專利名稱：一種參數(shù)可調(diào)的螺旋相位板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)節(jié)參數(shù)的螺旋相位板，用于對任意波長單色光源調(diào)制產(chǎn)生任 意拓撲荷的光學(xué)渦旋，據(jù)以為一種可調(diào)節(jié)參數(shù)的螺旋相位板。
背景技術(shù)：
光學(xué)渦旋在近幾十年中由于其獨特的相位結(jié)構(gòu)和拓撲特性在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研 究等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。在光學(xué)領(lǐng)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(zhuǎn)，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(xué)渦旋”(OpticalVortices)。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(zhuǎn)方位角θ成正 比的一項eXp(im θ )，其中的m為光學(xué)渦旋的拓撲荷，表示在一個波長的范圍內(nèi)，光學(xué)渦旋 的波前相位周期數(shù)為m。目前產(chǎn)生光學(xué)渦旋的方法主要有幾何模式轉(zhuǎn)換法、螺旋相位掩模板法、橫模選擇 法、多光束干涉法、特殊設(shè)計的激光器以及計算全息法等。幾何模式轉(zhuǎn)換法要求激光束通 過某種光學(xué)器件(如柱面透鏡等)改變?nèi)肷涔馐哪Ｊ剑瑏淼玫较鄳?yīng)模式光束，此方法雖 可實現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率，但產(chǎn)生的光學(xué)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(jīng)過該螺旋相位掩模板后，相當(dāng)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(zhuǎn)，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(chǎn)生的渦旋光場很規(guī)則，但是相位掩模板的制作屬于光學(xué)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(chǎn)生光學(xué)渦旋的拓撲荷值是固 定的；目前已經(jīng)實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)激光器的輸出模式來產(chǎn)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(diào) 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(xué)渦旋，位錯的數(shù)目即為光學(xué)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(yīng)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(chǎn)生渦旋光場的相位結(jié)構(gòu)和空間位置。后來，各種空間光調(diào)制器(Spatical LightModulators, SLM)與計算全息的結(jié)合使這種方法在產(chǎn)生光學(xué)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(chǎn)生不同拓撲荷的 光學(xué)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(jīng)在理論和實驗上對 這種渦旋的產(chǎn)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(chǎn)生方法，如中空波導(dǎo)法、旋轉(zhuǎn)鏡面光學(xué)參量振蕩法等等， 但這些方法在適用范圍和應(yīng)用范圍上均不及上述幾種方法?？傊?，現(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(yīng)關(guān)系，其拓撲荷不可調(diào)。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)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(diào) 的螺旋相位板，該螺旋相位板能夠很好地解決以上技術(shù)問題。技術(shù)方 案一種參數(shù)可調(diào)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(cè)的端面 上，螺旋面向內(nèi)；容器內(nèi)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(xué)渦旋的拓撲荷值m滿足關(guān)系式
Δ =#，其中Δηω = η8- ，叫為固體螺旋相位板的折射率， 為折射率匹配液的折射 Ad
率，角標m表示所需光學(xué)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(shè)有注入孔6。所述固體螺旋相位板1采用電光晶體且采用縱向電光調(diào)制，透明容器3為圓柱或 長方體，入射端面4和上端面5的外表面分別覆蓋著第一透明電極7和第二透明電極8。所述固體螺旋相位板1采用電光晶體且采用橫向電光調(diào)制，透明容器3為長方體， 第一不透明電極9和第二不透明電極10在長方體相對的兩個側(cè)面。本發(fā)明中固體螺旋相位板和柱形透明容器的內(nèi)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(yīng)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r^，二者折射率差Δη = Iis-Ik, 二者厚度差A(yù)d = dmax-dmin。當(dāng)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
_3] Omax = -j[nsdmiX +nL(D- Jmax)] =-n^d^ + η, ](1)固體螺旋相位板最薄處的光波相位延遲為Omin ^[nsdmm+nL(D-dmm)^^-[{ns-nL)dmm +nLD](2)最厚與最薄處的相位差為
2πΔΦ = Φ· - Φ刪=—AnAd(3)由此可見當(dāng)折射率匹配液的折射率與固體螺旋相位板的折射率ns相同時，即 Δη = O時，本發(fā)明對經(jīng)過的光波產(chǎn)生均勻的相位延遲，無調(diào)制作用。當(dāng)折射率匹配液的 折射率&與固體螺旋相位板的折射率ns不同時，即Δη興O時，本發(fā)明產(chǎn)生的螺旋相位差 ΔΦ由(3)式?jīng)Q定。此時，當(dāng)一束波長為λ的單色平面光波從柱形透明容器的端面入射，其透射光的波前將具有螺旋相位結(jié)構(gòu)，形成渦旋光束，其拓撲荷值W =，=，。在給定
2π λ
波長的激光束照射下，當(dāng)設(shè)計的△(!值較大時，只需要一個很小的Δη即可產(chǎn)生足夠大的 拓撲荷值，并且通過控制Δη的正負(即折射率匹配液的折射率&與固體螺旋相位板的折 射率ns的相對大小)即可控制拓撲荷的正負。例如Ad = 0. 1mm，光波波長λ = 500nm,
2 Λ C
要輸出拓撲荷為ι的光學(xué) 渦旋，需要的折射率差異僅為Aqz^yz^^zO.OOS;當(dāng)需要得
Ad 100
到拓撲荷為-1的光學(xué)渦旋時，僅需調(diào)節(jié)折射率差異為Ai1 = -0.005。當(dāng)折射率差異為
2 ^ ι
Δ =Τ7 = Τ^Τ0.01時，輸出的光對貼射石撲荷為2;同樣，當(dāng)Δη_2 = _0.01時，將輸出 石 Δα 100
撲荷為_2的光學(xué)渦旋。以此類推，若要得到拓撲荷為m的光學(xué)渦旋，只需調(diào)節(jié)折射率差異 為Δ =芒(4)
Δα由此可見，通過控制折射率匹配液和固體螺旋相位板的折射率差Δ η，本發(fā)明可自 由調(diào)節(jié)螺旋相位板的參數(shù)，針對任意光波長光波控制光學(xué)渦旋的拓撲荷值。折射率差的控 制可以通過電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和電流效應(yīng)使液體折射率發(fā)生變化。也可以采用電光晶體 等通過電光效應(yīng)控制固體的折射率。有益效果本發(fā)明提出的一種參數(shù)可調(diào)的螺旋相位板，能在保證現(xiàn)有螺旋相位板如轉(zhuǎn)換效率 高，光路結(jié)構(gòu)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(diào)，能靈活控制產(chǎn)生光 學(xué)渦旋的拓撲荷值。另外，本發(fā)明對光源波長沒有要求，具有很好的適應(yīng)性。


一、圖Ι-a至圖2_b為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖一，其中圖l_a為輪廓簡圖。圖Ι-b為圖Ι-a中A-A平面的剖面圖。圖2_a為圖Ι-b中固體螺旋相位板的主視圖。圖2_b為圖Ι-b中固體螺旋相位板的俯視圖。其中1、透明的固體螺旋相位板；2、折射率匹配液；3、圓柱形透明容器；4、底端入 射面；5、上端面；6、折射率匹配液注入孔。二、圖3_a至圖4_b為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖二，其中圖3_a為輪廓簡圖。圖3-b為圖3-a中A-A平面的剖面圖。圖4_a為圖3_b中固體螺旋相位板的主視圖。圖4_b為圖3_b中固體螺旋相位板的俯視圖。其中1、透明的固體螺旋相位板；2、折射率匹配液；3、圓柱形透明容器；4、底端入 射面；5、上端面；7、第一透明電板；8、第二透明電板。三、圖5-a至6-b為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖三，其中圖5_a為輪廓簡圖。
圖5-b為圖5-a中A-A平 面的剖面圖。圖6_a為圖5_b中固體螺旋相位板的主視圖。圖6_b為圖5_b中固體螺旋相位板的俯視圖。其中1、方形透明固體螺旋相位板；2、折射率匹配液；3、長方體容器；4、底端入射 面；5、上端面；9、第一不透明電極；10、第二不透明電極。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述實施例一參閱圖Ι-a至圖2_b。本實施例包括透明的固體螺旋相位板1 (由厚至薄左旋)， 折射率匹配液2，柱形透明容器3。固體螺旋相位板1的底平面緊貼在柱形透明容器3的底 端入射面4。柱形透明容器3的上端面5和螺旋相位板1之間的空腔內(nèi)充滿折射率匹配液 2。在柱形容器的一側(cè)開有匹配液注入孔6。在本實施例中，需要提前選擇不同折射率的匹 配液，并由注入孔6注入。固體螺旋相位板由透明材料制成，本實施例中以冕玻璃為例，制 成厚度差A(yù)d = 0.02mm的固體螺旋相位板。在632nm波長激光照射下，冕玻璃折射率為 ns = 1. 520 ；目前已有的折射率匹配液可提供A = 1. 300 1. 700的可調(diào)范圍，精度達到 士0.0002。要輸出拓撲荷為1的光學(xué)渦旋，需要的折射率差異為Δ"ι =^" = ~^~ = 0.0316(5)若要得到拓撲荷為m的光學(xué)渦旋，只需調(diào)節(jié)折射率差異為Δη = ns-nLffl = mAni; 也就是說，折射率匹配液需滿足
權(quán)利要求
1.一種參數(shù)可調(diào)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柱形透明容器一 側(cè)的端面上，螺旋面向內(nèi)；容器內(nèi)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(xué)渦旋的拓撲荷值m滿足關(guān)系式 =Τ7，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 Ad折射率，角標m表示所需光學(xué)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(quán)利要求1所述參數(shù)可調(diào)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(3)采用圓柱體或長方體，且在透明容器上設(shè)有注入孔(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述參數(shù)可調(diào)的螺旋相位板，其特征在于所述固體螺旋相位板(1) 采用電光晶體且采用縱向電光調(diào)制，透明容器⑶為圓柱或長方體，入射端面⑷和上端面 (5)的外表面分別覆蓋著第一透明電極(7)和第二透明電極(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述參數(shù)可調(diào)的螺旋相位板，其特征在于所述固體螺旋相位板(1) 采用電光晶體且采用橫向電光調(diào)制，透明容器(3)為長方體，第一不透明電極(9)和第二不 透明電極(10)在長方體相對的兩個側(cè)面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可調(diào)節(jié)參數(shù)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(cè)的端面上，螺旋面向內(nèi)；容器內(nèi)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(xué)渦旋的拓撲荷值m滿足關(guān)系式本發(fā)明提出的一種參數(shù)可調(diào)的螺旋相位板，能在保證現(xiàn)有螺旋相位板如轉(zhuǎn)換效率高，光路結(jié)構(gòu)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(diào)，能靈活控制產(chǎn)生光學(xué)渦旋的拓撲荷值。另外，本發(fā)明對光源波長沒有要求，具有很好的適應(yīng)性。
文檔編號G02F1/03GK102141690SQ20111011499
公開日2011年8月3日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)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(xué)