作者：维尔克斯 时间：2026-7-15 9:27:40
涡旋透镜（也称螺旋相位板或涡旋相位板）能够将入射的高斯激光束转换为中空环状光束（即光学涡旋）。其理论面形与理想设计之间的偏差极小，通常仅在±5纳米量级，因此与对应激光波长的匹配精度非常高。拓扑荷数决定了输出中空光束所携带的轨道角动量，该透镜可提供的拓扑荷数范围为1至32，同时也可根据需求定制更高的拓扑荷数。
什么是螺旋相位板？
Vortex螺旋相位片（SPPs又称涡旋透镜、涡旋相位板，属于高端光学元件，可精准调控光波相位结构；当光束透过涡旋相位板时，其波前相位会被重构。螺旋相位片凭借对光学涡旋与轨道角动量光束的生成及调控能力，在显微成像、光通信、量子计算等领域实现了技术革新。
涡旋相位片的设计旨在对穿越其中的激光波施加螺旋相位偏移。这一特殊特性使SPPs能够将标准光束转换为光学涡旋；这类光束具备螺旋波前结构，中心存在相位奇点。利用光学涡旋的生成与调控特性，可广泛应用于光场调控、光通信扩容及光量子特性研究等场景。
螺旋相位板表面几何结构示意图
螺旋相位板的工作原理主要依赖于其独特的几何结构。这些涡旋相位片由熔融石英制成，经过精心设计具有螺旋阶梯状表面，其厚度从中心到外缘逐渐呈螺旋形增加。当光线穿过相位板厚度不同的区域时，会经历不同的光程长度，从而导致相位延迟随角度位置增加。这种相位调制将扭转引入光波的波前，从而产生一个轴向上具有相位奇点的光学涡旋。
Vortex螺旋相位片可应用于众多技术和科学领域。在光学镊子中，涡旋相位片可实现对粒子的精确捕获和操控。在光通信中，SPPs通过利用光的轨道角动量来编码信息，从而提高了数据容量，为解决带宽限制问题提供了一种新方案。此外，在显微学和成像领域，这些设备通过利用光学涡旋的独特特性，提升了分辨率和对比度。
涡旋透镜的台阶数越多，中空光束中心暗区越纯净。该参数对诸多应用至关重要，例如受激发射损耗显微镜、极小通量荧光激发显微、原子与分子激发、光学涡旋日冕仪、纳米光刻、激光切割与机械加工、光通信数据传输、光镊子操控等领域。Vortex现有涡旋透镜均为64台阶结构，且计划在近期推出无台阶连续型螺旋相位板。
波长532nm，拓扑荷1光束轮廓图
螺旋相位板所产生的光束看起来是什么样的？
下图展示了一个3×3的拉盖尔-高斯模式网格，每个子图的右上角标有相应的方位角指数 l。每个子图展示了该模式的强度分布。坐标轴单位为毫米，显示了随着拓扑荷l的增加，模式结构如何变化。这些模式采用固定的径向指数p=0和不同的 l 值计算得出，对于较高的 l 值，呈现出清晰的环形（甜甜圈）形状。
不同拓扑电荷的拉盖尔-高斯模式
第二幅图表展示了拓扑荷电l与归一化甜甜圈直径之间的关系。这些直径经过缩放处理，使得I为1的m模式直径为1毫米。该图强调了随着拓扑荷增加，“甜甜圈”直径如何增大，为拉盖尔-高斯模式随l变化的几何特性提供了深入理解。
不同拓扑荷对应的光束直径（峰-峰值）
下图像网格展示了经过螺旋相位片(拓扑电荷范围为I=0.90至l=1.10)调制后的高斯光束的强度分布模式。每种强度分布都呈现出类似甜甜圈状的环状结构，这是光学涡旋的典型特征，其直径和清晰度会根据拓扑电荷的不同而有所变化。使用零填充和高斯滤波可有效减少数值误差，从而提升光束强度分布的视觉清晰度和对称性。这种变化与中心波长有关，例如I=1.01表示涡旋相位片相对于激光光束有±1%。激光波长为526.68nm，螺旋相位板波长为532nm。
由具有小拓扑电荷变化的螺旋相位板调制的高斯光束的强度模式
