CN202057919U - 一种参数可调的螺旋相位板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种参数可调的螺旋相位板，其特征在于：固体螺旋相位板固定于透明容器一侧的端面上，螺旋面向内；容器内充满折射率匹配液，形成一个与固体螺旋相位板互补的液体螺旋相位板；所述固体螺旋相位板与匹配液的折射率差与光学涡旋的拓扑荷值m满足关系式：

本实用新型提出的一种参数可调的螺旋相位板，能在保证现有螺旋相位板如转换效率高，光路结构简单等优点的前提下，简化制作工艺，并且实现参数可调，能灵活控制产生光学涡旋的拓扑荷值。另外，本实用新型对光源波长没有要求，具有很好的适应性。

Description

一种参数可调的螺旋相位板

技术领域

本发明涉及一种可调节参数的螺旋相位板，用于对任意波长单色光源调制产生任意拓扑荷的光学涡旋，据以为一种可调节参数的螺旋相位板。

背景技术

光学涡旋在近几十年中由于其独特的相位结构和拓扑特性在基础研究和应用研究等领域受到广泛的关注。在光学领域，如果光波场的中心存在相位奇点，且相位围绕该奇点呈螺旋连续变化，光波波前会在传播方向上以螺旋方式旋转，形成螺旋形的波前，这非常类似于流体中的涡旋现象，因此这类光波被称为“光学涡旋”(OpticalVortices)。这一类光束的中心强度由于相消干涉而严格为零，而相位分布函数中含有与旋转方位角θ成正比的一项：exp(imθ)，其中的m为光学涡旋的拓扑荷，表示在一个波长的范围内，光学涡旋的波前相位周期数为m。

目前产生光学涡旋的方法主要有：几何模式转换法、螺旋相位掩模板法、横模选择法、多光束干涉法、特殊设计的激光器以及计算全息法等。几何模式转换法要求激光束通过某种光学器件(如柱面透镜等)改变入射光束的模式，来得到相应模式光束，此方法虽可实现很高的转换效率，但产生的光学涡旋的种类和参数难以控制；螺旋相位掩模板法是制作围绕中心一周厚度连续变化(由此引入在角向连续变化的相位延迟)的相位掩模板，平面波经过该螺旋相位掩模板后，相当于存在着“螺旋式缺陷”相位分布，其波前会绕着传输方向上的一条线以螺旋方式旋转，形成涡旋光场。其拓扑荷值由掩模板引起的涡旋相位差所决定。该方法产生的涡旋光场很规则，但是相位掩模板的制作属于光学精密加工，对加工要求极高，且针对一个特定波长光波，螺旋相位掩模板产生光学涡旋的拓扑荷值是固定的；目前已经实现通过调节激光器的输出模式来产生拉盖尔-高斯模式的涡旋光场。该方法比较方便，而且可以得到很强的涡旋光场，但是涡旋的拓扑荷、中心位置等参数难以调节；多光束干涉法是利用四个相对于z轴对称分布的平面波，进行干涉后形成规则的涡旋阵列，这四束平面波在相位上有一定的限制，即相对的两个平面波具有相同的初始相位，而且四个波的初始相位不能同时相等；计算全息法即用基模的高斯光束照射存在中心位错的计算全息光栅，得到的衍射光束即为光学涡旋，位错的数目即为光学涡旋的拓扑荷。与上述几种方法相比，计算全息法以其更实际的优点而被广泛应用，例如：可以准确方便地控制涡旋数目、涡旋中心的尺寸、涡旋的位置以及拓扑荷值，而且可以通过改变计算全息图实时改变所要产生涡旋光场的相位结构和空间位置。后来，各种空间光调制器(Spatical LightModulators，SLM)与计算全息的结合使这种方法在产生光学涡旋方面变得更加方便。然而，使用计算全息法的一个主要问题是存在多级衍射。虽然可以同时产生不同拓扑荷的光学涡旋，但每一级涡旋衍射光的衍射效率都不够高。近年来，人们已经在理论和实验上对这种涡旋的产生方法做了较深入的研究，但是得到的衍射效率最高仅为27.5％。

另外，还存在其他一些产生方法，如中空波导法、旋转镜面光学参量振荡法等等，但这些方法在适用范围和应用范围上均不及上述几种方法。总之，现有螺旋相位掩模板具有加工精度要求高，且螺旋相位掩模板与光波长是一一对应关系，其拓扑荷不可调。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可用于不同光波长且拓扑荷可调的螺旋相位板，该螺旋相位板能够很好地解决以上技术问题。

技术方案

一种参数可调的螺旋相位板，其特征在于包括固体螺旋相位板1、折射率匹配液2、透明容器3、底端入射面4和上端面5；固体螺旋相位板固定于透明容器一侧的端面上，螺旋面向内；容器内充满折射率匹配液，形成一个与固体螺旋相位板互补的液体螺旋相位板；所述固体螺旋相位板与匹配液的折射率差与光学涡旋的拓扑荷值m满足关系式：其中：Δn_m＝n_S-n_L，n_S为固体螺旋相位板的折射率，n_L为折射率匹配液的折射率，角标m表示所需光学涡旋的拓扑荷值；Δd＝d_max-d_min，d_max为固体螺旋相位板最厚处的厚度，d_min为固体螺旋相位板最薄处的厚度；λ为光波波长；所述固体螺旋相位板1为透明体。

所述固体螺旋相位板1采用冕玻璃，所述透明容器3采用圆柱体或长方体，且在透明容器上设有注入孔6。

本发明中固体螺旋相位板和柱形透明容器的内腔高度为D，固体螺旋相位板最厚处的厚度为d_max，最薄处为d_min，则相应位置处折射率匹配液的厚度分别为(D-d_max)和(D-d_min)。所述固体螺旋相位板的折射率为n_S，所述匹配液的折射率为n_L，二者折射率差Δn＝n_S-n_L，二者厚度差Δd＝d_max-d_min。当一束波长为λ的平面光波从柱形透明容器的端面入射时，固体螺旋相位板最厚处的光波相位延迟为

${\mathrm{\Φ}}_{\max }=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[n_S{d}_{\max }+n_L(D-d_{\max })]=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[(n_S-n_L)d_{\max }+n_{L}D]---\left(1\right)$

固体螺旋相位板最薄处的光波相位延迟为

${\mathrm{\Φ}}_{\min }=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[n_S{d}_{\min }+n_L(D-d_{\min })]=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[(n_S-n_L)d_{\min }+n_{L}D]---\left(2\right)$

最厚与最薄处的相位差为

$\mathrm{\Δ\Φ}={\mathrm{\Φ}}_{\max }-{\mathrm{\Φ}}_{\min }=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δn\Δd}---\left(3\right)$

由此可见：当折射率匹配液的折射率n_L与固体螺旋相位板的折射率n_S相同时，即Δn＝0时，本发明对经过的光波产生均匀的相位延迟，无调制作用。当折射率匹配液的折射率n_L与固体螺旋相位板的折射率n_S不同时，即Δn≠0时，本发明产生的螺旋相位差ΔΦ由(3)式决定。此时，当一束波长为λ的单色平面光波从柱形透明容器的端面入射，其透射光的波前将具有螺旋相位结构，形成涡旋光束，其拓扑荷值在给定波长的激光束照射下，当设计的Δd值较大时，只需要一个很小的Δn即可产生足够大的拓扑荷值，并且通过控制Δn的正负(即折射率匹配液的折射率n_L与固体螺旋相位板的折射率n_S的相对大小)即可控制拓扑荷的正负。例如：Δd＝0.1mm，光波波长λ＝500nm，要输出拓扑荷为1的光学涡旋，需要的折射率差异仅为

当需要得到拓扑荷为-1的光学涡旋时，仅需调节折射率差异为Δn_-1＝-0.005。当折射率差异为

时，输出的光学涡旋拓扑荷为2；同样，当Δn_-2＝-0.01时，将输出拓扑荷为-2的光学涡旋。以此类推，若要得到拓扑荷为m的光学涡旋，只需调节折射率差异为

$\mathrm{\Δ}{n}_m=\frac{\mathrm{m\λ}}{\mathrm{\Δd}}---\left(4\right)$

由此可见，通过控制折射率匹配液和固体螺旋相位板的折射率差Δn，本发明可自由调节螺旋相位板的参数，针对任意光波长光波控制光学涡旋的拓扑荷值。折射率差的控制可以通过电光效应、磁光效应和电流效应使液体折射率发生变化。也可以采用电光晶体等通过电光效应控制固体的折射率。

有益效果

本发明提出的一种参数可调的螺旋相位板，能在保证现有螺旋相位板如转换效率高，光路结构简单等优点的前提下，简化制作工艺，并且实现参数可调，能灵活控制产生光学涡旋的拓扑荷值。另外，本发明对光源波长没有要求，具有很好的适应性。

附图说明

图1-a至图2-b为本发明装置结构示意图一，其中：

图1-a为轮廓简图。

图1-b为图1-a中A-A平面的剖面图。

图2-a为图1-b中固体螺旋相位板的主视图。

图2-b为图1-b中固体螺旋相位板的俯视图。

其中：1、透明的固体螺旋相位板；2、折射率匹配液；3、圆柱形透明容器；4、底端入射面；5、上端面；6、折射率匹配液注入孔。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例：

参阅图1-a至图2-b。本实施例包括透明的固体螺旋相位板1(由厚至薄左旋)，折射率匹配液2，柱形透明容器3。固体螺旋相位板1的底平面紧贴在柱形透明容器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之间的空腔内充满折射率匹配液2。在柱形容器的一侧开有匹配液注入孔6。在本实施例中，需要提前选择不同折射率的匹配液，并由注入孔6注入。固体螺旋相位板由透明材料制成，本实施例中以冕玻璃为例，制成厚度差Δd＝0.02mm的固体螺旋相位板。在632nm波长激光照射下，冕玻璃折射率为n_S＝1.520；目前已有的折射率匹配液可提供n_L＝1.300～1.700的可调范围，精度达到±0.0002。要输出拓扑荷为1的光学涡旋，需要的折射率差异为

$\mathrm{\Δ}{n}_1=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δd}}=\frac{0.632}{20}=0.0316---\left(5\right)$

若要得到拓扑荷为m的光学涡旋，只需调节折射率差异为Δn＝n_S-n_Lm＝mΔn₁，也就是说，折射率匹配液需满足

n_Lm＝n_S-mΔn₁＝1.520-m0.0316                (6)

其中n_Lm即为要得到拓扑荷为m的光学涡旋需要的匹配液折射率。当选用不同波长激光时，只需知道在该波长下固体螺旋相位板的折射率值，便可类似的求出匹配液折射率和光学涡旋拓扑荷的关系。另外，适当减小固体螺旋相位板1的高度差Δd可降低对折射率匹配液的精度要求。

在使用时，首先根据公式(6)选择匹配液的折射率，由孔6注入并充满柱形透明容器的空腔。然后使用波长为632nm激光束垂直照射柱形透明容器3的底端入射面4，在器件的上端面5出射的光束即为带有特定拓扑荷的光学涡旋。例如：当匹配液折射率n_L＝1.4568时，光学涡旋拓扑荷为2，当n_L＝1.6148时，光学涡旋拓扑荷为-3。需要注意的是，当激光束从上端面5入射时，将在底端面4后得到具有相反拓扑荷的光学涡旋。如n_L＝1.4568时，光学涡旋拓扑荷为-2，当n_L＝1.6148时，光学涡旋拓扑荷为3。

Claims (2)

1.一种参数可调的螺旋相位板，其特征在于包括固体螺旋相位板(1)、折射率匹配液(2)、透明容器(3)、底端入射面(4)和上端面(5)；固体螺旋相位板固定于柱形透明容器一侧的端面上，螺旋面向内；容器内充满折射率匹配液，形成一个与固体螺旋相位板互补的液体螺旋相位板；所述固体螺旋相位板与匹配液的折射率差与光学涡旋的拓扑荷值m满足关系式：

其中：Δn_m＝n_S-n_L，n_S为固体螺旋相位板的折射率，n_L为折射率匹配液的折射率，角标m表示所需光学涡旋的拓扑荷值；Δd＝d_max-d_min，d_max为固体螺旋相位板最厚处的厚度，d_min为固体螺旋相位板最薄处的厚度；λ为光波波长；所述固体螺旋相位板(1)为透明体。

2.根据权利要求1所述参数可调的螺旋相位板，其特征在于：所述固体螺旋相位板(1)采用冕玻璃，所述透明容器(3)采用圆柱体或长方体，且在透明容器上设有注入孔(6)。

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