专利摘要

本发明的目的在于进一步拓宽涡旋光场模式，提出了一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板及光路系统。该相位掩模板通过将其输入反射式空间光调制器来产生亮核涡旋光束，其结合了一个经过局部旋转组合的螺旋相位因子与一个平面波复振幅，透过率函数表达式为：其中，m是相应亮核涡旋光束的拓扑荷值；N为旋转调控因子，控制着中心亮核大小，其取值为大于m的整数；step(.)是阶跃函数，为角向控制函数，求和变量n与相关；circ(r)为一个环形光阑的透过率函数，用于避免入射光束对亮核涡旋光束质量的影响；Ep为平面波因子相应的电场场强。

权利要求

1.一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板，通过将其输入反射式空间光调制器来产生亮核涡旋光束，其特征在于：该相位掩模板结合了一个经过局部旋转组合的螺旋相位因子与一个平面波复振幅，其透过率函数表达式为：

其中，m是相应亮核涡旋光束的拓扑荷值；N为旋转调控因子，控制着中心亮核大小，其取值为大于m的整数；step(.)是阶跃函数，为角向控制函数，求和变量n与相关；circ(r)为一个环形光阑的透过率函数，用于避免入射光束对亮核涡旋光束质量的影响；Ep为平面波因子相应的电场场强；

环形光阑的透过率函数circ(r)的表达式为：

其中r为极坐标系极径，R为环形光阑半径。

2.根据权利要求1所述的用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板，其特征在于：角向控制函数的表达式为：

其中为极坐标系角向变量。

3.根据权利要求1所述的用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板，其特征在于：平面波因子的电场表达式为：

Ep＝E0exp(-ikz)

其中z为传播距离，E0为振幅强度，k为波数。

4.一种产生亮核涡旋光束的光路系统，其特征在于，包括：沿入射光路依次设置的连续波激光器、反射镜、准直扩束器、起偏器以及分束立方体；经过所述准直扩束器后的光束近似为平面波，并经过起偏器后变为线偏振光，再经分束立方体后分为反射光束和透射光束；

其中，反射光束照射在写有权利要求1所述相位掩模板的反射式空间光调制器上；经该反射式空间光调制器调制后依次通过分束立方体、检偏器，再经过凸透镜进行傅里叶变换，在凸透镜的后焦平面上得到掩模板远场光束，即亮核涡旋光束。

说明书

技术领域

本发明涉及微粒光操纵领域，具体涉及一种相位掩模板以及光路系统。

背景技术

光学涡旋携带轨道角动量，在光学诱捕、操纵微小粒子等方面有着广泛的应用，成为近年来信息光学领域一个非常重要的研究热点。

传统涡旋光束其中心为一个暗核，这种独特的空心结构使得涡旋光束在光学涡旋日冕观察仪、超分辨显微成像、微粒的旋转与操纵等领域有着重要的应用价值。其中，对于微操纵领域来说，光束丰富的模式分布往往在一些特殊场合有着重要的应用价值。例如，分数阶涡旋光束可以实现粒子排序【Opt.Express，2005，7726-7731】；三维光束塑形实现粒子沿任意轨道旋转【Optica，2015，812-815】；非对称拉盖尔-高斯光束实现粒子变加速运动【Opt.Lett.41,2426(2016)】。综上可知，对涡旋光束丰富模式探究的研究具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于进一步拓宽涡旋光场模式，提出了一种亮核涡旋光束掩模板，利用该掩模板可获得能够应用于微操纵领域的中心亮核涡旋光束。

本发明利用计算全息原理，通过光束复振幅设计使涡旋光束局部进行旋转拓展，从而在远场产生亮核涡旋光束；这种亮核涡旋光束可以任意控制亮核大小，且亮核具有低角动量分布的特点，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。

为了实现上述目的，本发明给出的技术方案是：

一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板，通过将其输入反射式空间光调制器来产生亮核涡旋光束，该相位掩模板结合了一个经过局部旋转组合的螺旋相位因子与一个平面波复振幅，其透过率函数表达式为：

其中，m是相应亮核涡旋光束的拓扑荷值；N为旋转调控因子，控制着中心亮核大小，其取值为大于m的整数，i为虚数单位；step(.)是阶跃函数， 为角向控制函数，求和变量n与 相关，阶跃函数中 相当于减去了一个常数从而旋转了一下；circ(r)为一个环形光阑的透过率函数，用于避免入射光束对亮核涡旋光束质量的影响；Ep为平面波因子相应的电场场强。

进一步的，上述环形光阑的透过率函数circ(r)的表达式为：

其中r为极坐标系极径，R为环形光阑半径。

进一步的，角向控制函数 的表达式为：

其中 为极坐标系角向变量。

由于前述局部旋转组合的螺旋相位因子其本质上相当于螺旋相位信号与恒定相位信号的一种混合模式，因此在其产生后是不稳定的；随着传播，两种信号逐渐分离，最终在远场截面可以独立观察到两种信号，因而会形成中心亮核的涡旋光束；为了将该信号解析出来，使用平面波因子，其电场表达式为：

Ep＝E0exp(-ikz)

其中z为传播距离，E0为振幅强度，k为波数；所述的平面波因子作用在于将上述的局部旋转组合的螺旋相位因子的电场表达式在实验中解析出来；具体来说，实现了一个所述的局部旋转组合的螺旋相位因子与平面波干涉的过程，从而生成相位掩模板；在实验中可调制平面波作为所提出的亮核涡旋光束掩模板的入射光束，从而在远场得到亮核涡旋光束。

将上述掩膜板输入一台反射式空间光调制器即可产生亮核涡旋光束，具体的光路系统包括：沿入射光路依次设置的连续波激光器、反射镜、准直扩束器、起偏器以及分束立方体；经过所述准直扩束器后的光束近似为平面波，并经过起偏器后变为线偏振光，再经分束立方体后分为反射光束和透射光束；

其中，反射光束照射在写有上述相位掩模板的反射式空间光调制器上；经该反射式空间光调制器调制后依次通过分束立方体、检偏器，再经过凸透镜进行傅里叶变换，在其后焦平面上得到掩模板远场光束，即亮核涡旋光束。

可通过小孔光阑筛选出+1级衍射光束，由一台CCD相机成像记录所述的亮核涡旋光束的光强。

本发明的技术效果：

该掩模板可以实现在该掩模板的远场产生亮核涡旋光束；其拓扑荷数由参数m确定，中心亮核大小由一个大于m的整数N确定，N的取值上限由实验光路的数值孔径确定；由于每一个拓扑荷值m均可对应一系列旋转调控因子N，从而对所提出的亮核涡旋光束模式进行调控，极大地拓宽了涡旋光场模式的丰富性，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是本发明产生亮核涡旋光束的掩模板；亮核涡旋光束拓扑荷参数取值m＝5，旋转调控因子N分别取6、7、8。

图2是使用所述的亮核涡旋光束掩模板产生亮核涡旋光束的实验光路原理图；图中标记：100、连续波激光器，110、反射镜，120、准直扩束器，130、凸透镜，140、起偏器，141、检偏器，150、分束立方体，200、反射式空间光调制器，210、小孔光阑，300、CCD相机。

图3是图1中所展示的掩模板生成的亮核涡旋光束。

具体实施方式

该亮核涡旋光束掩模板的透过率函数可以表示为：

其中，m是所提出亮核涡旋光束的拓扑荷值，在本具体实施方式中取值为5；N为旋转调控因子，控制着中心亮核大小，其取值大于m的整数；图1示意了不同旋转调控因子取值下生成的掩模板；step(.)是阶跃函数；circ(r)为一个环形光阑，避免入射光束对所提出掩模板产生亮核涡旋光束质量的影响，其可以表示为：

其中r为极坐标系极径，R为环形光阑半径，具体实施方式中R取值为4.48mm；

所述的 为角向控制函数，其可以表示为：

其中 为极坐标系角向变量；

由于所述的局部旋转组合的螺旋相位因子其本质上相当于螺旋相位信号与恒定相位信号的一种混合模式，因此在其产生后是不稳定的；随着传播，两种信号逐渐分离，最终在远场截面可以独立观察到两种信号，因而会形成中心亮核的涡旋光束；为了将该信号解析出来，使用所述的平面波因子，其电场表达式为：

Ep＝E0exp(-ikz)

其中z为传播距离，E0为振幅强度，k为波数；所述的平面波因子作用在于将上述的局部旋转组合的螺旋相位因子的电场表达式在实验中解析出来；具体来说，实现了一个局部旋转组合的螺旋相位因子与平面波干涉的过程，从而生成相位掩模板。

实验中可调制平面波作为所提出的亮核涡旋光束掩模板的入射光束，如图2所示，掩膜板输入一台反射式空间光调制器200来产生亮核涡旋光束，从而在远场得到亮核涡旋光束。

图2所示光学系统架构与本领域应用反射式空间光调制器的现有技术类似。具体如下：

步骤一、打开连续波激光器100电源，连续波激光器100发出的光束被反射镜110反射后，进入准直扩束器120进行扩束准直，准直后的光束近似为平面波，并经过起偏器140后变为线偏振光，照射在分束立方体150上；经分束立方体150后的光束被分为两束，一束为反射光，一束为透射光；其中，反射光束照射在写有亮核涡旋光束的掩膜板的反射式空间光调制器200上；

步骤二、光束经写有亮核涡旋光束的掩膜板的反射式空间光调制器200调制后通过分束立方体150与检偏器141，再经过凸透镜130进行傅里叶变换在其后焦平面上得到掩模板远场光束，即所述的亮核涡旋光束。最终通过小孔光阑210筛选出+1级衍射光束，由一台CCD相机300成像记录亮核涡旋光束的光强。

以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了一种亮核涡旋光束掩模板；该掩模板拓扑荷值取值为5，根据具体实施方式中的掩模板透过率函数最终得到亮核涡旋光束掩模板；图1给出了不同旋转调控因子取值下生成的掩模板；这种亮核涡旋光束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型相位空间光调制器为例，其像素尺寸8μm，填充因子为93％，分辨率为1920pixel×1080pixel；实验中使用波长为532nm的连续波固体激光器，功率为100mW。

图3为亮核涡旋光束掩模板在数值孔径为0.025的透镜焦平面上的光强分布。从图3可以看出，成功得到了亮核涡旋光束，其亮核大小随着N的增加而增大，且增大到一定程度，会形成圆形的暗条纹分布，其原因在于恒定相位成分在远场为近似的零阶贝塞尔信号。实验结果表明，通过本发明提出的这种亮核涡旋光束掩模板，可以得到亮核涡旋光束；这为光学微尺度操纵提供更为丰富的操纵模式。

以上以数值孔径为0.025的聚焦透镜、拓扑荷m＝5为例，针对工作波长为532nm的激光，给出一种亮核涡旋光束掩模板的较佳的实现方案。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，还可以对本实施例做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

一种用于实现亮核涡旋光束的相位掩模板及光路系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。