CN115236787B - 多螺旋相位掩模板、多螺旋光束的生成方法和光调制器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种多螺旋相位掩模板、多螺旋光束的生成方法和光调制器，其中该多螺旋相位掩模板用于形成多螺旋光束，所述多螺旋相位掩模板结合了多螺旋光场和闪耀光栅；所述多螺旋相位掩模板的复透过率函数t_m为：t_m＝exp[i·(angle(E_m)+P)]其中，E_m为所述多螺旋光场，P为所述闪耀光栅的相位表达式，angle(·)为对所述多螺旋光场求相位的函数。通过本申请，解决了相关技术中存在的只是实现了单个螺旋光束对微粒的操纵，其模式比较单一，无法应对特殊场合的应用需求的问题，实现了一种光瓣数量及方向可自由调控的多螺旋光束掩模板，这将为微粒操纵领域提供潜在的应用，尤其适用于细胞的传输与引导。

Description

多螺旋相位掩模板、多螺旋光束的生成方法和光调制器

技术领域

本申请涉及激光微操纵领域，特别是涉及一种多螺旋相位掩模板、多螺旋光束的生成方法和光调制器。

背景技术

随着激光技术的不断发展，涡旋光束成为了一大研究热点，光学涡旋的一个非常引人注目的特征是在相位奇点位置的消失场导致一个甜甜圈或环形的强度截面。1992年Allen等人证明涡旋光束携带

的轨道角动量，其中l是拓扑荷值，具体请参见Allen等人的文章“Management of the angular momentum of light:preparation of photons inmultidimensional vector states of angular momentum(光的角动量的管理：角动量的多维矢量态中光子的制备)”，Physical Review A,1992,45(11):8185-8189，为利用轨道角动量对微粒进行操作提供了基础。

对涡旋光束的调控可以产生出多种多样的空间结构光场，这些新型光场表现出了一系列新颖的物理效应及现象，在灵巧光操控、特殊微结构加工等领域有着广泛的用途。2005年Carlo Amadeo Alonzo等人利用径向相位和角向相位的依赖性，生成了整体不连续的螺旋形态相位分布，从而实现了一种螺旋形光束，具体请参见Carlo Amadeo Alonzo等人的文章“Helico-conical optical beams:aproduct of helical and conical phasefronts(螺旋圆锥光束:螺旋和圆锥相位波前的产物)”，Optics Express,2005,13(5):1749-1760。2014年赵建林等人通过对相位梯度因子进行调控，提出了一种螺旋形的幂指数相位型涡旋光束，具体请参见赵建林等人的文章“Spiral autofocusing Airy beamscarrying power-exponent-phase vortices(携带幂指数相位涡旋的螺旋自动聚焦艾里光束)”，Optics Express,2014,22(7):7598-7606。2020年，Tian Xia等人利用特殊参数产生了一种开口可调节螺旋光束，并对硅胶微球进行了捕捉和操纵，具体请参见Tian Xia等人的文章“A spiral-like curve with an adjustable opening generated by amodifiedhelico-conical beam(由改进的螺旋锥形光束产生的具有可调开口的螺旋状曲线)”，Optics Communications,2020,458:124824。

虽然利用上述方法产生的螺旋光场具有丰富的空间模式分布，但是只是实现了单个螺旋光束对微粒的操纵，其模式比较单一，无法应对特殊场合的应用需求。在微粒操纵领域，还需要一种光瓣数量及方向可自由调控的多螺旋光束。

针对相关技术中存在的只是实现了单个螺旋光束对微粒的操纵的问题，目前还没有提出有效的解决方案。

发明内容

在本实施例中提供了一种多螺旋相位掩模板及多螺旋光束的生成方法，以解决相关技术中只是实现了单个螺旋光束对微粒的操纵，其模式比较单一，无法应对特殊场合的应用需求的问题。

第一个方面，在本实施例中提供了一种多螺旋相位掩模板，用于形成多螺旋光束，所述多螺旋相位掩模板结合了多螺旋光场和闪耀光栅；

所述多螺旋相位掩模板的复透过率函数t_m为：

t_m＝exp[i·(angle(E_m)+P)]

E_m为所述多螺旋光场，P为所述闪耀光栅的相位表达式，angle(·)为对所述多螺旋光场求相位的函数。将该复透过率函数t_m通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生所述的多螺旋相位掩模板。

在其中的一些实施例中，所述多螺旋光场E_m的表达式为：

其中，(r,θ)是极坐标，N为螺旋相位总数，l_n是拓扑荷，θ_n是相位旋转因子，K是预设常数，r₀是径向坐标的归一化因子，A为入射平面波；

所述螺旋相位总数N用于确定所述多螺旋光束的光瓣数量，所述相位旋转因子θ_n用于确定所述多螺旋光束的光瓣方位。

在其中的一些实施例中，所述闪耀光栅的相位表达式为：

其中，D是所述闪耀光栅的相位周期，x是所述闪耀光栅在直角坐标系下的横向参数。

第二个方面，在本实施例中提供了一种多螺旋光束的生成方法，所述方法采用上述第一个方面中的多螺旋相位掩模板生成所述多螺旋光束。

在其中的一些实施例中，所述方法包括：

确定所述多螺旋光场中的螺旋相位总数的大小，以及确定相应的相位旋转因子的大小；

调节所述闪耀光栅的相位周期使得三个衍射级分离，从而在空间光调制器内生成所述多螺旋相位掩模板；

采用具有所述多螺旋相位掩模板的空间光调制器对光束进行调制，以生成所述多螺旋光束。

在其中的一个实施例中，所述多螺旋相位因子中的螺旋相位总数为3，且相位旋转因子差为2π/3。

在其中的一个实施例中，所述多螺旋相位因子中的螺旋相位总数为4，且相位旋转因子差为π/2。

在其中的一个实施例中，所述多螺旋相位因子中的螺旋相位总数为5，且相位旋转因子差为π/6。

在其中的一个实施例中，所述多螺旋相位因子中的螺旋相位总数为2，所述多螺旋相位因子中的相位旋转因子θ₁＝π，θ₂为0、π/4、π/2和3π/4中任一数值。

第三个方面，在本实施例中提供了一种光调制器，所述光调制器用于生成上述第一个方面中的多螺旋相位掩模板。

与相关技术相比，在本实施例中提供的多螺旋相位掩模板，该相位掩模板结合了一个多螺旋相位因子，通过控制调整该多螺旋相位因子中的参数，可以调节经过该多螺旋相位掩膜板生成的多螺旋光束的光瓣数量以及光瓣方位，解决了相关技术中存在的只是实现了单个螺旋光束对微粒的操纵，其模式比较单一，无法应对特殊场合的应用需求的问题，实现了一种可自由调节多螺旋光束中光瓣数量和方向的多螺旋相位掩模板，实现了多个螺旋光束对微粒的操纵，为微粒操纵领域提供潜在的应用，尤其适用于细胞的传输与引导。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝3且Δθ＝2π/3时的多螺旋相位掩模板。

图2为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝4且Δθ＝π/2时的多螺旋相位掩模板。

图3为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝5且Δθ＝π/6时的多螺旋相位掩模板。

图4为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝2且θ₁＝π、θ₂＝0时的多螺旋相位掩模板。

图5为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝2且θ₁＝π、θ₂＝π/4时的多螺旋相位掩模板。

图6为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝2且θ₁＝π、θ₂＝π/2时的多螺旋相位掩模板。

图7为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝2且θ₁＝π、θ₂＝3π/4时的多螺旋相位掩模板。

图8为本实施例中通过图1所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。

图9为本实施例中通过图2所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。

图10为本实施例中通过图3所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。

图11为本实施例中通过图4所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。

图12为本实施例中通过图5所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。

图13为本实施例中通过图6所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。

图14为本实施例中通过图7所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。

具体实施方式

为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。

除另作定义外，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应具有本申请所属技术领域具备一般技能的人所理解的一般含义。在本申请中的“一”、“一个”、“一种”、“该”、“这些”等类似的词并不表示数量上的限制，它们可以是单数或者复数。在本申请中所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体，其目的是涵盖不排他的包含；例如，包含一系列步骤或模块(单元)的过程、方法和系统、产品或设备并未限定于列出的步骤或模块(单元)，而可包括未列出的步骤或模块(单元)，或者可包括这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块(单元)。在本申请中所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并不限定于物理的或机械连接，而可以包括电气连接，无论是直接连接还是间接连接。在本申请中所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。通常情况下，字符“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系。在本申请中所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等，只是对相似对象进行区分，并不代表针对对象的特定排序。

在本实施例中提供了一种多螺旋相位掩模板，用于形成多螺旋光束，多螺旋相位掩模板结合了多螺旋光场和闪耀光栅；

多螺旋相位掩模板的复透过率函数t_m为：

t_m＝exp[i·(angle(E_m)+P)]

其中，E_m为多螺旋光场，P为闪耀光栅的相位表达式，angle(·)为对多螺旋光场求相位的函数。将该复透过率函数t_m通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生所述的多螺旋相位掩模板。

与现有技术相比，本实施例中的多螺旋相位掩膜板结合了一个多螺旋相位因子，通过控制调整该多螺旋相位因子中的参数，可以调节经过该多螺旋相位掩膜板生成的多螺旋光束的光瓣数量以及光瓣方向，从而提供了一种可自由调节多螺旋光束中光瓣数量和方向的多螺旋相位掩模板，实现了多个螺旋光束对微粒的操纵。这种可自由调控的多螺旋光束掩模板可以通过一个空间光调制器来实现。即通过计算机将多螺旋掩模板的复透过率函数t_m加载至空间光调制器中，然后确定复透过率函数t_m中的参数，此时空间光调制器内便生成相应的多螺旋掩模板。

本实施例中具体的，多螺旋光场E_m的表达式为：

其中，(r,θ)是极坐标，N为螺旋相位总数，l_n是拓扑荷，θ_n是相位旋转因子，K是预设常数，r₀是径向坐标的归一化因子，A为入射平面光波。螺旋相位总数N用于确定多螺旋光束的光瓣数量，相位旋转因子θ_n用于确定多螺旋光束的光瓣方向。因此通过调控N和θ_n的大小，可以调控经过该多螺旋相位掩模板所产生的多螺旋光束的光瓣数量及旋转方向。具体的螺旋相位总数N即为多螺旋光束的光瓣数量，比如当N＝n时，则多螺旋光束中的光瓣数量为n；而θ_n表示相应的光瓣的方向角度，比如在能够产生三条螺旋光束的相位掩模板中，θ₁表示第一个光瓣的方向角度，θ₂表示第二个光瓣的方向角度，θ₃表示第三个光瓣的方向角度。

本实施例中具体的，闪耀光栅的相位表达式为：

其中，D是闪耀光栅的相位周期，x是闪耀光栅在直角坐标系下的横向参数。在多螺旋光束的实验产生中，该闪耀光栅的作用是分离所需的多螺旋光束与零级光斑。

本发明所设计的掩模板可以实现在该掩模板的远场产生光瓣数量及方向可自由调控的多螺旋光束。其光场上的光瓣数量由螺旋相位总数N控制，方向由相位旋转因子θ_n控制，因而在微粒操纵领域中具有非常重要的应用前景。

下面通过一些可选的实施例对本实施例中的多螺旋相位掩模板进行说明。

图1为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝3且Δθ＝2π/3时的多螺旋相位掩模板。参照图1，在其中的一些可选实施例中，可以将多螺旋相位因子中的参数确定为：螺旋相位总数N为3，且相邻相位旋转因子差为2π/3，即θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ＝2π/3；则通过该多螺旋掩模板生成的多螺旋光束中共有3个光瓣，且相邻两个光瓣间的方向角度差为2π/3。

图2为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝4且Δθ＝π/2时的多螺旋相位掩模板。参照图2，在其中的一些可选实施例中，可以将多螺旋相位因子中的参数确定为：螺旋相位总数N为4，且相邻相位旋转因子差为π/2，即θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ＝π/2；则通过该多螺旋掩模板生成的多螺旋光束中共有4个光瓣，且相邻两个光瓣间的方向角度差为π/2。

图3为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝5且Δθ＝π/6时的多螺旋相位掩模板。参照图3，在其中的一些可选实施例中，可以将多螺旋相位因子中的参数确定为：螺旋相位总数N为5，且相邻相位旋转因子差为π/6，即θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ＝π/6；则通过该多螺旋掩模板生成的多螺旋光束中共有5个光瓣，且相邻两个光瓣间的方向角度差为π/6。

图4为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝2且θ₁＝π、θ₂＝0时的多螺旋相位掩模板。参照图4，在其中的一些可选实施例中，可以将多螺旋相位因子中的参数确定为：螺旋相位总数N为2，且相位旋转因子θ₁＝π、θ₂＝0；则通过该多螺旋掩模板生成的多螺旋光束中共有2个光瓣，相位旋转因子θ₁＝π、θ₂＝0分别决定了2个光瓣的方向角度。

图5为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝2且θ₁＝π、θ₂＝π/4时的多螺旋相位掩模板。参照图5，在其中的一些可选实施例中，可以将多螺旋相位因子中的参数确定为：螺旋相位总数N为2，且相位旋转因子θ₁＝π、θ₂＝π/4；则通过该多螺旋掩模板生成的多螺旋光束中共有2个光瓣，相位旋转因子θ₁＝π、θ₂＝π/4分别决定了2个光瓣的方向角度。

图6为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝2且θ₁＝π、θ₂＝2π/4时的多螺旋相位掩模板。参照图6，在其中的一些可选实施例中，可以将多螺旋相位因子中的参数确定为：螺旋相位总数N为2，且相位旋转因子θ₁＝π、θ₂＝2π/4；则通过该多螺旋掩模板生成的多螺旋光束中共有2个光瓣，相位旋转因子θ₁＝π、θ₂＝2π/4分别决定了2个光瓣的方向角度。

图7为本实施例中当多螺旋相位因子中的N＝2且θ₁＝π、θ₂＝3π/4时的多螺旋相位掩模板。参照图7，在其中的一些可选实施例中，可以将多螺旋相位因子中的参数确定为：螺旋相位总数N为2，且相位旋转因子θ₁＝π、θ₂＝3π/4；则通过该多螺旋掩模板生成的多螺旋光束中共有2个光瓣，相位旋转因子θ₁＝π、θ₂＝3π/4分别决定了2个光瓣的方向角度。

需要说明的是，上述实施例中的具体参数仅仅是对多螺旋相位掩模板的示例性说明，在实际应用过程中，还可以将多螺旋相位因子中的螺旋相位总数N确定为其他参数，以及将相位旋转因子θ_n确定为其他参数。

在本实施例中还提供了一种多螺旋光束的生成方法，该方法通过采用本实施例中的多螺旋相位掩模板生成相应的多螺旋光束。该多螺旋相位掩模板的复透过率函数t_m为：

t_m＝exp[i·(angle(E_m)+P)]

其中，E_m为多螺旋光场，P为闪耀光栅的相位表达式，angle(·)为对多螺旋相位因子求相位的函数；多螺旋相位因子E_m的表达式为：

其中，(r,θ)是极坐标，N为螺旋相位总数，l_n是拓扑荷，θ_n是相位旋转因子，K是预设常数，r₀是径向坐标的归一化因子，A为入射平面光波。

具体的本实施例中，多螺旋光束的生成方法包括如下步骤：

步骤1，确定螺旋相位因子中的螺旋相位总数的大小，以及确定相应的相位旋转因子的大小。

具体的本步骤中，可以通过计算机将多螺旋相位掩模板的复透过率函数t_m加载至空间光调制器中，然后根据实际的实验要求，确定螺旋相位总数N的数值，以及确定相应的相位旋转因子θ_n的数值。其中螺旋相位总数决定了多螺旋光束的光瓣数量，而相位旋转因子决定了多螺旋光束中相应光瓣的方向角度。比如当N＝3时，则多螺旋光束中的光瓣数量为3；而θ₁表示第一个光瓣的方向角度，θ₂表示第二个光瓣的方向角度，θ₃表示第三个光瓣的方向角度。

步骤2，调节闪耀光栅的相位周期使得三个衍射级分离，从而在空间光调制器内生成多螺旋相位掩模板。

具体的本步骤中，调节闪耀光栅的相位周期使得三个衍射级分离，直到可以使用光阑筛选出+1衍射级，即可在空间光调制器中实现光瓣数量及方向可控的多螺旋光束掩模板。

步骤3，采用具有多螺旋相位掩模板的空间光调制器对光束进行调制，以生成多螺旋光束。

具体的本步骤中，光路系统一般包括依次设置的连续波激光器、反射镜、准直扩束器、起偏器以及分束立方体和空间光调制器，经过准直扩束器后的光束近似为平面波，并经过起偏器后变为线偏振光，再经分束立方体后分为反射光束和透射光束，反射光束照射在本实施例中的空间光调制器上，经该空间光调制器调制后依次通过分束立方体、检偏器，最终在凸透镜的后焦平面上形成多螺旋光束。

下面通过一些可选的实施例对本实施例中的多螺旋光束的生成方法进行说明。

图8为本实施例中通过图1所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。在其中的一些可选的实施例中，可以将多螺旋相位因子中的螺旋相位总数N确定为3，将相位旋转因子θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ确定为2π/3。通过具有该多螺旋相位因子的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束如图8所示。在该多螺旋光束中共有3个光瓣，且相邻两个光瓣间的方向角度差为2π/3。

图9为本实施例中通过图2所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。在其中的一些可选的实施例中，可以将多螺旋相位因子中的螺旋相位总数N确定为4，将相位旋转因子θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ确定为π/2。通过具有该多螺旋相位因子的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束如图9所示。在该多螺旋光束中共有4个光瓣，且相邻两个光瓣间的方向角度差为π/2。

图10为本实施例中通过图3所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。在其中的一些可选的实施例中，可以将多螺旋相位因子中的螺旋相位总数N确定为5，将相位旋转因子θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ确定为π/6。通过具有该多螺旋相位因子的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束如图10所示。在该多螺旋光束中共有5个光瓣，且相邻两个光瓣间的方向角度差为π/6。

图11为本实施例中通过图4所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。在其中的一些可选的实施例中，可以将多螺旋相位因子中的螺旋相位总数N确定为2，将相位旋转因子θ₁确定为π、θ₂确定为0。通过具有该多螺旋相位因子的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束如图11所示。在该多螺旋光束中共有2个光瓣，且两个光瓣间的方向角度差为π。

图12为本实施例中通过图5所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。在其中的一些可选的实施例中，可以将多螺旋相位因子中的螺旋相位总数N确定为2，将相位旋转因子θ₁确定为π、θ₂确定为π/4。通过具有该多螺旋相位因子的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束如图12所示。在该多螺旋光束中共有2个光瓣，且两个光瓣间的方向角度差为3π/4。

图13为本实施例中通过图6所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。在其中的一些可选的实施例中，可以将多螺旋相位因子中的螺旋相位总数N确定为2，将相位旋转因子θ₁确定为π、θ₂确定为π/2。通过具有该多螺旋相位因子的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束如图13所示。在该多螺旋光束中共有2个光瓣，且两个光瓣间的方向角度差为π/2。

图14为本实施例中通过图7所示的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束。在其中的一些可选的实施例中，可以将多螺旋相位因子中的螺旋相位总数N确定为2，将相位旋转因子θ₁确定为π、θ₂确定为3π/4。通过具有该多螺旋相位因子的多螺旋相位掩模板生成的多螺旋光束如图14所示。在该多螺旋光束中共有2个光瓣，且两个光瓣间的方向角度差为π/4。

下面通过具体的实施例对本实施例中多螺旋光束的生成方法进行说明。

以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为632.8nm的He-Ne激光给出了多螺旋光束掩模板。

上述多螺旋相位掩模板结合了多螺旋光场和闪耀光栅；

且该多螺旋相位掩模板的复透过率函数t_m为：

t_m＝exp[i·(angle(E_m)+P)]

其中，E_m为多螺旋光场，P为闪耀光栅的相位表达式，angle(·)为对多螺旋光场求相位的函数。将该复透过率函数t_m通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生所述的多螺旋相位掩模板。

在该多螺旋相位掩模板的复透过率函数t_m，多螺旋光场E_m的表达式为：

在该多螺旋相位因子E_m的表达式中，(r,θ)是极坐标，N为螺旋相位总数，l_n是拓扑荷，θ_n是相位旋转因子，K是预设常数，r₀是径向坐标的归一化因子；A为入射平面光波。螺旋相位总数N用于确定多螺旋光束的光瓣数量，相位旋转因子θ_n用于确定多螺旋光束的光瓣方向。因此通过调控N和θ_n的大小，可以调控经过该多螺旋相位掩模板所产生的多螺旋光束的光瓣数量及旋转方向。

首先选取螺旋相位总数N分别为3、4、5，每个螺旋光束之间的相位旋转因子差Δθ分别为2π/3、π/2、π/6、根据本实施例中的掩模板透过率函数t_m最终得到了光瓣数量可控的多螺旋光束的掩模板。如图1至图3所示，即为本实施例中所使用的不同光瓣数量的多螺旋光束的相位掩模板。

然后选取螺旋相位总数N为2，相位旋转因子θ₁＝π，θ₂分别为0、π/4、2π/4、3π/4，根据本实施例中的掩模板透过率函数t_m最终得到了光瓣数量可控的多螺旋光束的掩模板。如图4至图7所示，即为本实施例中所使用的具有不同光瓣方向的多螺旋光束的相位掩模板。

这种可自由调控的多螺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型号空间光调制器为例，对所提出的多螺旋光束掩模板进行了实验验证。

如图8至图10所示，即为实验得到的这种光瓣数量可控的多螺旋光束在焦距f＝200mm的透镜焦平面上的光强分布。从图中可以看出，随着螺旋相位总数N的增大，该多螺旋光束的光瓣数量在逐渐增多。如图11至图14所示，即为实验得到的光瓣方向可控的多螺旋光束。从图中可以看出，随着相位旋转因子θ₂的逐渐增大，实验中产生的多螺旋光束对应的光瓣方向也在顺时针旋转。这将为微粒操纵领域提供潜在的应用，尤其适用于细胞的传输与引导。

综上所述，本发明提出了一种光瓣数量及方向可自由调控的多螺旋光束掩模板的具体设计方案及实施方案，并以f＝200mm的聚焦透镜为例，针对工作波长为632.8nm的He-Ne激光，提出了一种光瓣数量及方向可自由调控的多螺旋光束掩模板的具体实施例。

应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本申请保护范围。

显然，附图只是本申请的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本申请适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本申请披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本申请公开的内容不足。

“实施例”一词在本申请中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本申请的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其它实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技术人员能够清楚或隐含地理解的是，本申请中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其它实施例结合。

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专利保护范围的限制。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，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种多螺旋相位掩模板，用于形成多螺旋光束，其特征在于，所述多螺旋相位掩模板结合了多螺旋光场和闪耀光栅；

所述多螺旋相位掩模板的复透过率函数t_m为：

t_m＝exp[i·(angle(E_m)+P)]

其中，E_m为所述多螺旋光场，P为所述闪耀光栅的相位表达式，angle(·)为对所述多螺旋光场求相位的函数；

所述多螺旋光场E_m的表达式为：

其中，(r,θ)是极坐标，N为螺旋相位总数，l_n是拓扑荷，θ_n是相位旋转因子，K是预设常数，r₀是径向坐标的归一化因子，A为平面波；

所述螺旋相位总数N用于确定所述多螺旋光束的光瓣数量，所述相位旋转因子θ_n用于确定所述多螺旋光束的光瓣方位。

2.根据权利要求1所述的多螺旋相位掩模板，其特征在于，所述闪耀光栅的相位表达式为：

其中，D是所述闪耀光栅的相位周期，x是所述闪耀光栅在直角坐标系下的横向参数。

3.一种多螺旋光束的生成方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1至权利要求2中任一项所述的多螺旋相位掩模板生成所述多螺旋光束。

4.根据权利要求3所述的多螺旋光束的生成方法，其特征在于，所述方法包括：

确定所述多螺旋光场中的螺旋相位总数的大小，以及确定相应的相位旋转因子的大小；

调节所述闪耀光栅的相位周期使得三个衍射级分离，从而在空间光调制器内生成所述多螺旋相位掩模板；

采用具有所述多螺旋相位掩模板的空间光调制器对光束进行调制，以生成所述多螺旋光束。

5.根据权利要求4所述的多螺旋光束的生成方法，其特征在于，多螺旋相位因子中的螺旋相位总数为3，且相位旋转因子θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ为2π/3。

6.根据权利要求4所述的多螺旋光束的生成方法，其特征在于，多螺旋相位因子中的螺旋相位总数为4，且相位旋转因子θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ为π/2。

7.根据权利要求4所述的多螺旋光束的生成方法，其特征在于，多螺旋相位因子中的螺旋相位总数为5，且相位旋转因子θ_n和θ_n+1之间的差值Δθ为π/6。

8.根据权利要求4所述的多螺旋光束的生成方法，其特征在于，多螺旋相位因子中的螺旋相位总数为2，所述多螺旋相位因子中的相位旋转因子θ₁＝π，θ₂为0、π/4、π/2和3π/4中任一数值。

9.一种光调制器，其特征在于，所述光调制器用于生成如权利要求1至权利要求2中任一项所述的多螺旋相位掩模板。

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