一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法

本发明涉及微粒操纵及量子信息编码领域，具体的说是一种具有可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板的设计方法。

背景技术：

1、光学涡旋调制是提高结构光束自由度的一种有效技术。诸多研究成果已被广泛应用于光通信、光镊、光学复用、加密、分选及运算等前沿领域。随着研究的进一步深入，包含多个光学涡旋的光学涡旋晶格成为近年来的一大研究热点。因为，光学涡旋晶格具有更加丰富的模式、更易于获得微纳尺度的光场以及更广泛的应用前景。因此，寻求新型光学涡旋晶格的构建、调控和应用是该领域研究者孜孜以求的目标。

2、通常，光学涡旋晶格是由多光束同轴叠加的方法产生。例如，通过特定拓扑荷的拉盖尔-高斯光束的叠加，产生了一种适用于捕获冷原子的“光学摩天轮”结构的光学涡旋晶格【optics express 15,8619(2007)】。通过完美涡旋光束的叠加，得到了一种涡旋半径、数量以及符号都可以灵活调控的环形光学涡旋晶格【annalen der physik 529,1700285(2017)】。以及，基于改进的全息塑形技术，叠加产生了一种沿任意曲线路径排列的光学涡旋晶格，极大的丰富了晶格的模式分布【optics express 26,9798(2018)】。此外，一种异常环光学涡旋晶格被提出用于控制晶格局部单位涡旋的符号、数量等【optics express 28,13775(2020)】。然而，由于晶格中涡旋的拓扑荷恒等于正负1，导致轨道角动量太小被忽略，这也极大地限制了用于一些特定的应用。随后，研究人员为解决这一问题，相继提出了不少技术来发挥利用光学涡旋晶格中涡旋的轨道角动量【physical review a 88,053831(2013)；chinese optics letters 17,100603(2018)；nanophotonics 10,2487(2021)】。但是，目前都是对光学涡旋晶格中涡旋的轨道角动量的整体调制，对涡旋的轨道角动量的独立、有效地控制尚未实现。

3、综上所述，目前尚缺少一种可应用于多微粒操纵和大容量光通信领域的可切换混合阶拓扑荷的光学涡旋晶格的激光模式。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的是提供了一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法，并使用该掩模板产生了具有可切换混合阶拓扑荷的光学涡旋晶格。

2、本发明所采用的技术方案是：一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法，步骤如下：

3、s1、获取可切换混合阶拓扑荷的光学涡旋晶格的电场表达式：

4、e(η,ξ)＝a(η,ξ){exp[jl1angle(h(η,ξ))]*circ(r,θ1)+exp[jl2angle(h(η,ξ))]*circ(r,θ2)}

5、其中，(η,ξ)表示极坐标系，η为径向坐标矢量，ξ为角向坐标矢量，j表示虚数单位，l1,l2表示可切换混合阶光学涡旋晶格中的涡旋拓扑荷值，angle()是求角向函数，circ()是圆域函数，r代表光束半径，θ1∈[0,2π/n]，θ2＝(2π/n,2π]，n代表晶格中涡旋的个数，n＝|m1-m2|，m1和m2代表叠加所用的两个任意曲线涡旋光束的拓扑值；

6、s2、获取任意曲线涡旋光束的复振幅，其表达式为：

7、

8、其中，是该光束的相位项；

9、s3、基于上述内容，结合该光束的振幅、相位与一个闪耀光栅，得到可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板的复透过率函数，其表达式为：

10、t＝bw[a(η,ξ)]exp[j(angle(e(η,ξ))+p0)]

11、其中，bw()表示为二值化函数，p0表示为闪耀光栅的相位，基于该复透过率函数所描述的掩模板即为可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板。

12、作为优选方案，步骤s1中，光学涡旋晶格的振幅项a(η,ξ)＝|h(η,ξ)|2，h(η,ξ)＝φ{h1(x,y)+h2(x,y)}，

13、其中，φ()是傅里叶变换函数，(x,y)表示直角坐标系，x为水平方向矢量，y为垂直方向矢量，h1(x,y)和h2(x,y)是同轴叠加生成晶格所用的两个任意曲线涡旋光束的复振幅。

14、作为优选方案，步骤s2中，|c’2(t)|＝[x’0(t)2+y’0(t)2]1/2，t∈[0,t＝2π]，x0(t)和y0(t)表示任意曲线的参数方程，决定着曲线的形状。

15、作为优选方案，步骤s3中，闪耀光栅的相位表达式为：p0＝2πx/d其中，x为直角坐标系的水平方向矢量，d为闪耀光栅的周期。

16、作为优选方案，步骤s3中，通过热插拔技术结合任意曲线塑形技术以及拓扑荷值翻倍技术，产生了该光束的振幅、相位与一个闪耀光栅，并最终得到可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板。

17、本发明所实现的有益效果：

18、本发明所设计的掩模板可以产生一种可切换混合阶拓扑荷的光学涡旋晶格。通过改变叠加所用的两个任意曲线涡旋光束的复振幅h1(x,y)和h2(x,y)可得到不同排布的涡旋，通过改变叠加所用的两个任意曲线涡旋光束的拓扑荷m1和m2可得到不同数量与形状的环上涡旋，通过改变环上可切换涡旋调制的个数n可得到不同数量混合阶拓扑荷的环上涡旋，相比之前的整体操作，单个涡旋的有效控制显著提高了光束调控自由度。因而在多微粒操纵和大容量光通信领域具有非常重要的应用前景。

技术特征：

1.一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法，其特征在于：步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法，其特征在于：

技术总结
一种可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板设计方法，通过结合空间结构光束的任意曲线塑形技术、拓扑荷值翻倍技术以及热插拔技术，对传统光学涡旋晶格的相位函数进行调制，并结合该光束的振幅、相位与一个闪耀光栅，最终得到可切换混合阶拓扑荷光学涡旋晶格的掩模板，本方案通过改变叠加所用的两个任意曲线涡旋光束的复振幅可得到不同排布的涡旋，通过改变叠加所用的两个任意曲线涡旋光束的拓扑荷可得到不同数量与形状的环上涡旋，通过改变环上可切换涡旋调制的个数可得到不同数量混合阶拓扑荷的环上涡旋，相比之前的操作，单个涡旋的有效控制显著提高了光束调控自由度。因而在多微粒操纵和大容量光通信领域具有非常重要的应用前景。

技术研发人员：台玉萍,秦雪云,唐苗苗,李新忠
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31