一种无衍射自加速艾里光束的自由调控方法及装置与流程

本发明属于光学技术及光束控制领域，尤其是涉及一种无衍射自加速艾里光束的自由调控方法及装置。

背景技术：

1979年，英国学者Berry和美国学者Balazs在量子力学领域做了一个重要的预言：薛定谔方程具有一个遵循艾里函数的波包解，该艾里波包具有众多奇异特性，如无衍射、自横向加速，自愈等。从此艾里光束吸引了世界上众多科学研究者的注意，从而真正打开了人们对艾里光束空前繁荣的研究局面。因其众多迷人的奇异特性，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学镊技术中。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。该光源被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。如利用光镊可以实现将DNA导入细胞而实现基因重组；可以操纵染色体以及DNA研究生物遗传与变异；用以研究生物分子的马达力学特性等等。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。

艾里光束传播轨迹为抛物曲线，而非常规的直线传播，这为按抛物曲线操纵粒子提供了可能。然而，艾里光束传播轨迹总是表现为二次抛物线轨迹传播，无法实现自由调控该光束按任意轨迹传播的功能。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可实现光束传播轨迹的自由调控、实现利用该光束操控微粒沿着任意预设的轨迹运动的无衍射自加速艾里光束的自由调控方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无衍射自加速艾里光束的自由调控方法，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)将分光后的光束射入至事先加载了相位图形的空间光调制器上，进行相位调制；4)将经相位调制后的光束通过傅里叶透镜进行傅里叶变换，得到艾里光束；5)将该艾里光束射入梯度折射率介质内，使该艾里光束可沿自由轨迹传播。

进一步的，所述步骤5)完成后，将艾里光束通过透镜，再通过相机接收。

本发明还提供一种无衍射自加速艾里光束的调控装置，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、用于对空间调制器进行预先加载相位图形的计算机、用于对经相位调制后的光束进行傅里叶变换以得到艾里光束的傅里叶透镜、用于控制该艾里光束沿自由轨道传播的梯度折射率介质及白光光源。

进一步的，还包括透镜和用于对艾里光束进行接收的相机。

更进一步的，所述梯度折射率介质的折射率梯度变化由所述白光光源的光强和加载在所述梯度折射率介质上的偏置电压共同控制。

本发明的有益效果：该方法通过引入梯度折射率介质，构建沿传播方向上具有不同的折射率空间分布，从而可实现光束传播轨迹的自由调控，操控微粒沿着任意预设的轨迹运动，实现各种复杂的光学微操纵；该方法产生的光束，同样具有无衍射、自愈、自加速等奇异特性，该光束在构建自会聚光束、等离子体、微粒操控、等方面均具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明调控装置的结构示意图。

图2为本发明产生的光束按余弦曲线传播的轨迹图。

图3为本发明产生的光束按对数曲线传播的轨迹图。

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无衍射自加速艾里光束的自由调控装置的示意图。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、梯度折射率介质7、白光光源8、透镜9以及相机10构成；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进行预先加载相位图形；所述傅里叶透镜6用于对经相位调制后的光束进行傅里叶变换以得到艾里光束，其焦距设置为300mm；所述梯度折射率介质7用于控制该艾里光束沿自由轨道传播，该梯度折射率介质7是利用白光光源8将白光照射至光折变晶体SBN上而产生的，其的折射率梯度是由白光光源8的光强分布和加载在该晶体上的偏置电压共同控制的；所述透镜9设于所述白光光源8后部，其焦距设置为30cm；所述相机10用于接收经过透镜后的艾里光束，进而对光束进行观察；相机采用CCD相机，其分辨率设置为1920*1080。

通过上述调控装置，进而可对无衍射自加速艾里光束进行自由调控，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，使其向空间光调制器传送；光束射入到所述空间光调制器上之后，被事先加载在所述空间光调制器上的相位图形进行相位图调制，之后再向所述傅里叶透镜进行传送；所述相位图形是由所述计算机控制，事先加载在空间光调制器上的；光束到达所述傅里叶透镜后，通过傅里叶透镜进行傅里叶变换，在其后焦面上产生艾里光束；之后该艾里光束继续向后传送，射入至所述梯度折射率介质内，由于该梯度折射率介质能够构建沿传播方向上具有不同的折射率空间分布，从而当该艾里光束在其内传播时，即可沿自由轨迹进行传播；进而实现光束传播轨迹的自由调控，操控微粒沿着任意预设的轨迹运动。

该艾里光束在通过透镜之后即可被所述CCD相机接收，进而由计算机进行显示和观察。

根据傍轴波动方程，一维光场在梯度介质折射率介质中遵循如下方程：

其中，φ代表光场，n为介质折射率，dn为介质折射率梯度，dn实质上是传播方向z的函数，k＝2π/λ为波数，λ为工作波长。考虑到理想的艾里光束具有无限大能量，所以实际上无法获得。因此我们加上初始约束条件φ₁(x,z＝0)＝Ai(x)exp(ax)，即乘上一个衰减的e指数因子exp(ax)，就可以得到实际中的艾里光束在具有梯度折射率介质中的所遵从的传播方程：

φ₂(x,z)＝Ai[x-(z/2)²-(dn/2n)z²+iaz]×exp[ax-a(1+dn/n)(z²/2)+i(a²z/2)+i(1+2k·dn/n)xz/2-i(1+2k·dn²/n²+3dn/n)(z³/12)]. 式(2)

其中，a是一个远小于1的正数。从式(2)可以得到其传播轨迹实际上受折射率梯度dn调控，即：

x-(z/2)²-(dn/2n)z²＝0. 式(3)

于是折射率梯度可以表示为：

dn＝(x/z²-1/4)2n. 式(4)

现假设在x-z平面内，光束按如下余弦轨迹传播：

x＝f(z)＝5cos2z 式(5)

则根据式(4)，只要SBN晶体中的介质折射率梯度按照如下设计即可

其中，γ为偏置电压系数，I_m为诱导白光光源的空间光强分布，不同的光强分布诱导得到不同的光学折射率，从而引起折射率具有梯度。只要dn满足上述理论模型式(4)，即可实现光束沿任意轨迹传输。当然该模型可以容易地拓展到二维空间。

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。