作者： 时间：2022-04-14
60多年前，发明第一台激光器是科学进步的催化剂。从那时起，激光设备在研究应用中的使用一直在增长，近年来，工业和商业应用也开始采用这项技术。最近，由于激光器的可用性和激光器功率每瓦价格的急剧下降，使得激光器的使用领域迅速增加。
典型的激光源会产生近高斯光束轮廓，在中心具有最大能量，向边缘有适度的能量衰减。这种强度分布在许多应用中并不理想，因此许多研发工程师寻求光束整形技术以实现其所需的激光束形状和强度分布。
一种科学家们期望形状是具有受控环强度和中心的能量孔的环状甜甜圈形状，这就是涡旋光束的输出形状。
使用单个衍射涡旋相位板（也称为涡旋透镜(VL)）可以最好地实现光学涡旋光束。
衍射涡旋相位板
涡旋光束的产生可以使用衍射光学涡旋相位板来执行，它是一种独特的光学元件，由螺旋或螺旋相位或“阶梯”阶梯结构（因此其其他名称为“螺旋相位板”或SPP）组成。这种涡旋相结构为光束增加了轨道角动量，有效地将能量从中心“推出”，其方式类似于水在天坑周围旋转，产生的漩涡被推向两侧。这导致产生环形模式，而不管入射光束偏振如何，仅通过光的轨道角动量。这与控制自旋角动量的基于液晶的涡旋相位板形成对比。
涡旋光束螺旋相位板
衍射涡旋板需要高质量的准直TEM00高斯输入光束并将其转换为TEM01轴对称模式，具有处理大输入光束的优点，对对准方面的灵敏度较低，输出端的圆环光斑尺寸较小。
在衍射面上可以制作多个楼梯结构，楼梯的数量与拓扑荷数m相对应。每个这样的阶梯结构的蚀刻深度是设计波长和基板光学指数的函数。
不同拓扑荷数的主要影响是：
拓扑荷数越高，涡旋光束的角矩就越大m倍。
拓扑荷数越高，甜甜圈强度分布越大，倍数为m。
Vortex相位板的优点
与其他光束整形方法相比，涡旋相位板有几个优点：
光学涡旋光束是自愈的；因此，它对削波不敏感，需要类似于高斯光束的通光孔径。光束整形器的情况并非如此，通常所需的通光孔径是光束直径的X2。
涡旋相位适用于所有输入光束尺寸-生成的甜甜圈按输入光束尺寸缩放，其方式类似于高斯光束。不需要众所周知的输入光束直径。
当扫描涡旋激光束时，整个扫描线的积分能量分布（即用于烧蚀的沟槽能量分布）是平顶的，这与使用高斯激光束的情况不同。即使对于低拓扑荷数（包括m=1）也是如此，从而能够实现相对较窄的扫描线，并且在整个线轮廓上具有良好的均匀性。
涡旋光束应用
涡旋光束用于生命科学。涡旋光束具有明显优势的一种应用是使用STED显微镜进行超分辨率成像，其中耗尽激光在被物镜与激发激光聚焦之前被塑造成涡旋光束。
涡旋相位板的另一个应用是光镊，其中高度聚焦的激光束用于以类似于镊子的方式保持和移动微观和亚微观物体，如原子、纳米颗粒和液滴。环形涡旋束提供了将粒子捕获在聚焦束腰处的环形孔内的优点。
使用涡旋透镜的其他已知应用包括：
太阳日冕仪（天文学）
激光光刻
量子光学
Holo/Or提供种类繁多的涡旋相位板DOE。为了计算涡旋板的环和孔直径，Holo/Or创建了这个光学涡旋计算器来帮助我们的客户选择适合他们需要的零件。
涡旋光束一些常见问题
什么是涡旋光束？
涡旋光束是一种环状（甜甜圈）形光束，具有可控的环状强度和中心的能量孔。
如何产生涡旋光束？
产生涡旋光束的最有效方法是使用衍射涡旋相位板，这是一种具有螺旋形楼梯结构的独特光学器件。
涡旋光束有哪些应用？
涡旋光束主要用于生命科学应用，例如超分辨率显微镜、光镊等。
