一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案

本发明涉及一种在可用于微粒操纵的新型艾里涡旋光束的技术，具体涉及一种分数阶的艾里涡旋光束的应用方案，可用于生物医学、精密操作等领域。

背景技术：

1、理想的艾里涡旋光束具有无限能量，在传输的过程中具有自聚焦，自弯曲和无衍射的特性。对理想的艾里涡旋光束进行截断，其在有限的传输距离范围内仍然具有无衍射特性。而由于艾里涡旋光束的独特特性，也被用于微粒操纵领域的研究，散射粒子可以被拖入到一维艾里光束的主瓣中，并在其平衡位置附近表现出不规则的布朗运动，这个行为可用于光学分选。此前已有研究人员等人分析了环形艾里光束的辐射力，并通过实验实现了对硅微粒子的光操纵和旋转，结果显示随着拓扑电荷的增加，微粒子的旋转速度先增大在达到最大值后减小，可以丰富微粒的操作。

2、在大多数关于涡旋光束的研究中，拓扑电荷数通常被限制为整数，实际上拓扑电荷数可以为分数，即分数阶涡旋光。分数阶涡旋可以表示为一系列整数涡旋的叠加，具有独特的暗隙结构，这是由生成光中相位不连续的倏逝波引起的。目前已经开展了分数阶贝塞尔涡旋光束、分数阶拉盖尔高斯光束、分数阶环形涡旋光束等分数阶涡旋光的研究。在光镊和微粒操作应用上，分数阶涡旋光束也能实现由轨道角动量传递引起的粒子旋转，而暗隙结构能显著降低旋转速度，某些情况下，更适合引导和输运微观粒子。

3、我们发现分数阶艾里涡旋光对粒子的横向梯度力可通过控制艾里涡旋光束暗孔来进行调控，进而达到粒子捕获的目的。本发明提出了一种新型的分数阶艾里涡旋光束捕获微粒的技术方案，对比现有的分数阶涡旋光束，由于分数阶艾里涡旋光束结合了二维艾里涡旋光束的特性，具有自聚焦和缺口分布特性，能表现出更好的捕获性能。本发明通过实验产生了具有独特缺口特性的分数阶艾里涡旋光束，并通过计算机对其缺口的位置和方向进行控制，从而实现对微粒的操纵。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案及可行性分析。方案详明，原理不复杂，由于分数阶艾里涡旋光束独特的缺口特性，能够实现对粒子的操纵，在针对特定场景，比如对光敏感的生物细胞或仪器，由于缺口低强度的能量能极大减小对它们的损伤，从而进行特殊操作，这在生物医学等领域具有应用价值。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，包括如下步骤：

3、(1)由激光器产生的激光经过偏振片产生线偏振激光束，依次进入两个凸透镜进行扩束准直；

4、(2)将准直后的激光再经过加载相位信息的空间光调制器，得到调制后的反射光束；

5、(3)将反射后的光束经过一个凸透镜，在凸透镜的后焦面得到分数阶艾里涡旋光束；

6、(4)将调制后得到的艾里涡旋光束垂直照射到透明粒子上，用计算机对空间光调制器进行控制，调整艾里涡旋光束的开口方向，对粒子进行操纵。

7、上述技术方案中，所述的激光器是为了产生初始的激光源。

8、上述技术方案中，所述的偏振片为线偏振片，目的是使入射光线偏方向与空间光调制器液晶的e轴平行，尽可能消除零级光的影响。

9、上述技术方案中，所述的两个凸透镜，目的是对光束进行准直。

10、上述技术方案中，所述的空间光调制器是为了加载分数阶艾里涡旋光束傅里叶变换的相位计算全息图，调控入射光场的波前。通过计算机上位机软件对加载的相位图叠加跳变相位和衍射相位。

11、上述技术方案中，所述的凸透镜，是为了进行傅里叶相位调制变换，最终得到分数阶艾里涡旋光束。

12、上述技术方案中，所述的计算机，是为了生成分数阶艾里涡旋光束傅里叶变换后的光场信息，将其编码成相位计算全息图，再将计算全息图和跳变相位、衍射相位叠加在一起，通过上位机软件将叠加了跳变相位和衍射相位的计算全息图加载到空间光调制器上。

13、由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

14、(1)与传统的艾里涡旋光束相比，分数阶艾里涡旋光束在保持其原有的特性如自聚焦，无衍射的特性之外，还具有独特的缺口特性；

15、(2)由于分数阶艾里涡旋光束的独特的缺口性质，其对粒子施加的横向梯度力可以对粒子进行操纵；

16、(3)装置简单，易于操作；

17、(4)不需要借助其他光学器件，节省成本；

18、(5)充分利用了已有的分数阶光束和艾里涡旋光束的共同特性，将二者进行结合，设计出了一种兼顾二者优点的新型光束。

技术特征：

1.一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于如下步骤：

2.一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案的装置包括，激光源，偏振片，凸透镜，反射镜，空间光调制器，计算机；其特征在于：由激光器出射的激光经过线偏振片之后得到线偏振激光束，然后依次进入两个凸透镜之后进行扩束准直；准直后的激光再经过反射镜进行反射，接着通过加载相位信息的空间光调制器，得到调制后的反射光束；将反射后的光束经过一个凸透镜，在凸透镜的后焦面得到分数阶艾里涡旋光束；将调制后得到的艾里涡旋光束垂直照射到透明粒子上，用计算机对空间光调制器进行控制，调整艾里涡旋光束的开口方向，对粒子进行操控。

3.根据权利要求2所述的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于：所述的空间光调制器由计算机操控，空间光调制器加载相位计算全息图，调控入射高斯光场的波前。加载分数阶艾里涡旋光束傅里叶变换的相位，通过计算机上位机软件对加载的相位图叠加跳变相位和衍射相位。

4.根据权利要求2所述的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于：所述的第三个凸透镜是为了进行傅里叶相位调制变换，最终得到分数阶艾里涡旋光束。

5.根据权利要求2所述的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于：所述的分数阶艾里涡旋光束开口方向调整方法为通过计算机对空间光调制器相位片进行相位跳变，从而改变分数阶艾里涡旋光束奇异相位的位置，如果把开口方向进行数值化的定义。以0-2pi分别表示开口方向angel的改变，则具体的开口方向调整思路如下：

6.根据权利要求2所述的一种基于分数阶艾里涡旋光束的操纵微粒的方案，其特征在于：所述的分数阶艾里涡旋光束对粒子的横向移动操纵是利用其光场的横向梯度力来实现的。

技术总结
本发明涉及一种能在低损伤条件下对粒子进行操纵的分数阶艾里涡旋光束的调控方案。由激光器出射的激光经过偏振片产生线偏振激光束，依次进入凸透镜和反射镜，再经过加载相位信息的空间光调制器，得到的反射光束经过一个凸透镜，在凸透镜后焦面得到分数阶艾里涡旋光束。将调制后的光束垂直照射到透明粒子上，用计算机对空间光调制器进行控制，调整光束的光斑大小和开口方向，对粒子进行操纵。本发明利用了艾里涡旋光束自加速自弯曲等特性，又结合了分数阶光束的特点，设计出了一种具有独特缺口特性的艾里涡旋光束，能够实现对粒子的操纵。在特定场景，由于径向缺口低强度的能量能极大降低对它们的损伤程度,在生物医学等领域具有应用价值。

技术研发人员：王家佳,黄贤伟,秦浩,周琦,邹璇彭凡,白艳锋,傅喜泉
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8