[发明专利]一种可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板的设计方法

说明书

一种可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板的设计方法，结合一个中心对称螺旋相位因子，一个锥透镜透过率函数和一个闪耀光栅，得到该中心对称涡旋光束掩模板的复透过率函数t；将该复透过率函数t通过计算机加载到空间光调制器中，即得到可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板。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大小以及光环半径可调的中心对称涡旋光束；其光环上左右两侧的光瓣大小由相位重建因子PRF控制，其光环半径大小由锥透镜的锥角大小来控制，因而在微粒操纵领域中具有非常重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及微粒操纵领域，具体的说是一种可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板的设计方法。

背景技术

由于光学涡旋携带轨道角动量，因此广泛应用于微粒操纵，高容量光通信，光学测量和天文观测等领域。在微粒操纵领域，涡旋光束的光强和轨道角动量分别提供了梯度力和角向的光扳手力。因此，发展新的技术来调控其光强和轨道角动量分布是非常有意义的。

关于涡旋光束轨道角动量的调控，目前已有大量的研究工作，其中最常用的方法就是调控其拓扑荷值【Phys.Rev.A45,8185-81891992】。但这种方法只能通过改变涡旋光束的拓扑荷值来改变轨道角动量的大小，但是其轨道角动量的分布不能被调控，限制了涡旋光束在微粒操纵领域尤其是对复杂粒子的操控。为了打破这个限制，Kovalev通过对传统的光学涡旋添加一个离轴因子，得到了具有新月形光强和轨道角动量分布的非对称Bessel模式【Opt.Lett.39,2395-23982014】。2014年赵建林课题组通过调控相位梯度因子，提出了一种螺旋形的幂指数相位型涡旋光束【Opt.Express 22,7598-76062014】。2015年，Rodrigo通过光束塑形技术，产生了一种具有三维空间结构的涡旋光场【Optica 2,812-8152015】。虽然利用上述方法产生的光场具有丰富的空间模式分布，但是他们的轨道角动量在光环内都是连续的。在微粒操纵领域，还需要一种具有分离的轨道角动量分布的非对称涡旋光场。

综上所述，在微粒操纵领域中，尚缺少一种可用于微粒操纵的光瓣大小和光环半径可控的中心对称涡旋光束，用以应对微粒操纵领域尤其是对细胞簇分离的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板的设计方法，通过该方法所得的掩模板可产生光瓣大小和光环半径可控的中心对称涡旋光束，在微粒操纵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技术方案是：

一种可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板的设计方法，结合一个中心对称螺旋相位因子，一个锥透镜透过率函数和一个闪耀光栅，得到该中心对称涡旋光束掩模板的复透过率函数t，其复透过率函数具体表达式为：

t＝t_αexp[i·(angle(E_c)+P)]

其中，t_α为锥透镜透过率函数；E_c为中心对称螺旋相位因子；P为闪耀光栅的相位表达式，angle(·)为对该中心对称螺旋相位因子求相位的函数；将该复透过率函数t通过计算机加载到空间光调制器中，即产生可自由调控的中心对称涡旋光束的掩模板。

所述的锥透镜透过率函数t_α表达式为：

式中，r为极坐标系下的径向参数，R为锥透镜的光瞳半径，n为锥透镜使用的材料的折射率，α为锥透镜的锥角，k为波矢。通过调控锥透镜的锥角可以调控该中心对称涡旋光束的光环半径。

所述的中心对称螺旋相位因子E_c的表达式为：