螺旋相位板原理及使用手册

螺旋相位板也称为涡旋相位片，其光学厚度与方位角的旋转成比例，是一种独特的相位型衍射元件，独特在于它的表面结构如图1所示，呈现的是一个“螺旋阶梯”的结构，“阶梯”从底部到顶部的结构设计基于入射激光波长和光学指数的函数。当入射光束通过螺旋相位板时，螺旋相位板表面结构使透射光束光程的改变量不同，即透射光束相位的改变量也不同，因此产生涡旋光。涡旋光是一种特殊的光场，带有轨道角动量的新型光场，作为有前景且应用广泛的光载体，如何方便高效产生涡旋光更是研究的一个重要方向，相比于其他的产品或方法，螺旋相位板的优势在于光路简单且稳定、输出涡旋光束精度高、高能量效率（大于90%）和高损伤阈值，应用领域包括：太阳日冕仪，高分辨率显微镜，光学镊子，平板印刷和量子光学等。

图1

螺旋相位板的重要参数

螺旋相位板的重要参数有波长、拓扑荷数、加工面型，次要参数包括尺寸、材质、镀膜等。其中波长和拓扑荷为设计参数，加工面型为工艺参数。

波长和拓扑荷通常是理论分析所关注的，每个螺旋相位板适用于特定的波长。拓扑荷数是指在绕衍射表面360度旋转时蚀刻的2π循环数（“阶梯”个数），即入射激光通过螺旋相位板后，光相位扭转的圈数，一般用m表示，m只能为整数，正负取决于光扭转的方向。在上面的图1中，一个“阶梯”循环覆盖了整个表面360度旋转，代表光相位扭转了1圈，因此该螺旋相位板的m= 1。图2分别显示m=2，m=3和m=4的螺旋相位板衍射表面结构。

图2

较高的拓扑荷数会让涡旋光束角矩增加m倍，并且将输出环形光斑强度分布的图案放大m倍，如图3表示的是m分别为1，2，3，4的输出光斑比较图。

图3

加工面型会影响最终成品质量，决定了理论设计和现实结果的差距。加工面型分为连续型和台阶型，holo/or产品的面型属于台阶型。材质、镀膜和加工面型通常会影响能量效率、涡旋光束质量、激光的损伤阈值。

螺旋相位片的规格参数

螺旋相位板原理及使用注意事项

图4为一个典型的螺旋相位板系统设置。

图4

螺旋相位板要求准直单模（TEM₀₀）高斯光作为入射激光，并将其转换为TEM₀₁轴向对称模式。

使用较大的入射激光光束有两方面好处。首先，较大的光束在某种程度上降低了输出光斑对DOE对准公差的灵敏度。其次，较大的入射光束将产生较小尺寸的输出光斑，这通常在许多应用中都是理想的结果。

光路中的所有光学器件均应具有高质量，即低不规则性，以免引入可能降低性能的波前误差。

建议在激光束腰位置使用光学涡流相位板。如果光束的发散角较小（<1º），对输出光束质量应该不会有任何明显的影响，而是对确切的工作距离有一定影响。

如果由于机械或其他方面的限制，DOE距束腰的距离一定，那么在DOE的设计中就必须考虑该距离以及光束发散。否则，合成的波前像差会在输出光束上产生干涉/波纹图案，其强度将作为DOE与腰部的距离和发散角的函数而变大。

在设计所需的输出光斑尺寸时，熟悉最小光斑尺寸的物理限制很重要。1/e²处的衍射极限光斑直径的公式如下：

其中，L为焦距，λ为入射激光波长，D为入射激光直径，M²为入射激光质量。

在图5中，涡旋光斑尺寸（外圆）定义为1/e²处，中心孔（内圆）的尺寸定义为1/e²处，涡旋光斑尺寸是两条红线之间的距离，中心孔尺寸是两条黑线之间的距离，过渡区是第一条红线和第一条绿线之间的距离。

图5

公差对螺旋相位板的影响

如图4的典型设置所示，入射激光准直入射，高质量的激光束，空间滤波器和扩束器都有助于提高光学系统的稳定性。影响输出环形光斑的性能取决于入射激光是否准直入射，即x/y轴偏心位移，扩大入射激光直径可以使系统灵敏度降低。例如直径为10mm的入射光束，5％的公差为0.5mm即入射光束最大可偏移中心0.5mm，输出光斑的性能不会太大影响，而对于直径为2mm的光束，5％的公差仅为0.1mm。

图6表示入射激光直径8mm时x/y轴偏心位移（92um，46um，0um）在螺旋相位板上的影响。

图6

图7表示入射激光直径15mm时x/y轴偏心位移（92um，46um，0um）在螺旋相位板上的影响。

图7

相关问答：

问：什么是连续面型技术的螺旋相位板？

答：微纳加工中，常见的加工技术为掩膜光刻。普通的掩膜板就是镂空的图案，透光的地方和不透光的地方形成0：1二值掩膜。刻蚀的话，每次只能一个深度，这样如果希望获得多种相位分布，就只能多次曝光形成台阶状深度信息，也称为台阶数，2的幂，曝光一次2，两次4，三次8，四次16，连续面型则没有台阶，希望深度能从0到1个波长λ连续变化，此时就需要采用新的曝光技术：灰度掩膜，简单讲曝光时不是0：1而是透光率表现为连续灰度，这对螺旋相位板性能的影响非常关键，不同于一般分束器件可以设计为周期结构，螺旋相位是典型连续分布。

问：什么是聚合物螺旋相位板或薄膜型螺旋相位板？

答：螺旋相位板是一个阶梯状的透明板，因此，利用玻璃基底上面涂敷或压制一层厚度旋转分布的聚合物材料或折射率旋转分布的材料，也同样能实现螺旋相位。大规模生产成本低、工艺简单，性价比非常高，所以便宜。但其弱点也非常明显，损伤阈值低。