一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法技术

一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，结合两个重建的螺旋相位因子和两个锥透镜复透过率函数，得到该反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数，通过计算机将上述复振幅透过率函数加载至空间光调制器中即可产生所需的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数保持不变的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。并使用该掩模板产生光环上涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列,用以应对微粒操纵领域尤其是对不同大小微粒进行同时捕获的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法
本专利技术涉及微粒操纵领域，具体的说是一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法。
技术介绍
由于光学涡旋携带轨道角动量，在微粒捕获，光镊等方面有着广泛的应用。因此成为光学领域一个重要的研究热点，吸引了研究人员的广泛关注。而涡旋阵列由于其携带多个涡旋，提供了额外的调控自由度，在微操纵领域中的多微粒捕获的应用中成为一个重要的研究热点。而在这些应用中，涡旋阵列的涡旋分布具有重要的研究意义。通过光强连接的涡旋阵列光束，一般是利用两束或多束空间结构光束的同轴叠加来产生。2007年，S.Franke-Arnold等人通过对两束具有特殊拓扑荷值的拉盖尔-高斯光束同轴干涉叠加产生一种可用于原子冷却的环形光学涡旋阵列【Opt.Express，2007，8619-8625】。2013年，Vaity等人利用马赫-曾德尔干涉仪对两束高斯光束叠加产生具有高能量的涡旋阵列光束【Appl.Opt.2013,6652-6656】。2017年，Ma等人通过叠加两束同心的完美涡旋光束得到了一种涡旋数目可灵活调控的涡旋阵列光束【Ann.Phys-Berlin2017,1700285】。2018年，Li等人基于全息光束塑形技术，产生了具有丰富结构的涡旋阵列，其光环上涡旋分布可以沿着任意曲线轨迹分布【Opt.Express2018,9798-9812】。然而上述方案产生的涡旋阵列的涡旋都是均匀分布在光环上。在微粒操纵领域，还需要一种可以实现不改变光环上涡旋总数的条件下调控光环局域上的涡旋分布的反常环形连接的涡旋阵列。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环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束，用以应对微粒操纵领域尤其是对不同大小微粒进行同时捕获的需求。
技术实现思路
为解决上述不足，本专利技术的目的是提供了一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，并使用该掩模板产生光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列,用以应对微粒操纵领域尤其是对不同大小微粒进行同时捕获的需求。本专利技术基于计算全息方法，在远场构造了一种反常环形连接的涡旋阵列。这种反常环形连接的涡旋阵列可以灵活调控光环上局域涡旋的分布情况且涡旋的总数保持不变，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。本专利技术所采用的技术方案是：一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，结合两个重建的螺旋相位因子和两个锥透镜复透过率函数，得到该反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：其中，为一个极坐标系，ρ为极坐标系径向变量，为极坐标系角向变量，exp(·)为以自然常数e为底的指数函数，i为虚数单位，k为所提出的反常环形连接的涡旋阵列光束的波数，n为锥透镜材料的折射率，αa和αb分别为两个锥透镜的锥角因子，Ψa和Ψb分别为两个重建的螺旋相位因子；通过计算机将上述复振幅透过率函数加载至空间光调制器中即可产生所需的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数保持不变的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。所述的重建螺旋相位因子Ψa和Ψb表达式分别为：式中，n’＝1、2为编号；rect(.)矩形函数；man’和mbn’分别为两个重建螺旋相位因子Ψa和Ψb的局域拓扑荷参数，满足关系|ma1+ma2|＝|mb1+mb2|；其阵列涡旋总数满足关系N＝N1+N2＝|mb1-ma1|/2+|mb2-ma2|/2，其中N表示光环上涡旋总数，N1表示光环下半部分的涡旋数目，N2表示光环上半部分的涡旋数目。通过分别调控man’和mbn’的大小，可以调控产生的反常环形连接的涡旋阵列的局域涡旋分布情况。在实验中，利用平行光束照射在加载有反常环形连接的涡旋阵列掩模板的空间光调制器上，由空间光调制器调制后反射的光束经过一个凸透镜即可在远场产生该光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束。本专利技术的技术效果：本专利技术所设计的掩模板可以实现在该掩模板的远场产生一种光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束。涡旋在光环的下半环和上半环的涡旋数目分别由两个重建螺旋相位因子Ψa和Ψb的局域拓扑荷参数的差值|mb1-ma1|/2和|mb2-ma2|/2来控制。光环上局域涡旋数目的增加或减少使得相应局域涡旋暗核区域的减小和增大，可以实现同时对不同大小的微粒进行捕获，因而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是本专利技术产生光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板。重建螺旋相位因子的局域拓扑荷参数分别为选取ma1依次以1为间隔从4取到1,ma2依次以1为间隔从4取到7,mb1＝mb2＝-4。图2是利用图1中所展示的掩模板生成的反常环形连接的涡旋阵列光束。具体实施方式图1是本专利技术产生的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板，其复透过率函数具体表达式为：其中，为一个极坐标系，ρ为极坐标系径向变量，为极坐标系角向变量，exp(·)为以自然常数e为底的指数函数，i为虚数单位，k为所提出的反常环形连接的涡旋阵列光束的波数，n为锥透镜材料的折射率，αa和αb分别为两个锥透镜的锥角因子，Ψa和Ψb分别为两个重建的螺旋相位因子。通过计算机将上述复振幅透过率函数加载至空间光调制器中即可产生所需光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数保持不变的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。所述的重建螺旋相位因子Ψa和Ψb表达式分别为：式中，n’＝1、2为编号；rect(.)矩形函数；man’和mbn’分别为两个重建螺旋相位因子Ψa和Ψb的局域拓扑荷参数，满足关系|ma1+ma2|＝|mb1+mb2|；其阵列涡旋总数满足关系N＝N1+N2＝|mb1-ma1|/2+|mb2-ma2|/2，其中N表示光环上涡旋总数，N1表示光环下半部分的涡旋数目，N2表示光环上半部分的涡旋数目。通过分别调控man’和mbn’的大小，可以调控产生的反常环形连接的涡旋阵列的局域涡旋分布情况。实验中首先给出两个锥透镜的锥角因子αa和αb，通过连续调节αa和αb的差值，生成所提出的反常环形连接的涡旋阵列光束。将重建螺旋相位因子局域拓扑荷参数mbn’取固定值，此外重建螺旋相位因子局域拓扑荷参数man’依次取不同拓扑荷值得到光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束。图1为重建螺旋相位因子的局域拓扑荷参数分别为选取ma1依次以1为间隔从4取到1,ma2依次以1为间隔从4取到7,mb1＝mb2＝-4得到的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。实施例以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列。该掩模板锥透镜的锥角因子分别取αa＝0.07rad和αb＝0.08rad，重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，其特征在于：结合两个重建的螺旋相位因子和两个锥透镜复透过率函数，得到该反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：/n

【技术特征摘要】
1.一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，其特征在于：结合两个重建的螺旋相位因子和两个锥透镜复透过率函数，得到该反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：



其中，为一个极坐标系，ρ为极坐标系径向变量，为极坐标系角向变量，exp(.)为以自然常数e为底的指数函数，i为虚数单位，k为所提出的反常环形连接的涡旋阵列光束的波数，n为锥透镜材料的折射率，αa和αb分别为两个锥透镜的锥角因子，Ψa和Ψb分别为两个重建的螺旋相位因子；
通过计算机将上述反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数加载至空间光调制器中即可产生所需的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数保持不变的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。


2.根据权利要求1所述的一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板，其特征在于：
所述的两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新忠，张浩，李懋，王亚坤，朱刘昊，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41