使用复合衍射光学元件产生具有p阶对称性的非环形完美光学涡旋
——||| 背景介绍 |||——
光学涡旋（Optical Vortex, OV）被广泛应用于光学操纵、光学和量子通信、激光材料处理等，典型OV的大小取决于它的拓扑电荷数（Topological Charge, TC），即环形光束的半径随TC增加。2013年，Ostrovsky等人引入了“完美”光学涡旋（POV）的概念，其光束的直径不随TC而变化。POV的直径与TC的独立性，使人们可以扩展并优化在普通OV几乎所有重要领域的性能。同时，以受控方式塑造POV的强度分布的能力对于所提及的应用是至关重要的；然而，迄今为止仅实现了圆形或椭圆形POV。
——||| 创新点与结论 |||——
提出并设计了具有优化复合传输功能的纯相位衍射光学元件（DOE），可以高效地生成具有p阶对称性的非环形POV。证明了具有所需拓扑电荷，横向尺寸和可变“多边形”横向强度分布的POV的产生。实验结果与理论模拟预测非常吻合。所提出的DOE的特点在于高转换效率（超过60％），因此证实了它们对高性能光学操作和先进的激光纳米图案的适用性。
——||| 原理 |||——
复合DOE传输函数：
——||| 图文一览 |||——
图一：实验装置
(a).复合DOE设计，通过组合两个DOE具有不同尺寸的参数a1和a2及产生POVs的l1和 l2来产生非环状的POVs。顶行中图像显示设计的DOE，而底行图像对分别显示每个DOE的强度和相位分布。
(b).用于生成和所提出的非环状POVs的实验装置：激光是固态线性偏振光(l=532nm)，PH为直径40um的真孔，L1和L2分别是焦距为350mm和600mm的透镜，BS1和BS2是分束器，M1和M2是反射镜，SLM是空间光调制器，QP是1/4波片，F是滤光片，Cam是CCD相机。
(c).生成的POV的典型强度(顶部)和相位分布(底部)，其具有l=3和“五边形”形状(p=5)强度分布。
小结：通过改变比率R2/R1，可以控制每个产生的POV对总叠加的能量贡献，从而控制所产生的场的TC和强度分布。
图2: 非环形POV仿真和测量的强度和相位图，拓扑电荷数l=5和不同阶数对称性p的范围为2到9。比例尺为500um
小结：证明所提出的方法适用于生成具有可变对称度p=l1-l2 的POV，结果表明了仿真结果通过实验得到完美的再现。实验测量的效率（定义为主要窄环形图案的能量与总入射能量的比率）超过61±3%，与计算值65%一致。不考虑SML的效率。
图3：仿真和测量的非环形POVs的强度和相位分布，其具有固定的横向尺寸D，对称次序p = 5和不同的拓扑电荷TC。 比例尺为500微米。
小结：设计并测试了产生具有五阶对称性（p = 5）和不同拓扑电荷的POV的DOE，证明了POV的主要固有特性，即其横向尺寸在TC上的独立性。
图4：横线尺寸D与尺寸参数a1的关系曲线
图中“五边形”强度分布的POV的p=5,拓扑电荷数TC=10。
D被定义为围绕左上角插图中所示的多边形外接的圆。
右下角的插图显示在不同的α1下获得的强度分布。
小结：从图中可以得知，随着a1的增加，所生成的POV的横线尺寸随着增加。
——||| 点评 |||——
本论文最大特点在于展示了使用高效纯相复合的DOE生成具有p阶对称性的非环形POV的可能性。所设计的复合DOE的传输功能基于最佳相位光学元件的传输函数与可变参数的组合，所提出的定制POV可用于纳米和微米颗粒的速度可控激光操作，高分辨率显微镜和材料的精确激光图案化。此外，所提出的DOE的功能不仅限于光学范围内的涡流的产生，因为所提出的设计可以完全适用于产生非环的DOE。从极端紫外线 到到太赫兹，非常宽的光谱范围内的完美涡流实现，为各种重要应用铺平了道路。
文献连接：A. Porfirev, and A. Kuchmizhak, "Non-ring perfect optical vortices with p-th order symmetry generated using composite diffractive optical elements," Applied Physics Letters 113(17), (2018).
https://doi.org/10.1063/1.5052274
作者简介：秦燕亮，华中科技大学，研二，目前研究方向：激光直写
