[发明专利]一种涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板的设计方法

说明书

一种涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板的设计方法，利用计算全息原理，通过光束复振幅计算模拟使两个具有不同半径的完美涡旋光束掩模板叠加，在远场产生环形涡旋阵列。通过调节两锥透镜锥角控制同心完美涡旋的光环重合程度，可以实现环形涡旋阵列的生成，这种环形涡旋阵列可以任意控制环上涡旋暗核数，因而在微粒操纵技术中具有非常重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及微粒光操纵和光学测试领域，具体的说是一种涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板的设计方法。

背景技术

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。而涡旋阵列作为光学涡旋主要存在形式之一，在微操纵领域中的多光阱捕获，以及特殊形貌的冷原子团簇捕获等研究方向中是一个重要的研究热点。而在这些应用中，涡旋阵列的形貌分布具有重要的研究意义。

关于涡旋阵列的生成，目前已经做过大量的研究，但主要集中于方形涡旋阵列。2008年，S.C.Chu等人使用两束正交的阶数与级数相同的因斯-高斯光束偶模干涉叠加生成了一种传输特性良好的近似方形的涡旋阵列【Opt.Express，2008，19934-19949】。2011年，Y.C.Lin等人使用厄米高斯光束干涉叠加生成了一种方形的涡旋阵列【Opt.Express，2011，10293-10303】。2016年，Arash Sabatyan等人提出了另一种涡旋阵列产生方案，使用一种多范围螺旋波带片产生了方形涡旋阵列【J.Opt.Soc.Am.A，2016，1793-1797】。关于环形涡旋阵列的研究较少，2016年，T.Z.Yuan等人提出了一种环形电磁涡旋阵列【IEEEANTENNWIRELPR，2016，1024-1027】。然而，上述所有方案很难产生一种可应用于微粒操纵领域的环形涡旋阵列。

发明内容

本发明目的是为解决上述技术问题的不足，提供了一种涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板的设计方法，使用该掩模板产生涡旋数目实时在线自由调控的环形涡旋阵列，在微粒操纵领域具有非常重要的应用价值。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板的设计方法：

步骤一、将两个锥透镜与具有不同半径的完美涡旋光束掩模板叠加；

步骤二、结合了两个螺旋相位因子E_v1、E_v2、两个锥透镜复透过率函数t_a1、t_a2，得到贝塞尔-高斯光束傅里叶变换表达式，再将贝塞尔-高斯光束傅里叶变换表达式根据傅里叶变换生成参数不同的两个完全同心的完美涡旋，即模拟电场表达式t_a1E_v1+t_a2E_v2；

步骤三、根据计算全息技术，使模拟电场表达式t_a1E_v1+t_a2E_v2与平面波复振幅E_p干涉后，求模取平方得到干涉光强图，该干涉光强图即为涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板t。

本发明所述的两个具有不同半径的完美涡旋光束掩模板叠加方法为，调节两个锥透镜的锥角。

本发明所述的两个具有不同半径的完美涡旋光束掩模板叠加36％时生成环形涡旋阵列。

本发明所述的涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板t的表达式为

t＝|t_a1E_v1+t_a2E_v2+E_p|²