一种涡旋光产生装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及涡旋激光领域，具体是一种涡旋产生光装置及其制造方法。

背景技术

由于传统的涡旋光产生装置能将平行光变成携带角动量的涡旋光，这种涡旋光在光镊、离子操控、量子通信等领域都有很好的作用，特别是对那些不能轻易改变激光前端或中间的放大级腔模的高功率激光器用户极具吸引力。但是传统的涡旋光产生装置，是利用螺旋相位波片不同方位角处厚度不同的特性，来实现透射波横截面上的相位分布。透射性的螺旋相位板不镀膜时引起的菲涅尔损耗是不可避免的，镀膜又容易引起相位的畸变。导致涡旋光转化效率较低，纯度较差。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的之一是提供一种涡旋光产生装置，该装置可以从根本上消除传统的光转化装置在不镀膜时引起的菲涅尔损耗或镀增透膜引起的相位畸变，只需转换不同高度的台阶即可将不同波长的入射光转化为涡旋光，该涡旋光产生装置的反射波长宽，能适用于宽波段；相比于传统涡旋光产生装置，该涡旋光产生装置的转化效率和纯度较高。

本发明的另一个目的是提高一种涡旋光产生装置的制造方法该方法工艺成熟，步骤简单，能耗低且易于操作。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种涡旋光产生装置，包括基板和反射型螺旋相位板；

所述基板为SiO2材料制成的扁圆柱体玻璃基片；

所述反射型螺旋相位板为不少于3个高度等差且半径相等的扇形台阶组成，所述每个台阶的圆心角相等，所述每个台阶的圆心角度数的和为360°；所述台阶的中心轴线与基板的中心轴线共线；所述台阶沿顺时针或逆时针由低到高排列；所述台阶为反射膜镀成；

所述台阶中最低一级的高度为H/N，其中H为最高台阶的高度，N为台阶数；

所述最高台阶的高度H满足如下公式：H＝lλ/Δn，其中l为拓扑荷数，λ为入射激光的波长，Δn是反射型螺旋相位板和周围环境材料的折射率的差。

优选地，所述台阶共有32级。

优选地，所述台阶沿逆时针由低到高排列。

优选地，所述反射膜为金膜。

本发明还提供了一种涡旋光产生装置的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将二氧化硅材料玻璃基板打磨、抛光成圆柱体；

(2选定一种反射率高于98％的反射膜作为反射型螺旋相位板的材料，选定入射光的波长λ以及拓扑荷数l；

(3)测量反射型螺旋相位板工作时的周围环境材料折射率；

(4)将反射膜的折射率与环境材料的折射率作差，得到Δn；

(5)将Δn、λ与l带入公式H＝lλ/Δn，即可得到H；

(6)在基板上沿逆时针或顺时针方向由低到高镀不同高度的反射膜，形成阶梯型的台阶，即完成一种涡旋光产生装置的制造；所述台阶不少于3个，所述台阶的中心轴线与基板的中心轴线共线，所述台阶高度等差，其中最高的台阶高度为H，最低的台阶高度为H/N，其中，N为台阶数。

优选地，所述环境材料为空气或水。

本发明的一种涡旋光产生装置，该装置从根本上消除了传统的光转化装置在不镀膜时引起的菲涅尔损耗或镀增透膜引起的相位畸变，操作员仅需要转换不同高度的台阶即可将不同波长的入射光转化为涡旋光，拓宽了应用范围，实现了其在宽波段的应用，并提高了转化效率和转化纯度。本发明的一种涡旋光产生装置的制造方法，工艺成熟，步骤简单，能耗低且易于操作。

附图说明

图1是本发明的l＝1,N＝16反射型螺旋相位板结构示意图；

图2是本发明的反射型螺旋相位板产生涡旋光强度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种涡旋光产生装置，包括基板和反射型螺旋相位板；

所述基板为SiO2材料制成的扁圆柱体玻璃基片；

所述反射型螺旋相位板为不少于3个高度等差且半径相等的扇形台阶组成，所述每个台阶的圆心角相等，所述每个台阶的圆心角度数的和为360°；所述台阶的中心轴线与基板的中心轴线共线；所述台阶沿顺时针或逆时针由低到高排列；所述台阶为反射膜镀成；

所述台阶中最低一级的高度为H/N，其中H为最高台阶的高度，N为台阶数；

所述最高台阶的高度H满足如下公式：H＝lλ/Δn，其中l为拓扑荷数，λ为入射激光的波长，Δn是反射型螺旋相位板和周围环境材料的折射率的差。

其制作过程即性能测试见实施例。

实施例1

制造涡旋光产生装置，包括如下步骤：

(1)将二氧化硅材料玻璃基板打磨、抛光成圆柱体；

(2)选择金膜作为反射型螺旋相位板的材料，选定入射激光的波长λ为800nm；选定拓扑荷数l为1；

(3)反射型螺旋相位板的周围环境材料为空气，已知空气的折射率为1.00028；

(4)已知金膜的折射率为1.183，与空气的折射率作差，得到Δn为0.342；

(5)将Δn、λ与l带入公式H＝lλ/Δn，即可得到H为4.378um；

(6)在基板上沿逆时针方向由低到高镀不同高度的反射膜，形成阶梯型的台阶，即完成一种涡旋光产生装置的制造；所述台阶共8个，所述台阶的中心轴线与基板的中心轴线共线，所述台阶高度等差，其中最高的台阶高度为4.378um，最低的台阶高度为0.5472um.

本实施例制造的涡旋光产生装置产生的涡旋光强度如图2所示，从图2和金的反射率可知，入射到反射型螺旋相位板上大约98％的平行光被反射用于产生涡旋光，由涡旋光转换效率公式

其中ρ

当

实施例2-4

实施例2-4中制造的涡旋光产生装置所用的原材料和制作方法与实施例1相同，其不同之处在于，选择了不同的台阶数、螺旋相位板的径向数和拓扑荷数，这些实施例中的涡旋光产生装置的制造参数以及实验后的性能参数见表1.

表1 p＝0的螺旋相位板的转换纯度表

如表1所示，由表可知，随着螺旋相位板台阶数增加，涡旋激光的转换效率和转换纯度逐渐提高，在螺旋相位板拓扑荷数为1、径向为0时，螺旋相位板的阶梯数从16到无穷大，螺旋相位板的转换效率仅提升1％，但是阶梯型的螺旋相位板相比阶梯数为无穷大的连续型螺旋相位板制造工艺却简单许多，因此，在转换效率要求不高时，阶梯型的螺旋相位板是更好的选择。