[发明专利]一种反射式弯曲叉形面光栅的制备装置和方法

说明书

一种反射式弯曲叉形面光栅的制备方法，该方法制备出的光栅为纯相位光栅，可用于产生完美涡旋光(POV)。通过一束高阶贝塞尔高斯光束与高斯光干涉曝光，其中高阶贝塞尔高斯光束由反射式纯相位液晶空间光调制器(SLM)产生，将干涉条纹记录在基底上的光敏材料中，经显影、镀金属膜后，即可制备出反射式弯曲叉形面光栅。使用基模高斯光照射，可在1级衍射方向的远场或透镜焦平面上获得POV。这种利用反射式弯曲叉形面光栅获得POV的方法，相对于使用空间光调制器的传统方法，优势在于具有更高的损伤阈值、更宽的工作波长范围、以及更高的转换效率，且结构简单、成本低、可大批量生产，在产生高功率POV方面具有重要的前景，可用于光学操控、光学加工等领域。

技术领域

本发明涉及反射式面光栅和涡旋光束技术领域，特别是一种反射式弯曲叉形面光栅的制备装置和方法。

背景技术

涡旋光作为奇点光学的核心研究内容，得到了广泛的关注。涡旋光束是具有涡旋特性的光束，这种光的相位或波前呈螺旋形，复振幅含有螺旋相位项，可以表示为其中l是拓扑荷，是角向坐标。涡旋光束中的每一个光子都携带lh的轨道角动量(OAM)，并且这种轨道角动量可以传递到被辐射的微粒上。涡旋光束具有正交性，即任意两束不同阶次的涡旋光相互正交，不同阶次的涡旋光束可以相互分离。由于具有这些独特的性质，涡旋光束在许多领域具有很大的潜在价值，比如光通信领域，探测领域，光镊和光学扳手，光学加工，天体探测，量子信息处理等领域。

在上述的领域中，为了追求更好的性能，往往需要具有较大拓扑荷的涡旋光。但是传统的涡旋光的环半径会随着拓扑荷的增大而增大。在光操控领域，需要较大的拓扑荷和较小的光斑尺寸，来实现好的捕获效果。在光通信领域，需要同轴传输不同拓扑荷值的涡旋光，由于它们的半径不同，很难将它们耦合到固定的光纤中。

2013年，Ostrovsky等人首次提出完美涡旋光这一概念，它们的环径与拓扑荷值无关【Opt Lett 38,534-536(2013)】。他们使用空间光调制器得到了完美涡旋光，但是存在多个次级的亮环，信噪比很低。同年，chen等人用锥透镜配合反射式空间相位调制器(以下简称为SLM)产生了涡旋光，得到了质量更好的完美涡旋光，并观察到它可以用来束缚粒子【Opt Lett 38,4919-4922(2013)】。2015年，Pravin Vaity等人将锥透镜的透过率函数和相位掩模板叠加在SLM上，通过改变锥角，实现了对完美涡旋光束尺寸的控制【Opt Lett 40,597-600(2015)】。2016年，Chaitanya将螺旋相位板和锥透镜级联，产生了高能高阶的完美涡旋光【Opt Lett 41,1348-1351(2016)】，但光路非常复杂，光学中心也难以对准。在实际运用中，目前最普遍方式是用SLM产生完美涡旋光(POV)，但是成本高，设备体积较大，其液晶结构使损伤阈值难以提高，无法产生高功率的完美涡旋光。

发明内容

本发明针对目前制备高功率的完美涡旋光较为困难的问题，提出一种反射式弯曲叉形面光栅的制备装置和方法，该方法原理简单，光路简洁，制备出的光栅损伤阈值高，结构简单，可大批量生产，可以实现产生高功率的完美涡旋光。

本发明的技术解决方案如下：

一种反射式弯曲叉形面光栅的制备方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

步骤1)构建光路：同轴设置激光器、扩束器、线偏振片和消偏振分束器；所述的消偏振分束器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、第一准直镜和供待曝光的光栅样品放置的旋转基座；沿所述的透射光的光路设置SLM，该SLM与PC控制端相连；

步骤2)调节光路：启动所述的激光器，调整所述的扩束器的倍数，使扩束后的光斑直径小于SLM的屏幕短边长，在不加载相位信息的情况下调整SLM的角度，使光能沿原路返回，入射至所述的消偏振分束器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、可调孔径光阑、衰减片第三反射镜和第二准直镜；