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?fù)浜傻墓鈱W(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(dú)特的相位結(jié)構(gòu)和拓?fù)涮匦栽诨A(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(diǎn)，且相位圍繞該奇點(diǎn)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”(Optical Vortices)。這一類光束的中心強(qiáng)度由于相消干涉而嚴(yán)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(xiàng)eXp(im θ )，其中的m為光學(xué)渦旋的拓?fù)浜?，表示在一個(gè)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(jì)的激光器以及計(jì)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(shí)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?fù)浜芍涤裳谀０逡鸬臏u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(gè)特定波長光波，螺旋相位掩模板產(chǎn)生光學(xué)渦旋的拓?fù)浜芍凳枪潭ǖ?；目前已?jīng)實(shí)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(qiáng)的渦旋光場，但是渦旋的拓?fù)浜?、中心位置等參?shù)難以調(diào)節(jié)；多光束干涉法是利用四個(gè)相對于ζ軸對稱分布的平面波，進(jìn)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(gè)平面波具有相同的初始相位，而且四個(gè)波的初始相位不能同時(shí)相等；計(jì)算全息法即用基模的高斯光束照射存在中心位錯(cuò)的計(jì)算全息光柵，得到的衍射光束即為光學(xué)渦旋，位錯(cuò)的數(shù)目即為光學(xué)渦旋的拓?fù)浜?。與上述幾種方法相比，計(jì)算全息法以其更實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，例如可以準(zhǔn)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?fù)浜芍?，而且可以通過改變計(jì)算全息圖實(shí)時(shí)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 Light Modulators, SLM)與計(jì)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(jì)算全息法的一個(gè)主要問題是存在多級衍射。雖然可以同時(shí)產(chǎn)生不同拓?fù)浜傻墓鈱W(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(shí)驗(yàn)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。總之，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?fù)浜刹豢烧{(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?fù)浜煽烧{(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(gè)與固體螺旋相位板互補(bǔ)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?fù)浜芍祄滿足關(guān)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(biāo)m表示所需光學(xué)渦旋的拓?fù)浜芍?；?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。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&，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(shí)，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(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 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(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(gè)與固體螺旋相位板互補(bǔ)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?fù)浜芍祄滿足關(guān)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(biāo)m表示所需光學(xué)渦旋的拓?fù)浜芍?；?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C3)采用圓柱體或長方體，且在透明容器上設(shè)有注入孔(6)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種參數(shù)可調(diào)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(gè)與固體螺旋相位板互補(bǔ)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?fù)浜芍祄滿足關(guān)系式本實(shí)用新型提出的一種參數(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(diǎn)的前提下，簡化制作工藝，并且實(shí)現(xiàn)參數(shù)可調(diào)，能靈活控制產(chǎn)生光學(xué)渦旋的拓?fù)浜芍?。另外，本?shí)用新型對光源波長沒有要求，具有很好的適應(yīng)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(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)