CN111399309A - 一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法 - Google Patents

一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法 Download PDF

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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
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Abstract

本发明公开了一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法，包括：用激光器发射光束，将艾里光束的立方相位与涡旋光束的螺旋相位叠加得到一个调制相位，加载到空间光调制器上，再通过透镜产生艾里涡旋光束；使用啁啾发生器对艾里涡旋光束进行调制，即在强度调制器中，用射频信号对该光束进行强度调制驱动，得到加载了射频信息的强度脉冲信号；将光束打入二次方折射率介质中传播，通过调整强度调制器中的直流偏置工作点的位置进行相位调节，来控制加载的啁啾，改变啁啾艾里涡旋光束在二次方折射率介质中传播的聚焦位置，应用于光学微操纵和医学治疗等领域，能够提高涡旋光束捕获微粒的准确度和稳定性，有效避开障碍物和推动微粒沿二次曲线轨迹运动。

Description

一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法。
背景技术
艾里光束具有无衍射、自愈性及其特有的自加速性质，近年来引起众多科学工作者对其的研究热情。无衍射特性指的是光束在一定传播距离内不发生衍射。自愈性指的是光束在传播时即使遇到阻挡，遮挡了部分光强，传播一段距离后也能恢复为原来的光场分布形状。自加速特性指的是光束主瓣在传播截面上的横向偏移加速度。因艾里光束拥有的独特性质，目前已经被应用在非线性光子弹，微纳米加工，医学治疗等众多领域。
涡旋光束具有特殊的螺旋形波前结构和携带确定的轨道角动量，能够有效地捕获粒子和使被捕获的粒子发生旋转，对光学微操纵、量子通信，生物医学等领域有着十分重大的应用价值。
2009年，科学工作者通过在艾里光束立方相位的基础上引入螺旋相位，成功获得艾里涡旋光束，并对其特性进行了研究。之后吸引了许多学者继续对艾里涡旋光束进行深入研究，并且取得了很多成果。光学涡旋不会影响艾里光束的传输轨迹,不同拓扑荷数的艾里涡旋光束的传播特性，艾里涡旋光束在单轴晶体中的传播性质等。
发明内容
有鉴于此，为了有利于涡旋光束在光学微操纵领域的应用和发展，本发明提出一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法，包括如下步骤：
用激光器发射光束；
将艾里光束的立方相位与涡旋光束的螺旋相位叠加得到一个调制相位，加载到空间光调制器上，再通过透镜产生艾里涡旋光束；
使用啁啾发生器对艾里涡旋光束进行调制，即在强度调制器中，用射频信号对该光束进行强度调制驱动，得到加载了射频信息的强度脉冲信号；
将该光束打入二次方折射率介质中传播，通过调整强度调制器中的直流偏置工作点的位置进行相位调节，来控制加载的啁啾，控制啁啾艾里涡旋光束在二次方折射率介质中传播的聚焦位置，应用于微粒操纵时，能够提高涡旋光束捕获粒子的准确度和稳定性，同时由于艾里光束的自愈性和自加速特性，能够有效避开障碍物和推动微粒沿二次曲线轨迹运动。
进一步地，立方相位与螺旋相位的叠加得到的新的调制相位具体为：
Figure BDA0002450030280000021
其中f1和f2分别是立方相位和螺旋相位，kx和ky分别是x和y方向的波矢，i是虚数单位，arg(·)为复数的辐角，m为拓扑荷数，kx1和ky1表示立方相位中心与螺旋相位中心间的位错。
进一步地，改变立方相位与螺旋相位之间的位错，控制光学涡旋加载在艾里光束的不同位置。
进一步地，光束在二次方折射率介质中周期性传播，光束的聚焦位置通过改变啁啾进行控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明采用空间光调制器法产生艾里涡旋光束，改变立方相位与螺旋相位之间的位错，得到不同的调制相位，可以得到不同初始场的艾里涡旋光束。同时采用新型的啁啾发生器，节省成本，提高了效率，能够很好的控制波束聚焦控制，对于微粒捕获、微粒清扫等领域的应用和发展有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法的流程图；
图2是本发明立方螺旋相位图，拓扑荷数m＝1,kx1＝ky1＝0；
图3是本发明一阶啁啾艾里涡旋光束在拓扑荷数m＝1,kx1＝ky1＝0,衰减因子a＝b＝0.1，啁啾因子β＝0.1，与折射率有关的参数α＝0.2m，传播周期 L＝2πα时在二次方折射率介质中传播的强度分布和相位分布；(b)是光束在介质中的传播演化图；(a1)-(a6)和(c1)-(c6)是在对应点线位置处的光束横向相位分布和强度分布；
图4是本发明一阶啁啾艾里涡旋光束在拓扑荷数m＝1,kx1＝ky1＝0,衰减因子a＝b＝0.1，与折射率有关的参数α＝0.2m，传播周期L＝2πα时在二次方折射率介质中传播的强度分布和强度演化；(a1),(b1)对应于啁啾因子β＝-2； (a2),(b2)对应于啁啾因子β＝0.1；(a3),(b3)对应于啁啾因子β＝2。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法，包括：
首先，用激光器发射光束，将艾里光束的立方相位与涡旋光束的螺旋相位叠加得到一个调制相位，加载到空间光调制器上，再通过透镜产生艾里涡旋光束。随后，使用新型的啁啾发生器对艾里涡旋光束进行调制，即在强度调制器中，用射频信号对该光束进行强度调制驱动，得到加载了射频信息的强度脉冲信号。将光束打入二次方折射率介质中传播，通过调整强度调制器中的直流偏置工作点的位置进行相位调节，来控制加载的啁啾，改变啁啾艾里涡旋光束在二次方折射率介质中传播的聚焦位置应用于微粒操纵时，能够提高涡旋光束捕获粒子的准确度和稳定性，同时由于艾里光束的自愈性和自加速特性，能够有效避开障碍物和推动微粒沿二次曲线轨迹运动。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，立方相位与螺旋相位的叠加得到的新的调制相位具体为：
Figure BDA0002450030280000041
其中f1和f2分别是立方相位和螺旋相位，kx和ky分别是x和y方向的波矢，i是虚数单位，arg(·)为复数的辐角，m为拓扑荷数，kx1和ky1表示立方相位中心与螺旋相位中心间的位错。
具体地，采用空间光调制器法产生艾里涡旋光束，改变立方相位与螺旋相位之间的位错，得到不同的调制相位，可以得到不同初始场的艾里涡旋光束。
具体地，光束在二次方折射率介质中周期性传播，光束的聚焦位置能够通过改变啁啾进行控制。
本发明将啁啾、涡旋、艾里光束结合起来，得到啁啾艾里涡旋光束，并在本发明中对该光束在二次方折射率介质中传播的强度分布、相位分布进行了深入的分析，图2是用于产生艾里涡旋光束的立方螺旋相位图，图3显示了光束在传播周期内的光强分布和相位分布，可以看出光束在一个周期内聚焦四次，光束轮廓是按周期性变化的。从图4中，可以看出不同啁啾因子的影响下，光束的聚焦位置不同，这也表明了光束沿z轴传播时的聚焦位置可以通过控制加载的啁啾因子进行调制。
本发明采用空间光调制器法产生艾里涡旋光束，改变立方相位与螺旋相位之间的位错，得到不同的调制相位，可以得到不同初始场的艾里涡旋光束。同时采用新型的啁啾发生器，节省成本，提高了效率，能够很好的控制波束聚焦控制，应用于光学微操纵领域，提高光学涡旋捕获微粒的稳定性，具有重要意义。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
用激光器发射光束；
将艾里光束的立方相位与涡旋光束的螺旋相位叠加得到一个调制相位，加载到空间光调制器上，再通过透镜产生艾里涡旋光束；
使用啁啾发生器对艾里涡旋光束进行调制，即在强度调制器中，用射频信号对该光束进行强度调制驱动，得到加载了射频信息的强度脉冲信号；
将该光束打入二次方折射率介质中传播，通过调整强度调制器中的直流偏置工作点的位置进行相位调节，来控制加载的啁啾，改变啁啾艾里涡旋光束在二次方折射率介质中传播的聚焦位置，应用于微粒操纵时，能够提高涡旋光束捕获粒子的准确度和稳定性，同时由于艾里光束的自愈性和自加速特性，能够有效避开障碍物和推动微粒沿二次曲线轨迹运动。
2.根据权利要求1所述的控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法，其特征在于，立方相位与螺旋相位的叠加得到的新的调制相位具体为：
Figure FDA0002450030270000011
其中f1和f2分别是立方相位和螺旋相位，kx和ky分别是x和y方向的波矢，i是虚数单位，arg(·)为复数的辐角，m为拓扑荷数，kx1和ky1表示立方相位中心与螺旋相位中心间的位错。
3.根据权利要求1所述的控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法，其特征在于，改变立方相位与螺旋相位之间的位错，控制光学涡旋加载在艾里光束的不同位置。
4.根据权利要求1所述的控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法，其特征在于，光束在二次方折射率介质中周期性传播，光束的聚焦位置通过改变啁啾进行控制。
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