專利名稱：螺旋達曼波帶片及產生三維偶極渦旋達曼陣列的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光場產生器件，特別是一種螺旋達曼波帶片及產生三維偶極渦旋達曼陣列的裝置。
背景技術：
近年來，光學渦旋以其在光學操控微粒、生物細胞以及冷原子和自由空間光通信方面的重要應用受到人們越來越多的重視。光學渦旋從本質上來講是由于螺旋相位而引入的相位奇點造成的中心為暗斑、周圍為亮斑的甜餅圈形狀光場分布。這種螺旋相位結構通常可以表示為exp(-/,V)，其中爐為極坐標中的角向坐標，I定義該渦旋的拓撲荷。對于拓撲荷為I的渦旋光束，其中每個光子所攜帶的角動量為lh，并且這種角動量可以傳遞到照明物體(微粒、細胞或原子)上。通常產生光學渦旋方法是采用螺旋相位板或者計算機全息圖。隨后，渦旋陣列由于其并行處理能力以及在光學操控中的應用前景引起人們極大的研 究熱情。大體上講，渦旋陣列通常可以分為兩大類一類是所謂的單極渦旋陣列，即陣列中所有的渦旋所攜帶的拓撲荷都相同，而整個渦旋陣列的總的拓撲荷為M1，其中M為渦旋陣列中所含有的渦旋的數量，I是單個渦旋所攜帶的拓撲荷。另一類是所謂的偶極渦旋陣列，即陣列中每個渦旋所攜帶的拓撲荷一般不相同，相反級次所攜帶拓撲荷符號相反，這樣陣列總的拓撲荷保持為0。近年來，渦旋光柵因為它的相對簡單制作工藝受到人們廣泛重視。然而，傳統的渦旋光柵的衍射能量主要集中在較低的幾個衍射級次上，并且能量分布不均勻，通常零級占有大部分的能量。張等人Opt. Lett. 35，3495 (2010)提出了一種渦旋達曼光柵，很好的解決了衍射級次之間能量分布不均勻的問題。這種渦旋達曼光柵提供了一種可以產生橫向的具有多個渦旋的渦旋陣列的方案。然而，對于軸向的渦旋陣列的產生還沒有很好的解決方法。最近，本課題組先前技術CN 102062887提出了一種可以在軸向產生多個焦點的焦點陣列的達曼波帶片。這種達曼波帶片本質上來講可以看作為傳統的相位型波帶片的每個等面積環帶中加入多個不同半徑的位相調制環。結合聚焦透鏡使用，這種達曼波帶片可以在聚焦物鏡的后場產生多個等能量的軸向聚焦光斑。

發明內容
本發明將螺旋相位結構通過計算機全息圖的方式編碼到達曼波帶片結構中，提出螺旋達曼波帶片及產生三維偶極渦旋達曼陣列的裝置。該螺旋達曼波帶片結合一個聚焦透鏡使用，即可在該聚焦物鏡的聚焦后場產生具有多個共軸的渦旋的軸向渦旋陣列。本發明的技術解決方案如下—種螺旋達曼波帶片，其特點在于所述的螺旋達曼波帶片必須結合聚焦物鏡使用，其通光孔徑必須與聚焦物鏡的通光孔徑一致，且共軸放置；所述的螺旋達曼波帶片為
O、二值相位分布，其具體設計流程如下
①根據具體應用需要確定軸向焦點數目Np ；②根據對應的IXNp的達曼光柵，確定每個周期內加入的歸一化位相轉折點{xn}；③選取傅立葉級數截斷級次為M，由歸一化位相轉折點IxJ按下列公式算出每個衍射級次對應的傅立葉系數Cm

權利要求
1.一種螺旋達曼波帶片，其特征在于所述的螺旋達曼波帶片必須結合聚焦物鏡使用，其通光孔徑必須與聚焦物鏡的通光孔徑一致，且共軸放置；所述的螺旋達曼波帶片為O、二值相位分布，其具體設計流程如下 ①根據具體應用需要確定軸向焦點數目Np； ②根據對應的IXNp的達曼光柵，確定每個周期內加入的歸一化位相轉折點{xn}； ③選取傅立葉級數截斷級次為M，由歸一化位相轉折點IxJ按下列公式算出每個衍射級次對應的傅立葉系數Cm —_；W-I -^[l + 2T(-l)n e—!2艦"+(—l)w e-m^o ^ =i Cm — <2[(-l)"xn+(-1廣尤況m = 0、 n=\ 其中m = 0，±1，±2， .土M ; ④根據具體應用需要的軸向間隔Az，由公式=I/Az確定螺旋達曼波帶片對應的波帶片相對于I的周期A ,； ⑤由下列公式計算出傅立葉級數和TsdzpTsdzp(P^)= Z Cm exp{- [2^1 -(psina)2 /A^ +lg)}} W=-Co 其中，(AP)為歸一化入射光瞳平面上的極坐標，a = arcsin(NA/n0)為最大孔徑角,其中NA為聚焦物鏡數值孔徑，Iitl為聚焦物鏡后場折射率，I為該螺旋達曼波帶片的基拓撲荷，為該達曼波帶片相對< =0 - (p sin a)2 - (I + cos a) / 2的周期，Cm是第m個衍射級次對應的系數；⑥取Tsdzp 的相位，即 arctani {mag (Tsdzp) /real (Tsdzp)，imag( )表示取虛部，real ( )表示取實部； ⑦通過取大于零的相位值為n，小于零的取為0二值化Tsdzp的相位； ⑧選取二值化之后的相位分布即為所設計的螺旋達曼波帶片的相位分布。
2.基于權利要求I所述的螺旋達曼波帶片的產生三維偶極渦旋達曼陣列的系統，特征在于其構成包括沿光束前進方向依次是二維達曼光柵(I)、第一透鏡(2)、第二透鏡(3)；螺旋達曼波帶片(4)和聚焦物鏡(5)，所述的第一透鏡(2)和第二透鏡(3)構成共焦透鏡組，所述的二維達曼光柵(I)與第一透鏡(2)之間的距離為U，所述的聚焦物鏡(5)的入射光瞳到第二透鏡(3)之間的距離為V，符合下列關系式 u-fx 丨 I — I， ufi-fi-fifi v /2 ’ 其中f\和f2分別為第一透鏡⑵和第二透鏡⑶的焦距。
全文摘要
一種螺旋達曼波帶片及產生三維偶極渦旋達曼陣列的裝置，該螺旋達曼波帶片與聚焦透鏡結合使用，可在聚焦透鏡的后場沿光軸方向產生具有多個光學渦旋軸向陣列。這種光學渦旋陣列的強度關于聚焦透鏡的幾何焦平面軸向對稱分布，并且光學渦旋陣列的拓撲荷的大小關于幾何焦平面也是軸向對稱，而拓撲荷的符號關于幾何焦面相反。對于基拓撲荷為l的螺旋達曼波帶片，第m個衍射級所對應的光學渦旋所攜帶的拓撲荷為ml。這種光學渦旋軸向陣列可以廣泛應用于光學粒子、細胞捕獲和光學操控，并且在光學渦旋信息傳遞方面也有潛在應用價值。
文檔編號G02B27/44GK102681063SQ201210106479
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月12日 優先權日2012年4月12日
發明者余俊杰, 周常河, 曹紅超, 王少卿, 賈偉, 麻健勇 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所