Mirror-rotation-symmetrical single-focus spiral zone plates
——||| 背景介绍 |||——
自1992年，Allen等人发现了光学涡旋（Optical Vortex, OV），其独特的特性引起了人们极大的兴趣。OV光束具有螺旋的波前相位和固有轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM），使其有可能应用于太比特级数据传输，量子计算中的多维编码和光学操作等领域。近几十年来，已经提出了基于不同光学理论的各种方法来生成OV光束，例如几何方法，螺旋相位板（Spiral Phase Plate, SPP），螺旋波带片（Spiral Zone Plate, SZP），空间光调制器，Q板，超表面，以及混合光学元件。
Heckenberg等人提出的SZPs是菲涅尔波带片（Fresnel zone plate, FZP）和SPP的变体。由于FZP存在除了一阶衍射外还有较多的高价衍射焦点，导致衍射效率低下，增加背景噪声等。目前已提出了多级结构，灰色透射性元件等方法来解决。
——||| 创新点与结论 |||——
该论文提出了一种由飞秒激光直接写入制作的镜旋转对称单焦点螺旋波带片（MS-SZPs），它是基于Gabor波带板（Gabor zone plate, GZP）。由于元件复杂的连续表面，新颖的光学元件可以产生单焦点涡旋光束。MS-SZP表面具有反向镜旋转对称性，这确保了转移元件具有与原始元件相同的表面形态。通过显微成像系统研究其成像，发现其与理论模拟结果非常一致。该创新的光学元件有望广泛应用于光通信，量子计算，光学操作等领域。
——||| 原理 |||——
MS-SZP传输函数：
——||| 图文一览 |||——
图一：归一化透射率函数分布
（a）SPP，（b）GZP和（c）MS-SZP的归一化透射函数分布，经过归一化处理。
小结：（b）中结构沿径向的轮廓是余弦曲线。（c）中的MS-SZP拓扑系数是1，具有反向镜旋对称的复杂表面形态。
图2: MS-SZP的激光共聚焦显微图像（45°平铺视图）
（a）、（b）、（c）的拓扑系数分别为1，2，3。比例尺为10um。结构的直径为80um，高度为1.1um，焦距为100um。
小结：结构形态与设计非常符合。
图3：原始MS-SZP（a）-（c）和转移的MS-SZP（d）-（f）的SEM图片。
小结：结构的拓扑系数依次为1，2，3，比例尺10um。除了相反的旋转方向，转移结构和原结构具有一致的表面形态。
图4：（a）原始MS-SZP和（b）转移MS-SZP的表面轮廓
小结：实线和虚线分别是理论设计和实验测量结果。转移结构和原始结构的高度变化是互补的。实验与理论之间最大的误差在2%以下。
图五：MS-SZP的聚焦光斑理论和仿真图。
（a）-（c）原始结构，（d）-（f）为转移结构，（g）-（i）为仿真模拟。
（j）和（i）为仿真和实验的焦斑横截面的归一化能量分布。（l）为实验与理论的光斑尺寸与拓扑系数的关系。
小结：使用633nm激光垂直照射器件，实验原始MS-SZP的光斑直径为1.26，2.24，2.85um，转移结构的为1.3，2.4，2.96um。理论值为1.32，2.3，2.8um。实验和模拟中光斑的大小和能量分布没有明显差异。在实验和模拟中，随着拓扑数的增加，光斑尺寸逐渐增大。
图6：MS-SZP后面不同位置的能量分布
（a）-（d）为实验结果，距离依次为f，f/3，f/5，f/7。比例尺为10um
（e）-（h）为仿真结果。比例尺为10um
（i）、（j）沿轴向的强度分布。比例尺30um
小结：非常明显的是，在距离结构100μm附近只有一个焦点区域，其中能量的空间分布是圆柱形的。
——||| 点评 |||——
该文报告了一种名为MS-SZP的新型OV波束发生器，它是SPP和GZP的组合。它的表面是连续的，没有离散的台阶，具有反向镜旋转对称性。由MS-SZP产生的OV只有一个焦点，因此多焦点散射光不会降低光束质量。通过实验研究了单焦点行为，发现它与理论模拟的结果非常一致。由于镜旋转对称性，转移元件具有与原始元件相同的表面形态，这表明MS-SZP的大规模再现是可能的。MS-SZP设计方法普遍可用，为实现高性能单焦镜像对称元素开辟了新途径。
文献连接：Zhen-Nan Tian, Qi-Dai Chen, Zhi-Yong Hu, Yi-Ke Sun, Yan-Hao Yu, Hong Xia, and Hong-Bo Sun, "Mirror-rotation-symmetrical single-focus spiral zone plates," Opt. Lett. 43, 3116-3119 (2018)
https://doi.org/10.1364/OL.43.003116
翻译作者：秦燕亮
