一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板及光路系统技术方案

本发明专利技术的目的在于进一步拓宽涡旋光场模式，提出了一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板及光路系统。该相位掩模板通过将其输入反射式空间光调制器来产生亮核涡旋光束，其结合了一个经过局部旋转组合的螺旋相位因子与一个平面波复振幅，透过率函数表达式为：

A Phase Mask and Optical Path System for Implementing Vortex Beams in Bright Nuclei

The object of the present invention is to further broaden the mode of the vortex light field, and to propose a phase mask and an optical system for realizing the bright core vortex light beam. The phase mask generates bright core vortex beams by inputting them into a reflective spatial light modulator. It combines a spiral phase factor combined with a plane wave complex amplitude through local rotation. The transmittance function is expressed as follows:

【技术实现步骤摘要】
一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板及光路系统
本专利技术涉及微粒光操纵领域，具体涉及一种相位掩模板以及光路系统。
技术介绍
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。传统涡旋光束其中心为一个暗核，这种独特的空心结构使得涡旋光束在光学涡旋日冕观察仪、超分辨显微成像、微粒的旋转与操纵等领域有着重要的应用价值。其中，对于微操纵领域来说，光束丰富的模式分布往往在一些特殊场合有着重要的应用价值。例如，分数阶涡旋光束可以实现粒子排序【Opt.Express，2005，7726-7731】；三维光束塑形实现粒子沿任意轨道旋转【Optica，2015，812-815】；非对称拉盖尔-高斯光束实现粒子变加速运动【Opt.Lett.41,2426(2016)】。综上可知，对涡旋光束丰富模式探究的研究具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于进一步拓宽涡旋光场模式，提出了一种亮核涡旋光束掩模板，利用该掩模板可获得能够应用于微操纵领域的中心亮核涡旋光束。本专利技术利用计算全息原理，通过光束复振幅设计使涡旋光束局部进行旋转拓展，从而在远场产生亮核涡旋光束；这种亮核涡旋光束可以任意控制亮核大小，且亮核具有低角动量分布的特点，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。为了实现上述目的，本专利技术给出的技术方案是：一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板，通过将其输入反射式空间光调制器来产生亮核涡旋光束，该相位掩模板结合了一个经过局部旋转组合的螺旋相位因子与一个平面波复振幅，其透过率函数表达式为：其中，m是相应亮核涡旋光束的拓扑荷值；N为旋转调控因子，控制着中心亮核大小，其取值为大于m的整数，i为虚数单位；step(.)是阶跃函数，为角向控制函数，求和变量n与相关，阶跃函数中相当于减去了一个常数从而旋转了一下；circ(r)为一个环形光阑的透过率函数，用于避免入射光束对亮核涡旋光束质量的影响；Ep为平面波因子相应的电场场强。进一步的，上述环形光阑的透过率函数circ(r)的表达式为：其中r为极坐标系极径，R为环形光阑半径。进一步的，角向控制函数的表达式为：其中为极坐标系角向变量。由于前述局部旋转组合的螺旋相位因子其本质上相当于螺旋相位信号与恒定相位信号的一种混合模式，因此在其产生后是不稳定的；随着传播，两种信号逐渐分离，最终在远场截面可以独立观察到两种信号，因而会形成中心亮核的涡旋光束；为了将该信号解析出来，使用平面波因子，其电场表达式为：Ep＝E0exp(-ikz)其中z为传播距离，E0为振幅强度，k为波数；所述的平面波因子作用在于将上述的局部旋转组合的螺旋相位因子的电场表达式在实验中解析出来；具体来说，实现了一个所述的局部旋转组合的螺旋相位因子与平面波干涉的过程，从而生成相位掩模板；在实验中可调制平面波作为所提出的亮核涡旋光束掩模板的入射光束，从而在远场得到亮核涡旋光束。将上述掩膜板输入一台反射式空间光调制器即可产生亮核涡旋光束，具体的光路系统包括：沿入射光路依次设置的连续波激光器、反射镜、准直扩束器、起偏器以及分束立方体；经过所述准直扩束器后的光束近似为平面波，并经过起偏器后变为线偏振光，再经分束立方体后分为反射光束和透射光束；其中，反射光束照射在写有上述相位掩模板的反射式空间光调制器上；经该反射式空间光调制器调制后依次通过分束立方体、检偏器，再经过凸透镜进行傅里叶变换，在其后焦平面上得到掩模板远场光束，即亮核涡旋光束。可通过小孔光阑筛选出+1级衍射光束，由一台CCD相机成像记录所述的亮核涡旋光束的光强。本专利技术的技术效果：该掩模板可以实现在该掩模板的远场产生亮核涡旋光束；其拓扑荷数由参数m确定，中心亮核大小由一个大于m的整数N确定，N的取值上限由实验光路的数值孔径确定；由于每一个拓扑荷值m均可对应一系列旋转调控因子N，从而对所提出的亮核涡旋光束模式进行调控，极大地拓宽了涡旋光场模式的丰富性，在微粒操纵技术中具有非常重要的应用前景。附图说明图1是本专利技术产生亮核涡旋光束的掩模板；亮核涡旋光束拓扑荷参数取值m＝5，旋转调控因子N分别取6、7、8。图2是使用所述的亮核涡旋光束掩模板产生亮核涡旋光束的实验光路原理图；图中标记：100、连续波激光器，110、反射镜，120、准直扩束器，130、凸透镜，140、起偏器，141、检偏器，150、分束立方体，200、反射式空间光调制器，210、小孔光阑，300、CCD相机。图3是图1中所展示的掩模板生成的亮核涡旋光束。具体实施方式该亮核涡旋光束掩模板的透过率函数可以表示为：其中，m是所提出亮核涡旋光束的拓扑荷值，在本具体实施方式中取值为5；N为旋转调控因子，控制着中心亮核大小，其取值大于m的整数；图1示意了不同旋转调控因子取值下生成的掩模板；step(.)是阶跃函数；circ(r)为一个环形光阑，避免入射光束对所提出掩模板产生亮核涡旋光束质量的影响，其可以表示为：其中r为极坐标系极径，R为环形光阑半径，具体实施方式中R取值为4.48mm；所述的为角向控制函数，其可以表示为：其中为极坐标系角向变量；由于所述的局部旋转组合的螺旋相位因子其本质上相当于螺旋相位信号与恒定相位信号的一种混合模式，因此在其产生后是不稳定的；随着传播，两种信号逐渐分离，最终在远场截面可以独立观察到两种信号，因而会形成中心亮核的涡旋光束；为了将该信号解析出来，使用所述的平面波因子，其电场表达式为：Ep＝E0exp(-ikz)其中z为传播距离，E0为振幅强度，k为波数；所述的平面波因子作用在于将上述的局部旋转组合的螺旋相位因子的电场表达式在实验中解析出来；具体来说，实现了一个局部旋转组合的螺旋相位因子与平面波干涉的过程，从而生成相位掩模板。实验中可调制平面波作为所提出的亮核涡旋光束掩模板的入射光束，如图2所示，掩膜板输入一台反射式空间光调制器200来产生亮核涡旋光束，从而在远场得到亮核涡旋光束。图2所示光学系统架构与本领域应用反射式空间光调制器的现有技术类似。具体如下：步骤一、打开连续波激光器100电源，连续波激光器100发出的光束被反射镜110反射后，进入准直扩束器120进行扩束准直，准直后的光束近似为平面波，并经过起偏器140后变为线偏振光，照射在分束立方体150上；经分束立方体150后的光束被分为两束，一束为反射光，一束为透射光；其中，反射光束照射在写有亮核涡旋光束的掩膜板的反射式空间光调制器200上；步骤二、光束经写有亮核涡旋光束的掩膜板的反射式空间光调制器200调制后通过分束立方体150与检偏器141，再经过凸透镜130进行傅里叶变换在其后焦平面上得到掩模板远场光束，即所述的亮核涡旋光束。最终通过小孔光阑210筛选出+1级衍射光束，由一台CCD相机300成像记录亮核涡旋光束的光强。以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了一种亮核涡旋光束掩模板；该掩模板拓扑荷值取值为5，根据具体实施方式中的掩模板透过率函数最终得到亮核涡旋光束掩模板；图1给出了不同旋转调控因子取值下生成的掩模板；这种亮核涡旋光束掩模板可以通过一个空间光调制器来实现；以德国Holoeye公司的PLUTO-VIS-016型相位空间光调制器为例，其像素尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板，通过将其输入反射式空间光调制器来产生亮核涡旋光束，其特征在于：该相位掩模板结合了一个经过局部旋转组合的螺旋相位因子与一个平面波复振幅，其透过率函数表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板，通过将其输入反射式空间光调制器来产生亮核涡旋光束，其特征在于：该相位掩模板结合了一个经过局部旋转组合的螺旋相位因子与一个平面波复振幅，其透过率函数表达式为：其中，m是相应亮核涡旋光束的拓扑荷值；N为旋转调控因子，控制着中心亮核大小，其取值为大于m的整数；step(.)是阶跃函数，为角向控制函数，求和变量n与相关；circ(r)为一个环形光阑的透过率函数，用于避免入射光束对亮核涡旋光束质量的影响；Ep为平面波因子相应的电场场强。2.根据权利要求1所述的用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板，其特征在于：环形光阑的透过率函数circ(r)的表达式为：其中r为极坐标系极径，R为环形光阑半径。3.根据权利要求1所述的用于实现亮核涡旋光束的相位掩模...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新忠，汤洁，王屹山，李静，雷冰莹，王静，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61