CN111474708A - 一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法 - Google Patents

一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111474708A
CN111474708A CN202010302886.0A CN202010302886A CN111474708A CN 111474708 A CN111474708 A CN 111474708A CN 202010302886 A CN202010302886 A CN 202010302886A CN 111474708 A CN111474708 A CN 111474708A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vortex
mask plate
annular connection
abnormal
array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010302886.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111474708B (zh
Inventor
李新忠
张�浩
李懋
王亚坤
朱刘昊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Science and Technology
Original Assignee
Henan University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Science and Technology filed Critical Henan University of Science and Technology
Priority to CN202010302886.0A priority Critical patent/CN111474708B/zh
Publication of CN111474708A publication Critical patent/CN111474708A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111474708B publication Critical patent/CN111474708B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0988—Diaphragms, spatial filters, masks for removing or filtering a part of the beam

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Abstract

一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，结合两个重建的螺旋相位因子和两个锥透镜复透过率函数，得到该反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数，通过计算机将上述复振幅透过率函数加载至空间光调制器中即可产生所需的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数保持不变的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。并使用该掩模板产生光环上涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列,用以应对微粒操纵领域尤其是对不同大小微粒进行同时捕获的需求。

Description

一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法
技术领域
本发明涉及微粒操纵领域，具体的说是一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法。
背景技术
由于光学涡旋携带轨道角动量，在微粒捕获，光镊等方面有着广泛的应用。因此成为光学领域一个重要的研究热点，吸引了研究人员的广泛关注。而涡旋阵列由于其携带多个涡旋，提供了额外的调控自由度，在微操纵领域中的多微粒捕获的应用中成为一个重要的研究热点。而在这些应用中，涡旋阵列的涡旋分布具有重要的研究意义。
通过光强连接的涡旋阵列光束，一般是利用两束或多束空间结构光束的同轴叠加来产生。2007年，S.Franke-Arnold等人通过对两束具有特殊拓扑荷值的拉盖尔-高斯光束同轴干涉叠加产生一种可用于原子冷却的环形光学涡旋阵列【Opt.Express，2007，8619-8625】。2013年，Vaity等人利用马赫-曾德尔干涉仪对两束高斯光束叠加产生具有高能量的涡旋阵列光束【Appl.Opt.2013,6652-6656】。2017年，Ma等人通过叠加两束同心的完美涡旋光束得到了一种涡旋数目可灵活调控的涡旋阵列光束【Ann.Phys-Berlin 2017,1700285】。2018年，Li等人基于全息光束塑形技术，产生了具有丰富结构的涡旋阵列，其光环上涡旋分布可以沿着任意曲线轨迹分布【Opt.Express 2018,9798-9812】。然而上述方案产生的涡旋阵列的涡旋都是均匀分布在光环上。在微粒操纵领域，还需要一种可以实现不改变光环上涡旋总数的条件下调控光环局域上的涡旋分布的反常环形连接的涡旋阵列。
综上所述，在微粒操纵领域中，尚缺少一种可用于微粒操纵的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束，用以应对微粒操纵领域尤其是对不同大小微粒进行同时捕获的需求。
发明内容
为解决上述不足，本发明的目的是提供了一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，并使用该掩模板产生光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列,用以应对微粒操纵领域尤其是对不同大小微粒进行同时捕获的需求。
本发明基于计算全息方法，在远场构造了一种反常环形连接的涡旋阵列。这种反常环形连接的涡旋阵列可以灵活调控光环上局域涡旋的分布情况且涡旋的总数保持不变，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。
本发明所采用的技术方案是：
一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，结合两个重建的螺旋相位因子和两个锥透镜复透过率函数，得到该反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：
Figure BDA0002453518700000021
其中，
Figure BDA0002453518700000022
为一个极坐标系，ρ为极坐标系径向变量，
Figure BDA0002453518700000023
为极坐标系角向变量，exp(·)为以自然常数e为底的指数函数，i为虚数单位，k为所提出的反常环形连接的涡旋阵列光束的波数，n为锥透镜材料的折射率，αa和αb分别为两个锥透镜的锥角因子，Ψa和Ψb分别为两个重建的螺旋相位因子；
通过计算机将上述复振幅透过率函数加载至空间光调制器中即可产生所需的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数保持不变的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。
所述的重建螺旋相位因子Ψa和Ψb表达式分别为：
Figure BDA0002453518700000031
Figure BDA0002453518700000032
式中，n’＝1、2为编号；rect(.)矩形函数；man’和mbn’分别为两个重建螺旋相位因子Ψa和Ψb的局域拓扑荷参数，满足关系|ma1+ma2|＝|mb1+mb2|；其阵列涡旋总数满足关系N＝N1+N2＝|mb1-ma1|/2+|mb2-ma2|/2，其中N表示光环上涡旋总数，N1表示光环下半部分的涡旋数目，N2表示光环上半部分的涡旋数目。通过分别调控man’和mbn’的大小，可以调控产生的反常环形连接的涡旋阵列的局域涡旋分布情况。
在实验中，利用平行光束照射在加载有反常环形连接的涡旋阵列掩模板的空间光调制器上，由空间光调制器调制后反射的光束经过一个凸透镜即可在远场产生该光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束。
本发明的技术效果：
本发明所设计的掩模板可以实现在该掩模板的远场产生一种光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束。涡旋在光环的下半环和上半环的涡旋数目分别由两个重建螺旋相位因子Ψa和Ψb的局域拓扑荷参数的差值|mb1-ma1|/2和|mb2-ma2|/2来控制。光环上局域涡旋数目的增加或减少使得相应局域涡旋暗核区域的减小和增大，可以实现同时对不同大小的微粒进行捕获，因而在微粒操纵技术中具有非常重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明产生光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板。重建螺旋相位因子的局域拓扑荷参数分别为选取ma1依次以1为间隔从4取到1,ma2依次以1为间隔从4取到7,mb1＝mb2＝-4。
图2是利用图1中所展示的掩模板生成的反常环形连接的涡旋阵列光束。
具体实施方式
图1是本发明产生的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板，其复透过率函数具体表达式为：
Figure BDA0002453518700000041
其中，
Figure BDA0002453518700000042
为一个极坐标系，ρ为极坐标系径向变量，
Figure BDA0002453518700000043
为极坐标系角向变量，exp(·)为以自然常数e为底的指数函数，i为虚数单位，k为所提出的反常环形连接的涡旋阵列光束的波数，n为锥透镜材料的折射率，αa和αb分别为两个锥透镜的锥角因子，Ψa和Ψb分别为两个重建的螺旋相位因子。
通过计算机将上述复振幅透过率函数加载至空间光调制器中即可产生所需光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数保持不变的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。
所述的重建螺旋相位因子Ψa和Ψb表达式分别为：
Figure BDA0002453518700000044
Figure BDA0002453518700000045
式中，n’＝1、2为编号；rect(.)矩形函数；man’和mbn’分别为两个重建螺旋相位因子Ψa和Ψb的局域拓扑荷参数，满足关系|ma1+ma2|＝|mb1+mb2|；其阵列涡旋总数满足关系N＝N1+N2＝|mb1-ma1|/2+|mb2-ma2|/2，其中N表示光环上涡旋总数，N1表示光环下半部分的涡旋数目，N2表示光环上半部分的涡旋数目。通过分别调控man’和mbn’的大小，可以调控产生的反常环形连接的涡旋阵列的局域涡旋分布情况。
实验中首先给出两个锥透镜的锥角因子αa和αb，通过连续调节αa和αb的差值，生成所提出的反常环形连接的涡旋阵列光束。将重建螺旋相位因子局域拓扑荷参数mbn’取固定值，此外重建螺旋相位因子局域拓扑荷参数man’依次取不同拓扑荷值得到光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束。图1为重建螺旋相位因子的局域拓扑荷参数分别为选取ma1依次以1为间隔从4取到1,ma2依次以1为间隔从4取到7,mb1＝mb2＝-4得到的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。
实施例
以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列。该掩模板锥透镜的锥角因子分别取αa＝0.07rad和αb＝0.08rad，重建螺旋相位因子的局域拓扑荷参数分别为选取ma1依次以1为间隔从4取到1,ma2依次以1为间隔从4取到7,mb1＝mb2＝-4，根据具体实施方式中的掩模板透过率函数最终得到光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板。图1给出了所述的不同局域拓扑荷参数取值下生成的掩模板。这种光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板可以通过一个空间光调制器来实现。以德国Holoeye公司的pluto-vis-016型号空间光调制器为例，对所提出的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板进行实验验证。
图2所示，我们实验产生了这种光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板在数值孔径NA＝0.025，焦距为200mm的凸透镜焦平面上的光强分布。从图中可以看出，我们得到了光环上暗核非均匀分布的反常环形连接的涡旋阵列光束，其阵列涡旋总数满足关系N＝N1+N2＝|mb1-ma1|/2+|mb2-ma2|/2＝8保持不变，此外N1表示光环下半部分的涡旋数目，N2表示光环上半部分的涡旋数目。我们的实验结果表明，通过本发明提出的这种反常环形连接的涡旋阵列掩模板，可以得到光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束。这将为微粒操纵领域提供更为丰富的操纵模式，尤其适用于对不同大小微粒的同时捕获。
综上所述，本发明提出了光环上一种局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板的具体设计方案及实施方案，并以NA＝0.025的聚焦透镜、锥透镜复透过率函数锥角因子分别取αa＝0.07rad和αb＝0.08rad为例，针对工作波长为532nm的激光，提出了一种光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板的技术实施路线。
以上所述产生光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列掩模板仅表达了本发明的一种具体实施方式，并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以对本专利所提出的具体实施细节做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法，其特征在于：结合两个重建的螺旋相位因子和两个锥透镜复透过率函数，得到该反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：
Figure FDA0002453518690000015
其中，
Figure FDA0002453518690000011
为一个极坐标系，ρ为极坐标系径向变量，
Figure FDA0002453518690000012
为极坐标系角向变量，exp(.)为以自然常数e为底的指数函数，i为虚数单位，k为所提出的反常环形连接的涡旋阵列光束的波数，n为锥透镜材料的折射率，αa和αb分别为两个锥透镜的锥角因子，Ψa和Ψb分别为两个重建的螺旋相位因子；
通过计算机将上述反常环形连接的涡旋阵列掩模板的复透过率函数加载至空间光调制器中即可产生所需的光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数保持不变的反常环形连接的涡旋阵列的掩模板。
2.根据权利要求1所述的一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板，其特征在于：
所述的两个重建的螺旋相位因子Ψa和Ψb表达式分别为：
Figure FDA0002453518690000013
Figure FDA0002453518690000014
式中，n’＝1、2为编号；rect(.)矩形函数；man’和mbn’分别为两个重建螺旋相位因子Ψa和Ψb的局域拓扑荷参数，满足关系|ma1+ma2|＝|mb1+mb2|；其阵列涡旋总数满足关系N＝N1+N2＝|mb1-ma1|/2+|mb2-ma2|/2，其中N表示光环上涡旋总数，N1表示光环下半部分的涡旋数目，N2表示光环上半部分的涡旋数目。
3.利用权利要求1-2任一项所述的设计方法制备的掩模板产生反常环形连接的涡旋阵列光束的方法，其特征在于：
利用平行光束照射在加载有反常环形连接的涡旋阵列掩模板的空间光调制器上，由空间光调制器调制后反射的光束经过一个凸透镜即可在远场产生该光环上局域涡旋分布可控且涡旋总数不变的反常环形连接的涡旋阵列光束。
CN202010302886.0A 2020-04-16 2020-04-16 一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法 Expired - Fee Related CN111474708B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010302886.0A CN111474708B (zh) 2020-04-16 2020-04-16 一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010302886.0A CN111474708B (zh) 2020-04-16 2020-04-16 一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111474708A true CN111474708A (zh) 2020-07-31
CN111474708B CN111474708B (zh) 2022-02-18

Family

ID=71754385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010302886.0A Expired - Fee Related CN111474708B (zh) 2020-04-16 2020-04-16 一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111474708B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115453752A (zh) * 2022-09-19 2022-12-09 苏州大学 一种半径反常的涡旋光束掩模板的设计方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090135486A1 (en) * 2007-09-17 2009-05-28 Mcnulty Ian Use of a focusing vortex lens as the objective in spiral phase contrast microscopy
CN106933027A (zh) * 2017-04-28 2017-07-07 河南科技大学 一种涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板的设计方法
CN109917546A (zh) * 2019-04-04 2019-06-21 河南科技大学 一种可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板的设计方法
CN110472294A (zh) * 2019-07-19 2019-11-19 河南科技大学 一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法
CN110703436A (zh) * 2019-10-18 2020-01-17 河南科技大学 一种方向可控的椭圆光学涡旋阵列掩模板的设计方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090135486A1 (en) * 2007-09-17 2009-05-28 Mcnulty Ian Use of a focusing vortex lens as the objective in spiral phase contrast microscopy
CN106933027A (zh) * 2017-04-28 2017-07-07 河南科技大学 一种涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板的设计方法
CN109917546A (zh) * 2019-04-04 2019-06-21 河南科技大学 一种可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板的设计方法
CN110472294A (zh) * 2019-07-19 2019-11-19 河南科技大学 一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法
CN110703436A (zh) * 2019-10-18 2020-01-17 河南科技大学 一种方向可控的椭圆光学涡旋阵列掩模板的设计方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115453752A (zh) * 2022-09-19 2022-12-09 苏州大学 一种半径反常的涡旋光束掩模板的设计方法
CN115453752B (zh) * 2022-09-19 2023-07-21 苏州大学 一种半径反常的涡旋光束掩模板的设计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111474708B (zh) 2022-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105445943B (zh) 一种分数阶完美涡旋光束的产生装置及产生方法
CN106933027B (zh) 一种涡旋数目可控的环形涡旋阵列掩模板的设计方法
CN109917546B (zh) 一种可自由调控的中心对称涡旋光束掩模板的设计方法
Kazanskiy et al. Binary beam splitter
Hoffnagle et al. Design and performance of a refractive optical system that converts a Gaussian to a flattop beam
CN108121067B (zh) 一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法
CN110472294B (zh) 一种嫁接涡旋光束的掩模板的设计方法
Zhang et al. Binary wavefront optimization using a genetic algorithm
Wei et al. Double freeform surfaces design for beam shaping with non-planar wavefront using an integrable ray mapping method
Zhao et al. Shaping diffraction-free Lommel beams with digital binary amplitude masks
CN106094218B (zh) 一种空心光束的产生装置
Kazanskiy et al. Nonparaxial effects in lensacon optical systems
Ghebjagh et al. Multifocal multi-value phase zone plate for 3D focusing
CN114019690B (zh) 产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学***
CN110554510A (zh) 一种透射式衍射光学元件的光学成像***
CN111474708A (zh) 一种反常环形连接的涡旋阵列掩模板的设计方法
Sokolovskii et al. Influence of the axicon characteristics and beam propagation parameter on the formation of Bessel beams from semiconductor lasers
Liang et al. Direct observation and characterization of optical guiding of microparticles by tightly focused non-diffracting beams
Zhu et al. Freeform illumination optics design for extended LED sources through a localized surface control method
Zeng et al. Characteristic analysis of a refractive axicon system for optical trepanning
CN109782451B (zh) 一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法和***
Sabatyan Comprehensive focusing analysis of bi-segment spiral zone plate in producing a variety of structured light beams
CN104459999A (zh) 成像流式细胞仪的照明***
CN211263967U (zh) 一种基于全像传递的平面光源光束整形装置
Glückstad et al. HoloTile light engine: new digital holographic modalities and applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200731

Assignee: Luoyang pingconvex Technology Co.,Ltd.

Assignor: HENAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980024383

Denomination of invention: A Design Method of Vortex Array Mask with Anomalous Annular Connection

Granted publication date: 20220218

License type: Exclusive License

Record date: 20221215

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20220218

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee