[发明专利]一种方向可控的弯曲光学瓶的制备方法及系统

说明书

本发明公开了一种方向可控的弯曲光学瓶的制备方法及系统，该制备方法包括通过计算机仿真模拟平面波与抛物轨迹相位调制后的圆皮尔斯涡旋光束发生干涉，光束的振幅和相位信息加载到干涉条纹上，获取相位全息图后传输到空间光调制器中；开启氦氖激光器发射高斯光束通过扩束器和非偏振分束立方镜；光照射到空间光调制器后，经过4f系统传播后即可获得抛物轨迹相位调制后的圆皮尔斯涡旋光束；将抛物轨迹相位作用的圆皮尔斯涡旋光束在无扰动的空气中传输，就可以得到圆皮尔斯涡旋光束沿预先设定好的抛物轨迹进行传输，并且在传输过程中自发形成一个三维的弯曲光瓶。本发明可实现弯曲光瓶的方向可控，在捕获操纵粒子方面具有更高的自由度。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种方向可控的弯曲光学瓶的制备方法及系统。

背景技术

激增自聚焦特性能够使光束在到达目标之前能量以数量级倍数聚焦，具有该特性的光束在生物医疗和光学微操作方面有巨大的潜在应用。圆皮尔斯光束是具有圆对称轮廓的新型光束，由于该光束具有激增自聚焦和自愈等良好特性备受关注研究。

在1986年，A.Ashkin等人发现紧聚焦光束可以对微粒施加光力，提出了“光镊”概念并成功地在实验中实现对微粒三维方向的捕获，在生物、物理、化学和软凝物质物理等领域有较大应用。但较为局限的是，光镊只能用于引导和操纵单个粒子。在2000年，J.Arlt等人提出了“光学瓶“，光瓶光束在各个方向上形成一个由光包围的暗区，在三维上实现一个闭合的三维陷阱，将光镊的应用范围由单个粒子拓展到了多个粒子。

此后，利用光束捕获操纵多个粒子方面吸引了光学领域众多学者的关注，对产生光瓶的方法展开更深层次的研究。例如：2004年B.P.S.Ahluwalia等人通过自像效应实现光瓶的产生；2011年P.Zhang等人通过莫尔条纹技术产生光瓶；同年I.Chremmos等人通过傅立叶空间生成光瓶等。然而现有技术中产生的光瓶自由性较低，可调参数有限，并且无法调控光瓶方向。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种方向可控的弯曲光学瓶的制备方法及系统，通过相位调制使圆皮尔斯涡旋光束沿抛物轨迹传播，从而形成一个可弯曲的光瓶，通过调控光瓶的弯曲方向可以实现从不同方向捕获和操纵粒子。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一方面，本发明提供一种方向可控的弯曲光学瓶的制备方法，包括如下步骤：

通过计算机仿真模拟平面波与抛物轨迹相位调制后的圆皮尔斯涡旋光束发生干涉，光束的振幅和相位信息加载到干涉条纹上，获取相位全息图后传输到空间光调制器中；

空间光调制器加载相位全息图；

开启激光器发射高斯光束；

扩束器对高斯光束进行准直扩束处理；

非偏振分束立方镜对扩束后的高斯光束进行分光处理，一部分传输至空间光调制器后继续传播；

光照射到空间光调制器后，经过4f系统进行滤波，获得抛物轨迹相位调制后的圆皮尔斯涡旋光束；

将抛物轨迹相位作用的圆皮尔斯涡旋光束在无扰动的空气中传输，就可得到圆皮尔斯涡旋光束沿预先设定好的抛物轨迹进行传输，并且在传输过程中自发形成一个三维的弯曲光瓶。

进一步地，所述4f系统包括两个透镜和一个光阑；光阑处于两个透镜之间，且到两个透镜的距离为各自透镜的焦距；其中，第一个透镜对光束进行傅里叶变换，得到频谱面；光阑用于选取所述频谱面的正一级干涉条纹；第二个透镜用于对经光阑选取后的光束进行逆傅里叶变化，获得抛物轨迹相位调制的圆皮尔斯涡旋光束。

进一步地，抛物轨迹相位作用于圆皮尔斯涡旋光束的具体调制过程为：

初始平面的圆皮尔斯涡旋光表达式为