(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112147777 A(43)申请公布日 2020.12.29
(21)申请号 202010870219.2(22)申请日 2020.08.26
(71)申请人 华南师范大学
地址 510631 广东省广州市广州大学城华
南师范大学理四栋532(72)发明人 吴攸 许创杰 邓冬梅 (74)专利代理机构 广州容大知识产权代理事务
所(普通合伙) 44326
代理人 刘新年(51)Int.Cl.
G02B 27/00(2006.01)G02B 27/09(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图2页
CN 112147777 A(54)发明名称
一种产生多个离轴光学瓶的方法(57)摘要
本发明公开了一种产生多个离轴光学瓶的方法，该方法包括：在计算机上模拟得到平面波与二阶啁啾对称艾里涡旋光束干涉后的强度分布；计算机上模拟得到光束的干涉条纹，并将条纹信息通过电脑传递设置到空间光调制器S中；用光照射空间光调制器S即可得到二阶啁啾对称艾里涡旋光束；使光束在无扰动的空气或真空中传播，自发地产生多个离轴的光学瓶。此外，二阶啁啾因子能调节离轴光学瓶的长度；涡旋拓扑电荷能调节离轴光学瓶瓶身的宽度；涡旋坐标能调节离轴光学瓶的离轴位置；涡旋数与离轴光学瓶的数量成正比。本发明节省时间以及材料成本，提高效率，能够很好的控制离轴光学瓶的发生以及产生离轴光学瓶的形状和数量。
CN 112147777 A
权 利 要 求 书
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1.一种产生多个离轴光学瓶的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在计算机上模拟得到平面波与二阶啁啾对称艾里涡旋光束干涉后的干涉条纹强度分布；
S2、将S1中获取的干涉条纹信息通过电脑传递设置到空间光调制器S中；S3、用光照射已设置好参数的空间光调制器S，即可得到二阶啁啾对称艾里涡旋光束；S4、将二阶啁啾对称艾里涡旋光束在无扰动的空气或真空中传输，即可得到三维的二阶啁啾对称艾里光束；二阶啁啾对称艾里光束在传输当中自发地形成离轴光学瓶。
2.根据权利要求1所述的产生多个离轴光学瓶的方法，其特征在于，二阶啁啾对称艾里涡旋光束的具体调制为：
对称艾里光束的频谱表达式为
Kx、Ky为光束在x、y方
向的频谱分量，w0为高斯束宽、a为衰减因子；在计算机上模拟平面波与二阶啁啾对称艾里涡旋光束
的干涉情况；在
计算机上模拟得到干涉光束的干涉条纹，并将干涉条纹信息通过电脑传递到空间光调制器
S中，用光照射已设置好的空间光调制器S，出射光束即为二阶啁啾对称艾里涡旋光束；其中，c为二阶啁啾因子，N为涡旋数，(xj，yj)为涡旋坐标，l为涡旋拓扑电荷，即涡旋阶数；将二阶啁啾对称艾里涡旋光束在三维自由空间中传输，数学表达式上，即将初始输入E(x，y，0)代入到(2+1)薛定谔波动方程当中：
为波数，λ为波长。
3.根据权利要求2所述的产生多个离轴光学瓶的方法，其特征在于，通过调节空间光调制器S，对离轴光学瓶的形状和数量进行调控。
4.根据权利要求3所述的产生多个离轴光学瓶的方法，其特征在于，还包括：二阶啁啾因子c：调节离轴光学瓶的纵向沿z轴长度，c越大离轴光学瓶的长度越小，反之，离轴光学瓶的长度越大；
涡旋拓扑电荷l：调节离轴光学瓶的横向沿x、y轴宽度，l越大，形成离轴光学瓶的宽度越宽；
涡旋坐标(xj，yj)：调节光离轴学瓶的离轴位置，当(xj，yj)＝(0，0)，此时产生的离轴光学瓶为沿轴光学瓶；
涡旋数N：调节产生离轴光学瓶的数量，N的数量代表离轴光学瓶的数量。
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说 明 书
一种产生多个离轴光学瓶的方法
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技术领域
[0001]本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种产生多个离轴光学瓶的方法。
背景技术
[0002]关于光束引导和操控粒子方面一直是光学微操领域非常热门的课题。光束能操纵单个粒子的叫做光镊。早在1986年，由A.Ashkin等人就已经提出来“光镊”这一概念并在实验中成功实现了出来。对于光镊而言，它只能操纵单个粒子。然而它的进阶版——光学瓶，能囚禁或操纵多个粒子。“光瓶”这一概念最早在2000年被J.Arlt等人提出。光学瓶是通过改变光束的传播构造，使其能在三维空间中形成一个闭合的暗空间，使得外部较大光强的区域产生足够大的光学力来束缚粒子。因此，多粒子光操控这一课题迅速吸引了学者的目光，很多人继续对光瓶这一领域展开更深层次的研究。[0003]艾里光束同样也是热门研究对象，在2014年，P.Vaveliuk提出了艾里光束的变形——对称艾里光束。在4年后，光涡旋对对称艾里光束的影响被Z.X.Fang详细地提出。另外，二阶啁啾因子由于它能够使光束形成一次聚焦，也是科研工作者的重点研究对象。[0004]对此，人们在后续的研究中，提出了许多如何产生光学瓶的方法，例如：Talbot自成像效应、傅里叶空间产生法等。然而，现有技术中产生的光学瓶可调参数较少，且自由性较低，以往在自由空间中产生的光瓶，基本都是一个沿轴光学瓶，也就是只能在光轴方向操控粒子。
发明内容
[0005]为此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种产生多个离轴光学瓶的方法及系统。
[0006]本发明通过以下技术手段解决上述问题：[0007]一种产生多个离轴光学瓶的方法，包括如下步骤：[0008]S1、在计算机上模拟得到平面波与二阶啁啾对称艾里涡旋光束干涉后的干涉条纹的强度分布；[0009]S2、将S1中获取的干涉条纹信息通过电脑传递设置到空间光调制器S中；[0010]S3、用光照射已设置好参数的空间光调制器S，即可得到二阶啁啾对称艾里涡旋光束；
[0011]S4、将二阶啁啾对称艾里涡旋光束在无扰动的空气或真空中传输，即可得到三维的二阶啁啾对称艾里光束；二阶啁啾对称艾里光束在传输当中自发地形成离轴光学瓶。[0012]进一步的，二阶啁啾对称艾里涡旋光束的具体调制为：
[0013]
对称艾里光束的频谱表达式为
Kx、Ky为光束在x、y方
向的频谱分量，w0为高斯束宽、a为衰减因子；在计算机上模拟平面波与二阶啁啾对称艾里
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涡旋光束
[0014]
的干涉情况；在计
算机上模拟得到干涉光束的干涉条纹，并将干涉条纹信息通过电脑传递到空间光调制器S
中。用光照射已设置好的空间光调制器S，出射光束即为二阶啁啾对称艾里涡旋光束；其中，c为二阶啁啾因子，N为涡旋数，(xj，yj)为涡旋坐标，l为涡旋拓扑电荷，即涡旋阶数；将二阶啁啾对称艾里涡旋光束在三维自由空间中传输，数学表达式上，即将初始输入E(x，y，0)代入到(2+1)薛定谔波动方程当中：
[0015]
为波数，λ为波长。
进一步的，通过调节空间光调制器S，对光学瓶的形状和数量进行调控。[0016]进一步的，一种产生多个离轴光学瓶的方法，还包括：[0017]二阶啁啾因子c：调节离轴光学瓶的纵向(沿z轴)长度，c越大离轴光学瓶的长度越小，反之，离轴光学瓶的长度越大；[0018]涡旋拓扑电荷l：调节离轴光学瓶的横向(沿x、y轴)宽度，l越大，形成离轴光学瓶的宽度越宽；
[0019]涡旋坐标(xj，yj)：调节离轴光学瓶的离轴位置，当(xj，yj)＝(0，0)，此时产生的离轴光学瓶为沿轴光学瓶；[0020]涡旋数N：调节产生离轴光学瓶的数量，N的数量代表离轴光学瓶的数量。[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：[0022]本发明采用了新型光学瓶的产生方法，节省成本，提高了效率，能够很好的控制光学瓶的产生。另外，我们所产生的光学瓶是多个离轴光学瓶，在多粒子操纵方面的自由度较先前所产生的较高。
附图说明
[0023]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。
[0024]图1是本发明二阶啁啾对称艾里光束产生两个对称的离轴光学瓶的强度分布；(a)为光束的纵向剖面图；(b1)-(b4)为光束的横向截面图。该种情况在空间光调制器S中的干涉条纹为图(c)所示；
[0025]图2是本发明二阶啁啾对称艾里光束产生四个对称的离轴光学瓶的强度分步；(a)为光束的纵向剖面图；(b1)-(b4)为光束的横向截面图。该种情况在空间光调制器S中的干涉条纹为图(c)所示；
[0026]图3是图1和图2的空间光调制器S干涉条纹信息。
[0027]图4是本发明产生二阶啁啾对称艾里光束的方法的流程图。
具体实施方式
[0028]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
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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，所描述的实施例子仅仅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。[0029]需要说明的是，本发明所述的二阶啁啾对称艾里涡旋光束的具体调制均为：
[0030]
对称艾里光束的频谱表达式为
Kx、Ky为光束在x、y方
向的频谱分量，w0为高斯束宽、a为衰减因子；在计算机上模拟平面波与二阶啁啾对称艾里涡旋光束
的干涉情况；在计算
机上模拟得到干涉光束的干涉条纹，并将干涉条纹信息通过电脑传递到空间光调制器S中。用光照射已设置好的空间光调制器S，出射光束即为二阶啁啾对称艾里涡旋光束；其中，c为二阶啁啾因子，N为涡旋数，(xj，yj)为涡旋坐标，l为涡旋拓扑电荷，即涡旋阶数；将二阶啁啾对称艾里涡旋光束在三维自由空间中传输，数学表达式上，即将初始输入E(x，y，0)代入到(2+1)薛定谔波动方程当中：
[0031]
为波数，λ为波长。
作为优选，通过调节空间光调制器S，对光学瓶的形状和数量进行调控。[0032]作为优选，一种产生多个离轴光学瓶的方法，还包括：[0033]二阶啁啾因子c：调节离轴光学瓶的纵向(沿z轴)长度，c越大离轴光学瓶的长度越小，反之，离轴光学瓶的长度越大；[0034]涡旋拓扑电荷l：调节离轴光学瓶的横向(沿x、y轴)宽度，l越大，形成离轴光学瓶的宽度越宽；
[0035]涡旋坐标(xj，yj)：调节离轴光学瓶的离轴位置，当(xj，yj)＝(0，0)，此时产生的离轴光学瓶为沿轴光学瓶；[0036]涡旋数N：调节产生离轴光学瓶的数量，N的数量代表离轴光学瓶的数量。[0037]实施例1
[0038]实施例1与图1吻合，在此条件下的二阶啁啾对称艾里涡旋光束能在自由空间中稳定地产生两个离轴的光学瓶。[0039]S1、先在计算机上模拟平面光波与含有两个离轴涡旋的二阶啁啾对称艾里光束((xj，yj)＝(0.8，0)mm，(-0.8，0)mm)干涉后的干涉条纹强度分布。[0040]S2、，将S1中获取的干涉光束的干涉条纹信息通过电脑传递并设置到空间光调制器S中，干涉条纹如图3(a)所示。[0041]S3、用光照射已设置好参数的空间光调制器S，即可得到二阶啁啾对称艾里涡旋光束。
[0042]S4、，将二阶啁啾对称艾里涡旋光束在无扰动的空气或真空中传输，即可得到三维的二阶啁啾对称艾里光束；二阶啁啾对称艾里光束在传输当中自发地形成离轴光学瓶，将该光束射出，光束将自发地产生如图1所示的离轴光学瓶形状。[0043]该实施例1的所有相应参数与图1的参数一致。
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其余参数设置：a＝0.2，w0＝1mm，c＝0.3，l＝1，N＝2。
[0045]实施例2
[0046]实施例2与图2吻合，在此条件下的二阶啁啾对称艾里涡旋光束能在自由空间中稳定地产生四个离轴的光学瓶。[0047]S1、先在计算机上模拟平面光波与含有四个离轴涡旋的二阶啁啾对称艾里光束((xj，yj)＝(0.6，0.6)mm，(-0.6，0.6)mm，(-0.6，-0.6)mm，(0.6，-0.6)mm)干涉后的干涉条纹强度分布。[0048]S2、将S1中获取的干涉光束的干涉条纹信息通过电脑传递并设置到空间光调制器S中，干涉条纹如图3(b)所示。[0049]S3、用光照射已设置好参数的空间光调制器S，即可得到二阶啁啾对称艾里涡旋光束。
[0050]S4、将二阶啁啾对称艾里涡旋光束在无扰动的空气或真空中传输，即可得到三维的二阶啁啾对称艾里光束；二阶啁啾对称艾里光束在传输当中自发地形成离轴光学瓶，将该光束射出，光束将自发地产生如图1所示的离轴光学瓶形状。[0051]该实施例2的所有相应参数与图2的参数一致。[0052]其余参数设置：a＝0.2，w0＝1mm，c＝0.3，l＝1，N＝4。[0053]由于两个实施例生成方法相似，因此，离轴光学瓶的产生流程可用图4来概括。[0054]具体地，本发明将二阶啁啾、涡旋、对称艾里光束结合起来，使得光束在传播过程中自发地产生离轴光学瓶，并在本专利中得到了该光束的函数表达通式以及空间光调制器S的干涉条纹信息，并且对其在横截面和纵向剖面的强度分布进行了深入的分析。[0055]本发明采用了单个空间光调制器来产生光束以及调节离轴光学瓶的参数，节省材料成本，提高了效率，能够很好的控制光束的发生以及产生离轴光学瓶的形状和数量。[0056]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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。
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说 明 书 附 图
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说 明 书 附 图
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