[发明专利]一种可刚体旋转光束的掩模板的设计方法

说明书

一种可刚体旋转光束的掩模板的设计方法，结合可刚体旋转光束的振幅、相位与一个闪耀光栅，得到可刚体旋转光束的掩模板的复透过率函数，通过计算机将上述复透过率函数加载至空间光调制器中即可得到可刚体旋转光束的掩模板。本发明所设计的掩模板可以产生一种可刚体旋转光束。其环上涡旋的拓扑荷值可控，数值为m。通过改变叠加所用的两个任意曲线涡旋光束的复振幅可得到不同旋转角的刚体光束，相比之前只改变纵深的光束，显著提升了光束结构的可控性。因而在细胞操纵中具有非常重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及三维光镊和微粒操纵领域，具体的说是一种可刚体旋转光束的掩模板的设计方法。

背景技术

自从A.Ashkin提出开创性的想法以来【Opt.Lett.11,288-290(1986).】，光学镊子作为非接触和非侵入性工具，已应用于生物科学【Cell 160,1135-1144(2015)】、纳米技术【Photon.Res.7,69-79(2019)】和力测量【Appl.Phys.Lett.104,163504(2014)】。三维光镊因为它的可以更加灵活调制，因此具有比二维光镊更加广泛的应用【Light-Sci.Appl.10,1-41(2021)】。然而，上述三维光镊都需要额外的光学元件，使其难以在微粒操纵领域中应用。此外，复杂的光路容易导致像差和散焦。

因此，迫切需要设计一种新型的单光束、设备简单的三维光镊。为了解决这一挑战，2013年，Rodrigo等人提出在三维空间【Opt.Express 21,20544-20555(2013)】中沿着曲线塑造光束。此外，2015年，他们设计了带有自由式激光陷阱【Optica 2,812-815(2015)】的三维光镊。然而，他们的光镊仅仅实现了基于二维空间的深度调整，不利于对三维空间中任意位置的粒子的操作。因此，开发基于单光束的三维光镊在相关领域至关重要。而当光束可以刚体旋转时就可以解决这个问题。

综上所述，目前尚缺少一种可应用于细胞操作领域的可刚体旋转的激光模式。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可刚体旋转光束的掩模板的设计方法。并使用该掩模板产生了可刚体旋转光束。

本发明所采用的技术方案是：一种可刚体旋转光束的掩模板的设计方法，

结合可刚体旋转光束的振幅、相位与一个闪耀光栅，得到可刚体旋转光束的掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：

t＝circle(ρ)exp{j[angle(G(η,ξ))+P₀]}

其中，circle(ρ)为圆形光阑，ρ为极坐标径向变量,exp()代表e指数函数，Angle()代表求复数相角函数；

所述可刚体旋转光束的电场表达式为：

G(_η，ξ·)＝F[H1(x，y)+H₂(x，y)]

其中，F()是傅里叶变换函数，(x,y)是傅里叶变换之前的坐标，(η,ξ)为傅里叶变换之后的坐标；H₁(x,y)和H₂(x,y)是叠加所用的两个半圆环光束的复振幅，其表达式为：

/