Спиральные фазовые пластины в сингулярной оптике

Спиральные фазовые пластины предназначены для создания вихревых пучков, обладающих орбитальным угловым моментом. Эти пучки получили широкое распространение для оптического захвата и вращения микрочастиц; интерферометрии для распознавания выпуклых и вогнутых частей волнового фронта; звездного коронографа для наблюдения планетарной системы отдельных звезд; оптической обработке изображений для выполнения преобразований Ханкеля и Гильберта; телекоммуникационных систем для уплотнения информационного канала с помощью пучков с разным состоянием орбитального углового момента.

Остановимся подробнее на свойствах и принципе работы спиральных пластин. В качестве примера рассмотрим спиральную фазовую пластину Optical Vortex производства компании Holo/Or.

Принцип работы
Спиральная пластинка со скачком рельефа, спиральная фазовая пластинка (СФП) – это дифракционный элемент, структура которого позволяет управлять фазой излучения (рис.1):

Рисунок 1. «Винтовая лестница» - боковой вид спиральной фазовой пластины

Глубина «ступени» определяется значением функции, взятой от расчетной длины волны и оптического показателя преломления материала подложки. Как правило, глубина ступени имеет тот же порядок величины, что и расчетная длина волны. Таким образом, каждая ступень фазовой пластинки имеет собственную рабочую длину волны.
Спиральные фазовые пластины Holo/Or могут быть изготовлены на заказ по индивидуальным параметрам.
 

Топологический заряд
Топологический заряд характеризует винтовую дислокацию сингулярного пучка. На рисунке 1 один цикл «лестницы» совершает полный оборот вокруг оси - для этой вихревой фазовой пластины топологический заряд равен 1. На рисунке 2 показаны поверхности вихревой фазовой пластинки при m = 2, m = 3 и m = 4.

Рисунок 2. Поверхности волновой фазовой пластины с топологическим зарядом, равным 2, 3, 4.

Одним из основных следствий более высокого топологического заряда является увеличение углового момента вихревого пучка в m раз. Визуально можно наблюдать размеров картины на экране интенсивности кольца в m раз, как показано на рис. 3.

Рисунок 3. Изображения профиля интенсивности вихревых пучков с растущим значением m.

Рисунок 4. Схема установки. Двухэтапное преобразование пучка.
 

Для создания оптического вихревого пучка необходим коллимированный одномодовый гауссов пучок (TEM00). В дальнейшем одномодовое излучение будет преобразовано в осесимметричную моду TEM01. Такой пучок имеет как минимум два преимущества: во-первых, снижается чувствительность выходного пучка к смещению дифракционного элемента. Во-вторых, осесимметричный входной пучок позволит получить пятно меньшего размера. Вся оптика должна быть высокого качества, иметь низкий показатель неоднородности, чтобы не создавать искажений волнового фронта.
Если из-за механических или других ограничений дифракционная спиральная пластина будет расположена на некотором расстоянии от координаты перетяжки пучка, важно учесть это при проектировании дифракционного элемента. Иначе результирующая аберрация волнового фронта может вызвать интерференцию в выходном пучке.
Формула диаметра дифракционно-ограниченного пятна:

где L – рабочее расстояние,  λ– длина волны, D – диаметр входного пучка, M² – фактор входного пучка.

Характеристики дифракционной оптики в установки:

• Высокий порог повреждения
• Эффективность передачи: >90%
• Чувствительность к смещениям по X-Y: 5%
• Нечувствительность к поворотам
• Чувствительность к рабочему расстоянию: до 50% размера дифракционно-ограниченного пятна.

Чувствительность к линейным перемещениям и центровке пучка
Как показано на рис. 4, пространственный фильтр и расширитель пучка способствует стабильности компонентов оптической системы. Систему можно сделать менее чувствительной к смещениям, расширив входной пучок. Например, для входного луча диаметром 10 мм допуск 5% дает чувствительность 0,5 мм. Для иллюстрации влияния допусков приведены графики фазы пучка: (WD: 100 мм, λ: 633 нм).

Рисунок 5. Влияние децентрировки вдоль осей X-Y. Диаметр входного пучка 8 мм.

Рисунок 6. Влияние децентрировки вдоль осей X-Y. Диаметр входного пучка 15 мм.

© Holo / Или
 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holo/Or на территории РФ