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深圳海納光學有限公司
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螺旋相位板原理及使用手冊
2020-4-16 閱讀(2708)
螺旋相位板也稱為渦旋相位片，其光學厚度與方位角的旋轉成比例，是一種*的相位型衍射元件，*在于它的表面結構如圖1所示，呈現的是一個“螺旋階梯”的結構，“階梯”從底部到頂部的結構設計基于入射激光波長和光學指數的函數。當入射光束通過螺旋相位板時，螺旋相位板表面結構使透射光束光程的改變量不同，即透射光束相位的改變量也不同，因此產生渦旋光。渦旋光是一種特殊的光場，帶有軌道角動量的新型光場，作為有前景且應用廣泛的光載體，如何方便高效產生渦旋光更是研究的一個重要方向，相比于其他的產品或方法，螺旋相位板的優勢在于光路簡單且穩定、輸出渦旋光束精度高、高能量效率（大于90%）和高損傷閾值，應用領域包括：太陽日冕儀，高分辨率顯微鏡，光學鑷子，平板印刷和量子光學等。
圖1
螺旋相位板的重要參數
螺旋相位板的重要參數有波長、拓撲荷數、加工面型，次要參數包括尺寸、材質、鍍膜等。其中波長和拓撲荷為設計參數，加工面型為工藝參數。
波長和拓撲荷通常是理論分析所關注的，每個螺旋相位板適用于特定的波長。拓撲荷數是指在繞衍射表面360度旋轉時蝕刻的2π循環數（“階梯”個數），即入射激光通過螺旋相位板后，光相位扭轉的圈數，一般用m表示，m只能為整數，正負取決于光扭轉的方向。在上面的圖1中，一個“階梯”循環覆蓋了整個表面360度旋轉，代表光相位扭轉了1圈，因此該螺旋相位板的m= 1。圖2分別顯示m=2，m=3和m=4的螺旋相位板衍射表面結構。
圖2
較高的拓撲荷數會讓渦旋光束角矩增加m倍，并且將輸出環形光斑強度分布的圖案放大m倍，如圖3表示的是m分別為1，2，3，4的輸出光斑比較圖。
圖3
加工面型會影響zui終成品質量，決定了理論設計和現實結果的差距。加工面型分為連續型和臺階型，holo/or產品的面型屬于臺階型。材質、鍍膜和加工面型通常會影響能量效率、渦旋光束質量、激光的損傷閾值。
螺旋相位片的規格參數
材料 熔融石英，硒化鋅，鍺，塑料
波長范圍 193~10600nm
DOE設計 2臺階~16臺階
衍射效率 75%~96%
DOE尺寸 幾毫米~150mm
鍍膜（可選） 增透膜
拓撲荷數 1~12
損傷閾值 在1064nm的7ns脈沖中約為3J/cm2
螺旋相位板原理及使用注意事項
圖4為一個典型的螺旋相位板系統設置。
圖4
螺旋相位板要求準直單模（TEM00）高斯光作為入射激光，并將其轉換為TEM01軸向對稱模式。
使用較大的入射激光光束有兩方面好處。首先，較大的光束在某種程度上降低了輸出光斑對DOE對準公差的靈敏度。其次，較大的入射光束將產生較小尺寸的輸出光斑，這通常在許多應用中都是理想的結果。
光路中的所有光學器件均應具有高質量，即低不規則性，以免引入可能降低性能的波前誤差。
建議在激光束腰位置使用光學渦流相位板。如果光束的發散角較小（<1º），對輸出光束質量應該不會有任何明顯的影響，而是對確切的工作距離有一定影響。
如果由于機械或其他方面的限制，DOE距束腰的距離一定，那么在DOE的設計中就必須考慮該距離以及光束發散。否則，合成的波前像差會在輸出光束上產生干涉/波紋圖案，其強度將作為DOE與腰部的距離和發散角的函數而變大。
在設計所需的輸出光斑尺寸時，熟悉zui小光斑尺寸的物理限制很重要。1/e2處的衍射極限光斑直徑的公式如下：
其中，L為焦距，λ為入射激光波長，D為入射激光直徑，M²為入射激光質量。
在圖5中，渦旋光斑尺寸（外圓）定義為1/e2處，中心孔（內圓）的尺寸定義為1/e2處，渦旋光斑尺寸是兩條紅線之間的距離，中心孔尺寸是兩條黑線之間的距離，過渡區是di yi條紅線和第yi條綠線之間的距離。
圖5
公差對螺旋相位板的影響
如圖4的典型設置所示，入射激光準直入射，高質量的激光束，空間濾波器和擴束器都有助于提高光學系統的穩定性。影響輸出環形光斑的性能取決于入射激光是否準直入射，即x/y軸偏心位移，擴大入射激光直徑可以使系統靈敏度降低。例如直徑為10mm的入射光束，5％的公差為0.5mm即入射光束zui大可偏移中心0.5mm，輸出光斑的性能不會太大影響，而對于直徑為2mm的光束，5％的公差僅為0.1mm。
圖6表示入射激光直徑8mm時x/y軸偏心位移（92um，46um，0um）在螺旋相位板上的影響。
圖6
圖7表示入射激光直徑15mm時x/y軸偏心位移（92um，46um，0um）在螺旋相位板上的影響。
圖
7
相關問答：
問：什么是連續面型技術的螺旋相位板？
答：微納加工中，常見的加工技術為掩膜光刻。普通的掩膜板就是鏤空的圖案，透光的地方和不透光的地方形成0：1二值掩膜。刻蝕的話，每次只能一個深度，這樣如果希望獲得多種相位分布，就只能多次曝光形成臺階狀深度信息，也稱為臺階數，2的冪，曝光一次2，兩次4，三次8，四次16，連續面型則沒有臺階，希望深度能從0到1個波長λ連續變化，此時就需要采用新的曝光技術：灰度掩膜，簡單講曝光時不是0：1而是透光率表現為連續灰度，這對螺旋相位板性能的影響非常關鍵，不同于一般分束器件可以設計為周期結構，螺旋相位是典型連續分布。
問：什么是聚合物螺旋相位板或薄膜型螺旋相位板？
答：螺旋相位板是一個階梯狀的透明板，因此，利用玻璃基底上面涂敷或壓制一層厚度旋轉分布的聚合物材料或折射率旋轉分布的材料，也同樣能實現螺旋相位。大規模生產成本低、工藝簡單，性價比非常高，所以便宜。但其弱點也非常明顯，損傷閾值低。
