高级检索

ISSN1001-3806CN51-1125/TN 网站地图

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

大孔径液晶q波片的制备及性能研究

张玉娇 高少华 宋筱 禹宣伊 王佳艺 张心正

引用本文:
Citation:

大孔径液晶q波片的制备及性能研究

    作者简介: 张玉娇(1993-), 女, 硕士研究生, 现主要从事液晶分区定向及光场调控的研究.
    通讯作者: 张心正, zxz@nankai.edu.cn
  • 基金项目:

    教育部长江学者和创新团队发展计划PCSIRT资助项目 IRT_13R29

    国家自然科学基金资助项目 11674182

    高等学校学科创新引智计划资助项目 B07013

    天津市自然科学基金资助项目 17JCYBJC16700

  • 中图分类号: O436.3;O753+.2

Preparation and characteristics of large aperture liquid crystal q-wave-plates

    Corresponding author: ZHANG Xinzheng, zxz@nankai.edu.cn
  • CLC number: O436.3;O753+.2

  • 摘要: 为了解决液晶q波片制备过程中重复性差、方法繁琐、孔径限制的问题, 采用了一种基于紫外掩模曝光法和液晶面外区域定向技术的液晶q波片制备方法, 进行了理论分析和实验验证。搭建了紫外曝光系统, 制备了直径为2.54cm, q=1, 夹角α0=0的大孔径液晶q波片。结果表明, 紫外掩模法构建的大孔径液晶q波片的自旋角动量-轨道角动量的转换效率可达到85%;利用该波片实现了涡旋光、矢量涡旋光的产生和转换。基于紫外掩模法构建大孔径液晶q波片的方法具有成本低廉、制备工艺简单、速度快等优点, 可实现液晶q波片的批量化制作, 有利于液晶q波片走向商业化。
  • Figure 1.  Diagram of ultraviolet exposure system with photomask

    Figure 2.  a—layout of the mask b—the central part of the fabricated mask by optical microscopic image 10×

    Figure 3.  Polarized-light optical microscopy images of a large-aperture liquid crystal q-wave-plates

    a—the polarization direction of the polarizer of 90° b—the polarization direction of the polarizer of 45°

    Figure 4.  Director distributions of liquid crystals with different topological charges q and different initial angl

    Figure 5.  Setup for generating and analyzing specific light fields

    Figure 6.  States of polarization, phase fronts and intensity distributions at four different phase delays

    a—2π b—3π/2 c—π d—π/

    Figure 7.  Setup for conversion of different vectorial light fields by using a pair of HWP

    Figure 8.  States of polarization, phase fronts and intensity distributions at different angles between the fast axes of the two HWP

    a—22.5° b—67.5°

    Figure 9.  a—setup for measuring STOC efficiency b—relationship between STOC efficiency and the applied voltage

  • [1]

    MAIR A, VAZIRI A, WEIHS G, et al. Entanglement of orbital angular momentum states of photons[J]. Nature, 2001, 412(6844):313-316. doi: 10.1038/35085529
    [2]

    FRANKE-ARNOLD S, ALLEN L, PADGETT M. Advances in optical angular momentum[J]. Laser & Photonics Reviews, 2010, 2(4):299-313. 
    [3]

    SINGER W, RUBINSZTEINDUNLOP H, GIBSON U. Manipulation and growth of birefringent protein crystals in optical tweezers[J]. Optics Express, 2004, 12(26):6440-6445. doi: 10.1364/OPEX.12.006440
    [4]

    KIM B N, HIRAGA K, MORITA K, et al. Microstructure and optical properties of transparent alumina[J]. Acta Materialia, 2009, 57(5):1319-1326. doi: 10.1016/j.actamat.2008.11.010
    [5]

    SWARTZLANDER G A, GAHAGAN K T. Simultaneous trapping of low-index and high-index microparticles observed with an optical-vortex trap[J]. Journal of the Optical Society of America, 1999, B16(4):533-537. 
    [6]

    TAO S H, YUAN X C, LIN J, et al. Influence of geometric shape of optically trapped particles on the optical rotation induced by vortex beams[J]. Journal of Applied Physics, 2006, 100(4):043105. doi: 10.1063/1.2260823
    [7]

    JESACHER A, FRüHAPTER S, BERNET S, et al. Size selective trapping with optical "cogwheel" tweezers[J]. Optics Express, 2004, 12(17):4129-4135. doi: 10.1364/OPEX.12.004129
    [8]

    JACK B, YAO A M, LEACH J, et al. Entanglement of arbitrary superpositions of modes within two-dimensional orbital angular momentum state spaces[J]. Physical Review, 2010, A81(4):043644. 
    [9]

    DING D S, ZHANG W, ZHOU Z Y, et al. Quantum storage of orbital angular momentum entanglement in an atomic ensemble[J]. Science Foundation in China, 2015, 114(3):050502. 
    [10]

    WANG X L, CAI X D, SU Z E, et al. Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon[J]. Nature, 2015, 518(7540):516-519. doi: 10.1038/nature14246
    [11]

    LOU K, QIAN S X, WANG X L, et al. Two-dimensional microstructures induced by femtosecond vector light fields on silicon[J]. Optics Express, 2012, 20(1):120-127. doi: 10.1364/OE.20.000120
    [12]

    LOU K, QIAN S X, REN Z C, et al. Femtosecond laser processing by using patterned vector optical fields[J]. Scientific Reports, 2013, 3(2):2281. 
    [13]

    ANGER P, BHARADWAJ P, NOVOTNY L. Enhancement and quenching of single-molecule fluorescence[J]. Physical Review Letters, 2006, 96(11):113002. doi: 10.1103/PhysRevLett.96.113002
    [14]

    LEE K G, KIHM H W, KIHM J E, et al. Vector field microscopic imaging of light[J]. Nature Photonics, 2006, 1(1):53-56. 
    [15]

    NOVOTNY L, BEVERSLUIS M R, YOUNGWORTH K S, et al. Longitudinal field modes probed by single molecules[J]. Physical Review Letters, 2001, 86(23):5251-5254. doi: 10.1103/PhysRevLett.86.5251
    [16]

    WRÓBEL P, PNIEWSKI J, ANTOSIEWICZ T J, et al. Focusing radially polarized light by a concentrically corrugated silver film without a hole[J]. Physical Review Letters, 2009, 102(18):183902. doi: 10.1103/PhysRevLett.102.183902
    [17]

    CHEN W, ABEYSINGHE D C, NELSON R L, et al. Plasmonic lens made of multiple concentric metallic rings under radially polarized illumination[J]. Nano Letters, 2009, 9(12):4320-4325. doi: 10.1021/nl903145p
    [18]

    SCHADT M, STALDER M. Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarization converters[J]. Optics Letters, 1996, 21(23):1948-1950. doi: 10.1364/OL.21.001948
    [19]

    ZHAN Q, LEGER J. Focus shaping using cylindrical vector beams[J]. Optics Express, 2002, 10(7):324-331. doi: 10.1364/OE.10.000324
    [20]

    SIVILOGLOU G A, BROKY J, DOGARIU A, et al. Ballistic dynamics of Airy beams[J]. Optics Letters, 2008, 33(3):207-209. doi: 10.1364/OL.33.000207
    [21]

    ELLENBOGEN T, VOLOCHBLOCH N, GANANYPADOWICZ A, et al. Nonlinear generation and manipulation of Airy beams[J]. Nature Photonics, 2009, 3(7): 395-398. doi: 10.1038/nphoton.2009.95
    [22]

    HONG X H, YANG B, ZHANG C, et al. Nonlinear volume holography for wave-front engineering[J]. Physical Review Letters, 2014, 113(16):163902. doi: 10.1103/PhysRevLett.113.163902
    [23]

    LI L, LI T, WANG S M, et al. Plasmonic airy beam generated by in-plane diffraction[J]. Physical Review Letters, 2011, 107(12):126804. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.126804
    [24]

    MINOVICH A, KLEIN A E, JANUNTS N, et al. Generation and near-field imaging of Airy surface plasmons [J]. Physical Review Letters, 2011, 107(11):116802. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.116802
    [25]

    ZHANG P, WANG S, LIU Y, et al. Plasmonic Airy beams with dynamically controlled trajectories[J]. Optics Letters, 2011, 36(16):3191-3193. doi: 10.1364/OL.36.003191
    [26]

    VOLOCH-BLOCH N, LEREAH Y, LILACH Y, et al. Generation of electron Airy beams[J]. Nature, 2013, 494(7437):331-335. doi: 10.1038/nature11840
    [27]

    BRASSELET E, MURAZAWA N, MISAWA H, et al. Optical vortices from liquid crystal droplets[J]. Physical Review Letters, 2009, 103(10):103903. doi: 10.1103/PhysRevLett.103.103903
    [28]

    LOUSSERT C, DELABRE U, BRASSELET E. Manipulating the orbital angular momentum of light at the micron scale with nematic disclinations in a liquid crystal film [J]. Physical Review Letters, 2013, 111(3): 037802. doi: 10.1103/PhysRevLett.111.037802
    [29]

    BRASSELET E, LOUSSERT C. Electrically controlled topological defects in liquid crystals as tunable spin-orbit encoders for photons [J]. Optics Letters, 2011, 36(5): 719-721. doi: 10.1364/OL.36.000719
    [30]

    BARBOZA R, BORTOLOZZO U, ASSANTO G, et al. Harnessing optical vortex lattices in nematic liquid crystals [J]. Physical Review Letters, 2013, 111(9): 093902. doi: 10.1103/PhysRevLett.111.093902
    [31]

    SLUSSARENKO S, MURAUSKI A, DU T, et al. Tunable liquid crystal q-plates with arbitrary topological charge[J]. Optics Express, 2011, 19(5):4085-4090. doi: 10.1364/OE.19.004085
    [32]

    JI W. Liquid crystal and their optical-field control applications[D].Nanjing: Nanjing University, 2016: 42-50(in Chinese).
    [33]

    JI Z, ZHANG X, SHI B, et al. Compartmentalized liquid crystal alignment induced by sparse polymer ribbons with surface relief gratings[J]. Optics Letters, 2016, 41(2):336-339. doi: 10.1364/OL.41.000336
    [34]

    ZHANG X Z, XU J J, LI W, et al. Based on laser direct writing method of the liquid crystal region micro-and orientation system: China, 201410108057.3[P]. 2014-03-19(in Chinese).
    [35]

    JI Zh Ch, ZHANG X Zh, ZHANG Y J, et al. Electrically tunable generation of vectorial vortex beams with micro-patterned liquid crystal structures[J]. Chinese Optics Letters, 2017, 15(7): 070501. doi: 10.3788/COL
    [36]

    MARRUCCI L, MANZO C, PAPARO D. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media[J]. Physical Review Letters, 2006, 96(16):163905. doi: 10.1103/PhysRevLett.96.163905
    [37]

    MARRUCCI L. Generation of helical modes momentum conversion in inhomogeneous liquid crystals[J]. Molecular Crystals and Liqud Crystals, 2008, 488(1): 148-162. doi: 10.1080/15421400802240524
    [38]

    JIANG J J, ZHANG D Y, LI J F. Liquid crystal variable retarder development and electric-control retardation measurement[J]. Laser Technology, 2011, 35(5): 652-655(in Chinese). 
    [39]

    MARRUCCI L. Generation of helical modes of light by spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous liquid crystals[J]. Proceedings of the SPIE, 2008, 488(1):148-162. 
    [40]

    KARIMI E, PICCIRILLO B, MARRUCCI L, et al. Light propagation in a birefringent plate with topological charge[J]. Optics Letters, 2009, 34(8):1225-1227. doi: 10.1364/OL.34.001225
    [41]

    KARIMI E, PICCIRILLO B, NAGALI E, et al. Efficient generation and sorting of orbital angular momentum eigenmodes of light by thermally tuned q-plates[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(23):231124. doi: 10.1063/1.3154549
    [42]

    WANG W, LI G H, HAO D Zh, et al. Experimental study of electric-termo-optic effect of nematic liquid crystal[J]. Laser Technology, 2004, 28(3): 275-277(in Chinese). 
    [43]

    ZOU Y Ch, SI L, TAO R M, et al. Research progress of liquid crystal based light beam steering technique[J]. Laser Technology, 2011, 35(3): 293-298(in Chinese). 
  • [1] 史萌吴福全赵爽唐恒敬邓红艳 . 扭曲向列相液晶在复合消色差延迟器件中的应用. 激光技术, 2006, 30(3): 280-282.
    [2] 张少军黄骝田勇李延廷孙东昱刘靖 . 缓慢腔倒空激光器光腔偏振分析. 激光技术, 2000, 24(2): 122-124.
    [3] 吉正继武向农殷业肖龙 . 基于高双折射光纤环镜的可调谐光滤波器. 激光技术, 2014, 38(1): 54-57. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.01.012
    [4] 左超袁晓东曾淳 . 环形激光器中的光场偏振度. 激光技术, 2000, 24(1): 34-37.
    [5] 王欣罗斌潘炜李建平 . 传输矩阵法研究MEMS可调谐垂直腔半导体光放大器. 激光技术, 2007, 31(6): 630-633.
    [6] 薛冬李国华郑春红王伟 . 复合波片的等效性理论分析. 激光技术, 2004, 28(1): 111-112.
    [7] 张波黄德修 . 镀有高反膜的1/4波片工作特性分析. 激光技术, 2003, 27(1): 29-30.
    [8] 陈金玲李红斌刘延冰 . 两种类型的光学电流传感头的灵敏度比较. 激光技术, 2007, 31(4): 378-380,383.
    [9] 栗开婷吴福全刘前彭敦云李丁丁 . 三元波片复合退偏器退偏性能的穆勒矩阵分析. 激光技术, 2015, 39(4): 549-551. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.027
    [10] 李茜李海涛张银蒲申彦春 . 基于线性光放大器全光逻辑或非门的仿真研究. 激光技术, 2012, 36(6): 825-827. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2012.06.028
    [11] 李萍徐梦丽梁高峰樊婷 . 基于光子晶体的光动力治疗仪研究. 激光技术, 2016, 40(3): 397-400. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.03.020
    [12] 董磊卓壮赵圣之 . 影响双块晶体电光开关消光比因素的分析. 激光技术, 2008, 32(1): 15-17.
    [13] 刘玉佳辛杰萍万玲玉蔡卓淮 . 宽视场高增益亚波长结构集光天线的优化设计. 激光技术, 2017, 41(1): 34-39. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.01.008
    [14] 高丹盛荔金亓吴轲王梦樱陶音孔勇韩华 . 入射角度不敏感型石英光双折射滤波器. 激光技术, 2015, 39(3): 329-332. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.010
    [15] 高艾琳王鑫盛荔王梦樱陶音孔勇韩华 . 温度不敏感型石英光滤波器的研究. 激光技术, 2016, 40(3): 358-362. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.03.012
    [16] 陈影姜雨虹孔小双闫珂柱 . 亚波长金属柱阵列光透射增强的带通特性研究. 激光技术, 2017, 41(2): 196-199. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.02.010
    [17] 尹延学吴福全王庆郭丽娇 . 改善石英晶体旋光滤波器次极大的优化设计. 激光技术, 2010, 34(1): 102-104. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2010.01.029
    [18] 穆廷魁李国华彭捍东 . 高消光比测试系统衰减器的研究. 激光技术, 2007, 31(1): 71-73.
    [19] 毛仕春李国华 . 二元双折射晶体复合光退偏性能的研究. 激光技术, 2007, 31(2): 209-212,216.
    [20] 万玲玉班卫华卢智勇 . 基于亚波长偏振光栅的空间光桥接器设计. 激光技术, 2011, 35(3): 356-359. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.03.018
  • 加载中
图(9)
计量
  • 文章访问数:  5938
  • HTML全文浏览量:  4274
  • PDF下载量:  29
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-19
  • 录用日期:  2018-12-04
  • 刊出日期:  2019-07-25

大孔径液晶q波片的制备及性能研究

    通讯作者: 张心正, zxz@nankai.edu.cn
    作者简介: 张玉娇(1993-), 女, 硕士研究生, 现主要从事液晶分区定向及光场调控的研究
  • 南开大学 泰达应用物理研究院和物理科学学院, 天津 300457
基金项目:  教育部长江学者和创新团队发展计划PCSIRT资助项目 IRT_13R29国家自然科学基金资助项目 11674182高等学校学科创新引智计划资助项目 B07013天津市自然科学基金资助项目 17JCYBJC16700

摘要: 为了解决液晶q波片制备过程中重复性差、方法繁琐、孔径限制的问题, 采用了一种基于紫外掩模曝光法和液晶面外区域定向技术的液晶q波片制备方法, 进行了理论分析和实验验证。搭建了紫外曝光系统, 制备了直径为2.54cm, q=1, 夹角α0=0的大孔径液晶q波片。结果表明, 紫外掩模法构建的大孔径液晶q波片的自旋角动量-轨道角动量的转换效率可达到85%;利用该波片实现了涡旋光、矢量涡旋光的产生和转换。基于紫外掩模法构建大孔径液晶q波片的方法具有成本低廉、制备工艺简单、速度快等优点, 可实现液晶q波片的批量化制作, 有利于液晶q波片走向商业化。

English Abstract

    • 随着社会的发展和科技的进步,光场调控技术作为光学领域的研究热点备受关注,特别是通过对其相位、振幅或偏振的调控产生各种特殊光场。具有螺旋相位的涡旋光可用于激光光镊[1-4]、粒子捕获[5-7]和量子信息存储等[8-10];偏振随空间变化的矢量光场可用于飞秒矢量光场微加工[11-12]、单分子探测与显微成像技术[13-15]、表面等离激元的激发[16-17]、光学微粒操纵[18-19];振幅随空间变化的艾里光场具有自愈、自加速等特性[20],使其在非线性光学[21-22]、表面等离子体光子学[23-25]、电子学[26]等领域有着广泛的应用。特殊光场具有众多新颖的特性和广泛的应用而备受研究者的关注,因此一种兼顾光束高质量、转换效率高、制作成本低、可灵活调节的光场调控方法一直是人们的研究热点。其中,基于液晶q波片产生特殊光场是一种简单、高效的方法。

      液晶q波片的传统制备采用摩擦法[27],在涂有液晶的玻璃基板表面涂覆一层聚酰亚胺取向层,用绒布在取向层表面旋转摩擦就可以制得q=1的波片。这种方法只能制备q=1的波片,但无法制备其它拓扑荷数的波片。2009年后,不同研究组通过液晶中自发产生或外加电场、光场诱导产生的拓扑缺陷获得了不同拓扑荷数的液晶指向矢分布[28-30]。2011年,CHIGRINOV实验组利用光控取向液晶结合同步旋转法制备了具有任意拓扑荷数的液晶q波片[31]。2016年, 南京大学利用自主研发的动态无掩模光刻系统制备出液晶q波片阵列[32]。这些方法的重复性差,且较为繁琐,产生的光束质量也有待提高。

      基于飞秒激光直写技术,作者所在研究组提出了一种新型液晶面外区域定向技术[33-34]。在此基础上,实现了任意图案的功能性液晶q波片的制备[35]。但是,由于飞秒系统操作复杂、加工时间长、成品率较低以及物镜孔径的限制,目前制备的液晶q波片多在平方毫米以下量级,无法实现大孔径液晶q波片的制备,从而无法实现对大面积光场的调控。因此,本文中提出了一种基于紫外掩模曝光法和液晶面外区域定向技术液晶q波片制备方法,搭建了紫外掩模曝光系统,制备了直径为2.54cm,q=1, α0=0的径向结构液晶q波片,利用该波片实现了涡旋光、矢量涡旋光的产生和转换。该方法操作简便、重复性好、成品率高、没有物镜孔径的限制,可以实现大孔径液晶q波片的批量化制备。

    • 基于飞秒激光直写的面外区域定向技术是一种新型的液晶定向技术[33-35],利用飞秒多光子光聚合技术构建由聚合物条带构成的微结构,液晶在不同的区域内可以有不同的取向。其液晶定向的锚定能来自于由单束入射飞秒光与界面反射光之间干涉而在聚合物条带的侧壁形成的周期为256nm的光栅沟槽。为解决大孔径液晶q波片的制备问题,作者选用相干性好的紫外激光作为曝光光源,搭建紫外掩模曝光系统,从而利用预先设计好的掩模板可快速、简便地制备聚合物微结构。

      作者搭建了如图 1所示的紫外掩模曝光系统。该系统包括紫外激光器(长春新产业光电技术有限公司)、电控机械快门(大恒光电)、半波片(half wave-plate, HWP)、格兰-泰勒棱镜(Glan-Taylor prism, GT)、凹透镜、凸透镜、样品夹持器。紫外激光心波长为360nm,线宽为0.1nm,与常用的高压汞灯紫外光源相比,紫外激光具有更好的相干性。机械快门由精密电子定时器控制,可以根据需要设定开关的打开时间,定时精确度可达1ms。半波片和格兰-泰勒棱镜用来调整曝光光强的强弱,凹透镜和凸透镜构成扩束系统,孔径分别为2.54cm和5.08cm,该扩束系统可将直径1.5mm的平行光束扩束为直径50mm的平行光束。在凸透镜后5cm处为样品夹持器,将掩模板和待曝光样品固定在夹持器上。样品由玻璃基底和其上旋涂的SU-8光刻胶,紫外光通过掩模板对SU-8薄膜曝光。

      Figure 1.  Diagram of ultraviolet exposure system with photomask

    • 液晶q波片的制备主要包括聚合物微结构的制作和液晶盒制作两大步骤。聚合物微结构制作流程包括:基底清洗、甩膜、前烘、曝光、后烘、显影、清洗干燥。利用紫外掩模曝光系统进行曝光制备图案化聚合物结构前需要先设计掩模板。作者设计了直径为2.54cm的径向结构掩模板,其图型结构如图 2a所示。黑色线条为透光部分,每条线线宽为2μm,相邻线条之间的最大间距小于30μm,中间空心圆直径为20μm。在距离径向结构两侧5mm的地方是两条长38mm,宽2mm的矩形条带,起到支撑和保护径向结构的作用。

      Figure 2.  a—layout of the mask b—the central part of the fabricated mask by optical microscopic image 10×

      紫外激光透过掩模板上的径向结构实现光刻胶的曝光,再经过后烘、显影、清洗干燥,可以得到径向结构的聚合物条带。当激光功率为40μW、曝光时间为510s时,可以得到如图 2b所示直立的、线条均匀的聚合物结构。将制备好的聚合物结构封装成液晶盒,并充入液晶,便可得到所需的大孔径径向结构的液晶q波片。在正交偏光显微镜(物镜放大倍数为10×)下观察,可以看到明显的十字消光现象,如图 3所示。当同时转动起偏器和检偏器时,消光位置随着仪器旋转,证明液晶分子沿径向取向。从图中也可以看到, 部分区域液晶定向不均匀,这是由于盖玻片和聚合物结构没有实现紧密接触而造成的。

      Figure 3.  Polarized-light optical microscopy images of a large-aperture liquid crystal q-wave-plates

    • 液晶q波片内的液晶分子取向排布[36]如下式所示:

      $ \alpha (r, \varphi ) = q\varphi + {\alpha _0} $

      (1)

      式中,α(r, φ)是指向矢n(x, y)与x轴的夹角,α0为指向矢与x轴的初始夹角,q为整数或半整数,被称为液晶q波片的拓扑荷数。液晶q波片上的每一点都可以看作是一个相位延迟为δ的波片,每点波片光轴方向与x轴的夹角跟此点方位角φq倍相差一个固定的角度α0

      x-y面内任意一点的液晶分子指向矢用n(x, y)=n(r, φ)=(cosα, sinα)描述。其中r, φ为极坐标下的极径和极角,α为局部任一点液晶分子指向矢与x轴的夹角。如图 4所示,当取不同的qα0的值时,会得到不同的液晶分子指向矢排布。

      Figure 4.  Director distributions of liquid crystals with different topological charges q and different initial angl

      利用琼斯矩阵把入射光和q波片表示出来,则可以计算出出射光的琼斯矩阵[37]。当入射光为左旋圆偏光时,出射光的琼斯矩阵可以由下式表示:

      $ \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{E}}_{{\rm{out}}}} = \cos \left( {\frac{\delta }{2}} \right) \times \frac{1}{{\sqrt 2 }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ { - {\rm{i}}} \end{array}} \right] + \\ \;\;\;{\rm{isin}}\left( {\frac{\delta }{2}} \right){{\rm{e}}^{ - {\rm{i}}2\alpha }} \times \frac{1}{{\sqrt 2 }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ {\rm{i}} \end{array}} \right] \end{array} $

      (2)

      式中,δ表示液晶q波片引起的相位延迟。等号右侧第1项是保留项,偏振态与入射光保持一致,仍为左旋圆偏光;另一项是转换项,将左旋圆偏光变为右旋圆偏光,并携带有螺旋相位因子e-i2α。此外,可以通过外加电场对液晶q波片的相位延迟进行调控,实现对两项占比的调制。因此,可以分别通过改变液晶分子指向矢排布和液晶q波片的相位延迟来实现对入射光偏振和相位的调控。

    • 搭建了如图 5所示的光路进行特殊光场的产生和检测。使用He-Ne激光器产生的633nm激光,经过偏振片(polarizer, P)和λ/4波片(quarter wave-plate, QWP)形成左旋圆偏光,再利用空间滤波器(spatial filter, SF)滤掉激光光束中的高频部分。通过空间滤波器针孔的发散激光经透镜准直为大孔径平行光束,照射在液晶q波片上。在液晶q波片上施加频率为1kHz的方波电压,通过调节所施加的电压大小,实现对液晶q波片相位的调节,从而产生涡旋光和矢量涡旋光。为了检测所产生特殊光的种类,在液晶q波片后放置一个检偏器,通过检偏器的光场经透镜成像在CCD上。

      Figure 5.  Setup for generating and analyzing specific light fields

      当相位延迟分别为2π, 3π/2, π, π/2时,通过对(2)式化简,可以计算出不同相位延迟下出射光的琼斯矩阵。当电压为25V时,液晶q波片的相位延迟为2π,此时出射光的琼斯矩阵如下式所示:

      $ {\mathit{\boldsymbol{E}}_{{\rm{out}}}} = - \frac{1}{{\sqrt 2 }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ { - {\rm{i}}} \end{array}} \right] $

      (3)

      出射光与入射光保持一致,为左旋圆偏光。当转动检偏器时,光斑形状与光强几乎无变化。如图 6a所示。

      Figure 6.  States of polarization, phase fronts and intensity distributions at four different phase delays

      当电压为16.8V时,液晶q波片的相位延迟为3π/2,出射光的琼斯矩阵如下式所示:

      $ {\mathit{\boldsymbol{E}}_{{\rm{out}}}} = \exp ( - {\rm{i}}\varphi )\exp ({\rm{i}}3{\rm{ \mathsf{ π} }}/4)\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos (\varphi + {\rm{ \mathsf{ π} }}/7)}\\ {\sin (\varphi + {\rm{ \mathsf{ π} }}/4)} \end{array}} \right] $

      (4)

      出射光为既具有轴对称偏振分布又具有螺旋相位分布的矢量涡旋光,用(p, φ0, l)来表示,其中p表示偏振阶数,φ0表示初始偏振角度,l表示拓扑荷数。由(4)式可知,当q波片相位延迟为3π/2时,出射(p=1, φ0=π/4, l=-1)的矢量涡旋光场。转动检偏器时,消光位置跟着一起旋转,如图 6b所示。

      当电压为10.4V时,液晶q波片的相位延迟为,由下式分析:

      $ {\mathit{\boldsymbol{E}}_{{\rm{out}}}} = {\rm{i}} \times {{\rm{e}}^{ - {\rm{i}}2\varphi }} \times \frac{1}{{\sqrt 2 }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ { - {\rm{i}}} \end{array}} \right] $

      (5)

      出射光为拓扑荷数l=-2的涡旋光。转动检偏器时,光斑始终是亮环,如图 6c所示。

      当电压为6.8V时,液晶q波片的相位延迟为π/2,出射光的琼斯矩阵如下式:

      $ \begin{array}{*{20}{c}} {{\mathit{\boldsymbol{E}}_{{\rm{out}}}} = \exp ( - {\rm{i}}\varphi ) \times }\\ {\exp ({\rm{i \mathsf{ π} }}/4)\frac{1}{{\sqrt 2 }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos (\varphi - {\rm{ \mathsf{ π} }}/4)}\\ {\sin (\varphi - {\rm{ \mathsf{ π} }}/4)} \end{array}} \right]} \end{array} $

      (6)

      出射光与第2种情况类似,是矢量涡旋光场(p=1, φ0=-π/4, l=-1)。转动检偏器时,消光位置与理论分析的偏振分布一致。如图 6d所示。

    • 通过波片组可以实现不同偏振分布的矢量涡旋光之间的转换,实验光路如图 7所示。在液晶q波片后面加入一对λ/2波片(2HWP),通过调节两个波片快轴之间的夹角θ,可实现对矢量涡旋光场空间每一点偏振方向旋转2θ。以相位延迟为3π/2矢量涡旋光为例,调节两个λ/2波片的夹角分别为22.5°和67.5°,则光波横截面上任意位置的偏振方向都分别发生了45°和135°的旋转,最终分别产生了如图 8所示的角向矢量涡旋光场(p=1, φ0=π/2, l=-1)和径向矢量涡旋光场(p=1, φ0=0, l=-1)。

      Figure 7.  Setup for conversion of different vectorial light fields by using a pair of HWP

      Figure 8.  States of polarization, phase fronts and intensity distributions at different angles between the fast axes of the two HWP

    • 自旋角动量(spin angular momentum, SAM)到轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)的转换(SAM-to-OAM conversion,STOC),其转换效率RSTOC可用来表征液晶q波片对入射光的能量利用率[38-39]。由前面分析可知,当以左旋圆偏光入射时,经过液晶q波片后的出射光可用(2)式表示。其中第1项为保留项,表示出射光仍为左旋圆偏光,第2项为转换项,表示出射光的自旋角动量发生反转变为右旋,并且携带有轨道角动量。利用如图 9a所示的光路,在液晶q波片后加入由λ/4波片(QWP)和偏振分光棱镜(polarizing beam splitter, PBS)构成的圆偏光检偏器将出射光场中的保留项和转换项分开,并用功率计分别测量它们的功率[40-43]:

      Figure 9.  a—setup for measuring STOC efficiency b—relationship between STOC efficiency and the applied voltage

      $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{P_1} = {P_0}{{\sin }^2}\left( {\frac{\delta }{2}} \right)}\\ {{P_2} = {P_0}{{\cos }^2}\left( {\frac{\delta }{2}} \right)}\\ {{R_{{\rm{STOC}}}} = \frac{{{P_1}}}{{{P_1} + {P_2}}}} \end{array}} \right. $

      (7)

      式中,P0=TPin是透过液晶q波片后的光总功率; T表示液晶q波片的透过率; Pin表示入射到液晶q波片的光功率; P1表示转换项的光功率; P2表示保留项的光功率。

      实验中调节液晶q波片两端施加的电压,测得P1, P2随电压实时变化的数据,并通过MATLAB对数据进行处理,可得如图 9b所示的P1, P2随电压的变化曲线以及STOC转换效率随电压变化曲线,该液晶q波片的STOC转换效率最高可达85%。

    • 本文中提出了一种基于紫外掩模曝光法和液晶面外区域定向技术的液晶q波片制备方法,该方法具有成本低廉、制备工艺简单、速度快等优点,可实现大孔径液晶q波片的批量化生产,有利于液晶q波片走向商业化。搭建了紫外掩模曝光系统,制备了直径为2.54cm的径向结构液晶q波片。本文中利用液晶q波片通过外加电场的调控和半波片对的引入,成功实现了涡旋光、矢量光和矢量涡旋光的产生和转换。此外,针对所需的特殊光场,推算出液晶分子的指向失分布,设计对应的掩模板,从而可快速制备出相应的液晶q波片,实现个性化定制。

参考文献 (43)

目录

    /

    返回文章
    返回