涡旋波片
涡旋波片是由具备双折射特性的液晶聚合物材料(LCP)制作而成,使用自主研发的微米级激光直写技术操控液晶聚合物的排布结构,从而将不同偏振态的入射光转换成矢量偏振光束或具有轨道角动量的涡旋光束,而且该器件会将标准的TEM00模的高斯光的光强分布转换成“空心孔型”拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)光束的光强分布。基于以上特性,涡旋波片已经成功应用在量子光学、光场调控、大气光通信、超分辨率成像、光镊、精密激光加工等领域。
产品介绍

一、产品简介

涡旋波片是由具备双折射特性的液晶聚合物材料(LCP)制作而成,使用自主研发的微米级激光直写技术操控液晶聚合物的排布结构,从而将不同偏振态的入射光转换成矢量偏振光束或具有轨道角动量的涡旋光束,该器件会将标准的TEM00模的高斯光的光强分布转换成“空心孔型”拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)光束的光强分布。

图1 涡旋波片产生的拉盖尔-高斯模(Laguerre-Gaussian)的光束

LBTEK生产的涡旋波片由具有双折射特性的液晶或液晶聚合物制作。涡旋波片作为一种特殊的波片,其设计延迟量为1/2个设计波长。液晶或液晶聚合物材料的快轴在涡旋波片表面沿着轴心旋转。快轴分布可由下面公式描述:

公式中,

为涡旋波片上特定位置的快轴方向;

为涡旋波片上特定位置上处所处半径与零度线的夹角;

=0位置处的快轴方向。

通过上述公式,可以很方便的描绘出各种涡旋波片的表面快轴分布方向。图2中展示了几种涡旋波片表面的快轴排布结构,以及生成的环形光束。

图2 涡旋波片外观、表面分布和光斑图样

基于以上特性,涡旋波片已经成功应用在量子光学、光场调控、大气光通信、超分辨率成像、光镊、精密激光加工等领域。

二、产品功能及应用场景

涡旋波片可以改变入射光斑的能量分布以外,还可以基于不同的入射光偏振态,输出对应种类的特殊光束,常用的有:

2.1 入射光为线偏振态时,经涡旋波片后生成矢量偏振光束,其中存在两种特殊场景。

2.1.1入射光的偏振方向与m=1的涡旋波片0°快轴平行时,可生成径向偏振光。

图3 利用涡旋波片可以产生径向偏振光

径向偏振光形成的特殊聚焦光场具有穿透性强、光强高度集中等特殊性质,并且径向偏振光特殊的空间结构,使得径向偏振光在金属加工等对偏振特性要求较高的场景下的加工效率约为圆偏振光的2倍。

图4 径向偏振光用于金属加工

2.1.1入射光的偏振方向与m=1的涡旋波片0°快轴平行时,可生成径向偏振光。

图5 利用涡旋波片可以产生角向偏振光

在聚焦以后,相比于其它偏振态分布,角向偏振光能够获得更高的宽深比,可以用于加工宽深比要求较高的微孔。除此之外,使用角向偏振光时,可以有效增加超快激光成丝的长度,从而提高激光精密加工的性能和效率,在玻璃切割、半导体加工,精密激光打孔等方面有具有明显优势。

图6 利用涡旋波片可以产生角向偏振光

2.2当入射光为圆偏振光时,可生成具有螺旋波前的涡旋光束。

图7 利用涡旋波片可以产生涡旋光束

涡旋光束由于其独特的螺旋波前,在粒子操控与捕获(如光镊、量子操控)、光通信、加工手性结构及手性物质检测等领域有重要应用场景。

三、实物效果图

图8 产品实物图

图9 不同阶数的涡旋波片在偏振片下呈现出的结构

图10 涡旋波片产生的环形光斑的截面光强

四、涡旋波片常见使用场景及正确使用方式

涡旋波片可以改变入射光斑的能量分布以外,还可以基于不同的入射光偏振态,输出对应种类的特殊光束,常用的有:

1.涡旋波片对准

当光路中使用到涡旋波片时,需要将涡旋波片中心置于光斑中心且快轴角度与入射光斑偏振态对准之后才能正常使用。若未对准时,可能会产生下列几种问题:1.生成的环形光束不规则,有缺边;2.无法生成需要的矢量偏振光束以及涡旋光束。为了得到理想的光束,必须要配套合适的涡旋波片安装架使用。建议将LBTEK品牌XY调整架TXY1及旋转调整架CRM-1AS搭配使用。

图11 涡旋波片几种典型安装方式

使用正确的元件安装座可以方便的调整涡旋波片,保证光束从涡旋波片中心透过。比较典型的安装调试方式为使用光束质量分析仪对准。使用光束质量分析仪对准光路则相对比较简单,对准光路如图12所示:

图12 涡旋波片对准光路示意图

在使用光束质量分析仪做对准时,主要步骤如下:

第一步,先利用涡旋波片上机械外壳上的十字线,将入射光束大概调整到涡旋波片中心位置。

第二步,缓慢调整涡旋波片安装的XY调整架上的两个螺纹副。先将y轴调整到正中心的位置,然后缓慢调整x轴,从行程一端走到另一端。同时观察光束质量分析仪探测到的光斑图。当光斑靠近涡旋波片中心时,光斑形状会从标准圆形光斑开始变形。光斑形状有如下几种典型样式:

当变形为光斑1的形状时,则表明涡旋波片中心在光斑的右下角。需要调整x轴将涡旋波片向左边微调,然后y轴将涡旋波片向上提升,完成涡旋波片对准。

当变形为光斑2的形状时,则表明涡旋波片中心在光斑的左下角。需要调整x轴将涡旋波片向右边微调,然后y轴将涡旋波片向上提升,完成涡旋波片对准。

当变形为光斑3的形状时,则表明涡旋波片中心在光斑的右上角。需要调整x轴将涡旋波片向左边微调,然后y轴将涡旋波片向下降低,完成涡旋波片对准。

当变形为光斑4的形状时,则表明涡旋波片中心在光斑的左上角。需要调整x轴将涡旋波片向右边微调,然后y轴将涡旋波片向下降低,完成涡旋波片对准。

当涡旋波片对准之后,光束质量分析仪所探测到的光斑形状为:

当用户手头没有光束质量分析仪时,可以用一个扩束镜或透镜加观察板替代。对准方法与使用光束质量分析仪时基本保持保持一致。简易对准光路如图13所示:

图13 涡旋波片简易对准光路

此光路中加入透镜/扩束镜的主要是为了将透过涡旋波片的光斑放大,投射到观察板上,方便目视观察。当光源为目视不可见的红外波长时,可以用红外显色卡替代激光观察板。

2.光束分路

一种比较常见的涡旋波片使用方式是配合光分束器一起使用,将生成的环形光束一分为二,其中一束作为参考光束,一束为测试光束。具体光路如图14所示:

图14 矢量光束分束光路

为了保证经过光分束器之后两束光的偏振态分布以及光强分布保持一致。此处的光分束器只能使用非偏振光分束器,比如LBTEK的BS系列非偏振分束立方。

若用光分路器只是为了得到两束环形光束或者两束涡旋光束,则光路中可以使用偏振分束器。偏振分束器光路结构如图15所示:

图15 涡旋光束分束光路

LUBON提供多种参数定制服务,欢迎拨打 18817176549 详谈!