MATLAB仿真：中心对称涡旋光场与粒子捕获-优快云博客

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中心对称涡旋光场

在文章《非对称涡旋光场的产生与调控》中通过结合四个局部的螺旋相位产生了一种新型非对称涡旋光场，称之为中心对称涡旋光场。研究发现该中心对称涡旋光场的光强分布和轨道角动量分布满足中心对称分布，且轨道角动量分布是分离的。此外，中心对称涡旋光场的轨道角动量环的半径和大小可以被自由调控。该中心对称涡旋光场在微加工、微粒操纵领域，特别是细胞分离方面具有重要意义。

中心对称涡旋光场的表达式可以写为

其中(ρ, θ)表示极坐标系，k 表示波数，α 和 n 分别是锥透镜的锥角和锥透镜的折射率。rect(.)是选择四个局部螺旋相位并进行重构的矩形函数，lₙ 是决定中心对称涡旋光场局部轨道角动量的拓扑荷值。

光强及相位分布

特别地，根据拓扑荷值的定义，中心对称涡旋光场的拓扑荷值由关系式 L = l₁ + l₂ + l₃ + l₄ 给出，因此其拓扑荷值为常数且恒等于 0。其中，定义相位重建因子为PRF= l₁ =-l₂ =l₃ =-l₄；图1展示了不同PRF下的中心对称涡旋光场的光强和相位分布。

图1：不同PRF下的中心对称涡旋光场的光强和相位分布。

轨道角动量及梯度分布

图 2b展示了不同PRF下中心对称涡旋光场的轨道角动量分布。对于图中的轨道角动量分布：红色表示轨道角动量为正值(方向为逆时针方向)，蓝色表示轨道角动量为负值(方向为顺时针方向)，绿色表示轨道角动量为零。可以看到，在该中心对称涡旋光场的光环的左部分上，具有相反方向的轨道角动量分布提供了一对相反的角向扭转力。图 2c展示了对应黑色圈内的梯度分布，箭头的方向表示梯度力的方向，箭头的长短表示梯度力的大小。在微粒操纵领域中，梯度力提供了捕获力。如图 2c所示，相位重建因子PRF越大，梯度力也越大，因此可以在微粒捕获中提供了较大的捕获力，从而可以实现微粒的稳定捕获。因此，在微粒操纵领域，具有相反方向的轨道角动量和中心的梯度力为微粒向中心对称涡旋光场左右两侧中心光瓣处提供了一种运动趋势。