LBTEK 涡旋波片阵列——技术说明

一、概述

LBTEK 涡旋波片阵列（Vortex Retarder Array，VRA）基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料制成，将m=1-9的涡旋波片单元以分体或一体的形式组合为3×3的阵列，安装于标准SM1透镜套筒或特殊定制的机械夹具中。

根据入射光束偏振态的不同，可用于生成l=±1-9的涡旋光束阵列或多种矢量偏振光束阵列。

相较于单片涡旋波片，涡旋波片阵列具有较高的集成度，更易用于涡旋光束阵列相关的应用；同时保留了平板光学元件高效稳定、操作简易的优势；其真零级特点也帮助实现了较低的波长敏感性、较高的温度稳定性和较大的入射角范围。

二、外观结构

LBTEK 分体式涡旋波片阵列将m=1-9的半英寸涡旋波片安装于特殊设计的夹具中，呈现为3×3的分体式方形阵列分布，相邻涡旋波片单元之间的中心距离为15 mm。按照左至右、从上至下的分布顺序，涡旋波片的阶数m依次为1-9。在每个涡旋波片上方均标注了其阶数m，并在机械外壳最下方标记有产品型号。

图1 LBTEK 分体式涡旋波片阵列外观图

LBTEK 一体式涡旋波片阵列将m=1-9、单元尺寸为5×5 mm的涡旋波片集成于1英寸基片之上，整体通光孔径为15×15 mm。按照左至右、从上至下的分布顺序，涡旋波片的阶数m依次为1-9。在1英寸的机械套筒上标注有产品型号，并用刻线和圆点作为标识帮助区分各阶涡旋波片单元的位置，具体为：带有刻线+圆点标记和仅带有刻线标记的两处分别为m=1和m=9的涡旋波片单元，且在m=1的涡旋波片单元处，由刻线旋转至圆点的方向，为阶数m呈1、2、3依次增大的方向。

图2 LBTEK 一体式涡旋波片阵列外观示意图

三、光学特性及参数说明

参见LBTEK 涡旋波片——技术说明中的光学特性及参数说明部分。

LBTEK 涡旋波片阵列——应用案例

1. 激光加工

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，加之其独特的空间结构，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。角向偏振光的聚焦光场相比于其它偏振态分布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1 径向偏振光与角向偏振光加工深度对比

2. 光镊系统

在LG光束中，每个光子均具有轨道角动量，且能够通过传递给被照明的粒子从而引起特定粒子的旋转。利用具有角动量的光束与原子、 微米或纳米粒子、 生物大分子间的相互作用，可以囚禁或旋转这些粒子，实现所谓的“光学镊子”或“光学扳手”功能。

图2 LBTEK基于涡旋波片的光镊系统

3. 超分辨显微成像系统

LG光束作为一种具有中心奇点的光束，可以用于超分辨显微成像系统（STED）。如图示，激发光源为TEM00模高斯光束，抑制激发光源为LG光束，其中标注为VPP的元件可选用涡旋波片、螺旋相位板、空间光调制器等。当激发光束与抑制激发光束同时被物镜聚焦于成像面上，只被激发光源照射到的中心区域被激发的荧光波长为λ1，而同时被激发光束与抑制激发光束照射的环形区域所激发荧光波长为λ2。基于光学衍射极限原理，激发光源光斑及抑制激光光束尺寸均满足衍射极限，因此被激发波长为λ1的荧光中心区域小于光学衍射极限。根据共聚焦的光学结构，两束激发荧光同时被物镜收集。而在APD探测器之前添加窄带滤光片，可以保证只有波长为λ2的荧光被成像。由此实现该显微镜成像精度超过普通光学显微镜的衍射极限。

图3 超分辨显微成像系统示意

4. 其他应用方向

LG光束可以作为OAM(Orbital Angular Momentum of Light)的载体，因此可以应用到与OAM相关的领域，包括光操控、非线性光学、光通讯、材料加工、成像等领域；对于高纯度的LG光束，在传播过程中可通过透镜整形复原复振幅分布，具有角向和径向两个量子数，具有最佳的光束品质因子，传播过程中可以保持很好的环形光强分布等，这些优势使得LG模式可以应用到精密测量和探测领域；高阶LG模式可以有效地减小高功率激光对镜片产生的热效应，对于具有相同束腰w0和相同能量的LG光束而言，在相同横截面处光斑的直径与（2p+| l |+1）/2 成正比，因此能量密度与M2=2p+| l |+1 成正比，所以随着l和p的增大，功率密度越来越小，镜片产生的热噪声也越小，LG光束的这个特点可被应用到引力波探测装置LIGO系统上；LG光束的指数也被证明具有量子特性，因此，在量子信息领域，高纯度的LG光束可以提高混合径向和角向的量子关联。

LBTEK 涡旋波片阵列——定制能力

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