Главная / Библиотека / Спиральные фазовые пластины для генерации вихревых пучков

Спиральные фазовые пластины для генерации вихревых пучков

Спиральные фазовые пластины для генерации вихревых пучков

Общее описание

Спиральные фазовые пластинки – это жидкокристаллические оптические компоненты, с помощью которых лазерные пучки преобразуются в вихревые пучки, обладающие орбитальным угловым моментом. Также подобные элементы могут быть использованы для формирования радиально поляризованного света. Спиральные фазовые пластинки исключительно прозрачны, потому передача света происходит без потерь на рассеяние и дифракцию (присутствует лишь малое поглощение материалом). Однородное линейно поляризованное излучение преобразуется в радиально поляризованное либо азимутально поляризованное: достаточно разместить фазовую пластинку в траектории пучка. Другие состояния поляризации достигаются путем комбинации пластины с дополнительной четвертьволновой пластиной.
Благодаря своим свойствам, спиральные пластины позволяют осуществлять:

  • Мгновенное преобразование распределения поляризации
  • Генерацию орбитального момента (рис. 1)
  • Генерацию радиального и азимутального пространственного распределения поляризации (рис. 2)

Пластины работают с диапазоном излучения с длиной волны 400 - 1500 нм и совместимы со всеми типами современных лазерных источников, включая фемтосекундные лазеры.

HelicalWaveOrbitalMomentum

Рисунок 1. Преобразование плоской волны с циркулярной поляризацией в вихревой пучок со спиральным волновым фронтом

qplateRadialPol

Рисунок 2. Преобразование линейно поляризованного пучка в пучок с радиальной поляризацией

 

Орбитальный угловой момент

На рис. 1 отражено одно из возможных приложений спиральной фазовой пластины: преобразование плоской волны с круговой поляризацией в вихревой пучок (пучок с неопределенной фазой в центре). В вихревом пучке, вид которого также приведен на рис.1, создается орбитальный момент. Замедление, вносимое фазовой пластиной производства компании ARCoptix, контролируется напряжением смещения от источника переменного тока и регулируется в зависимости от требуемого значения в диапазоне 50 - 1500 нм. В качестве дополнительной функции с помощью той же фазовой пластины орбитальный импульс может «включаться» и «выключаться» в течение 100 мс.

Радиальная и азимутальная поляризация
Как и все преобразователи поляризации ARCoptix, спиральные пластины с топологическим зарядом q = 0.5 позволяют получать пучки, обладающие  азимутальноым или радиальным распределением поляризации (в зависимости от состояния поляризации входного пучка). Рабочий диапазон излучения одной и той же фазовой пластины можно перестраивать, прикладывая напряжения смещения от источника переменного тока (0 – 5 В).

Спиральная фаза

Спиральные фазовые пластины великолепно работают с обыкновенными Гауссовыми пучками. Чтобы убедиться в этом, для одного из исследований была собрана экспериментальная установка, состоящая из интерферометра Маха-Цендера и ПЗС-матрицы для записи интерференционной картины на выходе спиральной пластины. Отклонение двух пучков внутри интерферометра позволяет получить картину из интерференционных полос с некоторым периодом. Спиральная фазовая пластина (смещение в половину волны) вызывает дислокацию фазы (см. рис. 3). Далее, замедление фазы калибруется и откалиброванное распространяется по всей волне с помощью приложенного напряжения смещения. Дислокация устраняется (см. рис. 4).

dislocation spiral phase                                   fork ordre1,5 dispapear2.3V

                                           Рисунок 3. Наблюдение фазовой дислокации        Рисунок 4. Отсутствие фазовой дислокации                                                                                

Спиральные фазовые пластины не вносят скачков фазы в центре апертуры, благодаря чему качество пучка на выходе высокое. Для лучшей эффективности диаметр пучка должен составлять как минимум 5 мм, меньшие диаметры (2 - 3 мм) менее устойчивы к производственным дефектам узлов кристаллической структуры.

Принцип работы

Спиральная пластина – это нематические жидкие кристаллы, заключенные между парой взаимно-ориентированных полимерных подложек. Локальное выравнивание жидкого кристалла может варьироваться и уточняется при производстве дополнительно. Направление выравнивания, обозначенное на полимерном слое во время полимеризации, параллельно поляризации УФ-излучения. Таким образом, калибруя входную поляризацию УФ-света можно получать разные результаты локального выравнивания оптической оси жидких кристаллов. На рис. 5 проиллюстрирована возможная схема локального выравнивания спиральной пластины.

UVAlignmentPattern
Рисунок 5. Выравнивание жидких кристаллов в спиральной фазовой пластине с топологическим зарядом q = 1

Так, меняя скорость вращения маски и поляризатора, можно добиться симметричной круговой поляризации жидких кристаллов.

Локальное выравнивание жидких кристаллов (оптической оси) с помощью УФ-излучения – полностью непрерывный процесс, в котором нет шага выравнивания, а потому поляризованные структуры имеют не имеют резких скачков.

Следует указать, что те же самые методы фотоцентрирования позволили бы создать, пожалуй, приборы для преобразования любого распределения поляризации.

На данный момент команда ARCoptix сосредоточила свои усилия в области сингулярной оптики на создании приборов для симметричного распределения круговой поляризации. Основной упор был сделан на простоту установки и скорость получения результата: просто помещая спиральную пластину в оптический путь пучка, можно получать векторные вихревые пучки с различными топологическими зарядами.

Уменьшение размеров пятна фокусировки

Как и все преобразователи поляризации ARCoptix, спиральные пластины позволяют получать пятна фокусировки меньших размеров в зависимости от топологического заряда пучка (определяется в процессе производства спиральной пластины). Свойства таких пучков используются во многих приложениях. 

При сочетании преобразователя поляризации с поляризатором, прибор превращается в «детектор направления поляризации». Наблюдение в таком детекторе темного сегмента будет означать, что входная поляризация линейна. Ориентация темного сегмента дает направление поляризации.

Также с помощью такого прибора проводится исследование материалов, обладающим двулучепреломлением. При размещении материала с двулучепреломлением между двумя детекторами (двумя поляризаторами с двумя поляризационными преобразователями) можно анализировать свойства двулучепреломления образца, характерные цвета помех и главную ось. При этом ни образец, ни поляризаторы не требуется вращать.

Применение спирального волнового фронта

Спиральная пластина позволяет получать пучки со спиральным волновым фронтом или орбитальным моментом. Такие пучки используются для манипулирования частицами, а также в телекоммуникациях.

Лазерная резка

Направление поляризации лазерного пучка - важный параметр в лазерной резке, поскольку скорость разрезания p-поляризованным лазерным излучением более, чем в два раза выше скорости обработки поверхности s-поляризованным лазерным излучением. Поэтому большинство лазеров, применяемых при резке, обладает излучением с круговой поляризацией, таким способом достигается средняя скорость разрезания вне зависимости от направления.

Однако радиально поляризованный свет может значительно увеличить скорость лазерной резки за счет пространственного распределения поляризации. Поляризационный преобразователь ARCoptix выдерживает достаточно высокие плотности мощности (порядка 500 Вт/см²).

Микроскопия

Фокусировка вихревых пучков с различными топологическими зарядами открывает множество возможностей для микроскопии на основе подавления спонтанного испускания, двухфотонной микроскопии, плазмонного поверхностного резонанса: снимки получаются высококонтрастными, диапазон интенсивностей такого излучения невероятно широк.

Возможность встраивания фазовой спиральной пластины в различные системы создания пучков с разными топологическими зарядами открывает широкий спектр интересных схем и новых идей для исследований.

Последние статьи
Спектроскопические свойства дифракционных решеток

Дифракционные решетки - очень полезный и популярный инструмент в спектроскопии. Благодаря свойству преломлять свет под различными углами, можно получать монохроматические пучки от обычных источников белого cвета...

Способы визуализации терагерцовых пучков

В последние годы фундаментальные и прикладные исследования с использованием терагерцового (ТГц) излучения стали активно развивающейся междисциплинарной областью, охватывающей различные научные и технологические сферы. При проведении исследований ТГЦ излучения для формирования представлений о физических процессах, являющихся неотъемлемой частью такого излучения, немалое значение имеет необходимость получения надежной информации о спектрально-временных, энергетических и пространственных параметрах импульса ТГц излучения...

Генерация терагерцового излучения путем накачки органических кристаллов Swiss Terahertz излучением ближнего инфракрасного диапазона спектра

В последние годы терагерцовые (ТГц) технологии получили интенсивное развитие. Основной движущей силой для этого стало быстрое расширение приложений, требующих генерацию ТГц волн...

Вращатели поляризации

Вращение поляризации (или преобразователи формы поляризации) проходящего монохроматического поляризованного пучка света можно реализовать с помощью фазовых пластин на основе нематических жидких кристаллов...

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку, и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2