自伦琴于1895年发明X射线以来,放射治疗发展迅速。此后,X射线生产技术的进步主要集中在计算机控制的强度调制光束传输上。1 利用诸如直线加速器 (LINAC) 等先进设备产生的辐射已成为一种有效的治疗工具。与传统的X射线机相比,LINAC 产生的辐射具有多种优势。现代放射治疗主要使用同期开发的医用 LINAC 产生的辐射。LINAC 可以对高能X射线进行修改,使其与肿瘤的形状相符,从而有效杀死癌细胞,同时保护周围的健康组织。此外,为了产生相对论速度的电子,高功率 LINAC 也正在得到推广。2
虽然这些技术可以在调制光束中实现高空间分辨率以及生成静态和动态光模式,但它们通常需要高度复杂的光学元件。这最近将注意力转向了折射自由曲面光学元件,它可以通过简单而坚固的装置将光源的强度分布重新分配为任意预定模式,其中至少一个表面相对于垂直于元件主平面的轴没有平移或旋转对称性。[10] 自由曲面光学元件的表面可以精确设计以产生所需的强度模式,[11] 将所涉及的几何形状定义为球面或非球面透镜的总和,或通过 Q 多项式描述和非线性偏微分方程。[10,12] 该方法的优点包括相关系统小型化、视场更宽和成像分辨率更高。 [2,13,14] 通常需要多种制造技术,包括磨削、抛光和超精密车削,[15,16] 这些技术非常耗时、成本高、通用性差,因此无法快速实现自由曲面光学系统,也无法通过外部门改变其特性。 3D 打印技术可以提供替代的制造方法,可以生成具有前所未有复杂几何形状的物体。[17–19] 3D 打印包含多种工艺,可使用不同材料制造非常规结构。[20–22] 在光学和光电子领域,增材制造已经用于生产非球面透镜、微光学元件、波导、光子晶体、发光二极管 (LED)、探测器和传感器。 [19,23,24] 尽管 3D 打印具有光学质量和亚微米分辨率的宏观物体仍然具有挑战性,[25] 但已经提出了许多方法来提高可实现的精度、打印速度和打印物体的尺寸。[26–28] 重要的是,一些应用可能会利用从质量较低的表面生成的光图案,利用 3D 打印技术提供的设计灵活性和定制性。一个相关的例子是加密标签,[29,30] 人们非常希望能够用肉眼或低成本扫描仪识别生成的光图案,而无需笨重的光学元件和复杂的光学系统。[31,32]
近年来,随着激光应用的不断发展,科学家们对新型激光光束理论与实验的研究产生了浓厚的兴趣。其中,中心强度为零的暗空心光束由于其在原子光学、量子光学、二元光学、微观粒子操控、激光显微成像等领域的广泛应用而受到越来越多的关注。这类光束一般具有特殊的螺旋相位波前结构。本研究利用SLM产生任意阶数、任意拓扑荷的涡旋光,并讨论了SLM在应用中面临的诸多问题。由于SLM的相位调制在理想条件下是不畸变的,但在其制造过程中,其光调制部分不可避免地会产生微小的畸变和缺陷。事实上,这些畸变会给实验结果带来很大的误差。为了消除这种误差,本文提出了一种校正SLM误差的方法。首先对其畸变相位进行精确测量,然后对其进行校正。并以涡旋光束的发生为例,验证了校正效果。关键词:涡旋光束 计算全息图 空间光调制器 1.引言 利用传统的光学系统获取涡旋光束存在着装置复杂、调节困难等一系列问题[1] 。然而,利用空间光调制器(SLM)中的计算全息图很容易实现光束的转换。SLM 是对光束施加某种形式空间变化调制的物体。SLM 可以根据输入的信息调制光束的相位、偏振面、振幅、强度和传输方向等物理参数。只有改变输入信息,计算机才能控制 SLM 的参数。用 SLM 代替传统光学系统,可以轻松解决上述问题。用 SLM 代替传统光学系统,可以轻松解决上述问题。2007 年,Yoshiyuki Ohtake [2] 等人 [3] 在空间光调制器(SLM)中提出了一种基于空间全息图的涡旋光束转换方法。利用SLM产生径向折射率p和角折射率l分别为5阶和1阶的LG(拉盖尔高斯)光束,并实现可编程相位调制。利用计算机模拟LG光束在传输过程中的光强分布。本文利用反射式SLM产生3种涡旋光束、贝塞尔光束、LG光束和HyG(超几何)光束,利用干涉法验证它们的涡旋量和拓扑荷。通过数值计算对HyG光束进行理论模拟,并将模拟值与实验值进行比较,分析了误差。由于制造工艺的原因,SLM表面会存在细微缺陷,因此使用SLM会造成调制相位畸变。本文提出了一种测量和校正SLM畸变相位的方法。2.理论描述2.1贝塞尔光束沿z方向传输的BG光束的场分布可表示为[3]: