液晶微结构产生光涡旋和太赫兹涡旋

发布时间：2020-09-27 09:18

　　在光学领域近年的发展中,光场调控技术扮演了越来越重要的角色,对高斯光束的强度、偏振、相位和波前等进行调控可产生特种光场。其中,涡旋光束由于自身独特的螺旋相前和所携带的轨道角动量,备受国内外科研工作者们的青睐,在光通信、量子信息、光学微操控、超分辨显微成像等领域具有广泛的应用前景。随着太赫兹调控器件的迅速发展,对太赫兹波进行波场调控形成特殊波场也越来越受到人们的关注,其中太赫兹涡旋集成了太赫兹和轨道角动量两者的诸多优点,在通信、传感、成像等领域具有很好的应用潜质。液晶具有极宽波段的光学各向异性和介电各向异性,其优异的电光特性覆盖可见、红外直至太赫兹和微波波段。特定设计构筑成的液晶人工微结构,有望对光的多维度参量进行调制。本文基于不同液晶材料,采用多种方法构筑液晶微结构,实现了快速响应的光涡旋及其阵列的产生以及太赫兹涡旋的产生与调制。主要研究成果如下:采用涡旋光和平面波的计算全息图—叉形光栅作为掩模板,通过光刻制备出叉形结构电极,引入聚合物稳定蓝相液晶,利用结构电极加载垂直电场局部驱动蓝相液晶造成相邻区域的相位差形成叉形光栅的位相分布,进而产生光涡旋。针对632.8 nm的入射波长,可在施加电压为95 Vrms时获得最高的±1级涡旋光束的转换效率,约33%。通过加电和撤电实现涡旋光束的开关态切换,且在50V rms时测得开关时间分别为364μs和571 μs,达到亚毫秒量级。研究了不同入射偏振情况下,一级衍射效率随所加电压的变化情况,结果表明所制得的蓝相液晶叉形光栅具有偏振无依赖特性。这是首次报道利用蓝相液晶实现快速响应的叉形光栅,为涡旋光束的产生和调控提供了新的途径。进一步结合达曼光栅的设计理念,研制出具有达曼叉形光栅结构的特殊电极,加载垂直场驱动蓝相液晶产生了 1× 7级涡旋光束阵列,不同衍射级次分别携带不同拓扑荷数,即不同的轨道角动量,且能量分布较接近,高阶衍射涡旋光的效率显著高于普通的叉形光栅。此外,该蓝相液晶达曼叉形光栅仍然保留了亚毫秒开关响应和偏振无依赖特性。我们还针对液晶材料和加工精度的限制提出了后续优化方案。基于蓝相液晶实现快速响应的达曼叉形光栅可激发涡旋光束在超分辨显微成像、光学微操控和光通讯等领域的全新应用。延伸到太赫兹波段,引入大双折射率液晶材料,基于SD1偶氮光控取向剂,利用自主研发的数字掩模偏振曝光系统实现光轴空间连续渐变的液晶微结构,成功制备出液晶太赫兹q波片,实现了不同拓扑荷太赫兹涡旋的产生。我们还展示了其电调特性,并指出了目前技术的局限性及可行的优化方向。这是国际上首次利用液晶实现太赫兹涡旋的产生与调制,有望推进太赫兹涡旋在通讯、传感和成像等领域的应用。在液晶太赫兹q波片的基础上,进一步引入偏振光栅设计,研发了液晶太赫兹叉形偏振光栅,集成了偏振光栅的偏振选择性衍射和叉形光栅的涡旋产生能力。实验验证了太赫兹涡旋的产生和偏振分束,-1和+1级太赫兹涡旋与未转化部分0级完全分离,避免了模式纯化提取操作,且圆偏振正交、拓扑荷相反,可通过控制入射圆偏振实现动态切换。液晶太赫兹叉形偏振光栅为太赫兹涡旋的产生和分离提供了一种简单实用的方法,对于开发其它液晶太赫兹调控器件也具有很好的借鉴意义。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O753.2
【部分图文】：

光强分布,相位特征,光环,最早

ｉ不同拓扑荷的光祸旋螺旋波前、相位分布和光强分布示研宄可以最早追溯到１９世纪３０年代Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｂｉｄｄｅｌｌ光环的观测［３］，但其本质的相位特征直到２０世纪７０ｈａｎ和Ｗｉｌｌｅｔｔｓ两人在１９７９年研宄拉盖尔－高斯（Ｌａｇ光束的相位分布时发现它在中心强度为零的位置存人在１９８１年发现在散斑场中存在的涡旋［５］。１９８９涡旋”这一概念来描述这种特殊光场［６］。１９９２年，Ａｌ的条件下，具有相位因子ｅｘｐ（ｉｍｐ）的祸旋光携带ｕｌａｒ邋ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋０ＡＭ），提供了光子邋０ＡＭ邋应用的理盖尔－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，邋ＬＧ）光束就是一的光涡旋［７］。图１．２展示了邋ＬＧＱ１，邋ＬＧＵ和ＬＧ２ｌ模式总结出：ＬＧ模式的强度分布存在（ｐ＋１）个同心环，

拉盖尔,相位分布,模式

峨／邋□逡逑ｍ邋＝邋—２逡逑图ｉ．ｉ不同拓扑荷的光祸旋螺旋波前、相位分布和光强分布示意图１２１逡逑对光涡旋的研宄可以最早追溯到１９世纪３０年代Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｂｉｄｄｅｌｌ邋Ａｉｒｙ对透镜焦逡逑平面处有反常光环的观测［３］，但其本质的相位特征直到２０世纪７０年代才被人们逡逑真正认识。Ｖａｕｇｈａｎ和Ｗｉｌｌｅｔｔｓ两人在１９７９年研宄拉盖尔－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，逡逑ＬＧ）模式的激光束的相位分布时发现它在中心强度为零的位置存在一个相位奇点逡逑［４］。Ｂａｒａｎｏｖａ等人在１９８１年发现在散斑场中存在的涡旋［５］。１９８９年，Ｃｏｕｌｌｅｔ等逡逑人首次引入“光涡旋”这一概念来描述这种特殊光场［６］。１９９２年，Ａｌｌｅｎ等人提出并逡逑证明在近轴传播的条件下，具有相位因子ｅｘｐ（ｉｍｐ）的祸旋光携带的轨道角动逡逑量（Ｏｒｂｉｔａｌ邋ａｎｇｕｌａｒ邋ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋０ＡＭ），提供了光子邋０ＡＭ邋应用的理论依据［７］。Ａｌｌｅｎ逡逑等人还说明了拉盖尔－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，邋ＬＧ）光束就是一组具有的逡逑螺旋相位结构的光涡旋［７］。图１．２展示了邋ＬＧＱ１

计算全息图,光镊,涡旋,微加工

计算全息图、Ｑ波片、液晶空间光调制器以及超表面器件和波导类器件等。逡逑螺旋相位板：螺旋相位板（ｓｐｉｒａｌ邋ｐｈａｓｅ邋ｐｌａｔｅ，邋ＳＰＰ）是一种最简单直接的产生逡逑螺旋波前的方法。如图１．４所示，螺旋相位板可以将通过的平面波变成光旋涡。逡逑位相片的光学厚度随角向位置逐渐增大［８］，使透射光束在截面上各处的相位具有逡逑不同的改变量，变成螺旋的相位波前。１９９４年Ｂｅｒｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ等采用螺旋相位板逡逑将高斯光束变换为涡旋光束［２（）］。虽然螺旋相位板的概念简单，但机械加工要求很逡逑高，制备困难，且只能产生固定的涡旋光束，难以实现动态调控。逡逑４逡逑

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