產生具有旋轉角動量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法

產生具有旋轉角動量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法
【專利摘要】本發明公開了一種產生具有旋轉角動量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法，基于具有旋轉位相分布的位相片在準直光束的照射下產生渦旋光束的整形原理，對旋轉位相的方位角乘以一個比例常數且設旋轉位相的旋轉階數為超高級次，從而在垂直于光軸方向的觀察(或成像)平面產生光強分布類似于直線的光線，由于該光線是由旋轉位相產生的，具有旋轉角動量，稱之為渦旋光線。該光束能在垂直于光軸的觀察平面無機械移動式地移動微粒。通過疊加多個被閃耀光柵調制的旋轉位相分布于同一個位相片上，可以產生平行排列的渦旋光線陣列。本發明產生的光束具有獨特的光學性質，且產生方法簡單、靈活，可用于光鑷技術、光束整形和激光應用等領域。
【專利說明】產生具有旋轉角動量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光束整形、光束應用和光鑷技術等領域，利用光束整形的方法產生渦旋光線或渦旋光線陣列，可用于激光在成像平面無機械操控地移動微粒、激光加工、或新型光束性質分析等，本發明具體涉及一種產生具有旋轉角動量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著光束整形技術和微納技術的發展，光鑷技術在物理、電子、化學、材料、冶金、醫藥、生物等眾多領域得到了廣泛的關注和實際應用。光鑷技術是利用高度聚焦的激光光束固定、移動、拉伸、或旋轉等手段操控微米、納米，甚至原子級別的微小物體的技術。例如，利用光鑷，可以將微米級別的物體固定在溶液中的某一位置，或無物理接觸式地將物體從一個地方移到另一個地方，或者旋轉物體，或者拉伸或壓縮物體，等等。相比其它機械式接觸和操控物體的方法，光鑷具有無接觸、無損傷、精確地操控微粒的優點。眾所周知，激光光束是由光子組成，且光子具有動量。當高度聚焦的激光光束遇到微小物體時，光束會發生反射、折射、或被吸收，即光子的動量發生了改變，由此會產生沖量，發生作用力與反作用力。根據光束被物體反射、折射、或吸收的類型，激光光束產生的力會使被照射物體產生向光束聚焦中心靠近或遠離的運動，即微粒會沿著光子流動方向正向或反向運動。但是，在實際應用中，我們可能需要微粒在垂直于光束傳播方向的平面移動，例如，當我們利用顯微鏡的物鏡聚焦光束時，顯微鏡觀察平面和光束傳播方向是互相垂直的。因此，要操控顯微鏡觀察平面中的微粒，一般利用在觀察平面移動光束或移動顯微鏡載物臺的方法來實現，但是上述方法受到光束或載物平臺的機械移動裝置的精度限制，而且有些操作如物體旋轉或按指定路線移動就很難實現。Brzobdw技[I]等人利用兩束互成一定角度的光束產生名為”tractorbeam”的光束，這種光束的合力方向落在顯微鏡的觀察平面，由此可以驅動微粒在觀察平面運動。Kajomttejnukiil [2], Mansuripur[3]等人則利用被照射微粒的棱鏡效應，使微粒附近的較小物體在觀察平面移動并靠近或遠離該微粒。但是，上述方法都存在微粒操控距離短，操控光束形成條件苛刻等問題。雖然利用光束的旋轉位相或偏振特性可以使微粒在垂直于光束傳播方向的觀察平面旋轉，如渦旋光束[4]和圓偏振光束[5]，但是該類光束只能使微粒旋轉，無法使微粒在觀察平面沿直線移動。雖然利用放置在觀察平面的光波導可以使微粒沿著波導運動[6]，但是光波導的制作和光耦合仍然是非常棘手的難題。由于光波導的截面尺寸在微米或亞微米級別，且材料的選用需要考慮溶液的折射率而不是空氣的折射率，另一方面，外部光源的光束與光波導之間高效且方便的光耦合仍是目前的技術瓶頸之一，因此，光波導用于光鑷的應用仍受到制約。
[0003]因此，有必要設計一種產生具有旋轉角動量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法。
[0004]相關參考文獻如下:
[0005]1.Brzobohaty, 0.，Kardsek, V.，Siler, Μ.，Chvatal, L.，Cizmar> T.，& Zemanek,利用拖拉型光束實驗展示光學輸運、篩選和自組裝，《自然光子學》，卷7，123-127頁，2013年。[Brzobohaty, 0.，Karasek, V.，Siter? Μ.，Chvatal, L，Cizmar? Τ.，& Zemanek,7，123-127.(2013).Experimental demonstration of optical transport，sorting andself-arrangement using a tractor beam.Nature Photonics.]
[0006]2.Kajornd ejnukul，V.，Ding，W.，Sukhov, S.，Qiu，C.W.，Dogariu, A.介質界面的線性動量增加與負光學力，《自然光子學》，卷7,787-790頁，2013年.[Kajomd ejnukul,V.，Ding，W.，Sukhov, S.，Qiu, C.W., & Dogariu，A.(2013).Linear momentum increaseand negative optical forces at dieIectrieinterface.Nature Photonics,7 (10)，787-790.]
[0007]3.MansuripuriM.光學操控:動量交換效應，《自然光子學》，卷7，765-766頁，2013年.[Mansuripur, M.(2013).0ptical manipulation !Momentum exchange effect.NaturePhotonics，7 (10)，765-766.]
[0008]4.Gahagan, K.T.，Swartzlander Jr, G.A.光學潤旋捕獲微粒，《光學快報》，卷21，827-829 頁，1996 年。[Gahagan, K.T.，& Swartzlander Jr，G.A.(1996).0ptical vortextrapping of particles.0ptics Letters，21 (11)，827-829.]
[0009]5.M.E.J.Friese, T.A.Nieminen，N.R.Heckenberg, H.Rubinsztein-Dunlop,激光捕獲的微粒的光學對準與旋轉，《自然》，卷394，348-350頁，1998年。[M.E.J.Friese,T.A.Nieminen, N.R.Heckenberg, and H.Rubinsztein-Dunlop.“Optical alignment andspinning of laser-trapped microscopic particles，，，Natu re394，348-350 (1998).]
[0010]6.Yang，A.H.，Moore, S.D.，Schmidt，B.S.，Klug，M.，Lipson，M.，Erickson,D.亞波長條形博導光學操控納米顆粒與生物分子，《自然》，卷457，71-75頁，2009年。[Yang，A.H.，Moore, S.D.，Schmidt，B.S.，Klug, M.，Lipson, M.，& Erickson, D.(2009).0ptical manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub—wavelength slotwaveguides.Nature,457(7225)，71-75.]
[0011]7.Cizmar? T.，Siler, M.，Sery? M.，Zemanek, P.，Garces-Chavez, V.，Dholakia,
K.利用移動的駐波光學篩選與探測亞微米物體物理評論B，卷74,035105頁，2006年。[Cizmar? T.，Siler，M.，Sery，Μ.，Zemanek, P.，Garces-Chavez, V.，& Dholakia, Κ.(2006).0ptical sorting and detection of submicrometer objects in a motional standingwave.Physical Review B，74 (3)，035105.]

【發明內容】

[0012]本發明所要解決的技術問題是提供一種產生具有旋轉角動量的渦旋光線和
[0013]渦旋光線陣列的方法，該產生具有旋轉角動量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法實施方便，產生方法簡單、靈活。
[0014]發明的技術解決方案如下:
[0015]一種產生具有旋轉角動量的潤旋光線的方法，將準直光束照射具有旋轉位相分布的位相片，在與光軸方向垂直的成像平面成像；其特征在于，所述的位相片的方位角為:【方位角又稱Azimuth angle,是從某點的指北方向線起，依順時針方向到目標方向線之間的水平夾角。】[0016]Θ =a.y/x ；
[0017]式中，X和y分別為X和y軸方向的坐標點值，a為方位角比例常數,為實常數；且a古I ;【a取I的時候,成像是圓形的，a的絕對值取值離I越遠，成像越接近直線】
[0018]【在二維平面內，平面上任一點的坐標為(x，y)，該點取值由上式確定，即方位角大小范圍為0-2pi，該值即為位相片的位相值。如果用灰度圖來畫出這些位相值分布，將位相值0-2pi與灰度值0-256對應，即可畫出位相圖。】
[0019]位相片的旋轉位相的旋轉階數的絕對值最大為位相片的長或寬(二者中較短者)像素值的一半；
[0020]所述的位相片的長寬尺寸為MXM像素的方形位相片，只利用所述位相片一半即像素為MX (M / 2)時，將在成像平面上得到一條具有旋轉角動量的光線，即渦旋光線。將此MX (M / 2)位相片擴展為MXM像素的位相片后將仍然產生一條渦旋光線a的絕對值的實用取值范圍為0.01-100，且a古I。
[0021]一種產生具有旋轉角動量的渦旋光線陣列的方法，在前述的位相片上疊加N-1個相位圖形成具有新的旋轉位相分布的位相片，N為整數，且N > 2 ;【疊加是按式(I)方法疊加；或直接將每個位相圖對應位相值與另一個位相圖對應的位相值直接相加，例如，甲位相圖的m行η列點的灰度值為100，則其對應的位相為2pi*100 / 256，乙位相圖的m行η列點的灰度值為150，則其對應的位相為2pi*150 / 256，疊加后的位相圖的m行η列點的位相為2pi*150 / 256，將其換算為灰度值，依次對所有點進行同樣操作即可得到疊加后相應的位相灰度圖。】用準直光束照射位相片，在成像平面內形成包含N條渦旋光線的渦旋光線陣列；所述的具有新的旋轉位相分布的位相片的位相分布如下式表示:
[0022]Θ final = angle [exp (i ^n1.θ 工+i.k.tg α 工.χ) +exp (i.η2.θ 2+?.k.tg α 2.χ) +
[0023]exp (i.η3.θ 3+?.k.tg α 3.χ) +...+exp (i.ηΝ.θ Ν+?.k.tg α Ν.χ) ] (I)
[0024]【第一位相也加了一個閃耀光柵】
[0025]其中0final，為N個位相圖疊加后的位相分布，angleO為求復數的位相角的函數，i是復數符號；k=2Ji / λ，λ表示入射光波波長，χ為入射光在光柵上的水平變量；
[0026]【i是虛數單位】；
[0027]Iii表示旋轉位相的旋轉階數，i=l,2,..., N ；
[0028]Θ i表示第i個位相圖的方位角，1=1,2,..., N ；
[0029]a i表示第i個閃耀光柵的位相分布階梯的傾斜角度，1=1,2,...,N；
[0030]exp(i.k.tga j.χ)為由第i個閃耀光柵引起的位相；
[0031]渦旋光線陣列中的相鄰渦旋光線的間隔距離為f.tg[(m+l).2 a ]-f.tg(m.2 a )，其中f為透鏡焦距，m為光柵衍射級次,取整數，【m只能取整數，如-3，-2，-1，0，1，2，3等，m值絕對值越大，光束偏離光軸的距離越大。此外，通過旋轉位相片的位相分布與χ軸成一角度，如30度，90度，120度等，產生的渦旋光線也會旋轉同樣的角度；還可以通過旋 轉疊加的光柵位相分布與χ軸成一角度，如30度，90度，120度等，產生的渦旋光線也會旋轉同樣的角度。產生旋轉光束或光線陣列的位相片均為一個位相片】;【在每個只產生一條禍旋光線的位相分布上分別疊加一個閃耀光柵的位相分布，然后將疊加了位相光柵分布的所有單個渦旋光線的位相分布按式(I)或直接相加后便產生一個最終的位相分布，該位相分布被制做成位相片后，便可產生渦旋光線陣列。】[0032]產生每個渦旋光線的位相分布上所疊加的閃耀光柵的閃耀角都是互不相同的；
[0033]【分隔距離由成像接收面大小決定，最大不超過接收面的長度或寬度。d的取值由渦旋光線分隔距離來決定，一般在微米級別。如有k根光線，則d的最大值為L / (k+l)，L為接收面的邊長，最小為光線的線條寬度。】【首先，計算出產生單個渦旋光線的位相分布，然后根據要產生的渦旋光線在成像平面上的位置計算出所用的閃耀光柵的閃耀角，將此閃耀光柵的位相分布與產生單個渦旋光線的位相分布相加，獲得一個新的位相分布，如果將該位相分布制成位相片后，可以在指定的位置產生一條渦旋光線；類似地，利用產生單個渦旋光線的位相分布，然后根據要產生的渦旋光線在成像平面上的另一個位置計算出所用的閃耀光柵的閃耀角，將此閃耀光柵的位相分布與產生單個渦旋光線的位相分布相加，獲得一個疊加的位相分布，如果將該位相分布制成位相片后，可以在另一指定的位置產生一條渦旋光線；依此類推，例如，若需要最終產生一組4條分開的渦旋光線，需要依上述方法分別計算出4個疊加了不同閃耀角光柵位相分布的渦旋光線位相分布，然后，將這4個位相分布直接疊加，最終形成一個位相分布，將此位相分布制作成位相片后，便可以使入射光束在成像平面形成4條分開的渦旋光線陣列了。】
[0034]也可以通過G-S算法類的程序直接控制光束的振幅和位相，但這種方法與本文方法完全不同，所以不用保護。
[0035]本發明的核心構思為:利用光束照射具有旋轉位相分布的位相片產生渦旋光束的原理，將旋轉位相的方位角乘以一個比例常數，該常數為正實數，且旋轉位相的階數根據位相片的像素數來決定，設為盡可能高。本例中位相片的像素數為512X512，階數設為200，從而在與光軸方向垂直的成像平面產生具有近似直線線型分布的兩條平行光線，由于該光線具有旋轉角動量，稱之為渦旋光線。
[0036]如果只利用前述位相片的半部分，可產生一條渦旋光線。
[0037](I)利用不同閃耀角或不同放置方向的閃耀光柵調制權利(2)中的位相分布，可在成像平面的指定位置產生一條渦旋光線。若將多個被不同閃耀光柵調制的位相分布相互疊加，形成一個新的位相片，利用準直光束照射該位相片，可產生平行的渦旋光線陣列。
[0038](2)利用權利要求(2)中的位相片和不同的閃耀光柵調制，可以實現不同位置，不同放置方向，不同旋轉角動量旋轉方向，或不同間隔距離的渦旋光線或渦旋光線陣列。
[0039]本發明的具體技術原理說明如下:
[0040]我們知道，具有旋轉位相分布的光束其遠場為中心黑暗的圓環圖像，該圓環即為渦旋光束。當微小物體被光束所形成的圓環捕獲時，渦旋光束所具有的旋轉角動量會推動物體沿著圓環旋轉。渦旋光束的位相表達式為exp (土 in θ )，其中土取值表示位相的旋轉方向，i為虛數單位，η為渦旋光束的旋轉階數，Θ為方位角,可表達為Θ =y / χ，其中，χ，y分別為x，y方向的二維點陣分布。具有旋轉位相的光束會在遠場產生強度分布為中心暗斑的圓環。隨著旋轉階數的增加，圓環的直徑也相應增加。如圖1-4所示，圖1為產生渦旋光束的位相分布，其旋轉階數為1，圖2為渦旋光束的遠場光強分布，圖3為產生旋轉階數為20的潤旋光束的位相分布，圖4為相應的遠場光強分布。從圖一中可看出，潤旋光束的旋轉階數越高，光環直徑越大。同時，較高級次渦旋光束所具有的旋轉角動量越高。但是，高級次渦旋光束的產生受到衍射光學元件象素數的分辨率限制，不能無限制地增加。例如，對于一個像素數為512X512的衍射光學元件，其產生的渦旋光束的位相旋轉階數無法大于256。[0041]為了產生具有旋轉角動量的直線型光束，我們對方位角的分布做出修改，即方位角表示為:
[0042]θ =α * y / χ (I)
[0043]式中,X和y分別為X和y軸方向的坐標點值，a為方位角比例常數,為實常數。這樣，利用式(I)所示的位相分布產生的渦旋光束的光強分布不再是圓形，而是根據a的取值，光環在χ或y方向受到壓縮，變成了狹長的橢圓形。本發明中，首先，設定要產生渦旋光束的位相片的像素數為512 X 512，像素點大小為15 μ mX 15 μ m，所用光波波長為532nm，利用exp (土 in θ )和式(I)中的方位角產生點陣狀的位相分布，其中n=200，位相分布取值范圍為0-2 Ji。如圖5-6所示，圖5為產生旋轉階數為200的渦旋光束的位相分布，其中a=8。位相值用灰度表示，圖中灰度值0-255線性對應位相值0-2 π。當擴束并準直的激光照射到利用圖5中的位相分布制作的位相元件，經過凸透鏡的匯聚，即傅立葉變換，在成像焦面上將會得到衍射圖像。圖6為成像焦平面上的渦旋光束的光強分布。從圖6中可看出，兩條較長的橢圓邊近乎直線，且相互平行，由于該光束的光強分布呈線狀，位相分布為螺旋形，因此，我們稱該光束為渦旋光線。根據圖5中的位相圖分布可知，產生的這兩條光線的旋轉角動量的旋轉方向相反，大小相等。很明顯，這兩條橢圓邊分別是由圖5中的位相分布的上半部分和下半部分分別產生的。
[0044]因此，如果我們只用圖5中位相圖的上半部分或下半部分，則只會產生一條近似直線的渦旋光線，將此MX (M / 2)位相片擴展為MXM像素的位相片將仍然產生一條渦旋光線，如圖7-8所示，圖7為圖5中位相分布圖的上半部分，圖8為產生的相應的渦旋光線的光強分布。需要指出的是，渦旋光線本身的相位旋轉方向由圖7中的位相圖決定。
[0045]利用圖7-8的方法可以產生一條渦旋光線，若要產生多條相互平行的渦旋光線，即渦旋光線陣列，類似 于光波導陣列，則可以利用多個如圖7所示的位相圖，按下式方法疊加后而成，即
[0046]Θ final=angle [exp Qn1 Θ J +exp (in2 Θ 2) +exp (in3 Θ 3) +...+exp (inN Θ N) ] (2)
[0047]其中，angleO為求復數的位相角的函數，Θ final為N個位相圖疊加后的位相分布。為了控制光線陣列之間的相隔距離，我們在每個只產生一條渦旋光線的位相圖上分別疊加一個閃耀光柵的位相分布，(2)式可寫為，
[0048]Θ fianl=angle [exp (i.Ii1.Θ j+i.k.tg a j.χ) +exp (i.n2.Θ 2+i.k.tg α 2.x) +
[0049]exp (i.n3.Θ 3+i.k.tg a 3.x) +...+exp (i.nN.Θ N+i *k*tgaN?x)]
[0050](3)
[0051]閃耀光柵是由位相分布呈鋸齒形的線槽斷面結構組成，其衍射能級的光能量集中某一方向上，即某一光譜級上。鋸齒形位相分布與光柵平面的夾角稱為閃耀角。閃耀光柵的位相分布階梯的傾斜角度用ct表示,則閃耀光柵引起的位相為exp(i.k.tga.x)，其中k=2Ji / λ, λ表示入射光波波長，χ為入射光在光柵上的水平變量。并且所有疊加位相圖上每個閃耀光柵的閃耀角都是互不相同的，其中，閃耀角的選定是根據要產生的渦旋光線陣列之間的分隔距離來確定的。閃耀角的取值是根據衍射圖像指定出現的方位來決定的。當光束沿光柵平面法線方向入射時，其衍射角滿足關系式(1*^11(2(1)=111*入，其中(1為光柵常數，m為光柵衍射級次，取整數，因此，衍射圖像偏離光軸方向的角度可表示為2 α。間隔距離為f.tg[(m+l).2 a ]-f.tg(m.2 a ),其中f為透鏡焦距，m為整數。本例中，λ =532nm, χ=15 μ m, 2 α 17。，m 取值為 1,2,3, f=10cm。
[0052]如圖9-10所示，圖9為4個疊加了不同閃耀光柵的渦旋光線位相分布圖，其中，每個未疊加閃耀光柵的渦旋光線位相分布圖都如圖7所示。圖10為產生的相應渦旋光線陣列的光強分布圖。
[0053]此外，通過在疊加具有一定旋轉角度的閃耀光柵到圖7或圖9中產生渦旋光線或渦旋光線陣列的位相圖中，就可以得到與圖8或圖10中光線豎直方向成一定角度的光線或光線陣列分布。在圖9-10中，我們還可以疊加不同級次的渦旋位相圖，從而產生具有不同旋轉角動量的渦旋光線陣列分布。例如，讓渦旋陣列中的四根渦旋光線的旋轉階次分別為200，-200，190，-190，或為180，190，200，210，或其它任何高旋轉階次的組合。另外，通過控制疊加的閃耀光柵的閃耀角或放置方向，我們還可以控制渦旋光線的間距、成像位置和排列方位。例如，調整閃耀光柵的閃耀角，可以使渦旋光線之間的間距變大或變小。為了使渦旋光線成像在指定的位置，如使渦旋光線呈傾斜階梯狀分布，除了在每個產生渦旋光線的位相分布上疊加一個沿Y方向放置的閃耀光柵外，還需要在該位相分布上疊加一個沿X方向放置的閃耀光柵，從而使產生的渦旋光線在X方向上也產生偏移。例如，為了使四條渦旋光線分別按正方形的四條邊擺放形式，我們將產生單個渦旋光線的位相分布分別旋轉0°，90° ,180° ,270°后分別與閃耀光柵相疊加，疊加后的總的位相即可產生上述分布的渦旋光線組合。
[0054]實驗上可以利用制作的微光學元件或空間光調制器來整形激光光束實現上述的渦旋光線或渦旋光線陣列。例如，用微制作的方法將上述的位相分布圖制作成為浮雕圖形，其中浮雕圖的蝕刻深度與位相值的大小對應，或利用空間光調制器的液晶平面，利用電腦將上述的位相分布圖對應的灰度圖上載到液晶平面，從而控制液晶平面所對應的每個象素點的折射率，使照射到液晶平面的光束所引起的位相差與上述的位相分布圖相對應。當準直的激光光束照射到該微光學元件或空間光調制器的液晶平面時，光束會受到對應的位相分布圖的調制，從而產生相應的渦旋光線或渦旋光線陣列。
[0055]利用上述方法產生的渦旋光線或渦旋光線陣列，不僅可以用于篩選不同大小或材料的微粒，還可以利用渦旋光線的旋轉角動量，完全無機械移動式地使微粒在垂直于光束傳播方向的觀察(或成像)平面移動。該光束可應用于光鑷、光束整形、激光加工等領域。
[0056]本發明基于渦旋光束的產生方法，利用設置渦旋光束的高旋轉階次和調整旋轉位相的方位角比例，獲得了光強分布呈線條狀分布，但位相分布仍具有旋轉角動量的渦旋光線及渦旋光線陣列。本發明中的目標光束一即渦旋光線或渦旋光線陣列都要求振幅和位相都具有指定分布，而目前還沒有解析解能直接利用位相元件產生該型光束，且通過數值方法設計位相元件的光束整形算法一般只能控制目標光場的振幅或位相分布，很難同時控制目標光場的振幅和位相分布。與此對比，本方法設計簡單，易于實現。利用現有的微制作方法制作位相型衍射光學元件或利用空間光調制器就可實現上述的位相分布，從而產生該類光束。本發明產生的渦旋光線或渦旋光線陣列可廣泛用于光鑷技術中，利用該光束，可以在垂直于光束入射的觀察平面直接無接觸式地移動微粒，實現光學導引、輸運微粒，或光學篩選不同性質的微粒。
[0057]有益效果:
[0058]本發明的產生具有旋轉角動量的渦旋光線和渦旋光線陣列的方法，基于具有旋轉位相分布的位相片在準直光束的照射下產生渦旋光束的整形原理，對旋轉位相的方位角乘以一個比例常數且設旋轉位相的旋轉階數為超高級次，如在本發明中根據所用位相片的像素數設為200級，從而在垂直于光軸方向的觀察(或成像)平面產生光強分布類似于直線的光線，由于該光線是由旋轉位相產生的，因此，仍具有旋轉角動量，該光線被稱之為渦旋光線。該光束能在垂直于光軸的觀察(或成像)平面無機械移動式地移動微粒。通過疊加多個被閃耀光柵調制的旋轉位相分布于同一個位相片上，可以產生平行排列的渦旋光線陣列。本發明產生的光束具有獨特的光學性質，且產生方法簡單、靈活，可用于光鑷技術、光束整形和激光應用等領域。
[0059]本發明提出一種利用光束整形方法實現的光線條的方案，該線條類似于放置在觀察平面的直波導，可以使微粒在垂直于光束傳播方向的觀察平面直線運動，且運動路徑將大于文獻[2-4]中所提出的方法。而且，利用光束整形方法，可以在觀察平面內產生類似于光波導陣列的多個平行直線條，用于光學篩選微粒[7]，這樣，不僅可以省掉制作光波導陣列所需的高昂成本和時間，還可以省掉光纖與波導耦合之間的難題。因此，本發明所提出的方法具有實現方法簡便，靈活，效率高，成本低的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0060]圖1為旋轉階數為I的渦旋光束位相分布圖；
[0061]圖2為旋轉階數為I的相應的遠場光強分布圖；
[0062]圖3為旋轉階數為20的渦旋光束位相分布圖； [0063]圖4為旋轉階數為20的相應的遠場光強分布圖。
[0064]圖5為產生級次為200的橢圓渦旋光束的位相分布圖，其中a=8，灰度值0_255對應位相值0-2 ；
[0065]圖6為由圖5所述位相分布圖得到的相應光強分布(成像)圖；
[0066]圖7為產生旋轉級次為200的單條渦旋光線的位相分布圖；
[0067]圖8為由圖7所述位相分布圖得到的相應光強分布(成像)圖；
[0068]圖9為產生旋轉級次為200的渦旋光線陣列的位相分布圖
[0069]圖10為由圖9所述位相分布圖得到的相應光強分布(成像)圖。
【具體實施方式】
[0070]以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明:
[0071]實施例1:產生I條渦旋光線的方法:
[0072]參見圖7-8，以及
【發明內容】
部分的說明。
[0073]—種產生具有旋轉角動量的渦旋光線的方法，將準直光束照射具有旋轉位相分布的位相片，在與光軸方向垂直的成像平面成像；其特征在于，所述的位相片的方位角為:【方位角又稱Azimuth angle,是從某點的指北方向線起,依順時針方向到目標方向線之間的水平夾角。】
[0074]Θ =a.y/x ；
[0075]式中，χ和y分別為χ和y軸方向的坐標點值，a為方位角比例常數,為實常數；且a古I ;【a取I的時候,成像是圓形的，a的絕對值取值離I越遠，成像越接近直線】[0076] 【在二維平面內，平面上任一點的坐標為(X，y)，該點取值由上式確定，即方位角大小范圍為0-2pi，該值即為位相片的位相值。如果用灰度圖來畫出這些位相值分布，將位相值0-2pi與灰度值0-256對應，即可畫出位相圖。】
[0077]位相片的旋轉位相的旋轉階數的絕對值最大為位相片的長或寬(二者中較短者)像素值的一半；
[0078]當利用所述的位相片的長寬尺寸為MXM像素的方形位相片的一半時，即位相片的像素為MX (M / 2)，將在成像平面上得到一條具有旋轉角動量的光線，即渦旋光線，將此MX (M / 2)位相片擴展為MXM像素的位相片將仍然產生一條渦旋光線。
[0079]a的絕對值的實用取值范圍為0.01-100，且a古I。
[0080]實施例2:產生渦旋光線陣列的方法
[0081]參見圖9-10，以及
【發明內容】
部分的說明。
[0082]一種產生具有旋轉角動量的渦旋光線陣列的方法，在實施例1的位相片上疊加N-1個相位圖形成具有新的旋轉位相分布的位相片，N為整數，且N > 2 ；
[0083]疊加是按式(I)方法或直接將每個位相圖對應位相值與另一個位相圖對應的位相值直接相加，例如，甲位相圖的m行η列點的灰度值為100，則其對應的位相為2pi*100 /256，乙位相圖的m行η列點的灰度值為150，則其對應的位相為2pi*150 / 256，疊加后的位相圖的m行η列點的位相為2pi*150 / 256，將其換算為灰度值，依次對所有點進行同樣操作即可得到疊加后相應的位相灰度圖。
[0084]用準直光束照射位相片，在成像平面內形成包含N條渦旋光線的渦旋光線陣列；
[0085]所述的具有新的旋轉位相分布的位相片的位相分布如下式表示:
[0086]Θ final = angle [exp (i ^n1.θ 工+i.k.tg α 工.χ) +exp (i.η2.θ 2+?.k.tg α 2.χ) +
【第一位相也加
[0087]exp (i.n3.Θ 3+i.k.tg α 3.χ) +...+exp (i.nN.Θ N+i *k*tgaN?x)] 了一個閃耀光柵】
[0088]其中0fianl為N個位相圖疊加后的位相分布，angle O為求復數的位相角的函數，i是復數符號；k=2Ji / λ，λ表示入射光波波長，χ為入射光在光柵上的水平變量；
[0089]【i是虛數單位】；
[0090]Iii表示旋轉位相的旋轉階數，i=l,2,..., N ；
[0091]Θ i表示第i個位相圖的方位角，i=l，2，...，N ;
[0092]a i表示第i個閃耀光柵的位相分布階梯的傾斜角度，1=1,2,...,N；
[0093]exp(i.k.tga j.χ)為由第i個閃耀光柵引起的位相；
[0094]渦旋光線陣列中的相鄰渦旋光線的間隔距離為f.tg[ (m+1).2 a ] -f.tg (m.2 a )，其中f為透鏡焦距，m為光柵衍射級次，取整數，m只能取整數，如-3，-2，-1，O，I，2，3等，m值絕對值越大，光束偏離光軸的距離越大..此外，通過旋轉位相片的位相分布與χ軸成一角度，如30度，90度，120度等，產生的渦旋光線也會旋轉同樣的角度；還可以通過旋轉疊加的光柵位相分布與χ軸成一角度，如30度，90度，120度等，產生的渦旋光線也會旋轉同樣的角度。產生旋轉光束或光線陣列的位相片均為一個位相片；
[0095]在每個只產生一條潤旋光線的位相分布上分別疊加一個閃耀光柵的位相分布，然后將疊加了位相光柵分布的所有單個渦旋光線的位相分布相加后便產生一個最終的位相分布，該位相分布被制做成位相片后，便可產生渦旋光線陣列。產生每個渦旋光線的位相分布上所疊加的閃耀光柵的閃耀角都是互不相同的。
[0096]分隔距離由成像接收面大小決定，最大不超過接收面的長度或寬度。d的取值由渦旋光線分隔距離來決定，一般在微米級別。如有k根光線，則d的最大值為L / (k+l)，L為接收面的邊長，最小為光線的線條寬度。
[0097]首先，計算出產生單個渦旋光線的位相分布，然后根據要產生的渦旋光線在成像平面上的位置計算出所用的閃耀光柵的閃耀角，將此閃耀光柵的位相分布與產生單個渦旋光線的位相分布相加，獲得一個新的位相分布，如果將該位相分布制成位相片后，可以在指定的位置產生一條渦旋光線；類似地，利用產生單個渦旋光線的位相分布，然后根據要產生的渦旋光線在成像平面上的另一個位置計算出所用的閃耀光柵的閃耀角，將此閃耀光柵的位相分布與產生單個渦旋光線的位相分布相加，獲得一個疊加的位相分布，如果將該位相分布制成位相片后，可以在另一指定的位置產生一條渦旋光線；依次類推，例如，若需要最終產生一組4條分開的渦旋光線，需要依上述方法分別計算出4個疊加了不同閃耀角光柵位相分布的渦旋光線位相分布，然后，將這4個位相分布直接疊加，最終形成一個位相分布，將此位相分布制作成位相片后，便可以使入射光束在成像平面形成4條分開的渦旋光線陣列了。
[0098]此外，通過在疊加具有一定旋轉角度的閃耀光柵到圖7或圖9中產生渦旋光線或渦旋光線陣列的位相圖中，就可以得到與圖8或圖10中光線豎直方向成一定角度的光線或光線陣列分布。在圖9-10中，我們還可以疊加不同級次的渦旋位相圖，從而產生具有不同旋轉角動量的渦旋光線陣列分布。例如，讓渦旋陣列中的四根渦旋光線的旋轉階次分別為200，-200，190，-190，或為180，190，200，210，或其它任何高旋轉階次的組合。另外，通過控制疊加的閃耀光柵的閃耀角或放置方向，我們還可以控制渦旋光線的間距、成像位置和排列方位。例如，調整閃耀光柵的閃耀角，可以使渦旋光線之間的間距變大或變小。為了使渦旋光線成像在指定的位置，如使渦旋光線呈傾斜階梯狀分布，除了在每個產生渦旋光線的位相分布上疊加一個沿Y方向放置的閃耀光柵外，還需要在該位相分布上疊加一個沿X方向放置的閃耀光柵，從而使產生的渦旋光線在X方向上也產生偏移。例如，為了使四條渦旋光線分別按正方形的四條邊擺放形式，我們將產生單個渦旋光線的位相分布分別旋轉0°，90° ,180° ,270°后分別與閃耀光柵相疊加，疊加后的總的位相即可產生上述分布的渦旋光線組合。
【權利要求】
1.一種產生具有旋轉角動量的渦旋光線的方法，將準直光束照射具有旋轉位相分布的位相片，在與光軸方向垂直的成像平面成像；其特征在于，所述的位相片的方位角為:
Θ =a.y/x ； 式中，X和y分別為X和y軸方向的坐標點值，a為方位角比例常數，為實常數；且a ^ I: 位相片的旋轉位相的旋轉階數的絕對 值最大為位相片的長或寬(二者中較短者)像素值的一半； 所述的位相片的長寬尺寸為MXM像素的方形位相片，只利用位相片的一半部分，即位相片的像素為MX (M / 2)，此時，在成像平面上得到一條具有旋轉角動量的光線，即渦旋光線。
2.根據權利要求1所述的產生具有旋轉角動量的渦旋光線的方法，其特征在于，a的絕對值的實用取值范圍為0.01-100，且a古I。
3.—種產生具有旋轉角動量的渦旋光線陣列的方法，其特征在于，在權利要求1或2中的位相片上疊加N-1個相位圖形成具有新的旋轉位相分布的位相片，N為整數，且N > 2: 用準直光束照射位相片，在成像平面內形成包含N條渦旋光線的渦旋光線陣列； 所述的具有新的旋轉位相分布的位相片的位相分布如下式表示:
Θ final = angle [exp (i.Ii1.Θ j+i.k.tg a j.χ) +exp (i.η2.θ 2+i.k.tg α 2.χ) +
exp (i.η3.θ 3+i.k.tg α 3.χ) +...+exp (i.ηΝ.θ Ν+?.k.tg α Ν.χ) ] (I) 其中θ final為N個位相圖疊加后的位相分布，angle O為求復數的位相角的函數，i是復數符號；k=2Ji / λ，λ表示入射光波波長，χ為入射光在光柵上的水平變量； Iii表示旋轉位相的旋轉階數，i = 1,2,..., N ； Θ i表示第i個位相圖的方位角，i = 1,2,..., N ; a i表示第i個閃耀光柵的位相分布階梯的傾斜角度，i=l,2,...,N； exp(i.k.tga j.χ)為由第i個閃耀光柵引起的位相； 渦旋光線陣列中的相鄰渦旋光線的間隔距離為f.tg[(m+l).2 a ]_f.tg(m.2 a )，其中f為透鏡焦距，m為光柵衍射級次，取整數； 產生每個渦旋光線的位相分布上所疊加的閃耀光柵的閃耀角都是互不相同的。
【文檔編號】G02B27/09GK103941402SQ201410107835
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月22日 優先權日:2014年3月22日
【發明者】陶少華 申請人:中南大學