Плоский переменный жидкокристаллический дифракционный спиральный аксикон, позволяющий генерировать идеальные вихревые пучки

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2385 (2023) Цитировать эту статью

745 Доступов

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Представлен прозрачный переменный дифракционный спиральный аксикон (DSA) на основе одной ЖК-ячейки. Изготовленный DSA может переключаться между 24 различными конфигурациями: 12 сходящимися и 12 расходящимися, где выходной угол изменяется в зависимости от приложенного топологического заряда. Активная область устройства создана методом прямой лазерной записи на стеклянных подложках с покрытием из оксида индия-олова. Жидкий кристалл используется для модуляции фазы входящего луча, создавая различные конфигурации DSA. DSA состоит из 24 прозрачных спиральных электродов с индивидуальным приводом, каждый из которых обеспечивает определенное запаздывание фазы. В этой статье представлены изготовление и характеристики настраиваемого DSA, а его производительность экспериментально продемонстрирована и сравнена с соответствующими моделями.

Настраиваемые линзы без движущихся частей способны настраивать фокусное расстояние путем пространственной модуляции пути света. В литературе1,2,3,4 предложено несколько методов изменения фокуса, которые имеют широкий спектр применений, включая дисплеи5, средства связи6, телескопы7, очки8 или микроскопию9. Во всех этих случаях желательно уменьшить размер и вес, уменьшив при этом сложность традиционных линз с подвижными частями10. Широкий спектр применения адаптивных элементов вызвал растущий интерес к разработке и производству настраиваемых объективов.

Способ настройки линзы без изменения ее кривизны — использование нематического жидкого кристалла (ЖК). Когда фронт входящей волны проходит через ЖК-устройство, его фаза смещается в соответствии с ориентацией молекул ЖК в результате приложения внешнего электрического поля. Эти LC-устройства используются для производства устройств только с плоской фазой, не влияющих на другие характеристики луча11. В зависимости от распределения этого электрического поля вдоль анизотропного материала линза может быть собирающей (положительной) или рассеивающей (отрицательной)12. Было представлено множество различных ЖК-линз, таких как дырочно-кольцевые электроды13, дифракционные линзы Френеля14 и сложные многоэлектродные устройства15. Все они характеризуются ограниченным диаметром, диапазоном настройки фокусировки и/или сложностью изготовления.

Аксикон — это коническая линза, которая создает кольцевой узор из падающего коллимированного луча света. Впервые аксиконы были описаны в литературе16 как элемент, способный отображать точечный источник в ряд точек на отрезке линии вдоль оптической оси. Длина этого сегмента известна как глубина резкости (DOF).

Аксикон широко изучался благодаря множеству его применений. Поскольку аксикон может создавать кольцевые кольца, его можно использовать для улавливания частиц внутри своего изображения17,18. Можно найти и другие применения, такие как гониоскопия19, микросверление20 или томография21.

В то время как традиционные системы контролируют глубину резкости путем аподизации зрачка22, другие используют настраиваемые рефлексивные аксиконы, которые способны изменять длину глубины резкости23,24 для получения тех же результатов. Альтернативно, глубину резкости можно сделать настраиваемой, добавив дополнительную выпуклую линзу перед аксиконом. Изменение вручную расстояния между источником света и выпуклой линзой или расстояния между аксиконом и линзой приводит к изменению входного угла аксикона, что приводит к изменению выходного угла, т. е. к изменению глубины резкости25.

Недавно были представлены дифракционные аксиконы на основе жидких кристаллов26,27,28, большинство из них основаны на отражающих пространственных модуляторах света (SLM)27,28, тогда как другие основаны на специально разработанных электродах, но с ограниченной свободой настройки для адаптации идеального фазового профиля26. .

В этой работе представлен первый специально разработанный прозрачный дифракционный спиральный аксикон ЖК (DSA), способный имитировать поведение переменного дифракционного аксикона, используя только 24 электрода с полным контролем фазового профиля. Представленный выходной световой луч DSA будет нести орбитальный угловой момент (ОУМ), характеризующийся спиральным волновым фронтом. Центральная ось луча после прохождения света через устройство будет содержать все фазы в диапазоне от 0 до 2π. Таким образом, во всех трансверсальных плоскостях будет образовываться особая точка, в которой возникает деструктивная интерференция29. Таким образом, разработанное устройство по своей сути действует как генератор вихревого пучка.