CN115032789A - 一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法 - Google Patents

一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法 Download PDF

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一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法，结合不同零阶拉盖尔‑高斯光束的相位、振幅与一个闪耀光栅，得到可控生长的环状叉形光束掩模板的复透过率函数，通过计算机将上述掩模板的复透过率函数加载至空间光调制器中即可得到可控生长的环状叉形光束掩模板。本方案所设计的可控生长的环状叉形光束掩模板在远场产生结构长度可控的环状叉形光束。环状叉形结构由叠加的拉盖尔高斯光束决定，包括叠加光束的个数N决定环状叉形结构的长度，相邻叠加光束之间的拓扑荷值m的差值决定环状叉形结构的分叉数目，叠加光束的相位因子决定生长的叉形结构的指向。

Description

一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法
技术领域
本发明涉及激光诱导仿生材料成型技术领域，具体说的是一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法。
背景技术
在过去的十几年中，涡旋光束在光通信、光学显微和手性微结构成型领域具有重要的应用。根据波动光学的干涉现象，当具有不同拓扑荷值的涡旋光束进行叠加时，会在叠加区域干涉产生不同的光束结构。这种干涉现象能够激发研究人员对光的本质和光波物理更加深入的理解，并且提高了上述领域的应用维度。关于干涉产生的光束结构，研究者们提出了多种叠加方式来获得更通用的结构。2017年，研究者将涡旋光束与其共轭光束的完全叠加[Opt.Lett.42,1(2017)]，产生了螺旋状的条纹结构，该条纹的数目与涡旋光束的拓扑荷有关；进而，他们针对紧排布涡旋光束阵列[Opt.Express 26,18(2018)]与方向型涡旋阵列[Appl.Phys.Lett.116,011101(2020)]进行了更加复杂的干涉结构调控。此外，还有的研究者针对不同半径大小的涡旋光束进行叠加干涉，在环上产生了涡旋光束晶格，形成了独特的光学势阱[Opt.Express 15,8619(2007),Ann.Phys.(Berlin)529,12(2017)]。然而对于激光诱导仿生材料成型领域来说，需要一种灵活可控的环状叉形结构，用以满足不同复杂生物应用的仿生设计，如组织工程。为响应结构光束的环状叉形结构可控生长，迫切需要一种产生方式简单、结构调控灵活的复合结构光束。
综上所述，在激光诱导仿生材料成型技术领域，尚缺少一种可控生长的环状叉形光束的设计方法，用以应对该领域对不同叉状结构的需求。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法，通过该掩模板产生具有可控生长的环状叉形光束，在激光诱导仿生材料成型、微纳光敏材料成型和自组装手性结构设计等领域具有非常重要的应用价值。
本发明为解决上述技术问题所采用的的技术方案是：
一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法，结合不同零阶拉盖尔-高斯光束的相位、振幅与一个闪耀光栅，得到可控生长的环状叉形光束掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：
t＝|IMOV|exp[i(angle(IMOV)+D)]
其中，|·|表示对复振幅求模，angle(·)为求角向函数，i表示虚数单位；
通过计算机将上述掩模板的复透过率函数加载至空间光调制器中即可得到可控生长的环状叉形光束掩模板。
作为优选方案，当两个半径不同的零阶拉盖尔-高斯光束进行叠加时，干涉结构的产生要求拓扑荷较大的内环半径大于拓扑荷较小的外环半径；两光束的交并比公式定义如下：
Figure BDA0003622230690000021
其中，
Figure BDA0003622230690000022
分别表示拓扑荷值为mu和mv的内外环半径大小，W[k,w(m)]表示朗伯函数，k＝0或-1，w(m)＝-(e-m-2mm)1/m/m。
作为优选方案，该掩模板结合不同零阶拉盖尔-高斯光束的掩模板进行全局混合编码，叠加后的光束的电场表达式为：
Figure BDA0003622230690000023
其中，N为叠加的零阶拉盖尔-高斯光束的数量，mn为第n个叠加光束的拓扑荷值，它与相邻叠加光束的拓扑荷值的差值决定了叉形结构的分叉数量，LG0,mn表示拓扑荷值为mn的零阶拉盖尔-高斯光束电场表达式，r，φ，z表示柱坐标系下的单位参量；IoU(mu,mv)表示叠加光束中任意两个光束的交并比，并且mu≤mv，
Figure BDA0003622230690000024
表示相位差因子。
作为优选方案，闪耀光栅的表达式为：D＝2πx/d，其中d为闪耀光栅的周期。
还包括：利用平行光束照射在加载有上述掩模板的空间光调制器上，由空间光调制器调制后，即可在远场产生结构长度可控的环状叉形光束。
本发明的技术效果：
本发明所设计的可控生长的环状叉形光束掩模板在远场产生结构长度可控的环状叉形光束,在激光诱导仿生材料成型、微纳光敏材料成型和自组装手性结构设计等领域具有非常重要的应用价值；其中环状叉形结构由叠加的拉盖尔高斯光束决定，包括叠加光束的个数N决定环状叉形结构的长度，相邻叠加光束之间的拓扑荷值m的差值决定环状叉形结构的分叉数目，叠加光束的相位因子
Figure BDA0003622230690000031
决定生长的叉形结构的指向，提供了一种适用于光诱导材料的成型工具。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明产生的可控生长的环状叉形光束的掩模板。实施例中闪耀光栅的周期d设置为d＝0.26mm。其中，(a)为十字型环状叉形光束，N＝2，m1＝3，m2＝7，
Figure BDA0003622230690000032
(b)为经过生长的十字型环状叉形光束，N＝7，m1＝3，m2＝7，m3＝11，m4＝15，m5＝19，m6＝23，m7＝27，
Figure BDA0003622230690000033
n＝1，2，…，7；(c)为双层生长的环状叉形光束，N＝6，m1＝3，m2＝7，m3＝11，m4＝19，m5＝27，m6＝35，
Figure BDA0003622230690000034
(d)为三层生长的环状叉形光束，N＝7，m1＝3，m2＝7，m3＝11，m4＝19，m5＝27，m6＝43，m7＝59，
Figure BDA0003622230690000035
Figure BDA0003622230690000036
图2是图1中所展示掩模板生成的不同结构的环状叉形光束。(a)十字型环状叉形光束；(b)经过生长的十字型环状叉形光束；(c)双层生长的环状叉形光束；(d)三层生长的环状叉形光束。
具体实施方式
本发明利用计算全息原理，以多个不同半径的涡旋光束的同轴叠加为基础，计算任意两个叠加光束的叠加度，然后利用计算机编码得到可控生长的环状叉形光束掩模板，从而在远场产生该复合光束。这种复合光束具有可控生长的环状叉形结构。这种环状叉形光束具有结构可控生长的特点，因而在激光诱导仿生材料成型等领域具有重要的价值。
为使本发明实现的技术手段。创作特征、达成目的以及有益效果易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
当两个半径不同的零阶拉盖尔-高斯光束进行叠加时，干涉结构的产生要求拓扑荷较大的内环半径大于拓扑荷较小的外环半径；两光束的交并比公式定义如下：
Figure BDA0003622230690000041
其中，
Figure BDA0003622230690000042
分别表示拓扑荷值为mu和mv的内外环半径大小，W[k,w(m)]表示朗伯函数，k＝0或-1，w(m)＝-(e-m-2mm)1/m/m；其中，以图1(b)的拓扑荷值矩阵为例，N＝6，mn＝(3,7,11,15,19,23)，则根据交并比计算公式计算得到叠加光束的上三角交并比矩阵如下：
Figure BDA0003622230690000043
一种可控生长的环状叉形光束掩模板，特点在于结合了一系列零阶拉盖尔-高斯光束的掩模板进行全局混合编码，它们叠加后的光束的电场表达式为：
Figure BDA0003622230690000044
其中，N为叠加的零阶拉盖尔-高斯光束的数量，决定了叉形结构的长度，mn为第n个叠加光束的拓扑荷值，它与相邻叠加光束的拓扑荷值的差值决定了叉形结构的分叉数量，
Figure BDA0003622230690000045
表示拓扑荷值为mn的零阶拉盖尔-高斯光束电场表达式，r，φ，z表示柱坐标系下的单位参量；IoU(mu,mv)表示叠加光束中任意两个光束的交并比，并且mu≤mv，
Figure BDA0003622230690000046
表示相位差因子，它决定了每生长一层时叉形结构的指向。
闪耀光栅的表达式为：D＝2πx/d，其中d为闪耀光栅的周期，d＝0.26mm，其作用在于将上述的环状叉形结构光束在实验中产生。
一种可控生长的环状叉形光束的掩膜板，其特点在于使用了不同零阶拉盖尔-高斯光束的相位、振幅与一个闪耀光栅，其复振幅透过率函数为：
t＝|IMOV|exp[i(angle(IMOV)+D)]
其中，|·|表示对复振幅求模，angle(·)为求角向函数，i表示虚数单位；
基于该复透过率函数所描述的掩模板即为本发明所述的可控生长的环状叉形光束掩膜板；利用平行光束照射在加载有上述掩模板的空间光调制器上，由空间光调制器调制后，即可在远场产生结构长度可控的环状叉形光束。
在实验中首先按照设计要求确定部分参数取值，包括闪耀光栅周期(确定阵列中心位置)和束腰半径(统一叠加光束的光环大小)，随后在该参数取值下编码所发明的掩模板并观察远场所生成的可控生长的环状叉形光束。后续实验可按照首次实验中得到的闪耀光栅周期及束腰半径，在该参数下，设计相应结构的光束并编码为掩模板。
实施例1、
以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光，根据具体实施方式中的掩模板复透过率函数及参数选取最终得到可控生长的环状叉形光束掩模板，图1所示。这种可控生长的环状叉形光束掩模板可以在空间光调制器的远场实现。以德国Holoeye公司的PLUTO-VIS-016型号空间光调制器为例，对所提出的可控生长的环状叉形光束掩模板进行实验验证。
图2所示，实验得到了这种可控生长的环状叉形光束掩模板在焦距200mm的透镜后焦平面上的光强分布。从(a)和(b)产生十字型环状叉形光束可以看出，通过选取合适的等差数列拓扑荷值矩阵，可以产生十字形的环状叉形光束，其光臂的数量等于公差，并且叠加光束越多，环状叉形结构越长；从(c)和(d)多层环状叉形光束可以看出，通过为叠加光束设置阶梯式的等差数列拓扑荷值，可以产生更加丰富的环状叉形光束。综上，该实验表明，通过本发明提出的这种可控生长的环状叉形光束的掩模板，可以实现可控生长的环状叉形光束的产生。这将为激光诱导仿生材料成型领域提供更为丰富的编码方式。
综上所述，本发明提出了一种可控生长的环状叉形光束掩模板的具体设计方案及技术实施方案。并针对工作波长为532nm的激光，提出了一种可控生长的环状叉形光束掩模板的技术实施路线。
以上所述，一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方案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 (5)

1.一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法，其特征在于：
结合不同零阶拉盖尔-高斯光束的相位、振幅与一个闪耀光栅，得到可控生长的环状叉形光束掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：t＝|IMOV|exp[i(angle(IMOV)+D)]
其中，|·|表示对复振幅求模，angle(·)为求角向函数，i表示虚数单位；
通过计算机将上述掩模板的复透过率函数加载至空间光调制器中即可得到可控生长的环状叉形光束掩模板。
2.根据权利要求1所述的一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法，其特征在于：当两个半径不同的零阶拉盖尔-高斯光束进行叠加时，干涉结构的产生要求拓扑荷较大的内环半径大于拓扑荷较小的外环半径；两光束的交并比公式定义如下：
Figure FDA0003622230680000011
其中，
Figure FDA0003622230680000012
分别表示拓扑荷值为mu和mv的内外环半径大小，W[k,w(m)]表示朗伯函数，k＝0或-1，w(m)＝-(e-m-2mm)1/m/m。
3.根据权利要求2所述的一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法，其特征在于：该掩模板结合不同零阶拉盖尔-高斯光束的掩模板进行全局混合编码，叠加后的光束的电场表达式为：
Figure FDA0003622230680000013
其中，N为叠加的零阶拉盖尔-高斯光束的数量，mn为第n个叠加光束的拓扑荷值，它与相邻叠加光束的拓扑荷值的差值决定了叉形结构的分叉数量，LG0,mn表示拓扑荷值为mn的零阶拉盖尔-高斯光束电场表达式，r，φ，z表示柱坐标系下的单位参量；IoU(mu,mv)表示叠加光束中任意两个光束的交并比，并且mu≤mv，
Figure FDA0003622230680000021
表示相位差因子。
4.根据权利要求1所述的一种可控生长的环状叉形光束掩模板的设计方法，其特征在于：闪耀光栅的表达式为：D＝2πx/d，其中d为闪耀光栅的周期。
5.利用权利要求1-4任一项所述的设计方法制备的掩模板产生环状叉形光束的方法，其特征在于：利用平行光束照射在加载有上述掩模板的空间光调制器上，由空间光调制器调制后，即可在远场产生结构长度可控的环状叉形光束。
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