[发明专利]连续型螺旋相位板设计方法

说明书

本发明公开了一种连续型螺旋相位板设计方法，涉及应用光学领域。步骤为：1)确定激光器波长和对应的光场分布；2)确定成像距离和目标图像；3)确定螺旋相位板整体尺寸和拓扑荷数；4)根据连续抛光工艺提取去除函数形态特征；5)根据步骤2)和步骤4)设计匀滑处理的数字滤波器；6)根据步骤5)获得的数字滤波器对理想型螺旋相位板进行连续化处理，获得连续型螺旋相位板；7)利用连续抛光工艺软件对连续型螺旋相位板进行仿真计算，获得残余误差波前；8)利用衍射理论对连续型螺旋相位板进行光场模拟和功能校验；9)重复步骤5)至8)，达到预设要求，设计完成。本发明实现了较高光学性能和转换效率的连续型螺旋相位板设计；用本发明设计的相位板制作工艺简单，成本较低。

所属技术领域

本发明涉及光学元件设计，尤其是螺旋相位板设计，属于光学技术领域。

背景技术

目前，螺旋相位板是一种厚度与旋转方位角成正比的透明玻璃板，它可以将高功率平面光束转化为带有轨道角动量的涡旋光束，这种高功率涡旋光束在产生飞秒涡旋激光脉冲、激发环形等离子尾场、正负电子加速等高功率物理研究领域有重要的应用，这些研究对产生涡旋光束的螺旋相位板提出了较高的光学性能。因此这对螺旋相位板的优化设计和精密加工提出了迫切的需求。理想型螺旋相位板是连续的螺旋上升斜面和非连续的跳变截面两部分组成。根据制备工艺的特点，目前一般将连续分布的螺旋上升斜面进行台阶化设计，每个台阶面形分布为平面，台阶数越多越接近理想的连续面形结构，光学性能越好，但由于采用套刻的工艺进行加工，台阶数越多，所需要的工艺流程越多，需要对准精度和工艺确定性极高的加工设备，加工成本高。更重要的是，由于多台阶化设计本身已经截断了螺旋上升斜面的连续性，因此，降低了涡旋光场的光学性能，光学转换效率也受到较大影响。而理想型螺旋相位板具有无穷大梯度的跳跃截面，若采用连续抛光工艺直接对其加工，加工误差较大。

基于以上现状，本发明提出一种连续型螺旋相位板设计方法，该方法保持螺旋面的连续分布特性，对理想螺旋相位板的非连续跳变截面进行连续化处理，实现既满足强场物理应用需求又达到连续工艺要求的螺旋相位板全连续化设计。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种连续型螺旋相位板设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：连续型螺旋相位板设计方法，包括以下步骤：

A.确定激光的波长λ、通光口径S及激光对应的光场分布E₁；

B.确定波长λ对应的目标图像分布I和成像距离L；

C.根据通光口径S与目标图像分布I确定拓扑荷数l和元件尺寸D；拓扑荷数l、旋转方位角θ与波前W之间的关系如式(1)所示：

D.确定高斯型数字滤波器的标准差σ与标准差调整因子ε，高斯型数字滤波器函数表达式如式(2)所示：

标准差调整因子ε取值范围为(-50％,50％)；

E.将步骤D中h(x,y)与波前W(x,y)进行二维卷积运算，获得完全连续分布的螺旋波前W′_fc：

W′_fc(x,y)＝h(x,y)*W(x,y) (3)

(*为卷积运算符)；

F.将完全连续分布的螺旋波前W′_fc进行工艺仿真，获得预计的波前残差分布W(i,j)，并计算波前误差参数RMSerr：

W(i,j)为波前残差分布，为波前残差分布平均值；N_i、N_j为波前残差数据矩阵的行数与列数；