一种镜像对称光学涡旋光阱掩模板的设计方法与流程

本发明涉及光镊领域，具体的说是一种镜像对称光学涡旋光阱掩模板的设计方法。

背景技术：

1970年首次报道了光学捕获和粒子操纵。此后，由于其在生物科学，纳米技术和天体物理学等方面的应用被广泛研究。其中，单高斯光束梯度力光阱是研究最为广泛的一种光镊技术，目前其可以实现从亚纳米到微米级微粒的捕获。对于这种传统的单高斯光束光学镊子，俘获范围取决于高斯光束的光斑尺寸，在通过100倍显微镜物镜聚焦后，高斯光束的光斑尺寸非常小，约为1μm。捕获范围是设计单光束光学镊子的重要参数。直观地，扩大光斑尺寸是增加俘获范围的直接方法。然而，光斑尺寸仅允许略微增加，因为较大的光斑尺寸将导致强度梯度降低，会打破稳定陷阱的条件。因此，扩大光学镊的单个光束的俘获范围是一项重要的任务。

为了应对这一挑战，一种有效的方法是采用结构光束，即具有环形强度分布并携带轨道角动量(oam)的光学涡旋光束。由于微粒可以通过环形光强上的梯度力被捕获。因此，捕获范围扩大到由光环直径确定的圆。但是，粒子被捕获后受到oam的作用会不断旋转，难以做到静态捕获，进而实现粒子空间位置的可控操纵。综上所述，现缺少一种适用于单光束光镊领域的可自由调控大小的光阱，用以保证静态捕获的同时，扩大单光束光镊的捕获范围。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种镜像对称光学涡旋光阱掩模板的设计方法，通过该设计方法获得的掩模板，在其远场可产生镜像对称光学涡旋光阱，实现了光学扳手与静态光镊的有机结合，可通过改变径向能流参数的大小控制光阱捕获范围，在粒子操纵领域具有非常重要的价值。

本发明利用计算全息原理，基于非对称复合相位操作技术，打破传统完美涡旋圆对称结构，编码得到镜像对称光学涡旋光阱掩模板。从而，在远场产生镜像对称光学涡旋光阱，这种镜像对称光学涡旋光阱增加了传统单光束光镊的捕获范围，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

一种镜像对称光学涡旋光阱掩模板的设计方法，步骤如下：

步骤一、结合一个经过非对称复合相位操作的螺旋相位因子、一个径向能流因子和一个初相因子，得到该涡旋光束掩模板的复透过率函数e，其复透过率函数表达式为：

其中，ev为经过非对称复合相位操作的螺旋相位因子；

ea径向能流因子，可在远场提供一个径向的能流分量；

为初相因子，增加镜像对称光学涡旋光阱的可调控性；

步骤二、将上述复透过率函数e与闪耀光栅叠加得到镜像对称光学涡旋光阱掩模板，其表达式为

其中，circ(ρ<p)为一个环形光阑，用以给掩模板一个径向的截止，参数p决定光阑大小；angle(.)表示取相位操作；x为直角坐标；d为闪耀光栅周期。

进一步地，所述的经过非对称复合相位操作的螺旋相位因子ev，其表达式为：

其中，i为虚数单位；为极坐标系；m为螺旋相位因子拓扑荷值，其反映所述的镜像对称光学涡旋光阱的局域轨道角动量大小；step(.)为阶跃函数；～为取反逻辑运算；·为乘法运算。

进一步地，所述的径向能流因子ea表达式为：

其中，a为径向能流参数，决定径向能流的大小。由于非对称复合相位操作的螺旋相位因子提供了一个角向的能流，使得所述的掩模板生成的光束在远场形成半圆分布的一系列光瓣，为满足设计要求。所述的径向能流因子的作用是提供一个足够大的能流，用以在一定程度上中和角向能流分布，实现所述的镜像对称光学涡旋光阱。

进一步地，所述的初相因子表达式为：

其中，为所述的螺旋相位因子局部初相调节参数，其可以调控所述的镜像对称光学涡旋光阱中子光阱位置。

实验中，将本发明所设计的镜像对称光学涡旋光阱掩模板加载到一台空间光调制器，即可在远场产生镜像对称光学涡旋光阱，将光阱耦合到一个典型的倒置显微物镜光镊装置即可实现对微粒的光操纵。

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镜像对称光学涡旋光阱。其特点在于实现了光学扳手与静态光镊的有机结合。通过改变径向能流参数a的大小控制光阱捕获范围，a越大，捕获范围越大；调控拓扑荷值m可以改变局域角向扳手力的大小；调控初相调节参数可以改变子光阱空间位置。因而在光学操纵领域中具有非常重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明产生镜像对称光学涡旋光阱掩模板。拓扑荷值m＝20，径向能流参数a＝1.5，初相调节参数

图2是图1中所展示的相位掩模板生成的镜像对称光学涡旋光阱与操纵酵母菌细胞的光操纵过程。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的以及有益效果易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

图1是利用本发明所述的方法产生的镜像对称光学涡旋光阱掩模板；主要过程为：结合一个经过非对称复合相位操作的螺旋相位因子、一个径向能流因子和一个初相因子，得到该涡旋光束掩模板的复透过率函数e，其复透过率函数表达式为：

其中，ev为经过非对称复合相位操作的螺旋相位因子；ea径向能流因子，在远场提供一个径向的能流分量；为初相因子，增加镜像对称光学涡旋光阱的可调控性；

所述的经过非对称复合相位操作的螺旋相位因子，其表达式为：

其中，i为虚数单位；为极坐标系；m为螺旋相位因子拓扑荷值，其反映所述的镜像对称光学涡旋光阱的局域轨道角动量大小，具体实施方式中取值20；step(.)为阶跃函数；～为取反逻辑运算；·为乘法运算；

所述的径向能流因子表达式为：

其中，a为径向能流参数，决定径向能流的大小，具体实施方式中取值1.5。由于非对称复合相位操作的螺旋相位因子提供了一个角向的能流，使得所述的掩模板生成的光束在远场形成半圆分布的一系列光瓣，为满足设计要求。所述的径向能流因子的作用是提供一个足够大的能流，用以在一定程度上中和角向能流分布，实现所述的镜像对称光学涡旋光阱；

所述的初相因子表达式为：

其中，为所述的螺旋相位因子局部初相调节参数，其可以调控所述的镜像对称光学涡旋光阱中子光阱位置，具体实施方式中取值0。

可通过上述复透过率函数e与闪耀光栅叠加得到所设计的镜像对称光学涡旋光阱掩模板，其表达式为

其中，circ(ρ<p)为一个环形光阑，用以给掩模板一个径向的截止，参数p决定光阑大小，具体实施方式中取值7mm；angle(.)表示取相位操作；x为直角坐标；d为闪耀光栅周期，具体实施方式中取值0.08mm。

实验中，将本发明所设计的镜像对称光学涡旋光阱掩模板加载到一台空间光调制器，即可在远场产生镜像对称光学涡旋光阱，将光阱耦合到一个典型的倒置显微物镜光镊装置即可实现对微粒的光操纵。

图2为具体实施方式取值下的镜像对称光学涡旋光阱。值得注意的是，图2仅为特定取值下的光阱，在实验需要的情况下，本发明中径向能流参数a、初相调节参数闪耀光栅周期d均可连续取值；拓扑荷m取值为整数。

实施例

以下以1024×1024大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了镜像对称光学涡旋光阱掩模板。根据具体实施方式中的掩模板透过率函数与掩模板参数取值最终得到镜像对称光学涡旋光阱掩模板，图1所示。这种镜像对称光学涡旋光阱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，对所提出的镜像对称光学涡旋光阱掩模板进行实验验证。

图2所示，我们实验得到了这种镜像对称光学涡旋光阱掩模板在100x、1.25na的显微物镜焦平面上的光阱光强分布与对酵母菌细胞随时间的捕获过程。从图中可以看出，我们得到了拓扑荷值为20、的镜像对称光学涡旋光阱。我们的光镊实验结果表明，通过本发明提出的这种镜像对称光学涡旋光阱掩模板，可以得到镜像对称光学涡旋光阱，并可以稳定捕获酵母菌细胞，增加单光束光镊的捕获范围。这将为微粒操纵领域提供一种新的操作手段。

综上所述，本发明提出了一种镜像对称光学涡旋光阱掩模板的具体设计方案及实施方案，并以na＝1.25的100x显微物镜、拓扑荷m＝20、径向能流参数a＝1.5、初相调节参数为例，针对工作波长为532nm的激光，提出了一种镜像对称光学涡旋光阱掩模板的技术实施路线。

以上所述产生镜像对称光学涡旋光阱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。