径向偏振贝塞尔-高斯涡旋光束通过环形螺旋轴棱镜的焦点调控及其在微粒操控中的应用

本研究基于矢量衍射理论，创新性地探讨了环形螺旋轴棱镜对径向偏振贝塞尔-高斯涡旋光束(RPBGV)的焦点调控作用。通过调节光束拓扑荷(m)、轴棱镜螺旋拓扑荷(p)、数值孔径等参数，实现了光学笼、空心焦斑等多形态焦点分布，为光学镊子和微粒操控提供了新策略。

　　

在光学操控领域，如何实现微粒的三维精准捕获一直是科学家们追逐的目标。传统高斯光束因衍射效应限制，难以形成长距离稳定光阱。而贝塞尔-高斯涡旋光束(Bessel-Gaussian vortex beam)凭借其无衍射特性、自修复能力和携带轨道角动量的特点，为这一难题提供了突破口。特别是具有径向偏振特性(Radially Polarized Bessel-Gaussian Vortex, RPBGV)的光束，在聚焦时可产生强纵向电场分量，这对生物微粒的轴向捕获至关重要。与此同时，螺旋轴棱镜(helical axicon)作为能同时调控相位和偏振的混合光学元件，其与RPBGV光束的相互作用机制尚待深入探索。

针对这一科学问题，研究人员开展了RPBGV光束通过环形螺旋轴棱镜的聚焦特性研究。基于矢量衍射理论建立了完整的数学模型，通过数值模拟系统分析了拓扑荷、数值孔径等参数对焦点形态的影响。研究发现，通过精确调控入射光束的拓扑荷m与轴棱镜螺旋拓扑荷p的组合，可产生包括光学笼、空心焦斑等多种可编程焦点分布。特别值得注意的是，环形遮挡结构的引入能有效重分布焦点区域能量，增强纵向电场分量Ez的占比，这对需要强轴向作用力的微粒操控尤为重要。该研究为光学微操纵系统提供了新的设计思路，相关成果发表在《Optik》期刊。

关键技术方法包括：1）基于矢量衍射理论建立RPBGV光束通过螺旋轴棱镜的传输模型；2）采用Wolfram Mathematica 12进行数值积分计算；3）通过参数扫描分析拓扑荷m/p组合、数值孔径(NA=0.9)、环形遮挡比对焦点形态的影响。

【Theoretical model】
研究团队推导出螺旋轴棱镜焦区电场分布的解析表达式：E_(ρ,φ,z)
=E_ρ
e_ρ
+E_φ
e_φ
+E_z
e_z
。其中关键发现是纵向分量E_z
与径向偏振态的耦合效应，这种耦合可通过螺旋相位板进行增强，为产生可调控三维光阱奠定理论基础。

【Numerical calculation and discussion】
模拟结果显示：当m=p时，系统会产生中空管状光场；而m≠p时则形成螺旋干涉条纹。特别当NA=0.9、环形遮挡比为0.6时，可获得长度达15λ、横向尺寸2λ的均匀光学笼。这种结构能同时提供径向和轴向捕获力，适用于多粒子并行操控。

【Conclusions】
该研究证实螺旋轴棱镜能有效调控RPBGV光束的焦点形态，其创新性体现在：1）首次系统分析环形螺旋轴棱镜对RPBGV光束的整形规律；2）提出通过拓扑荷匹配实现焦点形态按需设计的方法；3）揭示纵向场分量与微粒操控效率的定量关系。这些发现不仅丰富了矢量光场调控理论，更为光学微流控、细胞分选等应用提供了新工具。

研究团队特别指出，未来可通过空间光调制器(SLM)动态调节螺旋相位，实现实时可重构的光学陷阱。这项工作由Hassan Al-Ahsab、Mingjian Cheng等学者合作完成，Abdu A. Alkelly教授担任通讯作者，为复杂矢量光场工程提供了重要参考。