渦旋波片的技術(shù)說明

渦旋波片（Vortex Retarder，VR）是基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料制成，呈現(xiàn)為三明治結(jié)構(gòu)，安裝于標(biāo)準(zhǔn)SM1透鏡套筒中。在LCP層中，液晶分子的快軸取向沿基片徑向一致，沿基片角向連續(xù)漸變。其在整個(gè)器件平面上具有相同的  λ/ 2 延遲量，為單波長器件。渦旋波片具有偏振相關(guān)的光學(xué)特性，根據(jù)入射光束偏振態(tài)的不同，可用于生成矢量偏振光束或具備螺旋相位波前的渦旋光束，可將TEM00模高斯光束轉(zhuǎn)換為“空心孔型”的拉蓋爾-高斯（Laguerre-Gaussian，LG）強(qiáng)度分布。相較于傳統(tǒng)的光場(chǎng)調(diào)控方式，渦旋波片具有高效穩(wěn)定、操作簡易、功能專一的優(yōu)勢(shì)；其真零級(jí)特點(diǎn)也幫助實(shí)現(xiàn)了較低的波長敏感性、較高的溫度穩(wěn)定性和較大的入射角范圍。渦旋波片已經(jīng)成功應(yīng)用在量子光學(xué)、光場(chǎng)調(diào)控、大氣光通信、超分辨率成像、光鑷、精密激光加工等領(lǐng)域。

外觀結(jié)構(gòu)

1. 產(chǎn)品外觀

渦旋波片基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物雙折射材料，通過光控取向工藝制成，呈現(xiàn)為“前后玻璃襯底+中間LCP功能膜層”的三明治結(jié)構(gòu)，安裝于標(biāo)準(zhǔn)SM1-8A透鏡套筒中。在SM1透鏡套筒上，標(biāo)注了產(chǎn)品的名稱、型號(hào)，并用4條刻線標(biāo)記了渦旋波片的中心點(diǎn)，同時(shí)，用1個(gè)圓點(diǎn)標(biāo)記了1處0 °快軸方向（與所處位置徑向平行的液晶分子快軸取向，僅限于m≤8的標(biāo)品型號(hào)），方便用戶在光路系統(tǒng)中快速區(qū)分產(chǎn)品參數(shù)、進(jìn)行元件調(diào)試。

渦旋波片產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

2. 快軸取向
 在渦旋波片的LCP層中，液晶分子快軸取向沿基片徑向一致，沿基片角向連續(xù)漸變，其快軸取向具體遵循：

 其中，m為渦旋波片的階數(shù)，Φ為渦旋波片上特定位置的快軸方向，φ為特定位置上徑向與零度線的夾角，θ為零度線上的快軸方向。

渦旋波片快軸取向示例，m=1、2、4、8

光學(xué)特性

1. 偏振相關(guān)的相位調(diào)制特性

當(dāng)入射光為線偏振光時(shí)，渦旋波片能夠產(chǎn)生矢量偏振光束，即光束橫截面上每一點(diǎn)的偏振方向呈現(xiàn)為非均勻分布的線偏振光束。當(dāng)使用m=1渦旋波片時(shí)，有兩種較為特殊的情況：若入射線偏振光的偏振方向平行于m=1渦旋波片的0 °快軸，則出射光束為徑向偏振光束，即光束橫截面上每一點(diǎn)的線偏振方向均與徑向平行；若入射線偏振光的偏振方向垂直于m=1渦旋波片的0 °快軸，則出射光束為角向偏振光束，即光束橫截面上每一點(diǎn)的線偏振方向均與徑向垂直。

徑向和角向偏振光束生成示意

當(dāng)入射光為圓偏振光時(shí)，渦旋波片能夠產(chǎn)生具備螺旋相位波前的渦旋光束，且出射渦旋光束的圓偏振態(tài)與入射時(shí)相反，即：當(dāng)入射光為左旋圓偏振光時(shí)，渦旋波片能夠產(chǎn)生l=m的右旋圓偏振渦旋光束；當(dāng)入射光為右旋圓偏振光時(shí)，渦旋波片能夠產(chǎn)生l=-m的左旋圓偏振渦旋光束。

渦旋光束生成示意

2. 光束能量分布轉(zhuǎn)換特性

渦旋波片可以將入射的TEM00模高斯光束轉(zhuǎn)換為“空心孔型”的拉蓋爾-高斯強(qiáng)度分布。對(duì)于不同階數(shù)m的渦旋波片，m值越小，則出射光束中心孔的尺寸越小；反之，m值越大，則出射光束中心孔的尺寸越大。

不同階數(shù)m渦旋波片的出射光強(qiáng)度分布對(duì)比

參數(shù)說明

1. 階數(shù)m

階數(shù)m即拓?fù)浜蓴?shù)。m每增加1，則渦旋波片的快軸變化增加180 °。對(duì)于不同階數(shù)m的渦旋波片：

• 在生成矢量偏振光束時(shí)，能夠得到不同的線偏振態(tài)分布——m每增加1，則矢量偏振光束的線偏振方向變化增加360 °；

• 在生成渦旋光束時(shí)，能夠得到l=±m(xù)的渦旋光；

• 當(dāng)在意出射光束的能量分布時(shí)，所選取的渦旋波片階數(shù)m越小，則光束中心孔尺寸越小。

2. 延遲量相關(guān)參數(shù)

渦旋波片，即聚合物真零級(jí)渦旋半波片，是基于其整個(gè)器件平面上雙折射LCP層的λ/2延遲量，即對(duì)尋常光o光和非常光e光的光程差調(diào)制，以及衍射光學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)其功能的。因此：

• 渦旋波片是有明確工作波長的單波長器件。當(dāng)入射光波長與器件工作波長不一時(shí)，LCP層將不再產(chǎn)生理想的λ/2光程差。從出射效果上來看，光束各點(diǎn)的偏振態(tài)會(huì)由較為理想的線偏振或圓偏振趨向于橢圓偏振；“中心孔型”強(qiáng)度分布的光束，其外圈亮環(huán)與中空部分的對(duì)比度也會(huì)有所下降；

• 為了保證預(yù)期的雙折射特性，我們將渦旋波片成品的延遲量精度及均勻性限定在±5 nm內(nèi)，例如，對(duì)于工作波長λ=532 nm的渦旋波片，其LCP層延遲量的合格標(biāo)準(zhǔn)為266±5  nm。對(duì)于m=1、2的渦旋波片，我們能夠確保其轉(zhuǎn)換效率≥99.5%（拉蓋爾-高斯光束的能量占透過光總能量之比）；

• 在非正入射條件下，渦旋波片的等效延遲量相對(duì)λ/2會(huì)出現(xiàn)一定偏差，比起膠合零級(jí)波片，“真零級(jí)”特性使得渦旋波片有著較大的入射角范圍。經(jīng)測(cè)定，入射角在±20 °以內(nèi)時(shí)，前述偏差在可允許范圍內(nèi)。

3. 快軸精度

基于部分型號(hào)渦旋波片的快軸敏感性和客戶的使用便易性考慮，我們進(jìn)行了以下幾種情況的快軸標(biāo)定：

• 對(duì)于m為奇數(shù)的渦旋波片標(biāo)品及定制產(chǎn)品，其具有快軸敏感性。我們?cè)跈C(jī)械外殼上用1個(gè)圓點(diǎn)標(biāo)記了1處0 °快軸，圓心角快軸精度為±1 °，對(duì)應(yīng)取向角快軸精度為0.5×m °，m為渦旋波片階數(shù)；

• 對(duì)于m=2的渦旋波片標(biāo)品，其液晶分子快軸取向始終平行于徑向，因此不具有快軸敏感性。我們將其快軸精度定義為液晶分子快軸取向與徑向的夾角上限，為±1 °；

• 對(duì)于m≠2且為偶數(shù)的渦旋波片標(biāo)品及定制產(chǎn)品，其不具有快軸敏感性。我們?nèi)栽跈C(jī)械外殼上用1個(gè)圓點(diǎn)標(biāo)記了1處0 °快軸，圓心角快軸精度為±1 °，對(duì)應(yīng)取向角快軸精度為0.5×m °，m為渦旋波片階數(shù)。

當(dāng)m＞10時(shí)，取向角快軸精度已增大至5 °，對(duì)客戶的使用便易性意義不大。因此，以上快軸標(biāo)定及精度限制僅限于m≤10的渦旋波片產(chǎn)品型號(hào)（包括標(biāo)品及非標(biāo)品）。

4. 中心偏移量

對(duì)于理想的渦旋波片，其液晶分子快軸取向的變化中心應(yīng)位于基片圓心處，過大的中心偏移量將不利于渦旋波片的入射光中心對(duì)準(zhǔn)，尤其是用于同軸系統(tǒng)中時(shí)。因此，我們將渦旋波片的中心偏移量限定在0.5 mm以內(nèi)。更精確的中心對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)，可以通過我們的xy位移調(diào)整架TXY1來實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于中心對(duì)準(zhǔn)：當(dāng)入射光沒有對(duì)準(zhǔn)渦旋波片中心時(shí)，其出射光的環(huán)形強(qiáng)度分布會(huì)出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱現(xiàn)象，即所謂“月牙形強(qiáng)度分布”，如下圖所示。通過觀察出射光的分布強(qiáng)度，將渦旋波片向出現(xiàn)“月牙形強(qiáng)度分布”的方向調(diào)節(jié)，即可得到較佳的中心對(duì)準(zhǔn)效果。

5. 入射光尺寸

渦旋波片入射光的尺寸上限受器件通光孔徑限制，為?21.5 mm；尺寸下限受器件中心奇點(diǎn)尺寸限制，根據(jù)不同型號(hào)渦旋波片的中心奇點(diǎn)情況，我們對(duì)入射光尺寸下限做出如下建議：

• ?0.05 mm（m≤2）；

• ?0.15 mm（m≤8）；

• ?0.3 mm（m≤32）；

• ?0.5 mm（m＞32）。

6. 損傷閾值

基于LCP材料的短波強(qiáng)吸收特性，渦旋波片的工作波長越大，其損傷閾值會(huì)有所增加。經(jīng)實(shí)測(cè)，渦旋波片的損傷閾值參考值（線功率密度）為：

• 5 W/cm（CW，@450 nm）；

• 100 W/cm（CW，@532 nm）；

• 1000 W/cm（CW，@1064 nm）。

對(duì)于皮秒、飛秒激光光源，損傷閾值參考值為：

780-1030 nm——

• 0.807J/cm^2@980nm，190fs，50kHz，?12.684μm (Single Pulse) - The damage threshold is not reached；

• 0.807J/cm^2@980nm，190fs，100Hz，?12.684μm (100 Pulses) - The damage threshold is not reached.

1053-1550 nm——

• 0.503J/cm^2@1550nm，190fs，50kHz，?11.47μm (Single Pulse) - The damage threshold is not reached；

• 0.503J/cm^2@1550nm，190fs，100Hz，?11.47μm (100 Pulses) - The damage threshold is not reached.

渦旋波片的優(yōu)勢(shì)

相較于空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM），渦旋波片：

• 平板結(jié)構(gòu)，更易集成；

• 光-光轉(zhuǎn)換，高效快速，調(diào)制穩(wěn)定；

• 不依賴復(fù)雜外部信號(hào)控制和輔助設(shè)備，操作簡單；

• 功能專一性好，對(duì)于特定需求的光場(chǎng)調(diào)控場(chǎng)景，價(jià)格更低。

相較于傳統(tǒng)螺旋相位板，渦旋波片：

• 偏振相關(guān)，攜帶偏振信息，可生成矢量偏振光束；

• 聚合物材料，真零級(jí)特性——較低的波長敏感性、較高的溫度穩(wěn)定性和較大的入射角范圍。

如何選擇渦旋波片關(guān)鍵參數(shù)

1.階數(shù)m

階數(shù)m即拓?fù)浜蓴?shù)。m每增加1，則渦旋波片的快軸變化增加180 °。對(duì)于不同階數(shù)m的渦旋波片：

• 在生成矢量偏振光束時(shí)，能夠得到不同的線偏振態(tài)分布——m每增加1，則矢量偏振光束的線偏振方向變化增加360 °；

• 在生成渦旋光束時(shí)，能夠得到l=±m(xù)的渦旋光；

• 當(dāng)在意出射光束的能量分布時(shí)，所選取的渦旋波片階數(shù)m越小，則光束中心孔尺寸和形狀越小、越圓，反之則越大、越橢。

2.工作波長λ

聚合物真零級(jí)渦旋半波片，是基于其整個(gè)器件平面上雙折射LCP層的λ/2延遲量，即對(duì)尋常光o光和非常光e光的光程差調(diào)制，以及衍射光學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)其功能的。

因此，渦旋波片是有明確工作波長的單波長器件。當(dāng)入射光波長與器件工作波長不一時(shí)，LCP層將不再產(chǎn)生理想的λ/2光程差。從出射效果上來看，光束各點(diǎn)的偏振態(tài)會(huì)由較為理想的線偏振或圓偏振趨向于橢圓偏振；“中心孔型”強(qiáng)度分布的光束，其外圈亮環(huán)與中空部分的對(duì)比度也會(huì)有所下降。

建議您選用工作波長λ與光源中心波長盡可能接近的型號(hào)。

渦旋波片的應(yīng)用案例

1. 激光加工

徑向偏振光形成的特殊聚焦光場(chǎng)具有穿透性強(qiáng)、光強(qiáng)高度集中等特殊性質(zhì)，加之其獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)，使得徑向偏振光在金屬加工等對(duì)偏振特性要求較高的場(chǎng)景下的加工效率約為圓偏振光的2倍。角向偏振光的聚焦光場(chǎng)相比于其它偏振態(tài)分布能夠獲得更高的寬深比，可以用于加工寬深比要求較高的微孔；除此之外，使用角向偏振光時(shí)，可以有效增加超快激光成絲的長度，從而提高激光精密加工的性能和效率，在玻璃切割、半導(dǎo)體加工、精密激光打孔等方面有具有明顯優(yōu)勢(shì)。

徑向偏振光與角向偏振光加工深度對(duì)比

2. 光鑷系統(tǒng)

在LG光束中，每個(gè)光子均具有軌道角動(dòng)量，且能夠通過傳遞給被照明的粒子從而引起特定粒子的旋轉(zhuǎn)。利用具有角動(dòng)量的光束與原子、 微米或納米粒子、 生物大分子間的相互作用，可以囚禁或旋轉(zhuǎn)這些粒子，實(shí)現(xiàn)所謂的“光學(xué)鑷子”或“光學(xué)扳手”功能。

基于渦旋波片的光鑷系統(tǒng)

3. 超分辨顯微成像系統(tǒng)

LG光束作為一種具有中心奇點(diǎn)的光束，可以用于超分辨顯微成像系統(tǒng)（STED）。如圖示，激發(fā)光源為TEM00模高斯光束，抑制激發(fā)光源為LG光束，其中標(biāo)注為VPP的元件可選用渦旋波片、螺旋相位板、空間光調(diào)制器等。當(dāng)激發(fā)光束與抑制激發(fā)光束同時(shí)被物鏡聚焦于成像面上，只被激發(fā)光源照射到的中心區(qū)域被激發(fā)的熒光波長為λ1，而同時(shí)被激發(fā)光束與抑制激發(fā)光束照射的環(huán)形區(qū)域所激發(fā)熒光波長為λ2?；诠鈱W(xué)衍射極限原理，激發(fā)光源光斑及抑制激光光束尺寸均滿足衍射極限，因此被激發(fā)波長為λ1的熒光中心區(qū)域小于光學(xué)衍射極限。根據(jù)共聚焦的光學(xué)結(jié)構(gòu)，兩束激發(fā)熒光同時(shí)被物鏡收集。而在APD探測(cè)器之前添加窄帶濾光片，可以保證只有波長為λ2的熒光被成像。由此實(shí)現(xiàn)該顯微鏡成像精度超過普通光學(xué)顯微鏡的衍射極限。

超分辨顯微成像系統(tǒng)示意

4. 其他應(yīng)用方向

LG光束可以作為OAM(Orbital Angular Momentum of Light)的載體，因此可以應(yīng)用到與OAM相關(guān)的領(lǐng)域，包括光操控、非線性光學(xué)、光通訊、材料加工、成像等領(lǐng)域；對(duì)于高純度的LG光束，在傳播過程中可通過透鏡整形復(fù)原復(fù)振幅分布，具有角向和徑向兩個(gè)量子數(shù)，具有最佳的光束品質(zhì)因子，傳播過程中可以保持很好的環(huán)形光強(qiáng)分布等，這些優(yōu)勢(shì)使得LG模式可以應(yīng)用到精密測(cè)量和探測(cè)領(lǐng)域；高階LG模式可以有效地減小高功率激光對(duì)鏡片產(chǎn)生的熱效應(yīng)，對(duì)于具有相同束腰w0和相同能量的LG光束而言，在相同橫截面處光斑的直徑與（2p+| l |+1）/2 成正比，因此能量密度與M2=2p+| l |+1 成正比，所以隨著l和p的增大，功率密度越來越小，鏡片產(chǎn)生的熱噪聲也越小，LG光束的這個(gè)特點(diǎn)可被應(yīng)用到引力波探測(cè)裝置LIGO系統(tǒng)上；LG光束的指數(shù)也被證明具有量子特性，因此，在量子信息領(lǐng)域，高純度的LG光束可以提高混合徑向和角向的量子關(guān)聯(lián)。