衍射涡旋透镜产生涡旋光束，该涡旋光束具有受控的环状（甜甜圈）强度和位于中心的能量孔
简介
60多年前，一项科学突破推动了第一台激光器的诞生。从那时起，激光设备在越来越多的研究领域普及，近年来，工业和商业应用领域也开始接受这项技术。最近，由于激光的可用性和每瓦特激光价格的急剧下降，涡旋光束呈现快速增长趋势。
一种典型的激光源产生一个接近高斯分布的光束分布，在中心有最大能量，能量向边缘逐渐衰减。在许多应用领域中，这种强度分布并不理想，因此许多研发工程师寻求采用光束整形技术来实现他们所想要的激光束形状和强度分布。
其中一个这样的理想形状就像一个环状的甜甜圈，可以控制环形光强分布，中心有一个能量空洞，这种形状就是涡旋光束的输出形状。
使用一个单个衍射涡旋相位板，也称为涡旋透镜（VL），可以最好地实现光学涡旋光束。
衍射涡旋相位板
可以使用一个衍射光学涡旋相位板来产生涡旋光束，这是一种独特的光学元件，其结构由螺旋或螺旋相位板，或“螺旋阶梯状”结构 （因此，它又称为“螺旋相位板”或SPP）组成。这种涡旋相结构增加了光束的轨道角动量，将能量有效地从中心“推出”，其方式类似于水绕着排水口旋转，从而产生被推向侧面的涡旋。结果是，不管入射光束的偏振情况如何，仅仅通过光的轨道角动量产生甜甜圈模式。这与操纵自旋角动量的基于液晶的涡旋相位板形成对比。
衍射涡流板需要输入高质量的准直单模（TEM00）高斯输入光束，并将其转换为TEM01轴对称模式，有利于在大输入光束下运作，对于校准方面的灵敏度较低，输出端的甜甜圈光斑尺寸较小。
可以在绕射镜面上制造多个阶梯结构，阶梯的数量对应于拓扑电荷m。每个这样的阶梯结构的蚀刻深度都是设计波长和衬底光学指数的函数。
不同拓扑电荷产生的主要影响如下：
- 拓扑电荷越高，涡旋光束的角矩就越大，其系数为m。
- 拓扑电荷越高，环形强度分布就越大，其系数为m。
涡旋相位板的优点
与其他光束整形方法相比，涡旋相位板有几个优点:
- 旋涡光束具有自修复特性，因此它对通光孔径不敏感，需要类似于高斯光束的有效孔径。对于光束整形器，情况并非如此，在光束整形器中，所需的有效孔径通常是光束直径的2倍。
- 涡旋相位板适用于将所有输入光束尺寸-产生的圆环光斑按输入光束的尺寸进行缩放，方式类似于高斯光束。不需要精确输入光束直径。
- 当扫描涡旋激光束时，扫描线上的综合能量分布（即用于烧蚀的槽能量分布)）是平顶的，与高斯激光束不同。即使对于低拓扑电荷（包括m=1）也是如此，这使得相对较窄的扫描线在整个线分布上具有良好的均匀性。
涡旋光束应用
涡旋激光束主要用于生命科学学科的研究应用。涡旋光束具有明显优势的一种应用方法是利用STED显微镜进行超分辨率成像，在这种应用中，在通过物镜聚焦之前，损耗激光被塑造成涡旋光束。
涡旋相位板的另一种应用方法是光镊，其中使用一种高度聚焦的激光束以类似于镊子的方式固定和移动微观和亚微观物体，例如原子、纳米粒子和液滴等。环形涡旋光束的优点是在聚焦后束腰的圆环孔内捕获粒子。
使用涡流透镜的其他已知应用领域包括:
- 日冕观测仪（天文学）
- 量子光刻术
- 量子光学
Holo/Or提供多种多样的 涡旋相位板衍射光学元件（DOE）。为了计算涡流板的环和孔的直径，Holo/Or创建了这个光学涡流计算器 ，以帮助我们的客户选择符合他们需求的零件。
TL；DR – 问答
什么是涡旋光束？
涡旋光束是一种环形（甜甜圈）光束，具有受控的环形强度，中心有一个能量孔。
如何产生涡旋光束？
产生涡旋光束的最为有效的方法是使用一个衍射涡旋相位板，这是一种独特的光学器件，具有螺旋阶梯结构。
涡旋光束可以应用在哪些方面？
涡旋光束主要用于生命科学领域，如超分辨率显微镜、光镊等。
