一种产生携带轨道角动量的无衍射艾里光束的方法及装置与流程

本发明属于光学技术及光束控制领域，尤其是涉及一种产生携带轨道角动量的无衍射艾里光束的方法及装置。

背景技术：

1979年，Berry和Balazs在理论上预测了无衍射自弯曲传播的艾里波包的存在。但是，艾里波包只是一个理论上的解，理想的艾里光束具有无限大的能量。这说明艾里波包在实际中是不存在的。然而直到2007年，美国中弗罗里达大学Siviloglou和Christodoulides教授重新梳理了Berry和Balazs的研究，发现了薛定谔方程的有限能量艾里函数解。同年，首次在实验室观察到无衍射艾里光束，从此，艾里光束吸引了世界科学研究者的注意，从而真正打开了人们对艾里光束空前繁荣的研究局面。

艾里光束除了具有与贝塞尔光束相同的无衍射、自愈特性外，还具有沿抛物线轨迹传播的奇异特性。这些新奇的特性使得无衍射艾里光束成为目前光学领域的一个研究热点，同时也使得它在众多领域极具重要的应用价值。如艾里光束在构建自会聚光束、等离子体、微粒操控、光子弹、艾里激光器等方面均具有良好的应用前景。艾里光束从研究伊始，人们就努力将其作为捕获光源应用于生命医学领域中的光镊技术中。光镊技术具有定位精确、操纵方便、非接触式捕获和操纵粒子的优点，被广泛应用于生物医学领域操纵细胞、DNA，蛋白质等生物分子。此外，光镊技术还被应用于囚禁和冷却原子以及玻色-爱因斯坦凝聚等方面的研究。

现有技术中，具有轨道角动量特性的拉盖尔-高斯光束已被提出，通过其操纵微粒旋转的功能在自由空间光通信方面有着非常重要的作用。但是具有旋转操纵粒子的功能的无衍射艾里光束至今仍未被提出，若采用无衍射艾里光束为捕获光源，其俘获粒子的优势十分明显，捕获力强有利于束缚粒子，但还是存在无法实现旋转操纵粒子的功能，难以在光学微操纵技术得到良好的应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种携带轨道角动量、具有空心涡旋特征、可旋转操纵粒子的无衍射艾里光束的方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种产生携带轨道角动量的无衍射艾里光束的方法，其包括以下步骤：1)由激光器发出高斯光束，并将所述高斯光束进行准直和扩束；2)将准直扩束后的高斯光束投射到分光镜上进行分光；3)在空间光调制器上加载携带轨道角动量因子的螺旋立方相位图；4)将分光后的光束射入至具有该螺旋立方相位图的空间光调制器上，进行相位调制；5)将经相位调制后的光束通过傅里叶透镜进行傅里叶变换，得到携带轨道角动量的无衍射艾里光束。

进一步的，所述步骤5)完成后，所述携带轨道角动量的无衍射艾里光束通过显微物镜成像，再通过接收器接收，通过显示器进行显示观察。

进一步的，包括用于发射高斯光束的激光器、用于对高斯光束进行准直和扩束的准直扩束镜、用于对准直扩束后的光束进行分光的分光棱镜、用于对分光后的光束进行相位调制的空间调制器、用于控制空间调制器上加载的相位图形的计算机及用于对经相位调制后的光束进行傅里叶变换以得到携带轨道角动量的无衍射艾里光束的傅里叶透镜。

进一步的，还包括用于对光束进行成像操作的显微物镜、用于对艾里光束进行接收的接收器及显示器。

更进一步的，所述相位图形设置为螺旋立方相位图。

本发明的有益效果：该方法通过引入轨道角动量因子到艾里光束中，从而形成新的携带轨道角动量的艾里光束。该光束不仅具有无衍射艾里光束的特性，同时还具有携带轨道角动量、空心涡旋光束的形状特点。该特点可以实现旋转操纵粒子的功能，同时具有俘获粒子时产生的热效应小、不损伤活体细胞的优点。在光学微操纵技术具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明中产生光束的装置的结构示意图。

图2为本发明的拓扑荷l＝1的相位图案。

图3为本发明的拓扑荷l＝1光场分布图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参照图1-3所示，图1为本发明产生的一种产生携带轨道角动量的无衍射艾里光束的装置的示意图。其包括激光器1、准直扩束镜2、分光棱镜3、空间光调制4、控制计算机5、傅里叶透镜6、显微物镜7、接收器8以及显示器9；所述激光器1用于发射高斯光束，其采用He-Ne激光器，激光器的可见光波长为632.8nm，于其他实施例中，也可采用Ar离子激光器等；所述准直扩束镜2用于对高斯光束进行准直和扩束，其焦距为300mm，通光口径为50mm，当然于其他实施例中，其焦距和通光口径可根据具体情况进行调节；所述分光棱镜3用于对准直扩束后的光束进行分光，其尺寸设置为25*25mm；所述空间光调制4用于对分光后的光束进行相位调制，其中空间光调制器为反射式，其像素大小设置为8um，分辨率为1920*1080，工作波段400-700nm；所述计算机5用于对空间调制器4进行加载携带轨道角动量因子的螺旋立方相位图；所述傅里叶透镜6用于对经过螺旋立方相位图相位调制后的光束进行傅里叶变换，以得到携带轨道角动量的无衍射艾里光束，其焦距设置为300mm；所述显微物镜7用于对光束进行放大操作，其放大率为40倍；所述接收器8用于对放大后的艾里光束进行接收；所述显示器9用于对光束进行显示和观察；其采用CCD，分辨率设置为1920*1080。

通过上述调控装置，进而可得到携带轨道角动量的无衍射艾里光束，具体方法如下：由激光器发出高斯光束后，该高斯光束到达准直扩束镜位置，经由该准直扩束镜对高斯光束进行准直和扩束，光束充满整个通光孔径；之后准直扩束镜将扩束后的平行光投射到分光棱镜上，通过分光棱镜对该光束进行分光操作；与此同时，在空间光调制器上加载立方相位图，并且通过计算机控制引入轨道角动量因子至立方相位图，进而形成携带轨道角动量因子的螺旋立方相位图；将分光后的光束射入至具有该螺旋立方相位图的空间光调制器上，进行相位调制；将经相位调制后的光束通过傅里叶透镜进行傅里叶变换，在该傅里叶透镜的后焦面上即可得到携带轨道角动量的无衍射艾里光束。

该光束在通过显微物镜成像后，可通过接收器接收，之后通过显示器进行显示观察。

二维艾里光束可以表示为：

u(x,y,z＝0)＝Ai(x/x₀)exp(ax/x₀)Ai(y/y₀)exp(ay/y₀)

式(1)

则带有轨道角动量的艾里光束可以在其基础上叠加一个螺旋相位得到，可以表达为：

u₁(x,y,z＝0)＝Ai(x/x₀)Ai(y/y₀)exp(ay/y₀+ax/x₀)×[(x-x_p)+i(y-y_p)]^l

式(2)

(x_p,y_p)代表空心涡旋在直角坐标系下的位置(离开原点的距离，原点设在艾里光束主瓣中心)，即(x_p,y_p)也代表空心涡旋部分光束的中心位置，l代表光学涡旋的拓扑荷数。其中，a为截断因子，在这里，a＝0.05,λ＝632.8nm,x₀＝y₀＝100um，x_p＝y_p＝300um，l＝1，因此，u₁场在空间中传播(通过菲涅耳积分)可以表示为

艾里光束实验上产生的相位可以表示为：

φ₁(x,y)＝8πb(x^3/2+y^3/2)/(3λ) 式(4)

则引进具有携带轨道角动量的螺旋立方相位可以表示为：

φ₂(x,y)＝8πb(x^3/2+y^3/2)/(3λ)+l arg[(x-x_p)+i(y-y_p)] 式(5)

其中，b＝0.001mm^-1/2，其他参数同上。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。