一种六角阵列螺旋相位板及制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及相位板技术领域，特别涉及一种六角阵列螺旋相位板及制作方法。
【背景技术】
[0002] 光学涡旋因其具有独特的光学性质，受到大家的广泛关注。光学涡旋是激光本征 模式拉盖尔高斯光束的特征相位，其相位分布可以表示为e]10，其中1为拓扑荷，Θ为平面 极坐标中的角向坐标。具有这种涡旋相位的光束，在光学涡旋中心位置存在一个相位奇点， 从而产生一个中心暗斑光场分布。目前，光学涡旋已经广泛应用于光通信、光学成像、光学 微操控，以及量子光学等领域。阵列光学涡旋具有多个光学涡旋，可以同时捕获和操控多个 粒子或细胞，可大大提高工作效率。因此，如何快速准确的产生阵列光学涡旋，在实际应用 中具有重要的意义。
[0003] 目前，有多种方法可以产生阵列光学涡旋，但是，这些方法都存在有一定的局限 性。例如，多光束干涉法需要马赫泽德干涉仪或者迈克尔逊干涉仪来实现。光楔阵列法需 要加工复杂的光楔结构和空间光调制器。螺旋相衬空间滤波法需要多个透镜组成的4f滤 波系统和一个拓扑核1 = 1的螺旋相位板。因此，上述方法都要用到复杂的光路和价格昂 贵的光学元件，并且需要精密的调节，产生的阵列涡旋结构不稳定。除此之外，利用干涉法 和光楔阵列法产生涡旋阵列的结构受限于正交阵列，且阵列的结构参数不可调。螺旋相衬 空间滤波法虽然可以实现任意图形的阵列涡旋结构，但是此方法光路结构复杂，而且受限 于光路中所用的螺旋相位板，很难实现其它拓扑荷的阵列涡旋结构。利用分数泰伯效应可 以产生六角阵列涡旋，但是此方法只是简单地将分数泰伯相位与螺旋相位叠加，没有给出 单个基元里螺旋相位的定量变化，而且此方法需要空间光调制器来调制相位，限制了其在 实际应用中的范围。因此，上述方案，很难实现在不利用其它任何光学元件的基础上，只利 用一个简单的相位板就可产生阵列光学涡旋。
[0004] 最近，现有技术中的一种产生完美涡旋阵列的二维编码相位光栅，但是此方法只 能产生正交阵列的光学涡旋，而且其相位分布是通过优化迭代数值算法产生的，相位分布 具有随机性，很难加工成相位板。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能使相干平面光波在衍射距离处产生六 角点阵结构排列的光学涡旋，改变相位板中每个基元内的螺旋相位的初始旋转方位角，可 实现不同周期的六角阵列涡旋的六角阵列螺旋相位板及制作方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种六角阵列螺旋相位板的制作方 法，具体包括以下步骤：
[0007] 步骤S1 :设定参数，参数包括正六边形基元的边长d，光斑压缩比值γ，入射激光 波长λ，螺旋相位的拓扑荷1，在水平方向上的基元数目值Μ和与水平方向成60度方向上 的基元数目值Ν;
[0008] 步骤S2 :根据参数值计算得到MXN个正六边形基元在对应排列位置参数（m，η) 处的旋转角度值θοΟιι,η);
[0009] 步骤S3:在每个对应排列位置（m，η)处的正六边形基元中，填入对应的以 9D(m,η)为起始旋转方位角的螺旋相位；
[0010] 步骤S4 :将所有ΜΧΝ个具有不同起始旋转方位角的螺旋相位结构的正六边形基 元按排列位置参数（m，η)紧密排列在一起，产生六角阵列螺旋相位板的相位分布数据； [0011] 步骤S5 :根据相位分布数据，制备六角阵列螺旋相位板。
[0012] 进一步，所述步骤S2中计算在排列位置参数（m，η)处角度值θ。、η)的具体实 现：
[0014] 其中，γ:表述光斑压缩比值，取值为大于1的正整数；
[0015] m:是表示六角阵列螺旋相位板中的基元在水平方向上的位置参数，取整数；
[0016] η:是表示六角阵列螺旋相位板中的基元在与水平方向成60度方向上的位置参 数，取整数；
[0017] Κ为规定γ的取值范围的值，取值为正整数；
[0018] 上述的角度值Θ。〇11，η)的取值范围为[02π]。
[0019] 进一步，所述步骤S3中每个对应排列位置（m，η)处的正六边形基元中的螺旋相位 的具体实现：
[0021] 其中，r为平面极坐标的极径，Θ为平面极坐标的极角，1为光学涡旋的拓扑荷， 9〇(m，η)为第（m,η)个基元的螺旋相位的起始旋转方位角的角度值。
[0022] 进一步，所述步骤S5的具体实现：根据相位分布数据，采用灰度光刻工艺制备六 角阵列螺旋相位板。
[0023] 本发明的有益效果是：本发明六角阵列螺旋相位板是纯相位的衍射光学元件，易 于加工和复制，加工成本低；可以实现高压缩比、大数目的六角点阵结构的阵列涡旋；本发 明可以产生任意压缩比的六角阵列涡旋光斑，特别是高压缩比的阵列涡旋光斑；本发明只 需通过改变基元中螺旋相位的起始方位角的大小，可以产生任意周期的六方型阵列涡旋光 斑；本发明只需通过控制基元中螺旋相位的拓扑荷的大小，可以产生不同拓扑荷的六角阵 列涡旋光斑；本发明结构简单，可广泛应用于光学成像、光通信及光学微操纵等领域。
[0024] 本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种六角阵列螺旋相位板，包括 多个尺寸相同的正六边形基元，多个所述正六边形基元紧密排列，每个所述正六边形基元 具有螺旋相位结构，且每个正六边形基元中的螺旋相位为起始旋转方位角绕基元的中心轴 旋转设定角度。
[0025] 进一步，多个所述正六边形基元包括水平方向上的基元和与水平方向成60度方 向上的基元，且水平方向上的基元的数目值为M，与水平方向成60度方向上的基元的数目 值为N。
[0026] 优选的，每个所述正六边形基元中起始旋转方位角的角度值ΘJm，n)具体为：
[0028] 其中，γ:表述光斑压缩比值，取值为大于1的正整数；
[0029] m:是表示六角阵列螺旋相位板中的基元在水平方向上的位置参数，取整数；
[0030] η:是表示六角阵列螺旋相位板中的基元在与水平方向成60度方向上的位置参 数，取整数；
[0031] Κ为规定γ的取值范围的值，取值为正整数；
[0032] 上述的角度值Θ。〇11，η)的取值范围为[02π]。
[0033] 进一步，每个所述正六边形基元的螺旋相位具体为：
[0035] 其中，r为平面极坐标的极径，Θ为平面极坐标的极角，1为光学涡旋的拓扑荷， 9〇(m，η)为第（m,η)个基元的螺旋相位的起始旋转方位角的角度值。
[0036] 进一步，相干平面光波透过此六角阵列螺旋相位板后，在特定的衍射距离Ζ= 9(12γ/2λ处可产生六角点阵结构排列的光学涡旋。
[0037] 本发明的有益效果是：本发明六角阵列螺旋相位板易于加工和复制，加工成本低； 在不利用其它任何衍射元件的基础上，直接通过六角阵列螺旋相位板的衍射就可以实现高 压缩比、大数目的六角点阵结构的阵列涡旋；本发明只需通过改变基元中螺旋相位的起始 方位角的大小，可以产生任意周期的六方型阵列涡旋光斑；本发明只需通过控制基元中螺 旋相位的拓扑荷的大小，可以产生不同拓扑荷的六角阵列涡旋光斑；本发明结构简单，可广 泛应用于光学成像、光通信及光学微操纵等领域。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明一种六角阵列螺旋相位板的制作方法的流程图；
[0039] 图2为本发明一种六角阵列螺旋相位板的结构示意图；
[0040] 图3为本发明六角阵列螺旋相位板中一个周期内正六边形基元排列位置分布示 意图；
[0041] 图4为本发明所述的压缩比为γ= 6及拓扑荷1 = 1时，不同初始方位角的螺旋 相位的分布图；
[0042] 图5为本发明所述的六角阵列螺旋相位板产生六角阵列涡旋的光路示意图；
[0043] 图6为本发明所述的压缩比为γ= 6及拓扑荷1 = 1的六角阵列螺旋相位板在 衍射距离Ζ= 126. 9mm处产生的六角阵列涡旋的干涉强度分布图；
[0044] 图7为本发明所述的压缩比为γ=5及拓扑荷1 = 2时，一个压缩比周期内的所 有具有不同螺旋相位基元紧密排列组成的相位分布图；
[0045] 图8为本发明所述的压缩比为γ= 5及拓扑荷1 = 2的六角阵列螺旋相位板在 衍射距离在Ζ= 105. 7mm产生的六角阵列涡旋的干涉强度分布图；
[0046] 图9为本发明所述的压缩比为γ=4及拓扑荷1 = 3时，一个压缩比周期内的所 有具有不同螺旋相位基元紧密排列组成的相位分布图；
[0047] 图10为本发明所述的压缩比为γ=4及拓扑荷1=3的六角阵列螺旋相位板在 衍射距离在Ζ= 84. 6mm产生的六角阵列涡旋的干涉强度分布图。
[0048] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0049] 1、相干平面波，2、六角阵列螺旋相位板，3、六角阵列涡旋光斑。
【具体实施方式】
[0050] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0051] 实施例1 :
[0052] 如图1所示，一种六角阵列螺旋相位板的制作方法，具体包括以下步骤：
[0053] 步骤S1 :设定参数，参数包括正六边形基元的边长d，光斑压缩比值γ，入射激光 波长λ，螺旋相位的拓扑荷1，在水平方向上的基元数目值Μ和与水平方向成60度方向上 的基元数目值Ν;
[0054] 步骤S2:根据参数值计算得到ΜΧΝ个正六边形基元在对应排列位置参数（m，η) 处的旋转角度值θοΟιι,η);
[0055] 步骤S3:在每个对应排列位置（m，η)处的正六边形基元中，填入对应的以 9D(m,η)为起始旋转方位角的螺旋相位；
[0056] 步骤S4:将所有MXΝ个具有不同起始旋转方位角的螺旋相位结构的正六边形基 元按排列位置参数（m，η)紧密排列在一起，产生六角阵列螺旋相位板的相位分布数据；
[0057] 步骤S5:根据相位分布数据，制备六角阵列螺旋相位板。
[0058] 优选的，所述步骤S2中计算在排列位置参数（m，η)处角度值θ。、η)的具体实 现：
[0060] 其中，γ:表述光斑压缩比值，取值为大于1的正整数；
[0061] m:是表示六角阵列螺旋相位板中的基元在水平方向上的位置参数，取整数；
[0062] η:是表示六角阵列螺旋相位板中的基元在与水平方向成60度方向上的位置参 数，取整数；
[0063] Κ为规定γ的取值范围的值，取值为正整数；
[0064] 上述的角度值Θ。(m，η)的取值范围为[02π]。
[0065] 优选的，所述步骤S3中每个对应排列位置（m，η)处的正六边