在光學領域近年的發(fā)展中,光場調控技術扮演了越來越重要的角色,對高斯光束的強度、偏振、相位和波前等進行調控可產(chǎn)生特種光場。其中,渦旋光束由于自身獨特的螺旋相前和所攜帶的軌道角動量,備受國內外科研工作者們的青睞,在光通信、量子信息、光學微操控、超分辨顯微成像等領域具有廣泛的應用前景。隨著太赫茲調控器件的迅速發(fā)展,對太赫茲波進行波場調控形成特殊波場也越來越受到人們的關注,其中太赫茲渦旋集成了太赫茲和軌道角動量兩者的諸多優(yōu)點,在通信、傳感、成像等領域具有很好的應用潛質。液晶具有極寬波段的光學各向異性和介電各向異性,其優(yōu)異的電光特性覆蓋可見、紅外直至太赫茲和微波波段。特定設計構筑成的液晶人工微結構,有望對光的多維度參量進行調制。本文基于不同液晶材料,采用多種方法構筑液晶微結構,實現(xiàn)了快速響應的光渦旋及其陣列的產(chǎn)生以及太赫茲渦旋的產(chǎn)生與調制。主要研究成果如下:采用渦旋光和平面波的計算全息圖—叉形光柵作為掩模板,通過光刻制備出叉形結構電極,引入聚合物穩(wěn)定藍相液晶,利用結構電極加載垂直電場局部驅動藍相液晶造成相鄰區(qū)域的相位差形成叉形光柵的位相分布,進而產(chǎn)生光渦旋。針對632.8 nm的入射波長,可在施加電壓為95 Vrms時獲得最高的±1級渦旋光束的轉換效率,約33%。通過加電和撤電實現(xiàn)渦旋光束的開關態(tài)切換,且在50V rms時測得開關時間分別為364μs和571 μs,達到亞毫秒量級。研究了不同入射偏振情況下,一級衍射效率隨所加電壓的變化情況,結果表明所制得的藍相液晶叉形光柵具有偏振無依賴特性。這是首次報道利用藍相液晶實現(xiàn)快速響應的叉形光柵,為渦旋光束的產(chǎn)生和調控提供了新的途徑。進一步結合達曼光柵的設計理念,研制出具有達曼叉形光柵結構的特殊電極,加載垂直場驅動藍相液晶產(chǎn)生了 1× 7級渦旋光束陣列,不同衍射級次分別攜帶不同拓撲荷數(shù),即不同的軌道角動量,且能量分布較接近,高階衍射渦旋光的效率顯著高于普通的叉形光柵。此外,該藍相液晶達曼叉形光柵仍然保留了亞毫秒開關響應和偏振無依賴特性。我們還針對液晶材料和加工精度的限制提出了后續(xù)優(yōu)化方案�；谒{相液晶實現(xiàn)快速響應的達曼叉形光柵可激發(fā)渦旋光束在超分辨顯微成像、光學微操控和光通訊等領域的全新應用。延伸到太赫茲波段,引入大雙折射率液晶材料,基于SD1偶氮光控取向劑,利用自主研發(fā)的數(shù)字掩模偏振曝光系統(tǒng)實現(xiàn)光軸空間連續(xù)漸變的液晶微結構,成功制備出液晶太赫茲q波片,實現(xiàn)了不同拓撲荷太赫茲渦旋的產(chǎn)生。我們還展示了其電調特性,并指出了目前技術的局限性及可行的優(yōu)化方向。這是國際上首次利用液晶實現(xiàn)太赫茲渦旋的產(chǎn)生與調制,有望推進太赫茲渦旋在通訊、傳感和成像等領域的應用。在液晶太赫茲q波片的基礎上,進一步引入偏振光柵設計,研發(fā)了液晶太赫茲叉形偏振光柵,集成了偏振光柵的偏振選擇性衍射和叉形光柵的渦旋產(chǎn)生能力。實驗驗證了太赫茲渦旋的產(chǎn)生和偏振分束,-1和+1級太赫茲渦旋與未轉化部分0級完全分離,避免了模式純化提取操作,且圓偏振正交、拓撲荷相反,可通過控制入射圓偏振實現(xiàn)動態(tài)切換。液晶太赫茲叉形偏振光柵為太赫茲渦旋的產(chǎn)生和分離提供了一種簡單實用的方法,對于開發(fā)其它液晶太赫茲調控器件也具有很好的借鑒意義。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O753.2
【部分圖文】：

ｉ不同拓撲荷的光禍旋螺旋波前、相位分布和光強分布示研宄可以最早追溯到１９世紀３０年代Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｂｉｄｄｅｌｌ光環(huán)的觀測［３］，但其本質的相位特征直到２０世紀７０ｈａｎ和Ｗｉｌｌｅｔｔｓ兩人在１９７９年研宄拉蓋爾－高斯（Ｌａｇ光束的相位分布時發(fā)現(xiàn)它在中心強度為零的位置存人在１９８１年發(fā)現(xiàn)在散斑場中存在的渦旋［５］。１９８９渦旋”這一概念來描述這種特殊光場［６］。１９９２年，Ａｌ的條件下，具有相位因子ｅｘｐ（ｉｍｐ）的禍旋光攜帶ｕｌａｒ邋ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋０ＡＭ），提供了光子邋０ＡＭ邋應用的理蓋爾－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，邋ＬＧ）光束就是一的光渦旋［７］。圖１．２展示了邋ＬＧＱ１，邋ＬＧＵ和ＬＧ２ｌ模式總結出：ＬＧ模式的強度分布存在（ｐ＋１）個同心環(huán)，

峨／邋□逡逑ｍ邋＝邋—２逡逑圖ｉ．ｉ不同拓撲荷的光禍旋螺旋波前、相位分布和光強分布示意圖１２１逡逑對光渦旋的研宄可以最早追溯到１９世紀３０年代Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｂｉｄｄｅｌｌ邋Ａｉｒｙ對透鏡焦逡逑平面處有反常光環(huán)的觀測［３］，但其本質的相位特征直到２０世紀７０年代才被人們逡逑真正認識。Ｖａｕｇｈａｎ和Ｗｉｌｌｅｔｔｓ兩人在１９７９年研宄拉蓋爾－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，逡逑ＬＧ）模式的激光束的相位分布時發(fā)現(xiàn)它在中心強度為零的位置存在一個相位奇點逡逑［４］。Ｂａｒａｎｏｖａ等人在１９８１年發(fā)現(xiàn)在散斑場中存在的渦旋［５］。１９８９年，Ｃｏｕｌｌｅｔ等逡逑人首次引入“光渦旋”這一概念來描述這種特殊光場［６］。１９９２年，Ａｌｌｅｎ等人提出并逡逑證明在近軸傳播的條件下，具有相位因子ｅｘｐ（ｉｍｐ）的禍旋光攜帶的軌道角動逡逑量（Ｏｒｂｉｔａｌ邋ａｎｇｕｌａｒ邋ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋０ＡＭ），提供了光子邋０ＡＭ邋應用的理論依據(jù)［７］。Ａｌｌｅｎ逡逑等人還說明了拉蓋爾－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，邋ＬＧ）光束就是一組具有的逡逑螺旋相位結構的光渦旋［７］。圖１．２展示了邋ＬＧＱ１

計算全息圖、Ｑ波片、液晶空間光調制器以及超表面器件和波導類器件等。逡逑螺旋相位板：螺旋相位板（ｓｐｉｒａｌ邋ｐｈａｓｅ邋ｐｌａｔｅ，邋ＳＰＰ）是一種最簡單直接的產(chǎn)生逡逑螺旋波前的方法。如圖１．４所示，螺旋相位板可以將通過的平面波變成光旋渦。逡逑位相片的光學厚度隨角向位置逐漸增大［８］，使透射光束在截面上各處的相位具有逡逑不同的改變量，變成螺旋的相位波前。１９９４年Ｂｅｒｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ等采用螺旋相位板逡逑將高斯光束變換為渦旋光束［２（）］。雖然螺旋相位板的概念簡單，但機械加工要求很逡逑高，制備困難，且只能產(chǎn)生固定的渦旋光束，難以實現(xiàn)動態(tài)調控。逡逑４逡逑

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本文編號：2827698