这份应用说明旨在帮助用户了解衍射光学涡旋元件的功能和性能参数。

一、 简介：

在一些光学应用中，需要把一束高斯激光束变换成光强呈圆环状分布的涡旋光束。如图1所示。

图1、涡旋光束

光学涡旋相位板可以帮助您完成这一目标。具体的应用包括：

太阳能日冕仪（天文学）；高分辨率显微镜；用于粒子捕获和操纵的光学镊子；光刻；量子光学。

二、 结构：

光学涡旋相位板结构如图2所示，

图2、光学涡旋相位板结构

随着旋转方位角的增加相位板厚度也随之增加，表面呈阶梯状，从而可以控制透射光束的相位。整个“阶梯”从底部到顶部的厚度是特定波长和相位板材料光学指数的函数。通常，该厚度与特定波长具有相同的数量级。

因此，每个涡流相位板都是波长特定的。

三、 拓扑荷数：

根据相关文献，拓扑荷数m是指绕衍射表面360度转角的2π周期（即“阶梯”）的数量。在上面的图2中，一个“阶梯”循环覆盖了整个360°转面，因此该涡旋相位板的m=1。在下面的图3中，分别给出了拓扑荷数m=2，m=3和m=4的光学涡旋相位板的表面轮廓。

图3、m=2，m=3和m=4的光学涡旋相位板

拓扑荷数m的一个主要影响是涡旋光束角矩随m的增大而增加；另一个影响是随着m的增大环状光斑的展宽程度越明显，如下面的模拟所示。

图4、m=1，2，3，4的涡旋光束

四、 利用涡旋相位板产生涡旋光束时注意事项：

图5、典型的涡旋光束产生实验示意

1、光学涡旋需要准直单模（TEM00）高斯光作为输入光束，将其转换为TEM01轴对称模式。

2、使用光强较大的输入光束。有两点优势：首先，较大的光束能降低输出对衍射光学元件对准公差的灵敏度。其次，更大的输入光束将能够实现更小的涡流斑点。

3、光束路径中的所有光学器件应具有高品质，以免引起可能降低性能的波前误差，例如使用具有高平整度规格的镜子。入射在反射镜上的较大光束尺寸会降低其对局部像差的敏感度。

4、建议在激光器的腰部使用光学涡旋相位板。此时，如果光束发散角小（<1º），在精确的工作距离处，不会对输出质量产生任何明显影响。但是如果由于机械或其他限制，涡旋相位板不在光束腰部时，需要考虑涡旋相位板到腰部的距离以及光束发散角。否则，合成的波前像差会在输出光束上产生干涉/波纹图案，其强度将随着涡旋相位板距腰部距离和发散角的变化而增大。

为了生成的涡旋光束的尺寸达到要求，熟悉最小光斑尺寸的物理极限非常重要。在1/e2处衍射极限光斑直径的公式如下：

其中：L是工作距离；λ是波长；D是输入的光束尺寸；、M²是输入激光的光束传播比。

五、 涡旋相位板特性：

l 高功率阈值

l 高效率：>90％

l 对X-Y位移的敏感度：输入光束的5％。

l 旋转不敏感：用于圆形。

l 对工作距离的敏感度：小于光斑尺寸的50％。

六、 对准以及光束中心的灵敏度：

当实验包含涡旋相位板时，应注意确保系统参数的稳定性。如图5中所示，精确的平移阶段，高质量激光束，空间滤波器和扩束器都有助于光学系统的稳定性。同时，性能规格取决于相对位移。因此，通过在扩大输入光束可以使系统不太敏感。例如，对于10mm直径的输入光束，5％容差给出0.5mm，而对于2mm光束直径，5％容差只能提供0.1mm。

如图6、图7所示，给出了标准涡旋相位板在不同容差参数下的涡旋光束。

图 6、8mm输入光束的x / y轴偏心（92um，46um，0um）对涡旋光束的影响

图 7、15mm输入光束的x / y轴偏心（92um，46um，0um）对涡旋光束的影响

方形环状涡旋光束：

图 8、方形环状涡旋光束

特征：

l 对光束尺寸不敏感

l 散焦非常稳定

l 稳定偏心

l 适用于不同的波长

l 高效率

l 良好的均匀性对比

技术规格：

l 光斑大小约为衍射极限的2倍

l 效率〜90％

l 均匀度对比7％

以上内容来源于本链接http://www.holoor.co.il/Diffractive_optics_Applications/Application_Notes_VortexLens.htm