LBTEK 消色差涡旋波片——技术说明

一、概述

LBTEK 消色差涡旋波片（Achromatic Vortex Retarder，AVR）采用N-BK7玻璃基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料，由三层液晶聚合物涡旋波片以一定角度设计组合而成，单层涡旋波片液晶分子快轴取向沿基片径向一致、角向连续渐变，分别具有λ/2延迟量；三层涡旋波片按照设计角度叠加构成消色差涡旋波片的整体快轴取向及其整体λ/2延迟量。

与涡旋波片一样，消色差涡旋波片具有偏振相关的光学特性，在设计宽谱波段内，根据入射光束偏振态的不同，可用于生成矢量偏振光束或具备螺旋相位波前的涡旋光束，可将TEM00模高斯光束转换为“空心孔型”强度分布光束。相较于传统的光场调控方式，涡旋波片具有高效稳定、操作简易、功能专一的优势；而相较于单波长的涡旋波片，消色差涡旋波片不限制于特定工作波长，宽谱光源适用。消色差涡旋波片在激光加工、粒子操控与捕获、光通信、超分辨显微成像系统等多个应用方向上，均有良好的应用前景。

二、外观结构

1. 产品外观

LBTEK 消色差涡旋波片基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物双折射材料，通过光控取向工艺制成，呈现为“3层玻璃衬底+3层LCP功能膜层”的多层叠加结构，光学元件带有D型切边设计，用于辅助贴合对位。消色差涡旋波片安装于标准SM1透镜套筒中，套筒表面标注了产品的型号及名称，并用4条刻线标记了涡旋波片的中心点，方便用户在光路系统中快速区分产品参数、进行元件调试。

图1 消色差涡旋波片外观结构

2. 快轴分布

在涡旋波片的LCP层中，液晶分子快轴取向沿基片径向一致，沿基片角向连续渐变，其快轴取向具体遵循：

其中，m为涡旋波片的阶数，Φ为涡旋波片上特定位置的快轴方向，φ为特定位置上径向与零度线的夹角，θ为零度线上的快轴方向。

消色差涡旋波片由3层涡旋波片叠加而成，其等效快轴也遵循上述公式，分布与涡旋波片一致。

图2 消色差涡旋波片等效快轴分布示例，m=1、2

三、光学特性

1. 偏振相关的宽谱相位调制特性

• 在设计波段内，当入射光为线偏振光时，消色差涡旋波片能够产生矢量偏振光束，即光束横截面上每一点的偏振方向呈现为非均匀分布的线偏振光束。当使用m=1消色差涡旋波片时，有两种较为特殊的情况：若入射线偏振光的偏振方向平行于m=1消色差涡旋波片的0 °快轴，则出射光束为径向偏振光束，即光束横截面上每一点的线偏振方向均与径向平行；若入射线偏振光的偏振方向垂直于m=1消色差涡旋波片的0 °快轴，则出射光束为角向偏振光束，即光束横截面上每一点的线偏振方向均与径向垂直。

图3 径向和角向偏振光束生成示意

• 当入射光为圆偏振光时，消色差涡旋波片能够产生具备螺旋相位波前的涡旋光束，且出射涡旋光束的圆偏振态与入射时相反，即：当入射光为左旋圆偏振光时，消色差涡旋波片能够产生l=m的右旋圆偏振涡旋光束；当入射光为右旋圆偏振光时，消色差涡旋波片能够产生l=-m的左旋圆偏振涡旋光束。

图4 涡旋光束生成示意

2.光束能量分布转换特性

LBTEK 消色差涡旋波片可以将设计波段内入射的单波长TEM00模高斯光束转换为“空心孔型”强度分布光束。对于不同阶数m的消色差涡旋波片，m值越小，则出射光束中心孔的尺寸越小；反之，m值越大，则出射光束中心孔的尺寸越大。当前LBTEK 消色差涡旋波片标准品为m=1规格，其它阶数的定制需求请咨询LBTEK 技术支持。

图5 不同阶数m的消色差涡旋波片出射光强度分布对比

四、参数说明

1. 阶数m

阶数m即拓扑荷数。m每增加1，则消色差涡旋波片的快轴变化增加180 °。对于不同阶数m的消色差涡旋波片：

• 在生成矢量偏振光束时，能够得到不同的线偏振态分布——m每增加1，则矢量偏振光束的线偏振方向变化增加360 °；
• 在生成涡旋光束时，能够得到l=±m的涡旋光；
• 当在意出射光束的能量分布时，所选取的消色差涡旋波片阶数m越小，则光束中心孔尺寸越小。

2. 中心偏移量

对于理想的消色差涡旋波片，其快轴角度的变化中心应位于基片圆心处，过大的中心偏移量将不利于消色差涡旋波片的入射光中心对准，尤其是用于同轴系统中时。因此，我们将消色差涡旋波片的中心偏移量限定在0.5 mm以内。更精确的中心对准调节，可以通过我们的xy位移调整架TXY1来实现。

关于中心对准：当入射光没有对准消色差涡旋波片中心时，其出射光的环形强度分布会出现明显的不对称现象，即所谓“月牙形强度分布”，如下图所示。通过观察出射光的分布强度，将消色差涡旋波片向出现“月牙形强度分布”的方向调节，即可得到较佳的中心对准效果。

图6 入射光未对准消色差涡旋波片中心时，出射光的能量分布

3. 中心错位误差

消色差涡旋波片由3片涡旋波片以一定角度对准贴合而成，理想情况下3片涡旋波片中心完美对准，但因存在贴合误差，所以会产生3片之间的中心错位。依据目前的工艺精度，消色差涡旋波片的中心错位误差定在50 μm以内。

4. 可见度

可见度参数可用作消色差涡旋波片的消色差效果表征。

将消色差涡旋波片置于两正交偏振片之间，入射宽谱光起偏为线偏振光，出射宽谱矢量偏振光经过检偏后会产生消光现象。在消光光斑不同半径处的一个圆周上，选取未消光处某点的最大光强值为I_max，选取消光处某点的最小光强值为I_min。则可见度的计算方式为：

对于消光光斑不同半径处的圆周，以及对于白光和不同的单波长，会有不同的可见度值。以半径为自变量得到的若干可见度值构成了可见度曲线。若设计波段内不同单波长光的可见度曲线基本一致，则说明产品的消色差效果较好。

图7 AVR1-VIS的不同波长出射光经检偏后的强度图像

（不同灰度为白光光源的不同波长分量；可见度数据及曲线请见“曲线”页Visibility of AVR1-VIS）

LBTEK 消色差涡旋波片——应用案例

1. 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。消色差涡旋波片可减少对光源的要求，实现宽谱光源生成涡旋光束。

图1 LBTEK基于涡旋波片的光镊系统

2. 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的元件可选用消色差涡旋波片，其对波长不敏感，可实现多波长应用而不用更换器件。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2 超分辨显微成像系统示意

引自：Fortenberry, Rance, et al. "Thin-Film Optical Filters for Phase Control Applications." PHOTONICS SPECTRA 49.12 (2015): 47-50.

3. 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 成反比，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 消色差涡旋波片——定制能力

LBTEK 消色差涡旋波片除现有标准产品外，另提供各项参数规格的灵活定制：

若您需要的参数不在上表覆盖范围内，欢迎联系LBTEK 技术支持详询！