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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(2760)
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(zhuǎn)成比例，是一種*的相位型衍射元件，*在于它的表面結(jié)構(gòu)如圖1所示，呈現(xiàn)的是一個“螺旋階梯”的結(jié)構(gòu)，“階梯”從底部到頂部的結(jié)構(gòu)設計基于入射激光波長和光學指數(shù)的函數(shù)。當入射光束通過螺旋相位板時，螺旋相位板表面結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生渦旋光更是研究的一個重要方向，相比于其他的產(chǎn)品或方法，螺旋相位板的優(yōu)勢在于光路簡單且穩(wěn)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(lǐng)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(shù)
螺旋相位板的重要參數(shù)有波長、拓撲荷數(shù)、加工面型，次要參數(shù)包括尺寸、材質(zhì)、鍍膜等。其中波長和拓撲荷為設計參數(shù)，加工面型為工藝參數(shù)。
波長和拓撲荷通常是理論分析所關(guān)注的，每個螺旋相位板適用于特定的波長。拓撲荷數(shù)是指在繞衍射表面360度旋轉(zhuǎn)時蝕刻的2π循環(huán)數(shù)（“階梯”個數(shù)），即入射激光通過螺旋相位板后，光相位扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)，一般用m表示，m只能為整數(shù)，正負取決于光扭轉(zhuǎn)的方向。在上面的圖1中，一個“階梯”循環(huán)覆蓋了整個表面360度旋轉(zhuǎn)，代表光相位扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。
圖2
較高的拓撲荷數(shù)會讓渦旋光束角矩增加m倍，并且將輸出環(huán)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(zhì)量，決定了理論設計和現(xiàn)實結(jié)果的差距。加工面型分為連續(xù)型和臺階型，holo/or產(chǎn)品的面型屬于臺階型。材質(zhì)、鍍膜和加工面型通常會影響能量效率、渦旋光束質(zhì)量、激光的損傷閾值。
螺旋相位片的規(guī)格參數(shù)
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(shù) 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(tǒng)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(zhuǎn)換為TEM01軸向?qū)ΨQ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(chǎn)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(jié)果。
光路中的所有光學器件均應具有高質(zhì)量，即低不規(guī)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(fā)散角較小（<1º），對輸出光束質(zhì)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(fā)散。否則，合成的波前像差會在輸出光束上產(chǎn)生干涉/波紋圖案，其強度將作為DOE與腰部的距離和發(fā)散角的函數(shù)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(zhì)量。
在圖5中，渦旋光斑尺寸（外圓）定義為1/e2處，中心孔（內(nèi)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(qū)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(zhì)量的激光束，空間濾波器和擴束器都有助于提高光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性。影響輸出環(huán)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(tǒng)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(guān)問答：
問：什么是連續(xù)面型技術(shù)的螺旋相位板？
答：微納加工中，常見的加工技術(shù)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(shù)，2的冪，曝光一次2，兩次4，三次8，四次16，連續(xù)面型則沒有臺階，希望深度能從0到1個波長λ連續(xù)變化，此時就需要采用新的曝光技術(shù)：灰度掩膜，簡單講曝光時不是0：1而是透光率表現(xiàn)為連續(xù)灰度，這對螺旋相位板性能的影響非常關(guān)鍵，不同于一般分束器件可以設計為周期結(jié)構(gòu)，螺旋相位是典型連續(xù)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(zhuǎn)分布的聚合物材料或折射率旋轉(zhuǎn)分布的材料，也同樣能實現(xiàn)螺旋相位。大規(guī)模生產(chǎn)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。
