[发明专利]一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法

说明书

一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，结合了一个嫁接螺旋相位因子和一个闪耀光栅以及一个锥透镜透过率函数，得到该嫁接涡旋光束掩模板的复透过率函数t_G，所述的闪耀光栅用于分离所需的嫁接涡旋光束与零级光斑；将该复透过率函数通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生所述的嫁接涡旋光束的掩模板。本方法，可以实现在该掩模板的远场产生一种光扳手力可局部自由调控的嫁接涡旋光束，通过改变两个或多个嫁接的光学涡旋的拓扑荷可自由控制该嫁接涡旋光束环上的局部光扳手力的大小和方向，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及微粒操纵领域，具体的说是一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法。

背景技术

光学涡旋因携带有轨道角动量，在微粒操纵、光学测量、图像处理、基于轨道角动量的光通信等多种领域有着广泛应用，成为了近年来光学领域的一大研究热点。

在微粒操纵领域，涡旋光束的光强提供了梯度力，其携带的轨道角动量提供了一种角向的光扳手力。调控其轨道角动量分布可以改变其光扳手力的分布，从而实现微粒的复杂操纵。对于轨道角动量的调控，最直接的方法就是调控其拓扑荷值【Phys.Rev.A,1992,8185-8189】。但是该方法只能实现光环上均匀的轨道角动量分布。为了调控轨道角动量分布，2014年，李鹏等人通过调控相位梯度因子，生成了一种螺旋形的幂指数相位型涡旋光束【Opt.Express,2014,7598-7606】。2015年，Rodrigo生成了具有三维自由空间结构的涡旋光场【Optica,2015,812-815】。2016年，Kovalev产生了一种具有新月形光强和轨道角动量分布的非对称拉盖尔-高斯光束【Opt.Lett.,2016,2426-2429】。虽然上述方法产生的涡旋光场具有丰富的轨道角动量分布，但是其轨道角动量分布强烈依赖光强分布。在微粒操纵领域，还需要一种轨道角动量不依赖于光强分布的涡旋光场。

综上所述，在微粒操纵领域中，尚缺少一种光环上局部光扳手力可自由调控且光强保持恒定的嫁接涡旋光束，用以应对微粒操纵领域尤其是微粒的变速运动的需求。

发明内容

为解决上述技术问题的不足，本发明提供了一种光环上局部光扳手力可自由调控且光强保持恒定的嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，并通过该方法所得的掩模板产生了局部光扳手力能够自由调控的嫁接涡旋光束，在微粒操纵领域具有重要应用。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法，结合了一个嫁接螺旋相位因子和一个闪耀光栅以及一个锥透镜透过率函数，得到该嫁接涡旋光束掩模板的复透过率函数t_G，其复透过率函数具体表达式为：

t_G＝t_τexp(i·E_G+Q)

其中，t_τ是锥透镜复透过率函数；E_G为嫁接螺旋相位因子；Q为闪耀光栅的相位表达式；所述的闪耀光栅Q的表达式为：

其中，D为该闪耀光栅的相位周期，在嫁接涡旋光束的实验产生中，该闪耀光栅的作用是分离所需的嫁接涡旋光束与零级光斑；

将该复透过率函数通过计算机加载到空间光调制器中，即可产生所述的嫁接涡旋光束的掩模板。

所述的锥透镜透过率函数t_τ表达式为：

其中，r为极坐标系下的径向参数，R为锥透镜的光瞳半径，n为锥透镜的折射率，α为锥透镜的锥角，k为波矢。

所述的嫁接螺旋相位因子E_G的表达式为：