[发明专利]一种Gibbs-Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法

说明书

一种Gibbs‑Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法，步骤如下：获取Gibbs‑Wulff光学涡旋阵列的电场表达式，结合Gibbs‑Wulff光学涡旋阵列的振幅、相位与一个闪耀光栅，得到所述Gibbs‑Wulff光学涡旋阵列掩模版的复透过率函数，基于该复透过率函数所描述的掩模版即为所述的Gibbs‑Wulff光学涡旋阵列掩模版。本发明利用计算全息原理，通过计算机编码得到Gibbs‑Wulff光学涡旋阵列的振幅调制相位掩模版，可产生具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的Gibbs‑Wulff光学涡旋阵列。因而在微粒操纵和光学微加工领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及微粒操纵及光学微加工领域，具体的说是一种具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的Gibbs-Wulff光学涡旋阵列的掩模版的设计方法。

背景技术

涡旋光束(OV)由于携带轨道角动量这一全新自由度，是国际光学与光子学领域的一大研究热点，广泛应用于大容量光通信、全息光镊、光信息储存及光学微加工等前沿领域。其中，在光学微加工领域，与传统的微加工制备方案相比，OV加工的材料表面具有更加清晰、光滑等特性，此外，螺旋结构也表现出优异的光学和力学性能。

由多个OV组成的光学涡旋阵列(OVA)因其可提供更丰富的模式分布和自由度而引起了广泛关注和研究【Opt.Lett.41,1474(2016)；PhotonicsRes.6,641(2018)；Opt.Express26,22965(2018)】。然而，现有的OVA模式并没有基于应用需求进行建立，特别是对于光学微加工领域，通过OVA以实现多焦点并行加工的需求【Appl.Phys.Lett.116,011101(2020)；Science372,403(2021)】。当对材料进行多焦点并行微加工时，若待加工的材料具有限定的尺寸，则生成的OVA应考虑所加工材料的边界、材料边界内的利用率以及宏观结构的稳定性等问题，以有效地实现微结构的制备。因此，目前迫切需要开发一种具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的OVA。

综上所述，目前尚缺少一种可应用于多微粒操纵和边界可控光学微加工领域的OVA激光模式。

发明内容

为解决上述不足，本发明的目的是提供了一种Gibbs-Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法，通过该掩模版产生了具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的Gibbs-Wulff光学涡旋阵列。

本发明利用计算全息原理，通过计算机编码得到Gibbs-Wulff光学涡旋阵列的振幅调制相位掩模版，可产生具有可控边界，同时边界内的结构、排布模式可控的Gibbs-Wulff光学涡旋阵列，因而在微粒操纵和光学微加工领域具有重要的应用价值。

本发明所采用的技术方案是：一种Gibbs-Wulff光学涡旋阵列掩模版的设计方法，步骤如下：

S1、获取Gibbs-Wulff光学涡旋阵列的电场表达式：

其中，(x,y)是空间光调制器SLM平面的笛卡尔坐标系，是SLM平面的极坐标系，N为Gibbs-Wulff光学涡旋阵列中涡旋的个数，k是波数，l是涡旋的拓扑荷值，n和α分别为锥透镜的折射率和锥角，S为Gibbs-Wulff光学涡旋阵列中每个涡旋的位置矩阵；

S2、结合Gibbs-Wulff光学涡旋阵列的振幅、相位与一个闪耀光栅，得到所述Gibbs-Wulff光学涡旋阵列掩模版的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：

t＝H₀(x,y)exp[j(angle(H(x,y))+P₀)]

其中，||表示对复振幅求模，H₀(x,y)＝H(x,y)·T，T为宏像素的相位调制函数，angle()为求角向函数；

S3、基于该复透过率函数所描述的掩模版即为所述的Gibbs-Wulff光学涡旋阵列掩模版。