13楼虽然螺旋钢鞭的威力不及瓜巴塞的蛇型光束圆锯,但是在对付该机...
叶有祥+李劲松+周盛华
摘要： 光梯度力在光镊技术中起着非常重要的作用。数值模拟了螺旋相位调制双曲余弦高斯光束在焦平面上光梯度力的变化。研究结果表明：双曲余弦高斯光束的偏心参数、螺旋相位的拓扑数可以显著地调节光梯度力分布，并且会出现一些新奇的光梯度力分布，如构成圆环形光陷阱、矩形光陷阱、阵列光陷阱等；另外，对于不同数值孔径、不同拓扑数，光梯度力随双曲余弦高斯光束的偏心参数的演化规律也显著不同。
关键词：
双曲余弦高斯光束； 光陷阱； 矢量衍射理论； 光梯度力
中图分类号： Q 631文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.008
Abstract：
Optical gradient force plays a very important role in the optical tweezers.The focusing properties of the coshGaussian beam induced by spiral phase plates are investigated numerically.The phase plate may alter the wavefront phase of the coshGaussian beam by topological charge which results in spiral optical vortex.Results show that the topological charge of the spiral phase plate affects focal intensity distribution significantly.Some novel focal patterns appear in focal evolution with different topological charge.And the gradient force distribution can be altered significantly by decentered parameters of coshGaussian beam and topological number of the spiral vortex.Many novel gradient force patterns occur，which means corresponding optical trap including ring optical trap might become rectangle trap pattern，array optical trap，and so on.In addition，as for different numerical aperture and different topological numbers，the evolution law of the optical gradient force is also different from the centrifugal parameter of the coshGaussian beam.
Keywords：
coshGaussian beam； optical vortex； vector diffraction theory； optical gradient force
引言
自從实现了利用光捕获微小颗粒的实验，光镊技术在许多领域得到了应用，特别是在生命科学领域，光镊已经成为灵活、无损伤、非接触式操纵微观粒子的工具[1]。人们为了增加光镊系统的效率和可行性，提出了包括相衬技术[2]、衍射光学元件[3]、光全息[4]、自重构光束[5]和相干图形[6]等方法。通常认为，在光场中的颗粒受到两种力的作用：一种是光梯度力，其强度与光场强度梯度成比例；另一种是光散射力，其强度与光强成比例[7]。光梯度力在构成光镊系统中是十分重要和必要的，本文将研究含有螺旋相位的光束在焦点区域的光梯度力陷阱分布。实际上，奇点光学由于其重要的研究意义和应用前景，近些年来被广泛关注，同时也涌现出了一些产生光旋涡的方法，如计算全息法[8]、模式转换法[9]、螺旋相位片法[10]等。自从Casperson等引入赫米特双曲正弦高斯光束以来[11]，双曲余弦高斯光束作为赫米特双曲正弦高斯光束的一个特例，由于其光强分布可以通过双曲余弦函数参数来灵活调节，引起了广泛的关注。本文采用螺旋相位板在双曲余弦高斯光束中引入螺旋相位光束的方法，研究了包含螺旋相位的双曲余弦高斯光束焦点演化和光梯度力变化。
1系统原理
在我们研究的这个系统中，可以通过改变圆形相位板横截面上的拓扑荷m来改变入射光束的相位。这种圆形螺旋相位板可以通过计算全息和空间光调制器来实现相位的调制，将相位板置于透镜孔径面的前面，然后将带有螺旋相位分布的调制光束通过物镜聚焦，光束的相位分布由相位板调制。假设光学孔径的半径r是a，相位板的传播函数可以写成
光学仪器第39卷
第6期叶有祥，等：螺旋相位调制双曲余弦高斯光束的梯度力研究
ρ（r，φ）=exp（-imφ）r
0其他
（1）
式中φ为涡旋轴的方位角。在z=0处，电场的振幅为
E（x，y，z=0）=A0cosh（Ωxx）cosh（Ωyy）exp-x2+y2ω20
（2）
式中：A0为常量；ω0为入射双曲余弦高斯光束的束腰宽度；cosh为双曲余弦函数。此时（z=0）的径向坐标已经得出，双曲余弦高斯光束可以表示为
E（θ，φ）=A0cosh[NA-1βxsinθcosφ]cosh[NA-1βysinθsinφ]exp-sin2θNA2ω2ρ（r，φ）
