[发明专利]一种斜线压缩相位阶跃的涡旋光束掩模板的设计方法

说明书

一种斜线压缩相位阶跃的涡旋光束掩模板的设计方法，步骤如下：结合一个求余函数、一个平面波因子和二值径向截止因子，得到该涡旋光束掩模板的透过率函数T，通过选取不同参数值m、K与a₁，带入所述的透过率函数T即可获得所述的斜线压缩相位阶跃的涡旋光束掩模板。通过该设计方法制作的掩模板可产生了斜线压缩相位阶跃的涡旋光束。这种斜线压缩相位阶跃的涡旋光束其奇点成螺旋形分布，且压缩斜线的斜率控制着奇点排布的螺旋度，提供了一种前所未有的新型光场模式分布，在微粒操纵领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及微粒光操纵领域，具体的说是一种斜线压缩相位阶跃的涡旋光束掩模板的设计方法。

背景技术

光学涡旋携带轨道角动量，在光学诱捕、操纵微小粒子等方面有着广泛的应用。成为近年来信息光学领域一个非常重要的研究热点。

在对微粒光操纵的研究中，涡旋光束模式的丰富性直接决定着光操纵的灵活性。其中一个突出的例子是分数阶涡旋光束的应用，2005年，袁小聪等成功使用了分数阶涡旋光束实现了粒子排序【Opt.Express，2005，7726-7731】。另外的例子主要集中于非对称涡旋光束的生成。2015年JoséA.Rodrigo等研究了自由式3D激光陷阱，一种可用于研究光驱动粒子动力学的工具，其中完成了不同形状的光束对粒子的捕获。【Optica，2015，812-815】。2016年，ALEXEYA.KOVALEV等使用非对称拉盖尔-高斯光束操纵微粒，实现了微粒在光环上的变加速运动【Opt.Lett.41,2426(2016)】。2018年，JoséA.Rodrigo等进一步研究，使用三维塑形光束实现了一种有节点的光学操纵。

然而，目前的非对称模式分布主要集中于相位梯度的调控，而对于相位阶跃的调控还仅仅局限了分数阶涡旋光束的生成。因此对于相位阶跃的调控有待进一步研究。综上可知，为了进一步拓宽涡旋光束的模式分布，目前尚缺少一种针对相位阶跃调控的新型光场。

发明内容

本发明目的是为解决上述技术问题的不足，提供了一种斜线压缩相位阶跃的涡旋光束掩模板的设计方法，通过该设计方法制作的掩模板可产生了斜线压缩相位阶跃的涡旋光束。这种斜线压缩相位阶跃的涡旋光束其奇点成螺旋形分布，且压缩斜线的斜率控制着奇点排布的螺旋度，提供了一种前所未有的新型光场模式分布，在微粒操纵领域具有重要的应用价值。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种斜线压缩相位阶跃的涡旋光束掩模板的设计方法，

步骤一、结合一个求余函数、一个平面波因子和二值径向截止因子，得到该涡旋光束掩模板的透过率函数T，其透过率函数T表达式为：

其中，(r,θ)为极坐标系变量；w为光束的束腰半径；m为所提出斜线压缩相位阶跃的涡旋光束的拓扑荷值；im2bw[exp(-r²/w²)(2r²/w²)^|m|/2]为将灰度矩阵exp(-r²/w²)(2r²/w²)^|m|/2转变为二值矩阵的函数，用以实现一个径向的截止，将入射光能量限制在一个与拓扑荷m有关的圆环上；ang(A)＝atan(A_imag/A_real)是对虚数A求角向函数，其中，A_real与A_imag分别是虚数A的实部与虚部；rem(θm,f)为求余函数，表示函数θm按位除以函数f得到的余数，其用以对相位实现斜线压缩；f是与斜线斜率有关的阶梯函数；2πx/d为闪耀光栅项，用以产生一个周期为d的平面波因子，其作用是将能量集中于+1级衍射；