[发明专利]一种参数可调的螺旋相位板

说明书

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。