由闪耀光栅和全息板集成产生的光学叠加涡旋光束

2017年，安徽大学的Xue-Dong Zhang等人在APPLIED PHYSICS LETTERS上发表文章：Optical superimposed vortex beams generated by integrated holographic

plates with blazed grating

——||| 背景介绍 |||——

具有轨道角动量（OAM）的螺旋相位波阵面的光学涡旋具有由exp(ilφ)描述的相位绕组因子，其中φ是方位角，l是对应于轨道角动量的光学涡旋的拓扑电荷。学涡旋在现代光学和光子学领域显示出巨大潜力，因为它们在光通信和光学操作领域具有前所未有的应用前景。研究人员基于一些光学元件，如螺旋相位板， q-plates，回音壁模式谐振器，空间光调制器（SLM）， metasurfaces，和纳米制造的全息图来获得了涡旋光束。此外，当涡旋光束与另一个涡旋光束叠加时，复合涡旋的相位分布取决于用于叠加的涡旋光束，并且叠加的OAM状态也会因为不同涡旋光束的叠加而改变。

——||| 方法与结论 |||——

在该文的工作中，提出了一种紧凑的策略 - 两个带闪耀光栅的全息板（holographic plates with blazed grating，HPBG），以实现两个具有受控拓扑电荷的涡旋光束的叠加。首先，采用激光直写技术设计制作了闪耀光栅全息板，生成分离良好的涡旋光束。然后，系统地研究了闪耀光栅周期与涡旋光束离散角之间的关系。最后，通过设置全息板的离散角和不同的旋转方向，通过在特定位置叠加两个涡旋光束来实现复合叉形场。

——||| 图文一览 |||——

图1：HPBG设计、制造和测试光路。

（a）由所需光学元件的相位分布加上线性相位斜坡产生的拓扑电荷l =  1的分叉衍射光栅。

（b）理想的三维HPBG，锯齿形轮廓由闪耀光栅和基板组成。通过使用基于衍射光栅的周期性灰度值设计闪耀光栅。

（c）制造的SEM图，直径60um。插图中h=1.02um，d=4.19um。

（d）光学性能检测装置的示意图。

小结：通过在光致抗蚀剂上的飞秒激光直接激光写入（SZ2080，由FORTH，Greece提供）制造HPBG。锯齿形轮廓的厚度为1.05um，折射率为1.504。说明制造的和理论基本一致。测试所用光源为532nm激光。

图2：HPBG产生的涡旋光和相应的干涉图样。

（a）具有移位涡旋光束的HPBG的示意图，所产生的涡旋光束在没有参考光束的激光光斑外移动。

（b-e’） 产生的具有拓扑电荷l =  -2，-1,1和2的涡旋光束的实验和理论远场强度模式。

（f）产生的涡旋光束干扰周围的激光光斑。

（g-k’） 产生的涡旋光束和参考光束的实验和理论干涉图案，干涉图案的中心边缘明显分为l个叉子。理论模式与观察到的模式匹配良好。

小结：通过对产生的涡旋光进行测试，得到的结果和模拟非常一致。

图3：闪耀光栅周期与涡旋光束离散角之间的关系。

（a-d）具有不同光栅周期的HPBG的显微镜图样。光栅周期越小，产生的涡旋光束的移动距离越大。红色圆圈的阴影部分是结构的位置，大红色圆圈是激光点的位置。

（e）理论值（蓝线）与实验值（红点）比较。插图显示生成的涡旋光束移动HPBG的中心。

小结：为了获得距离HPBG中心更大的偏移距离，研究了闪耀光栅周期与涡旋光束离散角之间的关系。闪耀光栅通常通过设计锯齿形轮廓将尽可能多的入射光集中到第一级。移位的涡旋光束取决于锯齿形轮廓，其具有两个重要参数：厚度和光栅周期。

图4：实现两个涡旋光束的叠加

（a）具有不同旋转方向的集成HPBGs，直径和单结构的光栅周期是40  μ m和4.06  μ米的SEM图像。

（b）SEM图像。

（c-f）产生的具有不同拓扑电荷的涡旋光束的叠加图案。复合叉形场（l = -1,0,3，4）的拓扑电荷等于两个拓扑电荷的总和。

（g-j）对应(c-f)的理论结果。

（k-n）复合叉形场的相位分布。理论模式与观察到的模式匹配良好。

小结：通过实验和理论证明，通过对不同旋转方向的HPBG进行积分并设置离散角，可以实现两个涡旋光束的叠加。

——||| 点评 |||——

通过实验和理论证明，通过对不同旋转方向的HPBG进行积分并设置离散角，可以实现两个涡旋光束的叠加。该较小尺寸（约60  μm）具有通过高保真直接激光聚合制造的受控拓扑电荷的HPBG可以同时用于产生和分离涡旋光束。还研究了不同光栅周期的闪耀光栅与其离散角度之间的关系。此外，已经证明了两个涡旋光束的叠加是涡旋光束的正衍射级和另一个涡旋光束的负衍射级的叠加，并且复合叉形场的OAM状态由拓扑电荷确定。组成涡旋光束。由于设计的简单性，该方法不仅克服了传统方式的复杂实验设置问题，而且还有效地生成具有受控拓扑电荷的复合OAM光束。

Zhang, X.-D. et al. Optical superimposed vortex beams generated by integrated holographic plates with blazed grating. Applied Physics Letters 111, doi:10.1063/1.4997590 (2017).

翻译作者：秦燕亮