[发明专利]螺旋达曼波带片及产生三维偶极涡旋达曼阵列的装置

说明书

技术领域

本发明涉及光场产生器件，特别是一种螺旋达曼波带片及产生三维偶极涡旋达曼阵列的装置。 

背景技术

近年来，光学涡旋以其在光学操控微粒、生物细胞以及冷原子和自由空间光通信方面的重要应用受到人们越来越多的重视。光学涡旋从本质上来讲是由于螺旋相位而引入的相位奇点造成的中心为暗斑、周围为亮斑的甜饼圈形状光场分布。这种螺旋相位结构通常可以表示为 其中 为极坐标中的角向坐标，l定义该涡旋的拓扑荷。对于拓扑荷为l的涡旋光束，其中每个光子所携带的角动量为lh，并且这种角动量可以传递到照明物体（微粒、细胞或原子）上。通常产生光学涡旋方法是采用螺旋相位板或者计算机全息图。随后，涡旋阵列由于其并行处理能力以及在光学操控中的应用前景引起人们极大的研究热情。大体上讲，涡旋阵列通常可以分为两大类：一类是所谓的单极涡旋阵列，即阵列中所有的涡旋所携带的拓扑荷都相同，而整个涡旋阵列的总的拓扑荷为Ml，其中M为涡旋阵列中所含有的涡旋的数量，l是单个涡旋所携带的拓扑荷。另一类是所谓的偶极涡旋阵列，即阵列中每个涡旋所携带的拓扑荷一般不相同，相反级次所携带拓扑荷符号相反，这样阵列总的拓扑荷保持为0。 

近年来，涡旋光栅因为它的相对简单制作工艺受到人们广泛重视。然而，传统的涡旋光栅的衍射能量主要集中在较低的几个衍射级次上，并且能量分布不均匀，通常零级占有大部分的能量。张等人【Opt.Lett.35,3495(2010)】提出了一种涡旋达曼光栅，很好的解决了衍射级次之间能量分布不均匀的问题。这种涡旋达曼光栅提供了一种可以产生横向的具有多个涡旋的涡旋阵列的方案。然而，对于轴向的涡旋阵列的产生还没有很好的解决方法。 

最近，本课题组【先前技术CN 102062887】提出了一种可以在轴向产生多个焦点的焦点阵列的达曼波带片。这种达曼波带片本质上来讲可以看作为传统的相位型波带片的每个等面积环带中加入多个不同半径的位相调制环。结合聚焦透镜使用，这种达曼波带片可以在聚焦物镜的后场产生多个等能量的轴向聚焦光斑。 

发明内容

本发明将螺旋相位结构通过计算机全息图的方式编码到达曼波带片结构中，提出螺旋达曼波带片及产生三维偶极涡旋达曼阵列的装置。该螺旋达曼波带片结合一个聚焦透镜使用， 即可在该聚焦物镜的聚焦后场产生具有多个共轴的涡旋的轴向涡旋阵列。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种螺旋达曼波带片，其特点在于所述的螺旋达曼波带片必须结合聚焦物镜使用，其通光孔径必须与聚焦物镜的通光孔径一致，且共轴放置；所述的螺旋达曼波带片为0、π二值相位分布，其具体设计流程如下： 

①根据具体应用需要确定轴向焦点数目N_p； 

②根据对应的1×N_p的达曼光栅，确定每个周期内加入的归一化位相转折点{x_n}； 

③选取傅立叶级数截断级次为M，由归一化位相转折点{x_n}按下列公式算出每个衍射级次对应的傅立叶系数C_m：