一种Gibbs-Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法技术

一种Gibbs

【技术实现步骤摘要】
一种Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法


[0001]本专利技术涉及微粒操纵及光学微加工领域，具体的说是一种具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的掩模版的设计方法。

技术介绍

[0002]涡旋光束(OV)由于携带轨道角动量这一全新自由度，是国际光学与光子学领域的一大研究热点，广泛应用于大容量光通信、全息光镊、光信息储存及光学微加工等前沿领域。其中，在光学微加工领域，与传统的微加工制备方案相比，OV加工的材料表面具有更加清晰、光滑等特性，此外，螺旋结构也表现出优异的光学和力学性能。
[0003]由多个OV组成的光学涡旋阵列(OVA)因其可提供更丰富的模式分布和自由度而引起了广泛关注和研究【Opt.Lett.41,1474(2016)；PhotonicsRes.6,641(2018)；Opt.Express26,22965(2018)】。然而，现有的OVA模式并没有基于应用需求进行建立，特别是对于光学微加工领域，通过OVA以实现多焦点并行加工的需求【Appl.Phys.Lett.116,011101(2020)；Science372,403(2021)】。当对材料进行多焦点并行微加工时，若待加工的材料具有限定的尺寸，则生成的OVA应考虑所加工材料的边界、材料边界内的利用率以及宏观结构的稳定性等问题，以有效地实现微结构的制备。因此，目前迫切需要开发一种具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的OVA。
[0004]综上所述，目前尚缺少一种可应用于多微粒操纵和边界可控光学微加工领域的OVA激光模式。

技术实现思路

[0005]为解决上述不足，本专利技术的目的是提供了一种Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法，通过该掩模版产生了具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列。
[0006]本专利技术利用计算全息原理，通过计算机编码得到Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的振幅调制相位掩模版，可产生具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列，因而在微粒操纵和光学微加工领域具有重要的应用价值。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：一种Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法，步骤如下：S1、获取Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的电场表达式：其中，(x,y)是空间光调制器SLM平面的笛卡尔坐标系，是SLM平面的极坐标系，N为Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列中涡旋的个数，k是波数，l是涡旋的拓扑荷值，n和α分别为锥透镜的折射率和锥角，S为Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列中每个涡旋的位置矩阵；S2、结合Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的振幅、相位与一个闪耀光栅，得到所述
Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列掩模版的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：t＝H0(x,y)exp[j(angle(H(x,y))+P0)]其中，||表示对复振幅求模，H0(x,y)＝H(x,y)
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T，T为宏像素的相位调制函数，angle()为求角向函数；S3、基于该复透过率函数所描述的掩模版即为所述的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列掩模版。
[0008]作为优选方案，所述闪耀光栅的相位表达式为：P0＝2πx/d，其中d为闪耀光栅的周期。本专利技术的技术效果：
[0009]本专利技术所设计的掩模版可以产生一种具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列。其阵列结构多样化、尺寸大小可调、排布模式(简单堆积与密堆积)可控，可实现阵列在边界条件内具有宏观结构稳定及利用率最大化等特性，相比之前无空间界限的阵列，显著提升了阵列结构边界的可控性、光学微加工的空间利用率、微粒光操纵的范围。因而在光学微加工、微粒操纵技术中具有非常重要的应用前景。
附图说明
[0010]图1是本专利技术产生的不同结构的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列掩模版。排布模式为密堆积，参数选取为τ＝π/3，结构分别为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形，结构参数分别选取为s＝3,4,5,6。
[0011]图2是图1展示的掩模版所生成的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列。
具体实施方式
[0012]图1是本专利技术产生的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列实施例的掩模版。具体实施方式为：
[0013]首先，基于相移技术我们可以知道，Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列(GWOVA)的电场表达式为：其中，(x,y)是空间光调制器(SLM)平面的笛卡尔坐标系，是SLM平面的极坐标系，N为GWOVA中的涡旋的个数，k是波数，l是涡旋的拓扑荷值(TC)，n和α分别为锥透镜的折射率和锥角，S为GWOVA中的每个涡旋的位置矩阵；闪耀光栅的相位表达式为：P0＝2πx/d。其中d为闪耀光栅的周期，其作用在于将上述的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的电场表达式在实验中生成出来；一种边界内的结构、排布模式可控的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的掩模版，其特点在于使用了Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的振幅、相位与一个闪耀光栅，其复透过率函数具体表达式为：t＝|H0(x,y)|exp[j(angle(H(x,y))+P0)]其中，||表示对复振幅求模，H0(x,y)＝H(x,y)
·
T，T为宏像素的相位调制函数，
angle()为求角向函数；基于该复透过率函数所描述的掩模版即为本专利技术所述的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列掩模版。
[0014]实验中令密排布模式参数τ取值为π/3，对于Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的复透过率函数，依次选取不同的结构参数s的值，得到了不同形状和涡旋数目的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列。图1为结构参数s以1为间隔依次从3取到6，密排布模式参数τ＝π/3得到的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的掩模版。实施例1：
[0015]以下以1024
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1024大小的掩模版为例，针对波长为532nm的激光给出了一种边界内的结构、排布模式可控的Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的掩模版。该掩模版排布模式参数选取τ＝π/3，结构参数分别选取为s＝3,4,5,6，根据具体实施方式中的掩模版透过率函数最终得到边界内的结构、排布模式可控的Gibbs
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法，其特征在于：步骤如下：S1、获取Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的电场表达式：其中，(x,y)是空间光调制器SLM平面的笛卡尔坐标系，是SLM平面的极坐标系，N为Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列中涡旋的个数，k是波数，l是涡旋的拓扑荷值，n和α分别为锥透镜的折射率和锥角，S为Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列中每个涡旋的位置矩阵；S2、结合Gibbs
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Wulff光学涡旋阵列的振幅、相位与一个闪耀光栅，得到所述Gibbs

【专利技术属性】
技术研发人员：台玉萍，秦雪云，李新忠，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：