LBTEK 螺旋相位板——技术说明

一、概述

LBTEK 螺旋相位板是一种通过改变沿方位角方向的材料高度来实现对光束相位调控从而产生涡旋光束的衍射光学元件。入射平面波经过螺旋相位板产生具有螺旋相位波前的涡旋光束，即出射光沿传播方向上的轴螺旋前进，导致光束在光轴处相互抵消，形成中心暗孔的光环。

螺旋相位板具有高效稳定、操作简易和高损伤阈值等优点，其已在很多领域被广泛使用，如光镊、高分辨率显微镜、信息处理、形貌测量等。相较于液晶聚合物，紫外熔融石英具有低吸收的特性，更易兼容紫外波段下的应用场景。

二、产品结构

LBTEK 螺旋相位板基于紫外熔融石英材质通过表面浮雕工艺制成，呈现为螺旋状的阶梯结构，台阶高度沿着螺旋旋转方向逐渐升高，可将入射平面光整形为具有螺旋相位波前的涡旋光。标准螺旋相位板元件尺寸10×10 mm，通光孔径9×9 mm，均安装于配套外径Ø25.4 mm机械外壳中，适配标准1英寸光学元件安装座。产品机械外壳表面刻有LOGO及相应产品型号，如无特殊说明，刻字面一般为建议的光束入射面，便于客户在调试过程中区分使用。

图1 螺旋相位板产品结构示意图

三、产品性能

LBTEK 螺旋相位板可以将入射的TEM00模高斯光束转换为“空心孔型”的拉盖尔-高斯强度分布。入射平面波经过螺旋相位板产生具有螺旋相位波前的涡旋光束，即出射光沿传播方向上的轴螺旋前进，导致光束在光轴处相互抵消，形成中心暗孔的光环。对于不同阶数m的螺旋相位板，m值越小，则出射光束中心暗孔的尺寸越小；反之，m值越大，则出射光束中心暗孔的尺寸越大。

图2 不同阶数m螺旋相位板的出射光强度分布对比

四、参数说明

1. 阶数m

阶数m即拓扑荷数。对于不同阶数m的涡旋波片：

• 在生成涡旋光束时，能够得到l=m的涡旋光；
• 当在意出射光束的能量分布时，所选取的涡旋波片阶数m越小，则光束中心孔尺寸越小。

2. 中心对准

对于理想的螺旋相位板，其台阶旋转中心位于基片圆心处，当入射光没有对准中心时，其出射光的环形强度分布会出现明显的不对称现象，即所谓“月牙形强度分布”，如下图所示。通过观察出射光的分布强度，将螺旋相位板向出现“月牙形强度分布”的方向调节，即可得到较佳的中心对准效果。为了更精确的中心对准调节，可以通过我们的xy位移调整架TXY1来实现。

图3 入射光未对准螺旋相位板中心时，出射光的能量分布（m=1为例）

3. 损伤阈值

LBTEK 螺旋相位板的损伤阈值参考值为：

• 3 J/cm^2@355 nm，10ns，10Hz；
• 5 J/cm^2@532 nm，10ns，10Hz；
• 10 J/cm^2@1064 nm，10ns，10Hz。

LBTEK 螺旋相位板——应用案例

1. 光镊系统

在LG光束中，每个光子均具有轨道角动量，且能够通过传递给被照明的粒子从而引起特定粒子的旋转。利用具有角动量的光束与原子、 微米或纳米粒子、 生物大分子间的相互作用，可以囚禁或旋转这些粒子，实现所谓的“光学镊子”或“光学扳手”功能。

图1 LBTEK 光镊系统

2. 超分辨显微成像系统

LG光束作为一种具有中心奇点的光束，可以用于超分辨显微成像系统（STED）。如图示，激发光源为TEM00模高斯光束，抑制激发光源为LG光束，其中标注为VPP的元件为螺旋相位板。当激发光束与抑制激发光束同时被物镜聚焦于成像面上，只被激发光源照射到的中心区域被激发的荧光波长为λ₁，而同时被激发光束与抑制激发光束照射的环形区域所激发荧光波长为λ₂。基于光学衍射极限原理，激发光源光斑及抑制激光光束尺寸均满足衍射极限，因此被激发波长为λ₁的荧光中心区域小于光学衍射极限。根据共聚焦的光学结构，两束激发荧光同时被物镜收集。而在APD探测器之前添加窄带滤光片，可以保证只有波长为λ₂的荧光被成像。由此实现该显微镜成像精度超过普通光学显微镜的衍射极限。

图2 超分辨显微成像系统示意

引自：Fortenberry, Rance, et al. "Thin-Film Optical Filters for Phase Control Applications." PHOTONICS SPECTRA 49.12 (2015): 47-50.

3. 其他应用方向

LG光束可以作为OAM(Orbital Angular Momentum of Light)的载体，因此可以应用到与OAM相关的领域，包括光操控、非线性光学、光通讯、材料加工、成像等领域；对于高纯度的LG光束，在传播过程中可通过透镜整形复原复振幅分布，具有角向和径向两个量子数，具有最佳的光束品质因子，传播过程中可以保持很好的环形光强分布等，这些优势使得LG模式可以应用到精密测量和探测领域；高阶LG模式可以有效地减小高功率激光对镜片产生的热效应，对于具有相同束腰w₀和相同能量的LG光束而言，在相同横截面处光斑的直径与（2p+| l |+1）/2 成正比，因此能量密度与M₂=2p+| l |+1 成反比，所以随着l和p的增大，功率密度越来越小，镜片产生的热噪声也越小，LG光束的这个特点可被应用到引力波探测装置LIGO系统上；LG光束的指数也被证明具有量子特性，因此，在量子信息领域，高纯度的LG光束可以提高混合径向和角向的量子关联。

LBTEK 螺旋相位板——定制能力

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