產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法，基于具有旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片在準(zhǔn)直光束的照射下產(chǎn)生渦旋光束的整形原理，對旋轉(zhuǎn)位相的方位角乘以一個(gè)比例常數(shù)且設(shè)旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)階數(shù)為超高級次，從而在垂直于光軸方向的觀察(或成像)平面產(chǎn)生光強(qiáng)分布類似于直線的光線，由于該光線是由旋轉(zhuǎn)位相產(chǎn)生的，具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量，稱之為渦旋光線。該光束能在垂直于光軸的觀察平面無機(jī)械移動(dòng)式地移動(dòng)微粒。通過疊加多個(gè)被閃耀光柵調(diào)制的旋轉(zhuǎn)位相分布于同一個(gè)位相片上，可以產(chǎn)生平行排列的渦旋光線陣列。本發(fā)明產(chǎn)生的光束具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，且產(chǎn)生方法簡單、靈活，可用于光鑷技術(shù)、光束整形和激光應(yīng)用等領(lǐng)域。
【專利說明】產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光束整形、光束應(yīng)用和光鑷技術(shù)等領(lǐng)域，利用光束整形的方法產(chǎn)生渦旋光線或渦旋光線陣列，可用于激光在成像平面無機(jī)械操控地移動(dòng)微粒、激光加工、或新型光束性質(zhì)分析等，本發(fā)明具體涉及一種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著光束整形技術(shù)和微納技術(shù)的發(fā)展，光鑷技術(shù)在物理、電子、化學(xué)、材料、冶金、醫(yī)藥、生物等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和實(shí)際應(yīng)用。光鑷技術(shù)是利用高度聚焦的激光光束固定、移動(dòng)、拉伸、或旋轉(zhuǎn)等手段操控微米、納米，甚至原子級別的微小物體的技術(shù)。例如，利用光鑷，可以將微米級別的物體固定在溶液中的某一位置，或無物理接觸式地將物體從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方，或者旋轉(zhuǎn)物體，或者拉伸或壓縮物體，等等。相比其它機(jī)械式接觸和操控物體的方法，光鑷具有無接觸、無損傷、精確地操控微粒的優(yōu)點(diǎn)。眾所周知，激光光束是由光子組成，且光子具有動(dòng)量。當(dāng)高度聚焦的激光光束遇到微小物體時(shí)，光束會(huì)發(fā)生反射、折射、或被吸收，即光子的動(dòng)量發(fā)生了改變，由此會(huì)產(chǎn)生沖量，發(fā)生作用力與反作用力。根據(jù)光束被物體反射、折射、或吸收的類型，激光光束產(chǎn)生的力會(huì)使被照射物體產(chǎn)生向光束聚焦中心靠近或遠(yuǎn)離的運(yùn)動(dòng)，即微粒會(huì)沿著光子流動(dòng)方向正向或反向運(yùn)動(dòng)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，我們可能需要微粒在垂直于光束傳播方向的平面移動(dòng)，例如，當(dāng)我們利用顯微鏡的物鏡聚焦光束時(shí)，顯微鏡觀察平面和光束傳播方向是互相垂直的。因此，要操控顯微鏡觀察平面中的微粒，一般利用在觀察平面移動(dòng)光束或移動(dòng)顯微鏡載物臺的方法來實(shí)現(xiàn)，但是上述方法受到光束或載物平臺的機(jī)械移動(dòng)裝置的精度限制，而且有些操作如物體旋轉(zhuǎn)或按指定路線移動(dòng)就很難實(shí)現(xiàn)。Brzobdw技[I]等人利用兩束互成一定角度的光束產(chǎn)生名為”tractorbeam”的光束，這種光束的合力方向落在顯微鏡的觀察平面，由此可以驅(qū)動(dòng)微粒在觀察平面運(yùn)動(dòng)。Kajomttejnukiil [2], Mansuripur[3]等人則利用被照射微粒的棱鏡效應(yīng)，使微粒附近的較小物體在觀察平面移動(dòng)并靠近或遠(yuǎn)離該微粒。但是，上述方法都存在微粒操控距離短，操控光束形成條件苛刻等問題。雖然利用光束的旋轉(zhuǎn)位相或偏振特性可以使微粒在垂直于光束傳播方向的觀察平面旋轉(zhuǎn)，如渦旋光束[4]和圓偏振光束[5]，但是該類光束只能使微粒旋轉(zhuǎn)，無法使微粒在觀察平面沿直線移動(dòng)。雖然利用放置在觀察平面的光波導(dǎo)可以使微粒沿著波導(dǎo)運(yùn)動(dòng)[6]，但是光波導(dǎo)的制作和光耦合仍然是非常棘手的難題。由于光波導(dǎo)的截面尺寸在微米或亞微米級別，且材料的選用需要考慮溶液的折射率而不是空氣的折射率，另一方面，外部光源的光束與光波導(dǎo)之間高效且方便的光耦合仍是目前的技術(shù)瓶頸之一，因此，光波導(dǎo)用于光鑷的應(yīng)用仍受到制約。
[0003]因此，有必要設(shè)計(jì)一種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線和
[0013]渦旋光線陣列的方法，該產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法實(shí)施方便，產(chǎn)生方法簡單、靈活。
[0014]發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0015]一種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的潤旋光線的方法，將準(zhǔn)直光束照射具有旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片，在與光軸方向垂直的成像平面成像；其特征在于，所述的位相片的方位角為:【方位角又稱Azimuth angle,是從某點(diǎn)的指北方向線起，依順時(shí)針方向到目標(biāo)方向線之間的水平夾角?！縖0016]Θ =a.y/x ；
[0017]式中，X和y分別為X和y軸方向的坐標(biāo)點(diǎn)值，a為方位角比例常數(shù),為實(shí)常數(shù)；且a古I ;【a取I的時(shí)候,成像是圓形的，a的絕對值取值離I越遠(yuǎn)，成像越接近直線】
[0018]【在二維平面內(nèi)，平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，該點(diǎn)取值由上式確定，即方位角大小范圍為0-2pi，該值即為位相片的位相值。如果用灰度圖來畫出這些位相值分布，將位相值0-2pi與灰度值0-256對應(yīng)，即可畫出位相圖?！?br> [0019]位相片的旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)階數(shù)的絕對值最大為位相片的長或?qū)?二者中較短者)像素值的一半；
[0020]所述的位相片的長寬尺寸為MXM像素的方形位相片，只利用所述位相片一半即像素為MX (M / 2)時(shí)，將在成像平面上得到一條具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的光線，即渦旋光線。將此MX (M / 2)位相片擴(kuò)展為MXM像素的位相片后將仍然產(chǎn)生一條渦旋光線a的絕對值的實(shí)用取值范圍為0.01-100，且a古I。
[0021]一種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線陣列的方法，在前述的位相片上疊加N-1個(gè)相位圖形成具有新的旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片，N為整數(shù)，且N > 2 ;【疊加是按式(I)方法疊加；或直接將每個(gè)位相圖對應(yīng)位相值與另一個(gè)位相圖對應(yīng)的位相值直接相加，例如，甲位相圖的m行η列點(diǎn)的灰度值為100，則其對應(yīng)的位相為2pi*100 / 256，乙位相圖的m行η列點(diǎn)的灰度值為150，則其對應(yīng)的位相為2pi*150 / 256，疊加后的位相圖的m行η列點(diǎn)的位相為2pi*150 / 256，將其換算為灰度值，依次對所有點(diǎn)進(jìn)行同樣操作即可得到疊加后相應(yīng)的位相灰度圖?！坑脺?zhǔn)直光束照射位相片，在成像平面內(nèi)形成包含N條渦旋光線的渦旋光線陣列；所述的具有新的旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片的位相分布如下式表示:
[0022]Θ final = angle [exp (i ^n1.θ 工+i.k.tg α 工.χ) +exp (i.η2.θ 2+?.k.tg α 2.χ) +
[0023]exp (i.η3.θ 3+?.k.tg α 3.χ) +...+exp (i.ηΝ.θ Ν+?.k.tg α Ν.χ) ] (I)
[0024]【第一位相也加了一個(gè)閃耀光柵】
[0025]其中0final，為N個(gè)位相圖疊加后的位相分布，angleO為求復(fù)數(shù)的位相角的函數(shù)，i是復(fù)數(shù)符號；k=2Ji / λ，λ表示入射光波波長，χ為入射光在光柵上的水平變量；
[0026]【i是虛數(shù)單位】；
[0027]Iii表示旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)階數(shù)，i=l,2,..., N ；
[0028]Θ i表示第i個(gè)位相圖的方位角，1=1,2,..., N ；
[0029]a i表示第i個(gè)閃耀光柵的位相分布階梯的傾斜角度，1=1,2,...,N；
[0030]exp(i.k.tga j.χ)為由第i個(gè)閃耀光柵引起的位相；
[0031]渦旋光線陣列中的相鄰渦旋光線的間隔距離為f.tg[(m+l).2 a ]-f.tg(m.2 a )，其中f為透鏡焦距，m為光柵衍射級次,取整數(shù)，【m只能取整數(shù)，如-3，-2，-1，0，1，2，3等，m值絕對值越大，光束偏離光軸的距離越大。此外，通過旋轉(zhuǎn)位相片的位相分布與χ軸成一角度，如30度，90度，120度等，產(chǎn)生的渦旋光線也會(huì)旋轉(zhuǎn)同樣的角度；還可以通過旋 轉(zhuǎn)疊加的光柵位相分布與χ軸成一角度，如30度，90度，120度等，產(chǎn)生的渦旋光線也會(huì)旋轉(zhuǎn)同樣的角度。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)光束或光線陣列的位相片均為一個(gè)位相片】;【在每個(gè)只產(chǎn)生一條禍旋光線的位相分布上分別疊加一個(gè)閃耀光柵的位相分布，然后將疊加了位相光柵分布的所有單個(gè)渦旋光線的位相分布按式(I)或直接相加后便產(chǎn)生一個(gè)最終的位相分布，該位相分布被制做成位相片后，便可產(chǎn)生渦旋光線陣列?！縖0032]產(chǎn)生每個(gè)渦旋光線的位相分布上所疊加的閃耀光柵的閃耀角都是互不相同的；
[0033]【分隔距離由成像接收面大小決定，最大不超過接收面的長度或?qū)挾取的取值由渦旋光線分隔距離來決定，一般在微米級別。如有k根光線，則d的最大值為L / (k+l)，L為接收面的邊長，最小為光線的線條寬度?！俊臼紫?，計(jì)算出產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布，然后根據(jù)要產(chǎn)生的渦旋光線在成像平面上的位置計(jì)算出所用的閃耀光柵的閃耀角，將此閃耀光柵的位相分布與產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布相加，獲得一個(gè)新的位相分布，如果將該位相分布制成位相片后，可以在指定的位置產(chǎn)生一條渦旋光線；類似地，利用產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布，然后根據(jù)要產(chǎn)生的渦旋光線在成像平面上的另一個(gè)位置計(jì)算出所用的閃耀光柵的閃耀角，將此閃耀光柵的位相分布與產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布相加，獲得一個(gè)疊加的位相分布，如果將該位相分布制成位相片后，可以在另一指定的位置產(chǎn)生一條渦旋光線；依此類推，例如，若需要最終產(chǎn)生一組4條分開的渦旋光線，需要依上述方法分別計(jì)算出4個(gè)疊加了不同閃耀角光柵位相分布的渦旋光線位相分布，然后，將這4個(gè)位相分布直接疊加，最終形成一個(gè)位相分布，將此位相分布制作成位相片后，便可以使入射光束在成像平面形成4條分開的渦旋光線陣列了?！?br> [0034]也可以通過G-S算法類的程序直接控制光束的振幅和位相，但這種方法與本文方法完全不同，所以不用保護(hù)。
[0035]本發(fā)明的核心構(gòu)思為:利用光束照射具有旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片產(chǎn)生渦旋光束的原理，將旋轉(zhuǎn)位相的方位角乘以一個(gè)比例常數(shù)，該常數(shù)為正實(shí)數(shù)，且旋轉(zhuǎn)位相的階數(shù)根據(jù)位相片的像素?cái)?shù)來決定，設(shè)為盡可能高。本例中位相片的像素?cái)?shù)為512X512，階數(shù)設(shè)為200，從而在與光軸方向垂直的成像平面產(chǎn)生具有近似直線線型分布的兩條平行光線，由于該光線具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量，稱之為渦旋光線。
[0036]如果只利用前述位相片的半部分，可產(chǎn)生一條渦旋光線。
[0037](I)利用不同閃耀角或不同放置方向的閃耀光柵調(diào)制權(quán)利(2)中的位相分布，可在成像平面的指定位置產(chǎn)生一條渦旋光線。若將多個(gè)被不同閃耀光柵調(diào)制的位相分布相互疊加，形成一個(gè)新的位相片，利用準(zhǔn)直光束照射該位相片，可產(chǎn)生平行的渦旋光線陣列。
[0038](2)利用權(quán)利要求(2)中的位相片和不同的閃耀光柵調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)不同位置，不同放置方向，不同旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量旋轉(zhuǎn)方向，或不同間隔距離的渦旋光線或渦旋光線陣列。
[0039]本發(fā)明的具體技術(shù)原理說明如下:
[0040]我們知道，具有旋轉(zhuǎn)位相分布的光束其遠(yuǎn)場為中心黑暗的圓環(huán)圖像，該圓環(huán)即為渦旋光束。當(dāng)微小物體被光束所形成的圓環(huán)捕獲時(shí)，渦旋光束所具有的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量會(huì)推動(dòng)物體沿著圓環(huán)旋轉(zhuǎn)。渦旋光束的位相表達(dá)式為exp (土 in θ )，其中土取值表示位相的旋轉(zhuǎn)方向，i為虛數(shù)單位，η為渦旋光束的旋轉(zhuǎn)階數(shù)，Θ為方位角,可表達(dá)為Θ =y / χ，其中，χ，y分別為x，y方向的二維點(diǎn)陣分布。具有旋轉(zhuǎn)位相的光束會(huì)在遠(yuǎn)場產(chǎn)生強(qiáng)度分布為中心暗斑的圓環(huán)。隨著旋轉(zhuǎn)階數(shù)的增加，圓環(huán)的直徑也相應(yīng)增加。如圖1-4所示，圖1為產(chǎn)生渦旋光束的位相分布，其旋轉(zhuǎn)階數(shù)為1，圖2為渦旋光束的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布，圖3為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)階數(shù)為20的潤旋光束的位相分布，圖4為相應(yīng)的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布。從圖一中可看出，潤旋光束的旋轉(zhuǎn)階數(shù)越高，光環(huán)直徑越大。同時(shí)，較高級次渦旋光束所具有的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量越高。但是，高級次渦旋光束的產(chǎn)生受到衍射光學(xué)元件象素?cái)?shù)的分辨率限制，不能無限制地增加。例如，對于一個(gè)像素?cái)?shù)為512X512的衍射光學(xué)元件，其產(chǎn)生的渦旋光束的位相旋轉(zhuǎn)階數(shù)無法大于256。[0041]為了產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的直線型光束，我們對方位角的分布做出修改，即方位角表示為:
[0042]θ =α * y / χ (I)
[0043]式中,X和y分別為X和y軸方向的坐標(biāo)點(diǎn)值，a為方位角比例常數(shù),為實(shí)常數(shù)。這樣，利用式(I)所示的位相分布產(chǎn)生的渦旋光束的光強(qiáng)分布不再是圓形，而是根據(jù)a的取值，光環(huán)在χ或y方向受到壓縮，變成了狹長的橢圓形。本發(fā)明中，首先，設(shè)定要產(chǎn)生渦旋光束的位相片的像素?cái)?shù)為512 X 512，像素點(diǎn)大小為15 μ mX 15 μ m，所用光波波長為532nm，利用exp (土 in θ )和式(I)中的方位角產(chǎn)生點(diǎn)陣狀的位相分布，其中n=200，位相分布取值范圍為0-2 Ji。如圖5-6所示，圖5為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)階數(shù)為200的渦旋光束的位相分布，其中a=8。位相值用灰度表示，圖中灰度值0-255線性對應(yīng)位相值0-2 π。當(dāng)擴(kuò)束并準(zhǔn)直的激光照射到利用圖5中的位相分布制作的位相元件，經(jīng)過凸透鏡的匯聚，即傅立葉變換，在成像焦面上將會(huì)得到衍射圖像。圖6為成像焦平面上的渦旋光束的光強(qiáng)分布。從圖6中可看出，兩條較長的橢圓邊近乎直線，且相互平行，由于該光束的光強(qiáng)分布呈線狀，位相分布為螺旋形，因此，我們稱該光束為渦旋光線。根據(jù)圖5中的位相圖分布可知，產(chǎn)生的這兩條光線的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的旋轉(zhuǎn)方向相反，大小相等。很明顯，這兩條橢圓邊分別是由圖5中的位相分布的上半部分和下半部分分別產(chǎn)生的。
[0044]因此，如果我們只用圖5中位相圖的上半部分或下半部分，則只會(huì)產(chǎn)生一條近似直線的渦旋光線，將此MX (M / 2)位相片擴(kuò)展為MXM像素的位相片將仍然產(chǎn)生一條渦旋光線，如圖7-8所示，圖7為圖5中位相分布圖的上半部分，圖8為產(chǎn)生的相應(yīng)的渦旋光線的光強(qiáng)分布。需要指出的是，渦旋光線本身的相位旋轉(zhuǎn)方向由圖7中的位相圖決定。
[0045]利用圖7-8的方法可以產(chǎn)生一條渦旋光線，若要產(chǎn)生多條相互平行的渦旋光線，即渦旋光線陣列，類似 于光波導(dǎo)陣列，則可以利用多個(gè)如圖7所示的位相圖，按下式方法疊加后而成，即
[0046]Θ final=angle [exp Qn1 Θ J +exp (in2 Θ 2) +exp (in3 Θ 3) +...+exp (inN Θ N) ] (2)
[0047]其中，angleO為求復(fù)數(shù)的位相角的函數(shù)，Θ final為N個(gè)位相圖疊加后的位相分布。為了控制光線陣列之間的相隔距離，我們在每個(gè)只產(chǎn)生一條渦旋光線的位相圖上分別疊加一個(gè)閃耀光柵的位相分布，(2)式可寫為，
[0048]Θ fianl=angle [exp (i.Ii1.Θ j+i.k.tg a j.χ) +exp (i.n2.Θ 2+i.k.tg α 2.x) +
[0049]exp (i.n3.Θ 3+i.k.tg a 3.x) +...+exp (i.nN.Θ N+i *k*tgaN?x)]
[0050](3)
[0051]閃耀光柵是由位相分布呈鋸齒形的線槽斷面結(jié)構(gòu)組成，其衍射能級的光能量集中某一方向上，即某一光譜級上。鋸齒形位相分布與光柵平面的夾角稱為閃耀角。閃耀光柵的位相分布階梯的傾斜角度用ct表示,則閃耀光柵引起的位相為exp(i.k.tga.x)，其中k=2Ji / λ, λ表示入射光波波長，χ為入射光在光柵上的水平變量。并且所有疊加位相圖上每個(gè)閃耀光柵的閃耀角都是互不相同的，其中，閃耀角的選定是根據(jù)要產(chǎn)生的渦旋光線陣列之間的分隔距離來確定的。閃耀角的取值是根據(jù)衍射圖像指定出現(xiàn)的方位來決定的。當(dāng)光束沿光柵平面法線方向入射時(shí)，其衍射角滿足關(guān)系式(1*^11(2(1)=111*入，其中(1為光柵常數(shù)，m為光柵衍射級次，取整數(shù)，因此，衍射圖像偏離光軸方向的角度可表示為2 α。間隔距離為f.tg[(m+l).2 a ]-f.tg(m.2 a ),其中f為透鏡焦距，m為整數(shù)。本例中，λ =532nm, χ=15 μ m, 2 α 17。，m 取值為 1,2,3, f=10cm。
[0052]如圖9-10所示，圖9為4個(gè)疊加了不同閃耀光柵的渦旋光線位相分布圖，其中，每個(gè)未疊加閃耀光柵的渦旋光線位相分布圖都如圖7所示。圖10為產(chǎn)生的相應(yīng)渦旋光線陣列的光強(qiáng)分布圖。
[0053]此外，通過在疊加具有一定旋轉(zhuǎn)角度的閃耀光柵到圖7或圖9中產(chǎn)生渦旋光線或渦旋光線陣列的位相圖中，就可以得到與圖8或圖10中光線豎直方向成一定角度的光線或光線陣列分布。在圖9-10中，我們還可以疊加不同級次的渦旋位相圖，從而產(chǎn)生具有不同旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線陣列分布。例如，讓渦旋陣列中的四根渦旋光線的旋轉(zhuǎn)階次分別為200，-200，190，-190，或?yàn)?80，190，200，210，或其它任何高旋轉(zhuǎn)階次的組合。另外，通過控制疊加的閃耀光柵的閃耀角或放置方向，我們還可以控制渦旋光線的間距、成像位置和排列方位。例如，調(diào)整閃耀光柵的閃耀角，可以使渦旋光線之間的間距變大或變小。為了使渦旋光線成像在指定的位置，如使渦旋光線呈傾斜階梯狀分布，除了在每個(gè)產(chǎn)生渦旋光線的位相分布上疊加一個(gè)沿Y方向放置的閃耀光柵外，還需要在該位相分布上疊加一個(gè)沿X方向放置的閃耀光柵，從而使產(chǎn)生的渦旋光線在X方向上也產(chǎn)生偏移。例如，為了使四條渦旋光線分別按正方形的四條邊擺放形式，我們將產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布分別旋轉(zhuǎn)0°，90° ,180° ,270°后分別與閃耀光柵相疊加，疊加后的總的位相即可產(chǎn)生上述分布的渦旋光線組合。
[0054]實(shí)驗(yàn)上可以利用制作的微光學(xué)元件或空間光調(diào)制器來整形激光光束實(shí)現(xiàn)上述的渦旋光線或渦旋光線陣列。例如，用微制作的方法將上述的位相分布圖制作成為浮雕圖形，其中浮雕圖的蝕刻深度與位相值的大小對應(yīng)，或利用空間光調(diào)制器的液晶平面，利用電腦將上述的位相分布圖對應(yīng)的灰度圖上載到液晶平面，從而控制液晶平面所對應(yīng)的每個(gè)象素點(diǎn)的折射率，使照射到液晶平面的光束所引起的位相差與上述的位相分布圖相對應(yīng)。當(dāng)準(zhǔn)直的激光光束照射到該微光學(xué)元件或空間光調(diào)制器的液晶平面時(shí)，光束會(huì)受到對應(yīng)的位相分布圖的調(diào)制，從而產(chǎn)生相應(yīng)的渦旋光線或渦旋光線陣列。
[0055]利用上述方法產(chǎn)生的渦旋光線或渦旋光線陣列，不僅可以用于篩選不同大小或材料的微粒，還可以利用渦旋光線的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量，完全無機(jī)械移動(dòng)式地使微粒在垂直于光束傳播方向的觀察(或成像)平面移動(dòng)。該光束可應(yīng)用于光鑷、光束整形、激光加工等領(lǐng)域。
[0056]本發(fā)明基于渦旋光束的產(chǎn)生方法，利用設(shè)置渦旋光束的高旋轉(zhuǎn)階次和調(diào)整旋轉(zhuǎn)位相的方位角比例，獲得了光強(qiáng)分布呈線條狀分布，但位相分布仍具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線及渦旋光線陣列。本發(fā)明中的目標(biāo)光束一即渦旋光線或渦旋光線陣列都要求振幅和位相都具有指定分布，而目前還沒有解析解能直接利用位相元件產(chǎn)生該型光束，且通過數(shù)值方法設(shè)計(jì)位相元件的光束整形算法一般只能控制目標(biāo)光場的振幅或位相分布，很難同時(shí)控制目標(biāo)光場的振幅和位相分布。與此對比，本方法設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。利用現(xiàn)有的微制作方法制作位相型衍射光學(xué)元件或利用空間光調(diào)制器就可實(shí)現(xiàn)上述的位相分布，從而產(chǎn)生該類光束。本發(fā)明產(chǎn)生的渦旋光線或渦旋光線陣列可廣泛用于光鑷技術(shù)中，利用該光束，可以在垂直于光束入射的觀察平面直接無接觸式地移動(dòng)微粒，實(shí)現(xiàn)光學(xué)導(dǎo)引、輸運(yùn)微粒，或光學(xué)篩選不同性質(zhì)的微粒。
[0057]有益效果:
[0058]本發(fā)明的產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法，基于具有旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片在準(zhǔn)直光束的照射下產(chǎn)生渦旋光束的整形原理，對旋轉(zhuǎn)位相的方位角乘以一個(gè)比例常數(shù)且設(shè)旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)階數(shù)為超高級次，如在本發(fā)明中根據(jù)所用位相片的像素?cái)?shù)設(shè)為200級，從而在垂直于光軸方向的觀察(或成像)平面產(chǎn)生光強(qiáng)分布類似于直線的光線，由于該光線是由旋轉(zhuǎn)位相產(chǎn)生的，因此，仍具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量，該光線被稱之為渦旋光線。該光束能在垂直于光軸的觀察(或成像)平面無機(jī)械移動(dòng)式地移動(dòng)微粒。通過疊加多個(gè)被閃耀光柵調(diào)制的旋轉(zhuǎn)位相分布于同一個(gè)位相片上，可以產(chǎn)生平行排列的渦旋光線陣列。本發(fā)明產(chǎn)生的光束具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，且產(chǎn)生方法簡單、靈活，可用于光鑷技術(shù)、光束整形和激光應(yīng)用等領(lǐng)域。
[0059]本發(fā)明提出一種利用光束整形方法實(shí)現(xiàn)的光線條的方案，該線條類似于放置在觀察平面的直波導(dǎo)，可以使微粒在垂直于光束傳播方向的觀察平面直線運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)路徑將大于文獻(xiàn)[2-4]中所提出的方法。而且，利用光束整形方法，可以在觀察平面內(nèi)產(chǎn)生類似于光波導(dǎo)陣列的多個(gè)平行直線條，用于光學(xué)篩選微粒[7]，這樣，不僅可以省掉制作光波導(dǎo)陣列所需的高昂成本和時(shí)間，還可以省掉光纖與波導(dǎo)耦合之間的難題。因此，本發(fā)明所提出的方法具有實(shí)現(xiàn)方法簡便，靈活，效率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0060]圖1為旋轉(zhuǎn)階數(shù)為I的渦旋光束位相分布圖；
[0061]圖2為旋轉(zhuǎn)階數(shù)為I的相應(yīng)的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖；
[0062]圖3為旋轉(zhuǎn)階數(shù)為20的渦旋光束位相分布圖； [0063]圖4為旋轉(zhuǎn)階數(shù)為20的相應(yīng)的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖。
[0064]圖5為產(chǎn)生級次為200的橢圓渦旋光束的位相分布圖，其中a=8，灰度值0_255對應(yīng)位相值0-2 ；
[0065]圖6為由圖5所述位相分布圖得到的相應(yīng)光強(qiáng)分布(成像)圖；
[0066]圖7為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)級次為200的單條渦旋光線的位相分布圖；
[0067]圖8為由圖7所述位相分布圖得到的相應(yīng)光強(qiáng)分布(成像)圖；
[0068]圖9為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)級次為200的渦旋光線陣列的位相分布圖
[0069]圖10為由圖9所述位相分布圖得到的相應(yīng)光強(qiáng)分布(成像)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0070]以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0071]實(shí)施例1:產(chǎn)生I條渦旋光線的方法:
[0072]參見圖7-8，以及
【發(fā)明內(nèi)容】
部分的說明。
[0073]—種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線的方法，將準(zhǔn)直光束照射具有旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片，在與光軸方向垂直的成像平面成像；其特征在于，所述的位相片的方位角為:【方位角又稱Azimuth angle,是從某點(diǎn)的指北方向線起,依順時(shí)針方向到目標(biāo)方向線之間的水平夾角?！?br> [0074]Θ =a.y/x ；
[0075]式中，χ和y分別為χ和y軸方向的坐標(biāo)點(diǎn)值，a為方位角比例常數(shù),為實(shí)常數(shù)；且a古I ;【a取I的時(shí)候,成像是圓形的，a的絕對值取值離I越遠(yuǎn)，成像越接近直線】[0076] 【在二維平面內(nèi)，平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)為(X，y)，該點(diǎn)取值由上式確定，即方位角大小范圍為0-2pi，該值即為位相片的位相值。如果用灰度圖來畫出這些位相值分布，將位相值0-2pi與灰度值0-256對應(yīng)，即可畫出位相圖?！?br> [0077]位相片的旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)階數(shù)的絕對值最大為位相片的長或?qū)?二者中較短者)像素值的一半；
[0078]當(dāng)利用所述的位相片的長寬尺寸為MXM像素的方形位相片的一半時(shí)，即位相片的像素為MX (M / 2)，將在成像平面上得到一條具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的光線，即渦旋光線，將此MX (M / 2)位相片擴(kuò)展為MXM像素的位相片將仍然產(chǎn)生一條渦旋光線。
[0079]a的絕對值的實(shí)用取值范圍為0.01-100，且a古I。
[0080]實(shí)施例2:產(chǎn)生渦旋光線陣列的方法
[0081]參見圖9-10，以及
【發(fā)明內(nèi)容】
部分的說明。
[0082]一種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線陣列的方法，在實(shí)施例1的位相片上疊加N-1個(gè)相位圖形成具有新的旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片，N為整數(shù)，且N > 2 ；
[0083]疊加是按式(I)方法或直接將每個(gè)位相圖對應(yīng)位相值與另一個(gè)位相圖對應(yīng)的位相值直接相加，例如，甲位相圖的m行η列點(diǎn)的灰度值為100，則其對應(yīng)的位相為2pi*100 /256，乙位相圖的m行η列點(diǎn)的灰度值為150，則其對應(yīng)的位相為2pi*150 / 256，疊加后的位相圖的m行η列點(diǎn)的位相為2pi*150 / 256，將其換算為灰度值，依次對所有點(diǎn)進(jìn)行同樣操作即可得到疊加后相應(yīng)的位相灰度圖。
[0084]用準(zhǔn)直光束照射位相片，在成像平面內(nèi)形成包含N條渦旋光線的渦旋光線陣列；
[0085]所述的具有新的旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片的位相分布如下式表示:
[0086]Θ final = angle [exp (i ^n1.θ 工+i.k.tg α 工.χ) +exp (i.η2.θ 2+?.k.tg α 2.χ) +
【第一位相也加
[0087]exp (i.n3.Θ 3+i.k.tg α 3.χ) +...+exp (i.nN.Θ N+i *k*tgaN?x)] 了一個(gè)閃耀光柵】
[0088]其中0fianl為N個(gè)位相圖疊加后的位相分布，angle O為求復(fù)數(shù)的位相角的函數(shù)，i是復(fù)數(shù)符號；k=2Ji / λ，λ表示入射光波波長，χ為入射光在光柵上的水平變量；
[0089]【i是虛數(shù)單位】；
[0090]Iii表示旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)階數(shù)，i=l,2,..., N ；
[0091]Θ i表示第i個(gè)位相圖的方位角，i=l，2，...，N ;
[0092]a i表示第i個(gè)閃耀光柵的位相分布階梯的傾斜角度，1=1,2,...,N；
[0093]exp(i.k.tga j.χ)為由第i個(gè)閃耀光柵引起的位相；
[0094]渦旋光線陣列中的相鄰渦旋光線的間隔距離為f.tg[ (m+1).2 a ] -f.tg (m.2 a )，其中f為透鏡焦距，m為光柵衍射級次，取整數(shù)，m只能取整數(shù)，如-3，-2，-1，O，I，2，3等，m值絕對值越大，光束偏離光軸的距離越大..此外，通過旋轉(zhuǎn)位相片的位相分布與χ軸成一角度，如30度，90度，120度等，產(chǎn)生的渦旋光線也會(huì)旋轉(zhuǎn)同樣的角度；還可以通過旋轉(zhuǎn)疊加的光柵位相分布與χ軸成一角度，如30度，90度，120度等，產(chǎn)生的渦旋光線也會(huì)旋轉(zhuǎn)同樣的角度。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)光束或光線陣列的位相片均為一個(gè)位相片；
[0095]在每個(gè)只產(chǎn)生一條潤旋光線的位相分布上分別疊加一個(gè)閃耀光柵的位相分布，然后將疊加了位相光柵分布的所有單個(gè)渦旋光線的位相分布相加后便產(chǎn)生一個(gè)最終的位相分布，該位相分布被制做成位相片后，便可產(chǎn)生渦旋光線陣列。產(chǎn)生每個(gè)渦旋光線的位相分布上所疊加的閃耀光柵的閃耀角都是互不相同的。
[0096]分隔距離由成像接收面大小決定，最大不超過接收面的長度或?qū)挾取的取值由渦旋光線分隔距離來決定，一般在微米級別。如有k根光線，則d的最大值為L / (k+l)，L為接收面的邊長，最小為光線的線條寬度。
[0097]首先，計(jì)算出產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布，然后根據(jù)要產(chǎn)生的渦旋光線在成像平面上的位置計(jì)算出所用的閃耀光柵的閃耀角，將此閃耀光柵的位相分布與產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布相加，獲得一個(gè)新的位相分布，如果將該位相分布制成位相片后，可以在指定的位置產(chǎn)生一條渦旋光線；類似地，利用產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布，然后根據(jù)要產(chǎn)生的渦旋光線在成像平面上的另一個(gè)位置計(jì)算出所用的閃耀光柵的閃耀角，將此閃耀光柵的位相分布與產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布相加，獲得一個(gè)疊加的位相分布，如果將該位相分布制成位相片后，可以在另一指定的位置產(chǎn)生一條渦旋光線；依次類推，例如，若需要最終產(chǎn)生一組4條分開的渦旋光線，需要依上述方法分別計(jì)算出4個(gè)疊加了不同閃耀角光柵位相分布的渦旋光線位相分布，然后，將這4個(gè)位相分布直接疊加，最終形成一個(gè)位相分布，將此位相分布制作成位相片后，便可以使入射光束在成像平面形成4條分開的渦旋光線陣列了。
[0098]此外，通過在疊加具有一定旋轉(zhuǎn)角度的閃耀光柵到圖7或圖9中產(chǎn)生渦旋光線或渦旋光線陣列的位相圖中，就可以得到與圖8或圖10中光線豎直方向成一定角度的光線或光線陣列分布。在圖9-10中，我們還可以疊加不同級次的渦旋位相圖，從而產(chǎn)生具有不同旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線陣列分布。例如，讓渦旋陣列中的四根渦旋光線的旋轉(zhuǎn)階次分別為200，-200，190，-190，或?yàn)?80，190，200，210，或其它任何高旋轉(zhuǎn)階次的組合。另外，通過控制疊加的閃耀光柵的閃耀角或放置方向，我們還可以控制渦旋光線的間距、成像位置和排列方位。例如，調(diào)整閃耀光柵的閃耀角，可以使渦旋光線之間的間距變大或變小。為了使渦旋光線成像在指定的位置，如使渦旋光線呈傾斜階梯狀分布，除了在每個(gè)產(chǎn)生渦旋光線的位相分布上疊加一個(gè)沿Y方向放置的閃耀光柵外，還需要在該位相分布上疊加一個(gè)沿X方向放置的閃耀光柵，從而使產(chǎn)生的渦旋光線在X方向上也產(chǎn)生偏移。例如，為了使四條渦旋光線分別按正方形的四條邊擺放形式，我們將產(chǎn)生單個(gè)渦旋光線的位相分布分別旋轉(zhuǎn)0°，90° ,180° ,270°后分別與閃耀光柵相疊加，疊加后的總的位相即可產(chǎn)生上述分布的渦旋光線組合。
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線的方法，將準(zhǔn)直光束照射具有旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片，在與光軸方向垂直的成像平面成像；其特征在于，所述的位相片的方位角為:
Θ =a.y/x ； 式中，X和y分別為X和y軸方向的坐標(biāo)點(diǎn)值，a為方位角比例常數(shù)，為實(shí)常數(shù)；且a ^ I: 位相片的旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)階數(shù)的絕對 值最大為位相片的長或?qū)?二者中較短者)像素值的一半； 所述的位相片的長寬尺寸為MXM像素的方形位相片，只利用位相片的一半部分，即位相片的像素為MX (M / 2)，此時(shí)，在成像平面上得到一條具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的光線，即渦旋光線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線的方法，其特征在于，a的絕對值的實(shí)用取值范圍為0.01-100，且a古I。
3.—種產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的渦旋光線陣列的方法，其特征在于，在權(quán)利要求1或2中的位相片上疊加N-1個(gè)相位圖形成具有新的旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片，N為整數(shù)，且N > 2: 用準(zhǔn)直光束照射位相片，在成像平面內(nèi)形成包含N條渦旋光線的渦旋光線陣列； 所述的具有新的旋轉(zhuǎn)位相分布的位相片的位相分布如下式表示:
Θ final = angle [exp (i.Ii1.Θ j+i.k.tg a j.χ) +exp (i.η2.θ 2+i.k.tg α 2.χ) +
exp (i.η3.θ 3+i.k.tg α 3.χ) +...+exp (i.ηΝ.θ Ν+?.k.tg α Ν.χ) ] (I) 其中θ final為N個(gè)位相圖疊加后的位相分布，angle O為求復(fù)數(shù)的位相角的函數(shù)，i是復(fù)數(shù)符號；k=2Ji / λ，λ表示入射光波波長，χ為入射光在光柵上的水平變量； Iii表示旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)階數(shù)，i = 1,2,..., N ； Θ i表示第i個(gè)位相圖的方位角，i = 1,2,..., N ; a i表示第i個(gè)閃耀光柵的位相分布階梯的傾斜角度，i=l,2,...,N； exp(i.k.tga j.χ)為由第i個(gè)閃耀光柵引起的位相； 渦旋光線陣列中的相鄰渦旋光線的間隔距離為f.tg[(m+l).2 a ]_f.tg(m.2 a )，其中f為透鏡焦距，m為光柵衍射級次，取整數(shù)； 產(chǎn)生每個(gè)渦旋光線的位相分布上所疊加的閃耀光柵的閃耀角都是互不相同的。
【文檔編號】G02B27/09GK103941402SQ201410107835
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月22日
【發(fā)明者】陶少華 申請人:中南大學(xué)