渦旋波片的技術說明

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，呈現為三明治結構，安裝于標準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的光學特性，根據入射光束偏振態(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模高斯光束轉換為“空心孔型”的拉蓋爾-高斯（Laguerre-Gaussian，LG）強度分布。相較于傳統的光場調控方式，渦旋波片具有高效穩(wěn)定、操作簡易、功能專一的優(yōu)勢；其真零級特點也幫助實現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。渦旋波片已經成功應用在量子光學、光場調控、大氣光通信、超分辨率成像、光鑷、精密激光加工等領域。

外觀結構

1. 產品外觀

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，呈現為“前后玻璃襯底+中間LCP功能膜層”的三明治結構，安裝于標準SM1-8A透鏡套筒中。在SM1透鏡套筒上，標注了產品的名稱、型號，并用4條刻線標記了渦旋波片的中心點，同時，用1個圓點標記了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的標品型號），方便用戶在光路系統中快速區(qū)分產品參數、進行元件調試。

渦旋波片產品結構

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，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

光學特性

1. 偏振相關的相位調制特性

當入射光為線偏振光時，渦旋波片能夠產生矢量偏振光束，即光束橫截面上每一點的偏振方向呈現為非均勻分布的線偏振光束。當使用m=1渦旋波片時，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

當入射光為圓偏振光時，渦旋波片能夠產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)與入射時相反，即：當入射光為左旋圓偏振光時，渦旋波片能夠產生l=m的右旋圓偏振渦旋光束；當入射光為右旋圓偏振光時，渦旋波片能夠產生l=-m的左旋圓偏振渦旋光束。

渦旋光束生成示意

2. 光束能量分布轉換特性

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

不同階數m渦旋波片的出射光強度分布對比

參數說明

1. 階數m

階數m即拓撲荷數。m每增加1，則渦旋波片的快軸變化增加180 °。對于不同階數m的渦旋波片：

• 在生成矢量偏振光束時，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，能夠得到l=±m(xù)的渦旋光；

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

2. 延遲量相關參數

渦旋波片，即聚合物真零級渦旋半波片，是基于其整個器件平面上雙折射LCP層的λ/2延遲量，即對尋常光o光和非常光e光的光程差調制，以及衍射光學原理來實現其功能的。因此：

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

• 為了保證預期的雙折射特性，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，例如，對于工作波長λ=532 nm的渦旋波片，其LCP層延遲量的合格標準為266±5  nm。對于m=1、2的渦旋波片，我們能夠確保其轉換效率≥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λ/2會出現一定偏差，比起膠合零級波片，“真零級”特性使得渦旋波片有著較大的入射角范圍。經測定，入射角在±20 °以內時，前述偏差在可允許范圍內。

3. 快軸精度

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

• 對于m為奇數的渦旋波片標品及定制產品，其具有快軸敏感性。我們在機械外殼上用1個圓點標記了1處0 °快軸，圓心角快軸精度為±1 °，對應取向角快軸精度為0.5×m °，m為渦旋波片階數；

• 對于m=2的渦旋波片標品，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 °；

• 對于m≠2且為偶數的渦旋波片標品及定制產品，其不具有快軸敏感性。我們仍在機械外殼上用1個圓點標記了1處0 °快軸，圓心角快軸精度為±1 °，對應取向角快軸精度為0.5×m °，m為渦旋波片階數。

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

4. 中心偏移量

對于理想的渦旋波片，其液晶分子快軸取向的變化中心應位于基片圓心處，過大的中心偏移量將不利于渦旋波片的入射光中心對準，尤其是用于同軸系統中時。因此，我們將渦旋波片的中心偏移量限定在0.5 mm以內。更精確的中心對準調節(jié)，可以通過我們的xy位移調整架TXY1來實現。

關于中心對準：當入射光沒有對準渦旋波片中心時，其出射光的環(huán)形強度分布會出現明顯的不對稱現象，即所謂“月牙形強度分布”，如下圖所示。通過觀察出射光的分布強度，將渦旋波片向出現“月牙形強度分布”的方向調節(jié)，即可得到較佳的中心對準效果。

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尺寸限制，根據不同型號渦旋波片的中心奇點情況，我們對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材料的短波強吸收特性，渦旋波片的工作波長越大，其損傷閾值會有所增加。經實測，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

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

• 平板結構，更易集成；

• 光-光轉換，高效快速，調制穩(wěn)定；

• 不依賴復雜外部信號控制和輔助設備，操作簡單；

• 功能專一性好，對于特定需求的光場調控場景，價格更低。

相較于傳統螺旋相位板，渦旋波片：

• 偏振相關，攜帶偏振信息，可生成矢量偏振光束；

• 聚合物材料，真零級特性——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鍵參數

1.階數m

階數m即拓撲荷數。m每增加1，則渦旋波片的快軸變化增加180 °。對于不同階數m的渦旋波片：

• 在生成矢量偏振光束時，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，能夠得到l=±m(xù)的渦旋光；

• 當在意出射光束的能量分布時，所選取的渦旋波片階數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

聚合物真零級渦旋半波片，是基于其整個器件平面上雙折射LCP層的λ/2延遲量，即對尋常光o光和非常光e光的光程差調制，以及衍射光學原理來實現其功能的。

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

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。

渦旋波片的應用案例

1. 激光加工

徑向偏振光形成的特殊聚焦光場具有穿透性強、光強高度集中等特殊性質，加之其獨特的空間結構，使得徑向偏振光在金屬加工等對偏振特性要求較高的場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，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、半導體加工、精密激光打孔等方面有具有明顯優(yōu)勢。

徑向偏振光與角向偏振光加工深度對比

2. 光鑷系統

在LG光束中，每個光子均具有軌道角動量，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。利用具有角動量的光束與原子、 微米或納米粒子、 生物大分子間的相互作用，可以囚禁或旋轉這些粒子，實現所謂的“光學鑷子”或“光學扳手”功能。

基于渦旋波片的光鑷系統

3. 超分辨顯微成像系統

LG光束作為一種具有中心奇點的光束，可以用于超分辨顯微成像系統（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，其中標注為VPP的元件可選用渦旋波片、螺旋相位板、空間光調制器等。當激發(fā)光束與抑制激發(fā)光束同時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)域小于光學衍射極限。根據共聚焦的光學結構，兩束激發(fā)熒光同時被物鏡收集。而在APD探測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。由此實現該顯微鏡成像精度超過普通光學顯微鏡的衍射極限。

超分辨顯微成像系統示意

4. 其他應用方向

LG光束可以作為OAM(Orbital Angular Momentum of Light)的載體，因此可以應用到與OAM相關的領域，包括光操控、非線性光學、光通訊、材料加工、成像等領域；對于高純度的LG光束，在傳播過程中可通過透鏡整形復原復振幅分布，具有角向和徑向兩個量子數，具有最佳的光束品質因子，傳播過程中可以保持很好的環(huán)形光強分布等，這些優(yōu)勢使得LG模式可以應用到精密測量和探測領域；高階LG模式可以有效地減小高功率激光對鏡片產生的熱效應，對于具有相同束腰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，鏡片產生的熱噪聲也越小，LG光束的這個特點可被應用到引力波探測裝置LIGO系統上；LG光束的指數也被證明具有量子特性，因此，在量子信息領域，高純度的LG光束可以提高混合徑向和角向的量子關聯。