介绍
在很多激光应用中需要将高斯激光束转换成甜甜圈形能量环。我们的光学涡旋相位板可以实现这一功能。
典型应用包括：
- 太阳日冕仪（天文学）
- 高分辨率显微镜
- 光学镊子，用于颗粒捕集和处理
- 平版印刷
- 量子光学
本应用指南旨在帮助用户理解我们的衍射光学涡旋元件的功能和性能参数。
操作原理
光学涡旋相位板是一种独特的光学器件，其结构完全由螺旋或螺旋相位阶梯组成，其目的是控制透射光束的相位。环绕的“楼梯”状的表面结构如下图1所示：
图1：绕射涡旋相位板的“楼梯”状表面轮廓
从“楼梯”的顶部到底部的总蚀刻深度是预设波长和基板光学指数的函数。通常，该深度与预设波长处于相同数量级。
因此，每个光学涡旋相位板都是特定波长适用的。
如果客户希望将光学涡流相位板用于波长稍微偏移的场景，我们可以根据要求模拟期望的性能。
拓扑电荷
拓扑电荷在相关文献中用m表示，是指在绕衍射表面360度旋转时蚀刻的2π循环数（即“楼梯”）。在上面的图1中，一个“阶梯”循环覆盖了整个表面360°旋转，因此该涡旋相位板的m = 1 。在下面的图2中，显示了光学涡流相位板的表面轮廓，其中m = 2，m = 3和m = 4。
图2：m ＝ 2，m ＝ 3和m ＝ 4的涡旋相位板的表面轮廓。
较高的拓扑电荷的一个主要影响是涡旋光束角矩增加了m倍 。另一个效果是将环形强度分布的图案尺寸放大了m倍 ，如以下模拟所示。
图3：m 值可变的涡旋光束的模拟“远场”强度图像 。
设计注意事项
图4： Vortex相板系统的典型设置。
光学涡旋需要准直 单模 （TEM00）高斯输入光束作为输入，并将其转换为TEM01轴向对称模式。
使用较大的输入光束有两方面好处。首先，较大的光束在某种程度上降低了输出对DOE对准公差的灵敏度。其次，较大的输入光束将实现较小的涡点，这通常在许多应用中都是理想的结果。
上面图4中的两个平移台是旨在为用户提供对元件位置的精确控制，以减少公差影响。有关公差的部分将在后续进一步讨论。
光路中的所有光学器件均应具有高质量，即低不规则性，以免引入可能降低性能的波前误差。这包括应具有高平坦度 规格的反射镜 。同样，入射在反射镜上的较大光束尺寸也会降低其对局部像差的敏感性。
建议在激光束腰位置使用光学涡流相位板。如果光束的发散角较小（<1º），对输出光束质量应该不会有任何明显的影响，而是对确切的工作距离有一定影响。
如果由于机械或其他方面的限制，DOE距束腰的距离一定，那么在DOE的设计中就必须考虑该距离以及光束发散。否则，合成的波前像差会在输出光束上产生干涉/波纹图案，其强度将作为DOE与腰部的距离和发散角的函数而变大。
在设计所需的输出涡旋光束尺寸时，熟悉最小光斑尺寸的物理限制很重要。1/e2处的衍射极限光斑直径的公式如下：
工作距离
λ：波长
D：输入光束尺寸
M 2： 输入激光光束的M 2值
在下面的图示中， 涡旋光斑尺寸为1/e2，中心孔的尺寸为1/e2，转印区域将根据上式给出的衍射极限（DL）表示。
在图中，涡点尺寸是两条红线之间的距离，孔尺寸是两条黑线之间的距离，传输区域是第一条红线和第一条绿线之间的距离。
使用Holo / Or的涡旋相板光学计算器来计算系统的输出参数。
特点
- 高功率阈值
- 高效率：> 90％
- XY位移敏感度： 输入光束的5％，以保持可接受的性能。
- 旋转不敏感： 用于圆形。
- 对工作距离的敏感性： 小于光斑尺寸的50％，以保持可接受的性能。
光学涡旋相位板传播：
对准和光束中心的灵敏度
在设计包含DOE的设置时，应注意确保这些系统参数的控制和稳定性。
如图4的典型设置所示，精确的平移台，高质量的激光束，空间滤波器和扩束器都有助于光学系统的稳定性。
性能取决于相对位移。因此，在设计之前扩展输入光束可以使系统灵敏度降低。例如，对于直径为10mm的输入光束，5％的公差为0.5mm，而对于直径为2mm的光束，5％的公差仅为0.1mm。
公差对涡旋光束轮廓的模拟影响
对于精确放置在工作距离平面内的定位良好且完全对准的零件，系统将达到最佳性能。为了说明涡流性能对不同公差参数的敏感性，此处给出标准涡流相位板（WD：100mm，λ：633nm）的几张图。
图5：8mm 的输入光束x / y轴偏心（92um，46um，0um） 在光学涡旋相位板上的影响
图6：15mm 输入光束的x / y轴偏心（92um，46um，0um） 在光学涡旋相位板上的影响
