一種六角陣列螺旋相位板及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及相位板技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002] 光學(xué)渦旋因其具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，受到大家的廣泛關(guān)注。光學(xué)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?fù)浜?，Θ為平?極坐標(biāo)中的角向坐標(biāo)。具有這種渦旋相位的光束，在光學(xué)渦旋中心位置存在一個(gè)相位奇點(diǎn)， 從而產(chǎn)生一個(gè)中心暗斑光場(chǎng)分布。目前，光學(xué)渦旋已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)成像、光學(xué) 微操控，以及量子光學(xué)等領(lǐng)域。陣列光學(xué)渦旋具有多個(gè)光學(xué)渦旋，可以同時(shí)捕獲和操控多個(gè) 粒子或細(xì)胞，可大大提高工作效率。因此，如何快速準(zhǔn)確的產(chǎn)生陣列光學(xué)渦旋，在實(shí)際應(yīng)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(xué)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(shí)現(xiàn)。光楔陣列法需 要加工復(fù)雜的光楔結(jié)構(gòu)和空間光調(diào)制器。螺旋相襯空間濾波法需要多個(gè)透鏡組成的4f濾 波系統(tǒng)和一個(gè)拓?fù)浜? = 1的螺旋相位板。因此，上述方法都要用到復(fù)雜的光路和價(jià)格昂 貴的光學(xué)元件，并且需要精密的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生的陣列渦旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受限于正交陣列，且陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)不可調(diào)。螺旋相襯 空間濾波法雖然可以實(shí)現(xiàn)任意圖形的陣列渦旋結(jié)構(gòu)，但是此方法光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且受限 于光路中所用的螺旋相位板，很難實(shí)現(xiàn)其它拓?fù)浜傻年嚵袦u旋結(jié)構(gòu)。利用分?jǐn)?shù)泰伯效應(yīng)可 以產(chǎn)生六角陣列渦旋，但是此方法只是簡單地將分?jǐn)?shù)泰伯相位與螺旋相位疊加，沒有給出 單個(gè)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(shí)際應(yīng)用中的范圍。因此，上述方案，很難實(shí)現(xiàn)在不利用其它任何光學(xué)元件的基礎(chǔ)上，只利 用一個(gè)簡單的相位板就可產(chǎn)生陣列光學(xué)渦旋。
[0004] 最近，現(xiàn)有技術(shù)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(xué)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(jī)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(shù)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)排列的光學(xué)渦旋，改變相位板中每個(gè)基元內(nèi)的螺旋相位的初始旋轉(zhuǎn)方位角，可 實(shí)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(shù)問題的技術(shù)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(shè)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?fù)浜?，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(jì)算得到MXN個(gè)正六邊形基元在對(duì)應(yīng)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(gè)對(duì)應(yīng)排列位置（m，η)處的正六邊形基元中，填入對(duì)應(yīng)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(gè)具有不同起始旋轉(zhuǎn)方位角的螺旋相位結(jié)構(gòu)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(jìn)一步，所述步驟S2中計(jì)算在排列位置參數(shù)（m，η)處角度值θ。、η)的具體實(shí) 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(jìn)一步，所述步驟S3中每個(gè)對(duì)應(yīng)排列位置（m，η)處的正六邊形基元中的螺旋相位 的具體實(shí)現(xiàn)：
[0021] 其中，r為平面極坐標(biāo)的極徑，Θ為平面極坐標(biāo)的極角，1為光學(xué)渦旋的拓?fù)浜桑?9〇(m，η)為第（m,η)個(gè)基元的螺旋相位的起始旋轉(zhuǎn)方位角的角度值。
[0022] 進(jìn)一步，所述步驟S5的具體實(shí)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(xué)元件，易 于加工和復(fù)制，加工成本低；可以實(shí)現(xiàn)高壓縮比、大數(shù)目的六角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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?fù)浜傻拇笮?，可以產(chǎn)生不同拓?fù)浜傻牧顷?列渦旋光斑；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可廣泛應(yīng)用于光學(xué)成像、光通信及光學(xué)微操縱等領(lǐng)域。
[0024] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的另一技術(shù)方案如下：一種六角陣列螺旋相位板，包括 多個(gè)尺寸相同的正六邊形基元，多個(gè)所述正六邊形基元緊密排列，每個(gè)所述正六邊形基元 具有螺旋相位結(jié)構(gòu)，且每個(gè)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(shè)定角度。
[0025] 進(jìn)一步，多個(gè)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(gè)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(jìn)一步，每個(gè)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(biāo)的極徑，Θ為平面極坐標(biāo)的極角，1為光學(xué)渦旋的拓?fù)浜桑?9〇(m，η)為第（m,η)個(gè)基元的螺旋相位的起始旋轉(zhuǎn)方位角的角度值。
[0036] 進(jìn)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)排列的光學(xué)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(fù)制，加工成本低； 在不利用其它任何衍射元件的基礎(chǔ)上，直接通過六角陣列螺旋相位板的衍射就可以實(shí)現(xiàn)高 壓縮比、大數(shù)目的六角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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?fù)浜傻拇笮?，可以產(chǎn)生不同拓?fù)浜傻牧顷嚵袦u旋光斑；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可廣 泛應(yīng)用于光學(xué)成像、光通信及光學(xué)微操縱等領(lǐng)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(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖3為本發(fā)明六角陣列螺旋相位板中一個(gè)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?fù)浜? = 1時(shí)，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?fù)浜? = 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(qiáng)度分布圖；
[0044] 圖7為本發(fā)明所述的壓縮比為γ=5及拓?fù)浜? = 2時(shí)，一個(gè)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?fù)浜? = 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(qiáng)度分布圖；
[0046] 圖9為本發(fā)明所述的壓縮比為γ=4及拓?fù)浜? = 3時(shí)，一個(gè)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?fù)浜?=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(qiáng)度分布圖。
[0048] 附圖中，各標(biāo)號(hào)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(shí)施方式】
[0050] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)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(shí)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(shè)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?fù)浜?，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(jì)算得到ΜΧΝ個(gè)正六邊形基元在對(duì)應(yīng)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(gè)對(duì)應(yīng)排列位置（m，η)處的正六邊形基元中，填入對(duì)應(yīng)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(gè)具有不同起始旋轉(zhuǎn)方位角的螺旋相位結(jié)構(gòu)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(jì)算在排列位置參數(shù)（m，η)處角度值θ。、η)的具體實(shí) 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(gè)對(duì)應(yīng)排列位置（m，η)處的正六邊