超分辨成像和激光精密加工中的螺旋相位片应用

相位片是一种衍射光学元件，它将预先设计好的相位分布叠加在输入激光束上。这种相位分布可以是二进制的，即在相位板的某些区域之间产生半波延迟，也可以是连续的，并达到全波延迟。此相位分布将远场（即透镜焦点）处的激光强度分布转换为不同的分布。在相位是周期性的情况下，例如在相位光栅的情况下，强度变为具有受控分离角的多个衍射阶，这就是我们常所说的衍射分束器或光栅。在相位不是周期性的情况下，根据相位板叠加的相位分布，会出现各种光束整形效果。

在利用相位板对光束进行整形时，最有用的功能之一是模式转换。二元相位板，如我们的模式转换器，可以创建具有不同强度形状的各种分析模式。这些是不同阶数的Hermite-Laguerre模，相当于TEM01、TEM11及更高阶。

涡旋模式可以由称作螺旋相位板（spiral phase plates）或涡旋相位板（vortex phase plates）的特殊相位板产生。这些是多级相位元件，其相位类似于圆形阶梯，产生具有一定拓扑电荷的涡旋模式。对于每一个拓扑电荷，模式在焦点处产生一个不同的环形光斑，中间有一个洞光强降到零。

螺旋相位片应用案例-STED显微镜

受激发射损耗（STED）显微术是一种在显微术中实现超分辨率的技术，它能够分辨小于光学系统衍射极限的亚微米细节。

为了绕过光学显微镜的衍射极限（这是传统光学显微镜分辨率的主要限制），它通过环形（甜甜圈）照明模式照亮荧光团来产生超分辨率图像，从而耗尽甜甜圈外部的荧光，使样品焦点处的照明面积最小化，并提高给定系统的可实现分辨率。

通过使用荧光团的非线性响应，STED迫使甜甜圈轮廓处的激发荧光团以更长的波长发射，然后被光学过滤掉。只剩下来自小的亚衍射极限区域的荧光，从而实现超分辨率。

STED显微镜的工作原理

典型的STED系统包括两个独立的光通道，一个用于长波（红色）损耗激光器，另一个用于短波（绿色）激发激光器。两个通道通过二向色镜组合到同一条光路中，然后由物镜聚焦在样品上。样品反射的荧光进入检测器。如图所示。

激发通道被物镜聚焦，而损耗通道在被物镜聚焦之前通过涡旋位相板（也称为涡旋透镜（vortex lenses））传播。涡旋相位板在入射的高斯光束上增加一个螺旋波前，以便在物镜的焦平面上将其转换成一个环形光束。在焦平面产生的环形光束与Gauss-Laguerre 01激光模式具有相同的光学特性。

利用单个螺旋相位片可以很容易地产生STED系统中的涡旋光束，即损耗激光。

holoor螺旋相位片作为一种衍射光学元件，其加工方式主要包含几个重复步骤，包括光刻胶晶圆涂层，然后直接UV光刻，直接蚀刻到熔融石英衬底上，并重复在毫米级厚度的光学窗片表面生成二元图案微结构。为了获得最佳的光学效率，通常建议应用多达4个光刻步骤，形成16层微结构。

由于这种生产工艺提供了完美的角度精度与极低的制造公差。它们扁平、薄，易于集成到任何光路中。除上述优点外，熔融石英还具有优异的激光损伤阈值、表面偏差、显微粗糙度和机械性能。

STED显微镜是一种测量亚微米结构的技术，要求系统具有很高的精度和准确度，否则会严重影响系统的整体性能。由于具有上述所有优点，以及Holo/Or的螺旋相位片对偏振不敏感，不需要旋转对准，因此它们是STED系统的完美解决方案。

螺旋相位片应用案例-精密激光加工

螺旋相位片相比其他光束整形方法的优点：

-旋涡光束具有自修复特性，因此它对通光孔径不敏感，是类似于高斯光束的。而对于光束整形器，情况并非如此，通常需要有效通光孔径为2.5倍入射光斑。虽然能量损失会对光斑均匀性产生一些影响，但是远低于光束整形器。这就意味着客户可以使用更大的输入光束和更高的NA。

-螺旋相位片适用于所有输入光束尺寸——生成的环形光斑以与高斯光束相似的方式按输入光束大小缩放，不需要精确输入光束直径。通过改变输入光束尺寸，螺旋相位板可以生成不同的圆环尺寸，当光束直径改变时，圆环线性缩放。

-当用涡旋光束扫描时，不同于高斯光束，扫描线的综合能量分布（即烧蚀的槽能量剖面）是平顶的。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轮廓上具有良好的一致性。

-螺旋相位板和任何相位板一样，都是薄而轻的组件，易于集成到光学装置中。Holo/Or和Vortex的螺旋相位片由单片材料（UV熔融石英或ZnSe）制成，具有高损伤阈值，使其适用于高功率应用，包括使用几千瓦激光器的应用。

螺旋相位片精密激光加工应用：

由于其自修复特性，螺旋相位片产生的光斑分布即使穿过相对狭窄的孔，也往往能保持稳定。这使得这种光束在各种振镜扫描应用中非常有用，而高斯光斑通常会导致扫描线宽度上的强度不均匀。使用螺旋相板有利于以下一些已知应用：

-激光烧蚀去除材料（例如，太阳能电池板背面的钝化）。螺旋相位板用于实现均匀的扫描能量分布，这与holoor的M型光束整形器类似。

-激光切割薄片或切割薄半导体晶片。在这种情况下，在横截面上有一个均匀的能量分布，以减少背面的碎屑和损坏。当在一条直线上扫描光斑时，螺旋相位板会产生这种分布。

-激光钻孔。在这种情况下，能量最好消耗在钻孔直径上，而不是浪费在中心。在PCB激光钻孔中使用振镜+扫描仪设置就会出现这种情况。漩涡相位板生成的光斑能量分布在整个束腰保持不变，即使该束腰与不透明材质相交。