[发明专利]产生具有旋转角动量的涡旋光线和涡旋光线阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于光束整形、光束应用和光镊技术等领域，利用光束整形的方法产生涡旋光线或涡旋光线阵列，可用于激光在成像平面无机械操控地移动微粒、激光加工、或新型光束性质分析等，本发明具体涉及一种产生具有旋转角动量的涡旋光线和涡旋光线阵列的方法。

背景技术

近年来，随着光束整形技术和微纳技术的发展，光镊技术在物理、电子、化学、材料、冶金、医药、生物等众多领域得到了广泛的关注和实际应用。光镊技术是利用高度聚焦的激光光束固定、移动、拉伸、或旋转等手段操控微米、纳米，甚至原子级别的微小物体的技术。例如，利用光镊，可以将微米级别的物体固定在溶液中的某一位置，或无物理接触式地将物体从一个地方移到另一个地方，或者旋转物体，或者拉伸或压缩物体，等等。相比其它机械式接触和操控物体的方法，光镊具有无接触、无损伤、精确地操控微粒的优点。众所周知，激光光束是由光子组成，且光子具有动量。当高度聚焦的激光光束遇到微小物体时，光束会发生反射、折射、或被吸收，即光子的动量发生了改变，由此会产生冲量，发生作用力与反作用力。根据光束被物体反射、折射、或吸收的类型，激光光束产生的力会使被照射物体产生向光束聚焦中心靠近或远离的运动，即微粒会沿着光子流动方向正向或反向运动。但是，在实际应用中，我们可能需要微粒在垂直于光束传播方向的平面移动，例如，当我们利用显微镜的物镜聚焦光束时，显微镜观察平面和光束传播方向是互相垂直的。因此，要操控显微镜观察平面中的微粒，一般利用在观察平面移动光束或移动显微镜载物台的方法来实现，但是上述方法受到光束或载物平台的机械移动装置的精度限制，而且有些操作如物体旋转或按指定路线移动就很难实现。[1]等人利用两束互成一定角度的光束产生名为”tractorbeam”的光束，这种光束的合力方向落在显微镜的观察平面，由此可以驱动微粒在观察平面运动。[2]，Mansuripur[3]等人则利用被照射微粒的棱镜效应，使微粒附近的较小物体在观察平面移动并靠近或远离该微粒。但是，上述方法都存在微粒操控距离短，操控光束形成条件苛刻等问题。虽然利用光束的旋转位相或偏振特性可以使微粒在垂直于光束传播方向的观察平面旋转，如涡旋光束[4]和圆偏振光束[5]，但是该类光束只能使微粒旋转，无法使微粒在观察平面沿直线移动。虽然利用放置在观察平面的光波导可以使微粒沿着波导运动[6]，但是光波导的制作和光耦合仍然是非常棘手的难题。由于光波导的截面尺寸在微米或亚微米级别，且材料的选用需要考虑溶液的折射率而不是空气的折射率，另一方面，外部光源的光束与光波导之间高效且方便的光耦合仍是目前的技术瓶颈之一，因此，光波导用于光镊的应用仍受到制约。

因此，有必要设计一种产生具有旋转角动量的涡旋光线和涡旋光线阵列的方法。

相关参考文献如下：

1.，O.，Karásek，V.，Siler，M.，Chvátal，L.，，T.，＆Zemánek，利用拖拉型光束实验展示光学输运、筛选和自组装，《自然光子学》，卷7，123-127页，2013年。[，O.，Karásek，V.，，M.，Chvátal，L.，，T.，＆Zemánek，7，123-127.(2013).Experimental demonstration of optical transport，sorting and self-arrangement using a tractor beam.Nature Photonics.]

2.Kajornd ejnukul，V.，Ding，W.，Sukhov，S.，Qiu，C.W.，Dogariu，A.介质界面的线性动量增加与负光学力，《自然光子学》，卷7，787-790页，2013年.[Kajomd ejnukul，V.，Ding，W.，Sukhov，S.，Qiu，C.W.，＆Dogariu，A.(2013).Linear momentum increase and negative optical forces at dielectricinterface.Nature Photonics，7(10)，787-790.]

3.Mansuripur，M.光学操控：动量交换效应，《自然光子学》，卷7，765-766页，2013年.[Mansuripur，M.(2013).Optical manipulation：Momentum exchange effect.Nature Photonics，7(10)，765-766.]