[发明专利]一种霍曼转移结构光束的掩模板的设计方法

说明书

一种霍曼转移结构光束的掩模板的设计方法，基于光束塑形技术，得出霍曼转移结构光束的电场表达式，单独生成三个轨道，分别为初始轨道、转移轨道以及目标轨道，并生成上述三个轨道所需要的全息图透过率函数，将其相加得到光束的全息图透过率函数；结合全息图透过率函数以及闪耀光栅可得到该霍曼转移结构光束掩模板的复透过率函数，通过计算机将上述复透过率函数加载至空间光调制器中即可得到霍曼转移结构光束的掩模板。本发明可以产生一种模式丰富可调的霍曼转移结构光束，该光束的大小和相位梯度分布均可任意调制，并且理论上允许粒子从初始轨道转移至目标轨道；该发明充分证明了霍曼转移在微观世界中的可行性，在光学微操作领域具有重大意义。

技术领域

本发明涉及二维光镊和微粒操纵技术领域，具体说的是一种霍曼转移结构光束的掩模板的设计方法。

背景技术

霍曼转移是在两条倾角相同、高度相异的圆形轨道间转移卫星的最小能量方法，在航天领域有着重要的应用。微观世界中也存在轨道运动，但是微观运动是否可以适用霍曼转移尚未经过探索。

光镊作为一种无接触、无伤害的微操纵工具已经广泛应用于微操纵领域，在细胞生物学【Photon.Res.7,69-79(2019)】、材料组装【Acta Photonica Sinica.50,1123001(2021)】、光与物质相互作用【Advanced Photonics.3,034001(2021)】等领域发挥着重要的作用。1992年Allen发现了轨道角动量【Physical Review A.45,8185-8189(1992)】，赋予了光镊一个横向的“扳手力”。2020年，A.Rodrigo通过定制光学推进力用于控制共振金纳米粒子和相关的热对流流体的传输【Light:ScienceApplications.9,1-11(2020)】，2021年他又提出使用全光控制金属纳米粒子，并可以自由的定制三维轨迹【Photon.Res.9,1-12(2021)】。但不论光的结构被如何改变，由于轨道角动量的性质，结构光束在具体的应用中都会使粒子一直沿着一个既定的轨道进行运动，粒子的实时变轨运动则没有被考虑。

综上所述，目前尚缺少一种可应用于微粒操作领域的可实现微粒实时变轨运输的激光模式。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种霍曼转移结构光束的掩模板的设计方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的的技术方案是：一种霍曼转移结构光束的掩模板的设计方法，步骤如下：

S1、基于光束塑形技术，霍曼转移结构光束的电场表达式为：

G_i(ξ,η)＝F[H_i(x,y)]

其中，F[]是傅里叶变换函数，(x,y)是傅里叶变换之前的坐标，(ξ,η)为傅里叶变换之后的坐标；H_i(x,y)是全息图透过率函数；

S2、单独生成三个轨道，分别为初始轨道、转移轨道以及目标轨道，r₁，r₃分别是初始轨道、目标轨道的半径；r₂为转移轨道的半长轴，满足r₃＝nr₁，r₂＝(r₃+r₁)/2，其中n为该初始轨道和目标轨道半径的比值，最终生成初始轨道、转移轨道以及目标轨道所需要的全息图透过率函数，将上述三个轨道的全息图透过率函数相加得到霍曼转移结构光束的全息图透过率函数H_total(x,y)；

S3、结合全息图透过率函数以及闪耀光栅可得到该霍曼转移结构光束掩模板的复透过率函数，其表达式为：

T＝exp{i[ang(H_total(ξ,η))+P₀]}，其中，ang()为取相位函数；

通过计算机将上述复透过率函数加载至空间光调制器中即可得到霍曼转移结构光束的掩模板。

作为优选方案，步骤S1中，H_i(x,y)的表达式为