專(zhuān)利名稱(chēng):一種參數(shù)可調(diào)的具有不透明電極的螺旋相位板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種參數(shù)可調(diào)的具有不透明電極的螺旋相位板，用于對(duì)任意波長(zhǎng)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(chǎng)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(huì)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(lèi)似于流體中的渦旋現(xiàn)象，因此這類(lèi)光波被稱(chēng)為“光學(xué)渦旋”(Optical Vortices)。這一類(lèi)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(zhǎng)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(guò)某種光學(xué)器件(如柱面透鏡等)改變?nèi)肷涔馐哪Ｊ剑瑏?lái)得到相應(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(lèi)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(guò)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(huì)繞著傳輸方向上的一條線(xiàn)以螺旋方式旋轉(zhuǎn)，形成渦旋光場(chǎng)。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(chǎng)很規(guī)則，但是相位掩模板的制作屬于光學(xué)精密加工，對(duì)加工要求極高，且針對(duì)一個(gè)特定波長(zhǎng)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(guò)調(diào)節(jié)激光器的輸出模式來(lái)產(chǎn)生拉蓋爾-高斯模式的渦旋光場(chǎng)。該方法比較方便，而且可以得到很強(qiáng)的渦旋光場(chǎng)，但是渦旋的拓?fù)浜伞⒅行奈恢玫葏?shù)難以調(diào)節(jié)；多光束干涉法是利用四個(gè)相對(duì)于ζ軸對(duì)稱(chēng)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(duì)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(guò)改變計(jì)算全息圖實(shí)時(shí)改變所要產(chǎn)生渦旋光場(chǎng)的相位結(jié)構(gòu)和空間位置。后來(lái)，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(wèn)題是存在多級(jí)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(jí)渦旋衍射光的衍射效率都不夠高。近年來(lái)，人們已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)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(zhǎng)是一一對(duì)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(wèn)題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種參數(shù)可調(diào)的具有不透明電極的螺旋相位板，該螺旋相位板能夠很好地解決以上技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)方案
一種參數(shù)可調(diào)的具有不透明電極的螺旋相位板，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(mǎn)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(mǎn)足
關(guān)系式八 ，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 Δα
的折射率，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(zhǎng)；所述固體螺旋相位板1 為透明體。
所述固體螺旋相位板1采用電光晶體且采用橫向電光調(diào)制，透明容器3為長(zhǎng)方體， 第一不透明電極9和第二不透明電極10在長(zhǎng)方體相對(duì)的兩個(gè)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&，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(zhǎng)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 = ψ["s"max +nL{D-dmax)] = γ[( s -nL)dmax+nLD](1)
固體螺旋相位板最薄處的光波相位延遲為
Φ隱=心in + =~nL)dmm+nLD](2)
最厚與最薄處的相位差為
2π
ΔΦ = Φ 匪—<Dmi = — AnAd(3)
由此可見(jiàn)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(shí)，即 Δη = 0時(shí)，本發(fā)明對(duì)經(jīng)過(guò)的光波產(chǎn)生均勻的相位延遲，無(wú)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(shí)，即Δη興0時(shí)，本發(fā)明產(chǎn)生的螺旋相位差 ΔΦ由( 式?jīng)Q定。此時(shí)，當(dāng)一束波長(zhǎng)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?fù)浜芍祄 = ^ = 。在給定
2π λ
波長(zhǎng)的激光束照射下，當(dāng)設(shè)計(jì)的△(!值較大時(shí)，只需要一個(gè)很小的Δη即可產(chǎn)生足夠大的拓?fù)浜芍?，并且通過(guò)控制Δη的正負(fù)(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(duì)大小)即可控制拓?fù)浜傻恼?fù)。例如Ad = 0. 1mm，光波波長(zhǎng)λ = 500nm,要輸出拓?fù)浜蔀?的光學(xué)渦旋，需要的折射率差異僅二 = 0.005;當(dāng)需要得
權(quán)利要求
1.一種參數(shù)可調(diào)的具有不透明電極的螺旋相位板，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(mǎn)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(mǎn)足關(guān)系式A m=·^，其中Anm = Ils-Ik，ns為固體螺旋相位板的折射率，nLAd為折射率匹配液的折射率，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(zhǎng)；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)的具有不透明電極的螺旋相位板，其特征在于所述固體螺旋相位板⑴采用電光晶體且采用橫向電光調(diào)制，透明容器⑶為長(zhǎng)方體，第一不透明電極(9)和第二不透明電極(10)在長(zhǎng)方體相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面。
專(zhuān)利摘要
本實(shí)用新型涉及一種參數(shù)可調(diào)的具有不透明電極的螺旋相位板，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(mǎn)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(mǎn)足關(guān)系式本實(shí)用新型能在保證現(xiàn)有螺旋相位板如轉(zhuǎn)換效率高，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的前提下，簡(jiǎn)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(duì)光源波長(zhǎng)沒(méi)有要求，具有很好的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)G21K1/00GKCN202041740 U發(fā)布類(lèi)型授權(quán) 專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N 201120139621
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年5月5日
發(fā)明者楊德興, 趙騰 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan