给出了亮光阱的位置扩散。对于利用平面波干涉高斯光束创建的暗光阱，由于场相位随z的变化，远离原点的轴向轮廓不同于亮阱的轴向轮廓，如下所示：

这在图5中示出。注意，对于艾利高斯光束和高斯光束，轴向轮廓有些不同。然而，前导的二次项没有改变，所以定位参数仍然由等式12和等式14给出。这些结果可以与高斯线阵列的先前方法进行比较。针对

和

获取了最优定位。相比之下，当前方法有45％更好的横向定位和22％更好的轴向定位。具体地，如图6所示，获取的定位是

且

用于数值计算的参数包括a＝b＝1.0μm，λ＝0.825μm，f＝2并且w_G＝0.974a。温度与阱深的比率小于因数9，这是光阱中原子的标准，这意味着在所有维度上的亚微米定位。

本文所描述的傅里叶滤波方法，无论用于创建亮阱或暗阱阵列，都可能由于泰伯效应而导致多个捕获平面的形成。如图7所示，如果此类平面是不期望的，则可以利用对图4B的配置的变型。具体地，相位扰动掩模414可以定位于第一掩模402和第一透镜404之间。如图所示，相位扰动掩模414可以包括定位于ρ_ij处的扰动区域416的阵列，每一个扰动区域416都提供了光穿过其中的完全传输以及相移

在某些方面，针对每一个扰动区域416的相移

可以在0到2π之间变化,并且跨相位扰动掩模414随机分布。

现在转到图8，提供根据本公开的用于使用投射的光控制粒子的处理800的步骤。在一些实现中，处理800的步骤可以使用本文所描述的系统以及其他合适的系统或设备来执行。

处理800可以开始于框802处，其中使用光源生成光束。如所描述的，由光源所生成的光束可以具有各种特性，包括各种频率、波长、功率级、空间轮廓、时间调制等。在一些方面，光束可以具有从要捕获的粒子的至少一个原子共振移位的频率。

如处理框804所指示的，光束随后可以被引导到光束滤波器。根据本公开的各方面，光束滤波器可以包括第一掩模、第一透镜、第二掩模和第二透镜。在一些变型中，光束滤波器可以进一步包括定位于第一掩模和第一透镜之间的第三掩模，其中第三掩模可以包括相位干扰掩模。如处理框806所指示的，光束滤波器可以被配置为使得光束依次穿过第一掩模、任选地第三掩模、第一透镜、第二掩模和第二透镜，并且随后离开光束滤波器以形成光学图案。如所描述的，光学图案可以取决于特定应用而具有各种配置。

然后可以将光学图案投射到多个粒子(例如，原子粒子)上以控制它们在空间中的位置，如处理框808所指示的。为此，粒子可以由粒子系统提供，该粒子系统被配置为生成粒子并将粒子限制在空间中的特定体积或一般位置。如所描述的，所提供的粒子可以保持在真空中并冷却到适合于光学捕获的温度。

本发明已经在一个或多个优选实施例的方面进行了描述，并且应当理解，除那些清楚说明的以外的许多等同、替换、变型、以及修改是可能的且在本发明的范围内。

Claims

1.一种用于通过使用投射的光控制粒子的系统，所述系统包括：

粒子系统，所述粒子系统被配置为提供多个粒子；

光源，所述光源被配置为生成具有从所述多个粒子的原子共振移位的频率的光束；以及

光束滤波器，所述光束滤波器被定位于所述粒子系统和所述多个粒子之间，并且包括第一掩模、第一透镜、第二掩模和第二透镜，

其中所述光源、所述光束滤波器和所述粒子系统被布置为使得来自所述光源的所述光束穿过所述光束滤波器，并且被投射到所述多个粒子上以形成光学图案，所述光学图案控制所述粒子在空间中的位置。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一掩模被定位于与所述第一透镜相距第一焦距处，并且所述第二掩模被定位于与所述第一透镜相距第一焦距并且与所述第二透镜相距第二焦距处。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一掩模、所述第一透镜、所述第二掩模和所述第二透镜被布置为使得所述光束依次穿过其中。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一掩模包括使用涂覆有反射层的基板所形成的反射平面。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述反射层包括在所述光学图案中产生至少一个亮区域的至少一个传输区域。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述反射层包括在所述光学图案中产生至少一个暗区域的至少一个反射区域。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光束滤波器进一步包括被定位于所述第一掩模和所述第一透镜之间的第三掩模。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第三掩模是具有相位扰动区域的相位扰动掩模，所述相位扰动区域被配置为将相移传输并赋予到穿过其中的光。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，由不同的相位扰动区域赋予的相移是不同的，并且跨所述相位扰动掩模随机分布。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一掩模包括一维(1D)或二维(2D)阵列的多个孔。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个粒子包括中性原子。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光束具有从所述原子共振移位的频率以实现蓝失谐或红失谐。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光束滤波器进一步被配置为将高斯光束或近高斯光束转换成具有均匀强度轮廓的光束。

14.一种用于通过使用投射的光控制粒子的方法，所述方法包括：

使用光源生成光束；

将所述光束引导到包括第一掩模、第一透镜、第二掩模和第二透镜的光束滤波器；

使用所述光束滤波器形成光学图案；以及

将所述光学图案投射到多个粒子上以控制所述多个粒子在空间中的位置。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一掩模被定位于与所述第一透镜相距第一焦距处，并且所述第二掩模被定位于与所述第一透镜相距第一焦距并且与所述第二透镜相距第二焦距处。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一掩模、所述第一透镜、所述第二掩模和所述第二透镜被布置为使得所述光束依次穿过其中。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一掩模包括使用涂覆有反射层的基板所形成的反射平面。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述反射层包括在所述光学图案中产生至少一个亮区域的至少一个传输区域。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述反射层包括在所述光学图案中产生至少一个暗区域的至少一个反射区域。

20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光束滤波器进一步包括被定位于所述第一掩模和所述第一透镜之间的第三掩模。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第三掩模是具有相位扰动区域的相位扰动掩模，所述相位扰动区域被配置为将相移传输并赋予到穿过其中的光。