一種六角陣列螺旋相位板及制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及相位板技術領域，特別涉及一種六角陣列螺旋相位板及制作方法。
【背景技術】
[0002] 光學渦旋因其具有獨特的光學性質(zhì)，受到大家的廣泛關注。光學渦旋是激光本征 模式拉蓋爾高斯光束的特征相位，其相位分布可以表示為e]10，其中1為拓撲荷，Θ為平面 極坐標中的角向坐標。具有這種渦旋相位的光束，在光學渦旋中心位置存在一個相位奇點， 從而產(chǎn)生一個中心暗斑光場分布。目前，光學渦旋已經(jīng)廣泛應用于光通信、光學成像、光學 微操控，以及量子光學等領域。陣列光學渦旋具有多個光學渦旋，可以同時捕獲和操控多個 粒子或細胞，可大大提高工作效率。因此，如何快速準確的產(chǎn)生陣列光學渦旋，在實際應用 中具有重要的意義。
[0003] 目前，有多種方法可以產(chǎn)生陣列光學渦旋，但是，這些方法都存在有一定的局限 性。例如，多光束干涉法需要馬赫澤德干涉儀或者邁克爾遜干涉儀來實現(xiàn)。光楔陣列法需 要加工復雜的光楔結構和空間光調(diào)制器。螺旋相襯空間濾波法需要多個透鏡組成的4f濾 波系統(tǒng)和一個拓撲核1 = 1的螺旋相位板。因此，上述方法都要用到復雜的光路和價格昂 貴的光學元件，并且需要精密的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生的陣列渦旋結構不穩(wěn)定。除此之外，利用干涉法 和光楔陣列法產(chǎn)生渦旋陣列的結構受限于正交陣列，且陣列的結構參數(shù)不可調(diào)。螺旋相襯 空間濾波法雖然可以實現(xiàn)任意圖形的陣列渦旋結構，但是此方法光路結構復雜，而且受限 于光路中所用的螺旋相位板，很難實現(xiàn)其它拓撲荷的陣列渦旋結構。利用分數(shù)泰伯效應可 以產(chǎn)生六角陣列渦旋，但是此方法只是簡單地將分數(shù)泰伯相位與螺旋相位疊加，沒有給出 單個基元里螺旋相位的定量變化，而且此方法需要空間光調(diào)制器來調(diào)制相位，限制了其在 實際應用中的范圍。因此，上述方案，很難實現(xiàn)在不利用其它任何光學元件的基礎上，只利 用一個簡單的相位板就可產(chǎn)生陣列光學渦旋。
[0004] 最近，現(xiàn)有技術中的一種產(chǎn)生完美渦旋陣列的二維編碼相位光柵，但是此方法只 能產(chǎn)生正交陣列的光學渦旋，而且其相位分布是通過優(yōu)化迭代數(shù)值算法產(chǎn)生的，相位分布 具有隨機性，很難加工成相位板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能使相干平面光波在衍射距離處產(chǎn)生六 角點陣結構排列的光學渦旋，改變相位板中每個基元內(nèi)的螺旋相位的初始旋轉(zhuǎn)方位角，可 實現(xiàn)不同周期的六角陣列渦旋的六角陣列螺旋相位板及制作方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：一種六角陣列螺旋相位板的制作方 法，具體包括以下步驟：
[0007] 步驟S1 :設定參數(shù)，參數(shù)包括正六邊形基元的邊長d，光斑壓縮比值γ，入射激光 波長λ，螺旋相位的拓撲荷1，在水平方向上的基元數(shù)目值Μ和與水平方向成60度方向上 的基元數(shù)目值Ν;
[0008] 步驟S2 :根據(jù)參數(shù)值計算得到MXN個正六邊形基元在對應排列位置參數(shù)（m，η) 處的旋轉(zhuǎn)角度值θοΟιι,η);
[0009] 步驟S3:在每個對應排列位置（m，η)處的正六邊形基元中，填入對應的以 9D(m,η)為起始旋轉(zhuǎn)方位角的螺旋相位；
[0010] 步驟S4 :將所有ΜΧΝ個具有不同起始旋轉(zhuǎn)方位角的螺旋相位結構的正六邊形基 元按排列位置參數(shù)（m，η)緊密排列在一起，產(chǎn)生六角陣列螺旋相位板的相位分布數(shù)據(jù)； [0011] 步驟S5 :根據(jù)相位分布數(shù)據(jù)，制備六角陣列螺旋相位板。
[0012] 進一步，所述步驟S2中計算在排列位置參數(shù)（m，η)處角度值θ。、η)的具體實 現(xiàn)：
[0014] 其中，γ:表述光斑壓縮比值，取值為大于1的正整數(shù)；
[0015] m:是表示六角陣列螺旋相位板中的基元在水平方向上的位置參數(shù)，取整數(shù)；
[0016] η:是表示六角陣列螺旋相位板中的基元在與水平方向成60度方向上的位置參 數(shù)，取整數(shù)；
[0017] Κ為規(guī)定γ的取值范圍的值，取值為正整數(shù)；
[0018] 上述的角度值Θ。〇11，η)的取值范圍為[02π]。
[0019] 進一步，所述步驟S3中每個對應排列位置（m，η)處的正六邊形基元中的螺旋相位 的具體實現(xiàn)：
[0021] 其中，r為平面極坐標的極徑，Θ為平面極坐標的極角，1為光學渦旋的拓撲荷， 9〇(m，η)為第（m,η)個基元的螺旋相位的起始旋轉(zhuǎn)方位角的角度值。
[0022] 進一步，所述步驟S5的具體實現(xiàn)：根據(jù)相位分布數(shù)據(jù)，采用灰度光刻工藝制備六 角陣列螺旋相位板。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明六角陣列螺旋相位板是純相位的衍射光學元件，易 于加工和復制，加工成本低；可以實現(xiàn)高壓縮比、大數(shù)目的六角點陣結構的陣列渦旋；本發(fā) 明可以產(chǎn)生任意壓縮比的六角陣列渦旋光斑，特別是高壓縮比的陣列渦旋光斑；本發(fā)明只 需通過改變基元中螺旋相位的起始方位角的大小，可以產(chǎn)生任意周期的六方型陣列渦旋光 斑；本發(fā)明只需通過控制基元中螺旋相位的拓撲荷的大小，可以產(chǎn)生不同拓撲荷的六角陣 列渦旋光斑；本發(fā)明結構簡單，可廣泛應用于光學成像、光通信及光學微操縱等領域。
[0024] 本發(fā)明解決上述技術問題的另一技術方案如下：一種六角陣列螺旋相位板，包括 多個尺寸相同的正六邊形基元，多個所述正六邊形基元緊密排列，每個所述正六邊形基元 具有螺旋相位結構，且每個正六邊形基元中的螺旋相位為起始旋轉(zhuǎn)方位角繞基元的中心軸 旋轉(zhuǎn)設定角度。
[0025] 進一步，多個所述正六邊形基元包括水平方向上的基元和與水平方向成60度方 向上的基元，且水平方向上的基元的數(shù)目值為M，與水平方向成60度方向上的基元的數(shù)目 值為N。
[0026] 優(yōu)選的，每個所述正六邊形基元中起始旋轉(zhuǎn)方位角的角度值ΘJm，n)具體為：
[0028] 其中，γ:表述光斑壓縮比值，取值為大于1的正整數(shù)；
[0029] m:是表示六角陣列螺旋相位板中的基元在水平方向上的位置參數(shù)，取整數(shù)；
[0030] η:是表示六角陣列螺旋相位板中的基元在與水平方向成60度方向上的位置參 數(shù)，取整數(shù)；
[0031] Κ為規(guī)定γ的取值范圍的值，取值為正整數(shù)；
[0032] 上述的角度值Θ。〇11，η)的取值范圍為[02π]。
[0033] 進一步，每個所述正六邊形基元的螺旋相位具體為：
[0035] 其中，r為平面極坐標的極徑，Θ為平面極坐標的極角，1為光學渦旋的拓撲荷， 9〇(m，η)為第（m,η)個基元的螺旋相位的起始旋轉(zhuǎn)方位角的角度值。
[0036] 進一步，相干平面光波透過此六角陣列螺旋相位板后，在特定的衍射距離Ζ= 9(12γ/2λ處可產(chǎn)生六角點陣結構排列的光學渦旋。
[0037] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明六角陣列螺旋相位板易于加工和復制，加工成本低； 在不利用其它任何衍射元件的基礎上，直接通過六角陣列螺旋相位板的衍射就可以實現(xiàn)高 壓縮比、大數(shù)目的六角點陣結構的陣列渦旋；本發(fā)明只需通過改變基元中螺旋相位的起始 方位角的大小，可以產(chǎn)生任意周期的六方型陣列渦旋光斑；本發(fā)明只需通過控制基元中螺 旋相位的拓撲荷的大小，可以產(chǎn)生不同拓撲荷的六角陣列渦旋光斑；本發(fā)明結構簡單，可廣 泛應用于光學成像、光通信及光學微操縱等領域。
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發(fā)明一種六角陣列螺旋相位板的制作方法的流程圖；
[0039] 圖2為本發(fā)明一種六角陣列螺旋相位板的結構示意圖；
[0040] 圖3為本發(fā)明六角陣列螺旋相位板中一個周期內(nèi)正六邊形基元排列位置分布示 意圖；
[0041] 圖4為本發(fā)明所述的壓縮比為γ= 6及拓撲荷1 = 1時，不同初始方位角的螺旋 相位的分布圖；
[0042] 圖5為本發(fā)明所述的六角陣列螺旋相位板產(chǎn)生六角陣列渦旋的光路示意圖；
[0043] 圖6為本發(fā)明所述的壓縮比為γ= 6及拓撲荷1 = 1的六角陣列螺旋相位板在 衍射距離Ζ= 126. 9mm處產(chǎn)生的六角陣列渦旋的干涉強度分布圖；
[0044] 圖7為本發(fā)明所述的壓縮比為γ=5及拓撲荷1 = 2時，一個壓縮比周期內(nèi)的所 有具有不同螺旋相位基元緊密排列組成的相位分布圖；
[0045] 圖8為本發(fā)明所述的壓縮比為γ= 5及拓撲荷1 = 2的六角陣列螺旋相位板在 衍射距離在Ζ= 105. 7mm產(chǎn)生的六角陣列渦旋的干涉強度分布圖；
[0046] 圖9為本發(fā)明所述的壓縮比為γ=4及拓撲荷1 = 3時，一個壓縮比周期內(nèi)的所 有具有不同螺旋相位基元緊密排列組成的相位分布圖；
[0047] 圖10為本發(fā)明所述的壓縮比為γ=4及拓撲荷1=3的六角陣列螺旋相位板在 衍射距離在Ζ= 84. 6mm產(chǎn)生的六角陣列渦旋的干涉強度分布圖。
[0048] 附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
[0049] 1、相干平面波，2、六角陣列螺旋相位板，3、六角陣列渦旋光斑。
【具體實施方式】
[0050] 以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0051] 實施例1 :
[0052] 如圖1所示，一種六角陣列螺旋相位板的制作方法，具體包括以下步驟：
[0053] 步驟S1 :設定參數(shù)，參數(shù)包括正六邊形基元的邊長d，光斑壓縮比值γ，入射激光 波長λ，螺旋相位的拓撲荷1，在水平方向上的基元數(shù)目值Μ和與水平方向成60度方向上 的基元數(shù)目值Ν;
[0054] 步驟S2:根據(jù)參數(shù)值計算得到ΜΧΝ個正六邊形基元在對應排列位置參數(shù)（m，η) 處的旋轉(zhuǎn)角度值θοΟιι,η);
[0055] 步驟S3:在每個對應排列位置（m，η)處的正六邊形基元中，填入對應的以 9D(m,η)為起始旋轉(zhuǎn)方位角的螺旋相位；
[0056] 步驟S4:將所有MXΝ個具有不同起始旋轉(zhuǎn)方位角的螺旋相位結構的正六邊形基 元按排列位置參數(shù)（m，η)緊密排列在一起，產(chǎn)生六角陣列螺旋相位板的相位分布數(shù)據(jù)；
[0057] 步驟S5:根據(jù)相位分布數(shù)據(jù)，制備六角陣列螺旋相位板。
[0058] 優(yōu)選的，所述步驟S2中計算在排列位置參數(shù)（m，η)處角度值θ。、η)的具體實 現(xiàn)：
[0060] 其中，γ:表述光斑壓縮比值，取值為大于1的正整數(shù)；
[0061] m:是表示六角陣列螺旋相位板中的基元在水平方向上的位置參數(shù)，取整數(shù)；
[0062] η:是表示六角陣列螺旋相位板中的基元在與水平方向成60度方向上的位置參 數(shù)，取整數(shù)；
[0063] Κ為規(guī)定γ的取值范圍的值，取值為正整數(shù)；
[0064] 上述的角度值Θ。(m，η)的取值范圍為[02π]。
[0065] 優(yōu)選的，所述步驟S3中每個對應排列位置（m，η)處的正六邊