[发明专利]一种反射式弯曲叉形面光栅的制备装置和方法

权利要求书

1.一种反射式弯曲叉形面光栅的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1)构建光路：同轴设置激光器(1)、扩束器(2)、线偏振片(3)和消偏振分束器(4)；所述的消偏振分束器(4)将入射光分为反射光和透射光；沿所述的反射光的光路依次设置反射镜组、带针孔的显微物镜(14)、第一准直镜(15)和供待曝光的光栅样品(16)放置的旋转基座(17)；沿所述的透射光的光路设置SLM(5)，该SLM(5)与PC控制端(6)相连；

步骤2)调节光路：启动所述的激光器(1)，调整所述的扩束器(2)的倍数，使扩束后的光斑直径小于SLM(5)的屏幕短边长，在不加载相位信息的情况下调整SLM(5)的角度，使光能沿原路返回，入射至所述的消偏振分束器(4)反射形成第二反射光；

步骤3)构建曝光光路：沿所述的第二反射光的光路设置傅里叶透镜(7)、可调孔径光阑(8)、衰减片(9)、第三反射镜(10)和第二准直镜(11)；

步骤4)计算SLM(5)加载的全息图，即入射基模高斯光提供的相位增量Ф(x,y)，公式如下：

式中，(x,y)为位置坐标，l为完美涡旋光的拓扑荷值，atan2(y，x)为坐标的四象限反正切，k＝2π/λ为曝光光束的波数，λ为激光器(1)的波长，γ与n为锥透镜相位参数，其中，γ等效为锥透镜底角，n等效为锥透镜折射率，g_x和g_y分别为屏幕范围内的闪耀光栅在x和y方向上的周期数，取g_y＝0，使各级衍射光斑在横向分布；

γ、n和g_x之间满足以下关系：

2r_POV＜D＜L₂-2r_POV

式中，D为光阑(8)的直径，r_POV为焦平面上的POV的半径：

r_POV＝tan(arcsin(n·sin(γ))-γ))-γ)·f

L₂是二级衍射光与0级光的间距：

L_m＝f·tanθ_m

式中，f为透镜(7)的焦距，m为衍射级次，H为SLM显示屏实际的x方向长度；

所述的PC控制端(6)控制下，将所述的相位增量Ф(x,y)，利用下式映射到(0，255)的灰度值范围

将该灰度值分布图加载在所述的SLM(5)显示屏上，物光经由SLM(5)调制，1级衍射光的光场即为所述的贝塞尔高斯光场；

步骤5)调节物光与参考光之间夹角φ：暂时移除SLM加载的涡旋光相位，只保留闪耀光栅相位；暂时以一反射镜替代待曝光样品；调节旋转基座(17)角度，使物光路以原路返回；转动旋转基座(17)φ/2角度，调节反射镜组(12，13)位置与角度，使参考光路与物光光路重合，则物光光路与参考光光路夹角为φ，光栅周期为：

步骤6)调节所述的傅里叶透镜(7)的位置与角度，使前焦面与SLM屏幕重合，并中心垂直于1级衍射光，调节所述的光阑(8)的位置，使其与透镜(7)的后焦面共面，调节孔径大小，仅使1级衍射光经过光阑；

步骤7)旋转所述的偏振片(3)，选择1级衍射光强相对最强的偏振方向，衍射光被所述的反射镜(10)反射，调节所述的准直透镜(11)的位置，使透镜(11)的前焦面与光阑(8)所在平面重合，调节所述的准直透镜(11)的角度，使1级衍射光垂直经过透镜(11)中心；此时在准直透镜(11)的后焦面上的光场为透镜(7)前焦面上光场的放大，放大倍数为两透镜的焦距之比。

步骤8)所述光场与参考光干涉形成干涉光场，该干涉光场强度分布呈弯曲叉形条纹分布，在干涉区域内所述的待曝光的光栅样品(16)，经曝光、显影后，镀金属膜，制备出反射式弯曲叉形面光栅。

2.根据权利要求1所述的反射式弯曲叉形面光栅的制备方法，其特征在于，所述的消偏振分束器(4)将入射光分为反射光和透射光，不改变入射光束的偏振态，分光比为1:1。

3.根据权利要求1所述的反射式弯曲叉形面光栅的制备方法，其特征在于，所述的SLM(5)加载的相位图为灰度图，灰度值范围0～255，对应相位增量0～2π。