一种具有两种手性结构的光学涡旋晶格掩模板设计方法

技术领域

本发明涉及微粒操纵领域，具体的说是一种具有两种手性结构的光学涡旋晶格掩模板设计方法。

背景技术

手性是一个重要的物理量由于其是光与物质的共同特征。一般地，手性光场指的是光场的强度分布、相位分布或者偏振分布不能和其镜像对称结构相重合的光场。

不同的手性结构对应着光与物质相互作用的不同的尺度。例如：手性偏振光场在深亚波长具有极高能量的手性极化可以与分子相互作用，从而促进手性分子检测等。相位呈手性的光场(以下简称手性相位光场)，即光学涡旋，其大小与光场的波矢分量有关，其长度量级从亚波长尺度到宏观尺度不等，并且，由于其携带有动量，手性相位光场可以在微型材料加工方面塑造出具有手性分布的微型材料。另一方面，手性光场还可以用于微粒操纵方面。由于手性光场在光与物质相互作用过程中的独特优势，研究者们已经将其应用在许多前沿领域。2016年，Brullot等人研究了利用光学涡旋所携带的轨道角动量，实现了手性对映体的光学分选，相比传统光学分选，其提出的方法可以在一个更大的区域进行，不会受物镜的聚焦能力的限制【Sci.Adv.2016,e1501349】。2017年，Ni等人通过叠加具有相反手性相位的涡旋光束获得了一种手性强度分布的光场，并且利用其光场成功制备了三维的微材料结构【Light Sci.Appl.2017,e17011】。2020年，Chen等人利用具有三个瓣的手性光场，实现了光学屏蔽和光学清扫，可在具有大量微粒的环境中，针对特点区域或者粒子进行光学屏蔽和清扫【APL Photonics,2020,016102】。上述的这些代表性的工作都是利用手性光场中单一物理量的手性结构。在微粒操纵领域，还需要一种包含多种物理量手性结构的手性光场以满足更加复杂的应用场景。

综上所述，目前尚缺少一种包含多种物理量手性结构的手性光场，以满足微粒操纵领域尤其是对微粒进行复杂操作的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供了一种具有两种手性结构的光学涡旋晶格掩模板设计方法，并使用该掩模板产生了具有不同数量的手性相位和不同数量的螺旋形光瓣的手性光场。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有两种手性结构的光学涡旋晶格掩模板设计方法，步骤如下：

S1、基于光束塑形技术，获取同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格的光场表达式：

其中，

S2、基于上述内容得到同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格的复振幅表达式：

S3、结合该光学涡旋晶格的振幅、相位与一个闪耀光栅，得到同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格掩模板的复透过率函数，其表达式为：

其中，angle()为求角向函数，A

S4、基于该复透过率函数所描述的掩模板即为所述的具有两种手性结构的光学涡旋晶格掩模板。

作为优选方案，步骤S1中，计算全息图的透过率函数的表达式为：

其中|c'

作为优选方案，步骤S2中，具体操作方法如下：

S2.1、首先，单独生成两束具有手性强度分布的光束：分别作为外环螺旋和内环螺旋，R

式中，q为控制螺距的拉伸因子；

S2.2、然后，生成具有手性强度分布的光束的全息图透过率函数E

作为优选方案，步骤S2.2中，具有手性分布和手性相位分布的光学涡旋晶格需要两束螺旋形光束进行部分叠加，i＝1，2，且R

S为螺旋形光瓣的数量。

作为优选方案，步骤S3中，闪耀光栅的相位表达式为：P

本发明的技术效果：

本发明所设计的具有两种手性结构的光学涡旋晶格掩模板可以产生同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格，其螺旋形光瓣数量可控，且螺旋形光瓣中光学涡旋的数量可控。相比传统的手性光场，本发明设计的同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格利用了光场中强度和相位两个物理量，显著简化了光路结构。因而在细胞分选技术中具有非常重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明产生的同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格掩模板，选取的螺旋形光瓣的数量分别为S＝1，2，3，4。

图2是图1展示的掩模板产生的具有不同螺旋形光瓣数量的同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格。

图3是同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋数量不同的光学涡旋晶格，选取的光学涡旋数量N＝4，5，10，20。

具体实施方式

本发明利用计算全息原理，通过计算机编码得到具有手性强度分布的光束，之后将两束具有微小位错的手性强度分布的光束部分叠加，产生具有手性强度分布的螺旋形光瓣并且光瓣上嵌有手性相位，即光学涡旋，利用全息原理制备出数字掩模板；本发明可产生数量可控的螺旋形光瓣，并且螺旋形光瓣上的手性相位数量也任意可调，因而在微粒操作领域具有重要的应用价值。

首先，基于光束塑形技术，同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格的光场表达式为：

其中，

其中|c'

为了得到同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格，首先需要单独生成两束具有手性强度分布的光束，分别作为外环螺旋和内环螺旋，R

式中，q为控制螺距的拉伸因子，具有手性分布的光学涡旋晶格需要两束螺旋形光束进行部分叠加，所以i＝1，2，且R

S为螺旋形光瓣的数量，由此可以得到生成手性强度分布光束的全息图透过率函数E

闪耀光栅的相位表达式为：P

一种同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格的掩模板，其特点在于结合强度手性和相位手性两个物理量，产生了该光束的振幅、相位与一个闪耀光栅，其复透过率函数具体表达式为：

其中，angle()为求角向函数，A

实验中利用Φ

实施例

以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格掩模板。该掩模板生成了同时包含手性强度分布和手性相位分布的螺旋形光瓣数量不同的光学涡旋晶格。根据具体实施方式中的掩模板复透过率函数最终得到同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格掩模板。

图1即为实施例中所使用的S＝1，2，3，4的同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格掩模板。这种同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格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50mW。

图2所示，即为实施例中所生成的同时包含手性强度分布和手性相位分布的螺旋形光瓣数量不同的光学涡旋晶格。

从图3中可以看出，我们得到了螺旋形光瓣数量不同的同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格，且实验中的同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格上的涡旋形状清晰可辨，螺旋形光瓣数量的增加清晰可辨。

综上所述，本发明提出了一种同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格的具体设计方案及实施方案，并以拉伸因子取q＝1，螺旋形光瓣数量分别为S＝1，2，3，4，为例。针对工作波长为532nm的激光，提出了一种同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格掩模板的技术实施路线。

以上所述产生同时包含手性强度分布和手性相位分布的光学涡旋晶格掩模板设计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。