修正螺旋波带片的构造方法及其制成的波带片技术

本发明专利技术公开了一种修正螺旋波带片的构造方法，包括设计能够产生分段位相梯度的位相分布函数；设计修正螺旋波带片的透过率函数；构造修正螺旋波带片。本发明专利技术还公开了了采用所述修正螺旋波带片的构造方法构造得到的波带片。本发明专利技术提供的这种修正螺旋波带片的构造方法及其构造的波带片，能够便利地产生具有分段位相梯度和任意半径的涡旋光，从而能够以不同速度旋转微粒，以及用于增加自由光通信系统的信道密度。

【技术实现步骤摘要】
修正螺旋波带片的构造方法及其制成的波带片
本专利技术具体涉及一种修正螺旋波带片的构造方法及其制成的波带片。
技术介绍
叠加的光学轨道角动量态能应用于不同的领域。光涡旋的多个轨道角动量态能应用于在不同位置同时捕获微粒，增加自由光通信系统的信道密度和光谱效率。一些方法能用来产生光学涡旋。例如，制作的具有分离蚀刻区域的螺旋位相片能产生环形光；具有螺旋位相的波带片能在不同平面产生多个具有相同拓扑荷的光涡旋；复振幅整形算法也能用来产生光涡旋。然而这些方法不能产生拥有叠加的光学轨道角动量态的涡旋光。叠加的光学轨道角动量态能通过一些方法产生。例如，干涉的两个相反相等轨道角动量态的双涡旋光能在棱镜焦平面产生齿轮状光形；干涉的两个相反不相等轨道角动量态的双涡旋光能在棱镜焦平面产生齿轮状光形和环形光形；搜索辅助迭代算法能通过单个纯相位光学元件同时产生多个轨道角动量态来增加光通信的传输容量；拥有两个拓扑荷的螺旋位相片能产生同心涡旋；双螺旋结构能用来产生两个不同拓扑荷的轨道角动量态；具有螺旋波前的最优环结构位相片能用来产生两个不等拓扑荷的光涡旋；紧聚焦径向极化光能用来产生双环形强度分布；双环形角向极化光通过高NA物镜后在焦平面能产生多个圆环；竖直横向复合位相光栅能用来产生多个纯轨道角动量态。然而，上面提到产生叠加轨道角动量态的方法不能产生具有任意半径和多段位相梯度的圆环。虽然复振幅整形算法能用来产生拥有任意半径和多段位相梯度的圆环，但是全息片不能简易制作。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种能够产生具有任意半径多段位相梯度的圆环的修正螺旋波带片的构造方法。本专利技术的目的之二在于提供一种用所述修正螺旋波带片的构造方法构造的波带片。本专利技术提供的这种修正螺旋波带片的构造方法，包括如下步骤：S1.设计能够产生分段位相梯度的位相分布函数；S2.根据步骤S1得到的位相分布函数，设计修正螺旋波带片的透过率函数；S3.根据步骤S2得到的修正螺旋波带片的透过率函数，构造修正螺旋波带片。步骤S1所述的能够产生分段位相梯度的位相分布函数，具体为采用如下算式计算得到位相分布函数ψ(θ)：式中n为分段的段数，θ为方位角，li表示第i段的拓扑荷，i＝1,2,...,n。步骤S2所述的设计修正螺旋波带片的透过率函数，具体为采用如下算式计算得到修正螺旋波带片的透过率函数t(r2,θ)：式中r为径向坐标，r0为初始半径，θ为方位角，m为修正螺旋波带片的螺旋带且m＝1,2,3,...，ψ(θ)为步骤S1得到的能够产生分段位相梯度的位相分布函数，λ为输入光的波长，f为可任意设计的焦长。步骤S3所述的构造修正螺旋波带片，具体为采用如下规则构造修正螺旋波带片：若步骤S2得到的修正螺旋波带片的透过率函数的值为第一设定值(比如1)，则波带片上对应的位置为透明；若步骤S2得到的修正螺旋波带片的透过率函数的值为第二设定值(比如0)，则波带片上对应的位置为不透明；本专利技术还提供了一种修正螺旋波带片，该修正螺旋波带片采用上述的修正螺旋波带片的构造方法构造得到。本专利技术提供的这种修正螺旋波带片的构造方法及其构造的波带片，能够便利地产生具有分段位相梯度和任意半径的涡旋光，从而能够以不同速度旋转微粒，以及用于增加自由光通信系统的信道密度。附图说明图1为本专利技术方法的方法流程图。图2为本专利技术的第一实施例的修正螺旋波带片的示意图。图3为本专利技术的第二实施例的修正螺旋波带片在焦平面产生的圆环强度分布和对应的位相分布示意图。图4为本专利技术的第三实施例的修正螺旋波带片在焦平面及其附近产生的圆环强度分布和对应的位相分布示意图。图5为本专利技术的第四实施例的修正螺旋波带片在光轴方向不同位置的强度分布示意图。图6为本专利技术的第五实施例的不同位相分布函数的修正螺旋波带片在相同焦平面产生的圆环的强度分布和对应的位相分布示意图。图7为本专利技术的第六实施例的修正螺旋波带片在焦平面及其附近位置的强度分布及对应的位相分布示意图。图8为本专利技术的第七实施例的不同透过率函数的修正螺旋波带片在光轴方向不同位置的强度截面分布示意图。具体实施方式如图1所示为本专利技术方法的方法流程图：修正螺旋波带片的构造方法，包括如下步骤：S1.设计能够产生分段位相梯度的位相分布函数；在具体实施时，可以采用如下算式计算得到位相分布函数ψ(θ)：式中n为分段的段数，θ为方位角，li表示第i段的拓扑荷，i＝1,2,...,n；S2.根据步骤S1得到的位相分布函数，设计修正螺旋波带片的透过率函数；在具体实施时，可以采用如下算式计算得到修正螺旋波带片的透过率函数t(r2,θ)：式中r为径向坐标，r0为初始半径，θ为方位角，m为修正螺旋波带片的螺旋带且m＝1,2,3,...，ψ(θ)为步骤S1得到的能够产生分段位相梯度的位相分布函数，λ为输入光的波长，f为可任意设计的焦长；S3.根据步骤S2得到的修正螺旋波带片的透过率函数，构造修正螺旋波带片；具体为采用如下规则构造修正螺旋波带片：若步骤S2得到的修正螺旋波带片的透过率函数的值为第一设定值(比如1)，则波带片上对应的位置为透明；若步骤S2得到的修正螺旋波带片的透过率函数的值为第二设定值(比如0)，则波带片上对应的位置为不透明。在具体实施时，定义的变量a是尺寸为a×a的螺旋波带片的最大半径，与最大的m对应。在一个具体实施例中，λ、a和f分别是532nm,3840μm和50cm,并且设计的修正螺旋波带片的m是最大的。若t(r2,θ)＝1，则波带片上对应的位置为透明；若t(r2,θ)＝0，则波带片上对应的位置为不透明。如图2所示为本专利技术的第一实施例的修正螺旋波带片的示意图：图2(a)为参数为(l1＝1,θ1＝2π)的ψ(θ)以及图2(b)为相对应的参数为ro＝960μm和m＝15的修正螺旋波带片示意图；图2(c)为参数为(l1＝3,l2＝6,l3＝9,θ1＝2π/3,θ2＝4π/3,θ3＝2π)的ψ(θ)以及图2(d)相对应的参数为ro＝1920μm和m＝7的修正螺旋波带片示意图。图2(a)和图2(b)分别表示参数为(l1＝1,θ1＝2π)的ψ(θ)以及相对应的参数为ro＝960μm和m＝15的修正螺旋波带片。图2(c)和图2(d)分别表示参数为(l1＝3,l2＝6,l3＝9,θ1＝2π/3,θ2＝4π/3,θ3＝2π)的ψ(θ)以及相对应的参数为ro＝1920μm和m＝7的修正螺旋波带片。事实上，图2(a)中的ψ(θ)是拓扑荷为1的正常螺旋位相片。图2(c)中很显然能看出ψ(θ)有三段位相梯度。图2(b)和图2(d)中的修正螺旋位相片的中心圆盘区域都是低透射率的。由于图2(a)和图2(c)中的ψ(θ)分别有一种和三种拓扑荷，因此，图2(b)和图2(d)中的修正螺旋波带片分别有一种和三种螺旋线。修正螺旋波带片的聚焦特性可以通过角谱理论计算出来。由于位相型波带片比振幅型波带片有更高的衍射效率，将选取位相型修正螺旋波带片来研究修正螺旋波带片的聚焦特性。模拟中，所有波带片的尺寸设置为2560×2560个像素，每个像素的尺寸为3μm×3μm。如图3所示为本专利技术的第二实施例的修正螺旋波带片在焦平面产生的圆环强度分布和对应的位相分布示意图：图3(a)～(c)为基于参数为(l1＝1,θ1＝2π)的ψ(θ)的参数为ro＝640μm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种修正螺旋波带片的构造方法，包括如下步骤：S1.设计能够产生分段位相梯度的位相分布函数；S2.根据步骤S1得到的位相分布函数，设计修正螺旋波带片的透过率函数；S3.根据步骤S2得到的修正螺旋波带片的透过率函数，构造修正螺旋波带片。

【技术特征摘要】
1.一种修正螺旋波带片的构造方法，包括如下步骤：S1.设计能够产生分段位相梯度的位相分布函数；S2.根据步骤S1得到的位相分布函数，设计修正螺旋波带片的透过率函数；S3.根据步骤S2得到的修正螺旋波带片的透过率函数，构造修正螺旋波带片。2.根据权利要求1所述的修正螺旋波带片的构造方法，其特征在于步骤S1所述的能够产生分段位相梯度的位相分布函数，具体为采用如下算式计算得到位相分布函数ψ(θ)：式中n为分段的段数，θ为方位角，li表示第i段的拓扑荷，i＝1,2,...,n。3.根据权利要求2所述的修正螺旋波带片的构造方法，其特征在于步骤S2所述的设计修正螺旋波带片的透过率函数，具体为采用如下算式计算得到修正螺旋波带片的透过...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶少华，夏天，程书博，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43