專利名稱：一種參數(shù)可調的螺旋相位板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可調節(jié)參數(shù)的螺旋相位板，用于對任意波長單色光源調制產生任意拓撲荷的光學渦旋，據(jù)以為一種可調節(jié)參數(shù)的螺旋相位板。
背景技術：
光學渦旋在近幾十年中由于其獨特的相位結構和拓撲特性在基礎研究和應用研究等領域受到廣泛的關注。在光學領域，如果光波場的中心存在相位奇點，且相位圍繞該奇點呈螺旋連續(xù)變化，光波波前會在傳播方向上以螺旋方式旋轉，形成螺旋形的波前，這非常類似于流體中的渦旋現(xiàn)象，因此這類光波被稱為“光學渦旋”(Optical Vortices)。這一類光束的中心強度由于相消干涉而嚴格為零，而相位分布函數(shù)中含有與旋轉方位角θ成正比的一項eXp(im θ )，其中的m為光學渦旋的拓撲荷，表示在一個波長的范圍內，光學渦旋的波前相位周期數(shù)為m。目前產生光學渦旋的方法主要有幾何模式轉換法、螺旋相位掩模板法、橫模選擇法、多光束干涉法、特殊設計的激光器以及計算全息法等。幾何模式轉換法要求激光束通過某種光學器件(如柱面透鏡等)改變入射光束的模式，來得到相應模式光束，此方法雖可實現(xiàn)很高的轉換效率，但產生的光學渦旋的種類和參數(shù)難以控制；螺旋相位掩模板法是制作圍繞中心一周厚度連續(xù)變化(由此引入在角向連續(xù)變化的相位延遲)的相位掩模板， 平面波經過該螺旋相位掩模板后，相當于存在著“螺旋式缺陷”相位分布，其波前會繞著傳輸方向上的一條線以螺旋方式旋轉，形成渦旋光場。其拓撲荷值由掩模板引起的渦旋相位差所決定。該方法產生的渦旋光場很規(guī)則，但是相位掩模板的制作屬于光學精密加工，對加工要求極高，且針對一個特定波長光波，螺旋相位掩模板產生光學渦旋的拓撲荷值是固定的；目前已經實現(xiàn)通過調節(jié)激光器的輸出模式來產生拉蓋爾-高斯模式的渦旋光場。該方法比較方便，而且可以得到很強的渦旋光場，但是渦旋的拓撲荷、中心位置等參數(shù)難以調節(jié)；多光束干涉法是利用四個相對于ζ軸對稱分布的平面波，進行干涉后形成規(guī)則的渦旋陣列，這四束平面波在相位上有一定的限制，即相對的兩個平面波具有相同的初始相位，而且四個波的初始相位不能同時相等；計算全息法即用基模的高斯光束照射存在中心位錯的計算全息光柵，得到的衍射光束即為光學渦旋，位錯的數(shù)目即為光學渦旋的拓撲荷。與上述幾種方法相比，計算全息法以其更實際的優(yōu)點而被廣泛應用，例如可以準確方便地控制渦旋數(shù)目、渦旋中心的尺寸、渦旋的位置以及拓撲荷值，而且可以通過改變計算全息圖實時改變所要產生渦旋光場的相位結構和空間位置。后來，各種空間光調制器(Spatical Light Modulators, SLM)與計算全息的結合使這種方法在產生光學渦旋方面變得更加方便。然而， 使用計算全息法的一個主要問題是存在多級衍射。雖然可以同時產生不同拓撲荷的光學渦旋，但每一級渦旋衍射光的衍射效率都不夠高。近年來，人們已經在理論和實驗上對這種渦旋的產生方法做了較深入的研究，但是得到的衍射效率最高僅為27. 5%。另外，還存在其他一些產生方法，如中空波導法、旋轉鏡面光學參量振蕩法等等， 但這些方法在適用范圍和應用范圍上均不及上述幾種方法?？傊F(xiàn)有螺旋相位掩模板具有加工精度要求高，且螺旋相位掩模板與光波長是一一對應關系，其拓撲荷不可調。 發(fā)明內容要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種可用于不同光波長且拓撲荷可調的螺旋相位板，該螺旋相位板能夠很好地解決以上技術問題。技術方案一種參數(shù)可調的螺旋相位板，其特征在于包括固體螺旋相位板1、折射率匹配液2、透明容器3、底端入射面4和上端面5 ；固體螺旋相位板固定于透明容器一側的端面上，螺旋面向內；容器內充滿折射率匹配液，形成一個與固體螺旋相位板互補的液體螺旋相位板；所述固體螺旋相位板與匹配液的折射率差與光學渦旋的拓撲荷值m滿足關系式
Λ
=^j，其中Δηω = ns-nL, ns為固體螺旋相位板的折射率，nL為折射率匹配液的折射 Aa
率，角標m表示所需光學渦旋的拓撲荷值；△ d = dmax-dmin，dmax為固體螺旋相位板最厚處的厚度，dmin為固體螺旋相位板最薄處的厚度；λ為光波波長；所述固體螺旋相位板1為透明體。所述固體螺旋相位板1采用冕玻璃，所述透明容器3采用圓柱體或長方體，且在透明容器上設有注入孔6。本發(fā)明中固體螺旋相位板和柱形透明容器的內腔高度為D，固體螺旋相位板最厚處的厚度為Clmax，最薄處為dmin，則相應位置處折射率匹配液的厚度分別為(D-dmax)和 (D-dmin)。所述固體螺旋相位板的折射率為ns，所述匹配液的折射率為&，二者折射率差Δη =Iis-Ik，二者厚度差Ad = dmax-dmin。當一束波長為λ的平面光波從柱形透明容器的端面入射時，固體螺旋相位板最厚處的光波相位延遲為Omax = -j[nsdmax +nL(D-dmm)\^— [(ns - nL)dmm + nLD](1)固體螺旋相位板最薄處的光波相位延遲為
權利要求1.一種參數(shù)可調的螺旋相位板，其特征在于包括固體螺旋相位板(1)、折射率匹配液 O)、透明容器(3)、底端入射面(4)和上端面(5)；固體螺旋相位板固定于柱形透明容器一側的端面上，螺旋面向內；容器內充滿折射率匹配液，形成一個與固體螺旋相位板互補的液體螺旋相位板；所述固體螺旋相位板與匹配液的折射率差與光學渦旋的拓撲荷值m滿足關系式-Anm =^7，其中Anm = ns-nL, ns為固體螺旋相位板的折射率，nL為折射率匹配液的 Aa折射率，角標m表示所需光學渦旋的拓撲荷值；△ d = dmax-dmin，dmax為固體螺旋相位板最厚處的厚度，dmin為固體螺旋相位板最薄處的厚度；λ為光波波長；所述固體螺旋相位板(1) 為透明體。
2.根據(jù)權利要求1所述參數(shù)可調的螺旋相位板，其特征在于所述固體螺旋相位板(1) 采用冕玻璃，所述透明容器C3)采用圓柱體或長方體，且在透明容器上設有注入孔(6)。
專利摘要本實用新型涉及一種參數(shù)可調的螺旋相位板，其特征在于固體螺旋相位板固定于透明容器一側的端面上，螺旋面向內；容器內充滿折射率匹配液，形成一個與固體螺旋相位板互補的液體螺旋相位板；所述固體螺旋相位板與匹配液的折射率差與光學渦旋的拓撲荷值m滿足關系式本實用新型提出的一種參數(shù)可調的螺旋相位板，能在保證現(xiàn)有螺旋相位板如轉換效率高，光路結構簡單等優(yōu)點的前提下，簡化制作工藝，并且實現(xiàn)參數(shù)可調，能靈活控制產生光學渦旋的拓撲荷值。另外，本實用新型對光源波長沒有要求，具有很好的適應性。
文檔編號G02F1/01GK202057919SQ201120139488
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權日2011年5月5日
發(fā)明者楊德興, 趙騰 申請人:西北工業(yè)大學