CN117806048A - 一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能在低损伤条件下对粒子进行操纵的分数阶艾里涡旋光束的调控方案。由激光器出射的激光经过偏振片产生线偏振激光束，依次进入凸透镜和反射镜，再经过加载相位信息的空间光调制器，得到的反射光束经过一个凸透镜，在凸透镜后焦面得到分数阶艾里涡旋光束。将调制后的光束垂直照射到透明粒子上，用计算机对空间光调制器进行控制，调整光束的光斑大小和开口方向，对粒子进行操纵。本发明利用了艾里涡旋光束自加速自弯曲等特性，又结合了分数阶光束的特点，设计出了一种具有独特缺口特性的艾里涡旋光束，能够实现对粒子的操纵。在特定场景，由于径向缺口低强度的能量能极大降低对它们的损伤程度,在生物医学等领域具有应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种在可用于微粒操纵的新型艾里涡旋光束的技术，具体涉及一种分数阶的艾里涡旋光束的应用方案，可用于生物医学、精密操作等领域。
背景技术
理想的艾里涡旋光束具有无限能量，在传输的过程中具有自聚焦，自弯曲和无衍射的特性。对理想的艾里涡旋光束进行截断，其在有限的传输距离范围内仍然具有无衍射特性。而由于艾里涡旋光束的独特特性，也被用于微粒操纵领域的研究，散射粒子可以被拖入到一维艾里光束的主瓣中，并在其平衡位置附近表现出不规则的布朗运动，这个行为可用于光学分选。此前已有研究人员等人分析了环形艾里光束的辐射力，并通过实验实现了对硅微粒子的光操纵和旋转，结果显示随着拓扑电荷的增加，微粒子的旋转速度先增大在达到最大值后减小，可以丰富微粒的操作。
在大多数关于涡旋光束的研究中，拓扑电荷数通常被限制为整数，实际上拓扑电荷数可以为分数，即分数阶涡旋光。分数阶涡旋可以表示为一系列整数涡旋的叠加，具有独特的暗隙结构，这是由生成光中相位不连续的倏逝波引起的。目前已经开展了分数阶贝塞尔涡旋光束、分数阶拉盖尔高斯光束、分数阶环形涡旋光束等分数阶涡旋光的研究。在光镊和微粒操作应用上，分数阶涡旋光束也能实现由轨道角动量传递引起的粒子旋转，而暗隙结构能显著降低旋转速度，某些情况下，更适合引导和输运微观粒子。
我们发现分数阶艾里涡旋光对粒子的横向梯度力可通过控制艾里涡旋光束暗孔来进行调控，进而达到粒子捕获的目的。本发明提出了一种新型的分数阶艾里涡旋光束捕获微粒的技术方案，对比现有的分数阶涡旋光束，由于分数阶艾里涡旋光束结合了二维艾里涡旋光束的特性，具有自聚焦和缺口分布特性，能表现出更好的捕获性能。本发明通过实验产生了具有独特缺口特性的分数阶艾里涡旋光束，并通过计算机对其缺口的位置和方向进行控制，从而实现对微粒的操纵。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案及可行性分析。方案详明，原理不复杂，由于分数阶艾里涡旋光束独特的缺口特性，能够实现对粒子的操纵，在针对特定场景，比如对光敏感的生物细胞或仪器，由于缺口低强度的能量能极大减小对它们的损伤，从而进行特殊操作，这在生物医学等领域具有应用价值。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，包括如下步骤：
(1)由激光器产生的激光经过偏振片产生线偏振激光束，依次进入两个凸透镜进行扩束准直；
(2)将准直后的激光再经过加载相位信息的空间光调制器，得到调制后的反射光束；
(3)将反射后的光束经过一个凸透镜，在凸透镜的后焦面得到分数阶艾里涡旋光束；
(4)将调制后得到的艾里涡旋光束垂直照射到透明粒子上，用计算机对空间光调制器进行控制，调整艾里涡旋光束的开口方向，对粒子进行操纵。
上述技术方案中，所述的激光器是为了产生初始的激光源。
上述技术方案中，所述的偏振片为线偏振片，目的是使入射光线偏方向与空间光调制器液晶的e轴平行，尽可能消除零级光的影响。
上述技术方案中，所述的两个凸透镜，目的是对光束进行准直。
上述技术方案中，所述的空间光调制器是为了加载分数阶艾里涡旋光束傅里叶变换的相位计算全息图，调控入射光场的波前。通过计算机上位机软件对加载的相位图叠加跳变相位和衍射相位。
上述技术方案中，所述的凸透镜，是为了进行傅里叶相位调制变换，最终得到分数阶艾里涡旋光束。
上述技术方案中，所述的计算机，是为了生成分数阶艾里涡旋光束傅里叶变换后的光场信息，将其编码成相位计算全息图，再将计算全息图和跳变相位、衍射相位叠加在一起，通过上位机软件将叠加了跳变相位和衍射相位的计算全息图加载到空间光调制器上。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)与传统的艾里涡旋光束相比，分数阶艾里涡旋光束在保持其原有的特性如自聚焦，无衍射的特性之外，还具有独特的缺口特性；
(2)由于分数阶艾里涡旋光束的独特的缺口性质，其对粒子施加的横向梯度力可以对粒子进行操纵；
(3)装置简单，易于操作；
(4)不需要借助其他光学器件，节省成本；
(5)充分利用了已有的分数阶光束和艾里涡旋光束的共同特性，将二者进行结合，设计出了一种兼顾二者优点的新型光束。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案的装置结构示意图，图中，1：激光器，2：偏振片，3a-3b：准直扩束镜，4：反射镜5：空间光调制器，6：凸透镜，7：计算机；
图2是本发明实施例提供的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案的光强和横向梯度力的仿真图：图中，光场输入峰值功率为0.25W，分数阶艾里高斯涡旋光参数为(分布因子b＝0.1，拓扑电荷数m＝1.5)。图中展示的为传输距离z＝0.08(为瑞利距离)处的光场，横向的a，b图分别给出光场强度图和对粒子(半径为20nm的玻璃粒子)的梯度力分布图。其中b图白色箭头表示梯度力方向，黑色圆圈表示势阱位置，即粒子捕获区。纵向的1，2，3对应0，π/2，π，这三个不同的缺口方向。正是由于分数阶艾里涡旋光束具有间隙且强度分布集中，因此具有很高应用前景。
图3是本发明实施例提供的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案的光强梯度力大小分析图：图中左图展示的为缺口方向为0的分数阶艾里涡旋光束的横向梯度力图，右图展示的为左图中的白色虚线(x＝0.32mm)的梯度力分布，黑色圆圈表示微粒捕获区。微粒捕获区左右两端具有较大的梯度力，力的方向朝向捕获区，这样捕获区外的粒子就会受梯度力牵引到捕获区内，实现粒子捕获。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步描述。
参见附图1，本实施例提出的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案包括激光器1，偏振片2，透镜3a-3b，反射镜4，空间光调制器5，凸透镜6，计算机7；
上述各部分的功能分别说明如下：
激光器1，用于产生初始的激光束；
偏振片2，用于产生线偏振光；
透镜3a-3b，用于光束的准直；
反射镜4，用于光束的反射，本实施例选用前表面镀银的反射镜；
空间光调制器5：加载相位计算全息图，调控入射高斯光场的波前。
凸透镜6：用于傅里叶相位调制变换，最终得到分数阶艾里涡旋光束；
计算机7：生成分数阶艾里涡旋光束傅里叶变换后的光场信息，将其编码成相位计算全息图，再将计算全息图和跳变相位、衍射相位叠加在一起，通过上位机软件将叠加了跳变相位和衍射相位的计算全息图加载到空间光调制器上。
用于上述实验装置设计的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，
具体操作步骤如下：
(1)由激光器产生的激光经过偏振片产生线偏振激光束，依次进入两个凸透镜进行扩束准直；
(2)准直后的激光通过一个前表面镀银的反射镜；再经过空间光调制器进行相位调制反射，其中空间光调制器用于加载相位计算全息图，调控入射光场的波前；
(3)将反射后的光束经过一个凸透镜，在凸透镜的后焦面得到分数阶艾里涡旋光束；
(4)将调制后得到的艾里涡旋光束垂直照射到透明粒子上，用计算机对空间光调制器进行控制，调整艾里涡旋光束的开口方向，对粒子进行操纵。
上述的分数阶艾里高斯涡旋光束复振幅表达式由下式给出：
其中，表示径向长度，/>用于涡旋相位调制，A0表示初始电场的振幅，Ai(·)表示第一类艾里函数，r0决定了主艾里环的半径，是高斯因子的宽度，参数决定了光束中艾里和高斯因子的分配比例，其控制了光束形状；截断因子(0＜α＜1)对无限能量的艾里的进行指数衰减，使其在物理上能够实现。m是艾里涡旋光的阶数，当m为分数时，光源表现为分数阶艾里涡旋光。我们规定附图2-1a时的缺口方向angle为0，以逆时针为正方向进行开口方向的调整。附图2的1a-3a的光束开口方向angle分别为0，0.5π，π。控制开口方向angle的具体操作方法为将公式(1)中的减去angle，然后再对2π取模，即可得到调整后的具有特定缺口方向的分数阶艾里涡旋光束。对于传输距离的光场，用菲涅尔积分公式进行理论计算，可以得到傍轴近似下的传播电场：
获得目标分数阶艾里光场后根据瑞利散射模型，假设粒子的半径远小于光束的波长，通常认为粒子半径，此时粒子可以近似看作一个电偶极子。在此状态下，光对粒子施加的辐射力有两种，分别是梯度力和散射力。梯度力分为横向梯度力和径向梯度力。其中，进行微粒操纵的主要为横向梯度力。
横向梯度力表示为：
由式子我们就能计算分数阶艾里涡旋光束的横向梯度力。我们模拟的是在水中操作微粒的场景。在我们的模拟中，假设介质的折射率为nm＝1.33，操纵的粒子为玻璃(折射率np＝1.59)，粒子半径a为20nm。此时的粒子可以看作是一个电偶极子，根据电偶极子的特性可知，在此状态下，光对粒子施加的辐射力有两种，分别是梯度力和散射力，其中，横向梯度力主要进行微粒操纵。微粒的运动轨迹以及运动状态都取决于光束的横向梯度力的大小和方向。结合附图2可以看出，在一定的传播距离范围之内，分数阶的艾里涡旋光束具有一定大小的缺口，在缺口处光强接近于0，这有利于针对一些对光敏感的场景，保证其在不受到伤害的前提下对粒子进行一定的操作，而在缺口附近的光梯度力时较大，粒子会被束缚在梯度势阱力，可以通过计算机操控缺口的位置和方向，从而实现对粒子的操控。具体的数值分析如附图3，在捕获区附近，光束的梯度力达到最低点，这有利于对微粒进行低损耗的捕获，而在微粒捕获区的两端，横向梯度力达到一定的峰值，这种梯度力之差会使得微粒不断地向捕获区移动，直至势阱差达到0，从而实现对于微粒的捕获和操纵。
Claims (6)
1.一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于如下步骤：
(1)由激光器出射的激光经过线偏振片之后得到线偏振激光束，然后依次进入两个凸透镜之后进行扩束准直；
(2)将准直后的激光经过反射镜反射之后，再经过加载相位信息的空间光调制器，得到调制后的反射光束；
(3)将反射后的光束经过一个凸透镜，在凸透镜的后焦面得到分数阶艾里涡旋光束；
(4)将调制后得到的艾里涡旋光束垂直照射到透明粒子上，用计算机对空间光调制器进行控制，调整艾里涡旋光束的光斑大小和开口方向，对粒子进行操纵。
2.一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案的装置包括，激光源，偏振片，凸透镜，反射镜，空间光调制器，计算机；其特征在于：由激光器出射的激光经过线偏振片之后得到线偏振激光束，然后依次进入两个凸透镜之后进行扩束准直；准直后的激光再经过反射镜进行反射，接着通过加载相位信息的空间光调制器，得到调制后的反射光束；将反射后的光束经过一个凸透镜，在凸透镜的后焦面得到分数阶艾里涡旋光束；将调制后得到的艾里涡旋光束垂直照射到透明粒子上，用计算机对空间光调制器进行控制，调整艾里涡旋光束的开口方向，对粒子进行操控。
3.根据权利要求2所述的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于：所述的空间光调制器由计算机操控，空间光调制器加载相位计算全息图，调控入射高斯光场的波前。加载分数阶艾里涡旋光束傅里叶变换的相位，通过计算机上位机软件对加载的相位图叠加跳变相位和衍射相位。
4.根据权利要求2所述的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于：所述的第三个凸透镜是为了进行傅里叶相位调制变换，最终得到分数阶艾里涡旋光束。
5.根据权利要求2所述的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于：所述的分数阶艾里涡旋光束开口方向调整方法为通过计算机对空间光调制器相位片进行相位跳变，从而改变分数阶艾里涡旋光束奇异相位的位置，如果把开口方向进行数值化的定义。以0-2pi分别表示开口方向angel的改变，则具体的开口方向调整思路如下：
先给出分数阶艾里高斯涡旋光束复振幅表达式：
其中，表示径向长度，/>用于涡旋相位调制A0表示初始电场的振幅，Ai(·)表示第一类艾里函数，r0决定了主艾里环的半径，w0是高斯因子的宽度，参数b决定了光束中艾里和高斯因子的分配比例，其控制了光束形状；截断因子α(0<α<1)对无限能量的艾里涡旋光束进行指数衰减，使其在物理上能够实现。m是艾里涡旋光的阶数，当m为分数时，光源表现为分数阶艾里涡旋光。与x轴正半轴平行的缺口方向angle定义为0，以逆时针为正方向旋转，进行开口方向的调整。将公式(1)中的/>减去angle的值，然后再对2π取模，即可得到调整后的具有特定缺口方向的分数阶艾里涡旋光束。
6.根据权利要求2所述的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于：所述的分数阶艾里涡旋光束对粒子的横向移动操纵是利用其光场的横向梯度力来实现的。
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