en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-03-68-78
УДК: 535.8
Электрически контролируемые микроструктурированные жидкокристаллические твист-элементы для фазового преобразования световых полей
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Мельникова Е.А. Электрически контролируемые микроструктурированные жидкокристаллические твист-элементы для фазового преобразования световых полей // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 3. С. 68–78. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-03-68-78
Melnikova E.A. Electrically controlled microstructured liquid-crystal twist elements for phase conversion of light fields [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 3. P. 68–78. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-03-68-78
Elena Aleksandrovna Melnikova, "Electrically controlled microstructured liquid-crystal twist elements for phase conversion of light fields," Journal of Optical Technology. 89(3), 169-175 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000169
Предмет исследования. Предложены топологии микроструктурированной фотоориентации директора нематического жидкого кристалла, использование которых в электрически управляемых жидкокристаллических элементах позволяет формировать световые пучки с заданной фазовой сингулярностью. Основные результаты. Созданы электрически управляемые азимутально ориентированные жидкокристаллические твист-элементы, позволяющие реализовать преобразование гауссовых пучков в пучки с заданным количеством фазовых сингулярностей волнового фронта. На основе методов поляризационной микроскопии и анализа распределения интенсивности в профиле пучка, а также результатов когерентного сложения преобразованного излучения с плоской волной определен рабочий диапазон напряжений, обеспечивающий возбуждение оптических сингулярных пучков. Показано, что разработанные элементы осуществляют фазовое топологическое преобразование волнового фронта циркулярно поляризованного гауссова пучка в оптические вихри независимо от длины волны в широкой оптической области спектра и не требуют точной подстройки по управляющему напряжению. Дифракционные оптические элементы на основе микроструктурированной твист-планарной ориентации директора жидкого кристалла позволили осуществить преобразование волнового фронта линейно поляризованного излучения в оптические вихри с различными топологическими зарядами. На примере дифракционного топологического элемента, позволяющего формировать оптические вихри с топологическим зарядом 4, проведено экспериментальное исследование зависимости дифракционной эффективности элемента от амплитуды управляющего напряжения. Разработанный дифракционный элемент имеет начальную дифракционную эффективность (в отсутствие напряжения на элементе) порядка 10%. Максимальная дифракционная эффективность созданных дифракционных топологических элементов достигает 30% при амплитуде управляющего напряжения несколько вольт. Увеличение амплитуды внешнего напряжения до 20 В приводит к исчезновению дифракционной структуры. На основе анализа интерференционной картины, являющейся результатом когерентного сложения сформированного элементом фазового сингулярного пучка с плоской волной, продемонстрирована устойчивость возбуждаемых оптических вихрей к значению амплитуды управляющего напряжения. Экспериментально установлено, что возбуждаемые сингулярные пучки высокого топологического заряда остаются устойчивыми при их распространении на расстояния более 3 м. Практическая значимость. Разработанные топологические электрически управляемые жидкокристаллические элементы могут работать в широкой оптической области спектра и использоваться для генерации оптических вихрей ультракороткой длительности и суперконтинуума, а также найти применение в оптических мультипинцетах и технологиях защиты ценных бумаг и документов.
cингулярные световые пучки, оптические вихри, жидкие кристаллы, твист-эффект, управляемая дифракция
Благодарность:Автор благодарит В.В. Могильного и А.А. Муравского за предоставленные фотоориентанты, а также И.И. Рушнову и О.С. Кабанову за помощь в подготовке образцов.
Работа выполнена в рамках задания «Разработка и исследование микро- и наноструктурированных анизотропных оптических элементов для фазово-поляризационного преобразования световых полей» ГПНИ Республики Беларусь «Фотоника и электроника для инноваций».
Коды OCIS: 260.6042, 160.3710, 230.3720, 220.4830
Список источников:1. Restuccia S., Giovannini D., Gibson G., Padgett M.J. Comparing the information capacity of Laguerre–Gaussian and Hermite–Gaussian modal sets in a finite-aperture system // Opt. Exp. 2016. № 24. P. 27127–27136.
2. Zhu L., Wang J. Demonstration of obstruction-free data-carrying N-fold Bessel modes multicasting from a single Gaussian mode // Opt. Lett. 2015. V. 40. № 23. P. 5463–5466.
3. Shen Y., Wang X., Xie Z., Min C.J., Fu X., Liu Q., et al. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities // Light Sci. Appl. 2019. V. 8. № 90. P. 1–29.
4. Milione G., Lavery M.P.J., Huang H., Ren Y., Xie G., Nguyen T.A., Karimi E., Marrucci L., Nolan D.A., Alfano R.R., and Willner A.E. 4×20 Gbit/s mode division multiplexing over free space using vector modes and a q-plate mode (de)multiplexer // Opt. Lett. 2015. V. 40. № 9. P. 1980–1983.
5. Zhan Q.W. Cylindrical vector beams: From mathematical concepts to applications // Advances in Optics and Photonics. 2009. P. 1–57. DOI:10.1364/AOP.1.000001
6. Wang J., Yang J.Y., Fazal I.M., Ahmed N., Yan Y., Huang H., et al. Terabit freespace data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nat. Photon. 2012. V. 6. P. 488–496.
7. Gibson G., Courtial J., Padgett M., Vasnetsov M., et al. Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum // Opt. Exp. 2004. V. 12. № 22. P. 5448–5456.
8. Djordjevic I.B. Deep-space and near-Earth optical communications by coded orbital angular momentum (OAM) modulation // Opt. Exp. 2011. V. 19. № 15. P. 14277–14289.
9. Wang J., Yang J.Y., Fazal I.M., Ahmed N., Yan Y., et al. Experimental demonstration of 100 Gbit/s DQPSK data exchange between orbital-angular-momentum modes // Proc. Optical Fiber Commun. Conf. March 4–8 2012, Los Angeles, CA, USA. Optical Society of America: Washington DC, USA. 2012. P. 665– 667.
10. Padgett M.J., Bowman R. Tweezers with a twist // Nat. Photon. 2011. V. 5. P. 343–348.
11. Toyoda K., Miyamoto K., Aoki N., Morita R., and Omatsu T. Using optical vortex to control the chirality of twisted metal nanostructures // Nano Lett. 2012. V. 12. P. 3645−3649.
12. Cheng W., Liu X.-L., and Polynkin P. Simultaneously spatially and temporally focused femtosecond vortex beams for laser micromachining // JOSA B. 2018. V. 35. № 10. DOI:10.1364/JOSAB.35.000B16
13. Hamazaki J., Morita R., Chujo K., Kobayashi Y., Tanda S., Omatsu T. Optical-vortex laser ablation // Opt. Exp. 2010. V. 18. № 3. P. 2144–2151.
14. Lavery M.P., Speirits F.C., Barnett S.M., Padgett M.J. Detection of a spinning object using light’s orbital angular momentum // Science. 2013. V. 341. P. 537–540.
15. Fang L., Padgett M.J., Wang J. Sharing a common origin between the rotational and linear Doppler effects // Laser Photon Rev. 2017. P. 1700183-1–1700183-8.
16. Jian Wang and Yize Liang Generation and detection of structured light: A review // Frontiers in Physics. 2021. V. 9. P. 688284-1–688284-16.
17. Forbes A., Dudley A., McLaren M. Creation and detection of optical modes with spatial light modulators // Adv. Opt. Photon. 2016. V. 8. № 2. P. 200–227.
18. Ma H., Haojun H., Wenke X., Xiaojun X. Study on the generation of a vortex laser beam by using phaseonly liquid crystal spatial light modulator // Opt. Eng. 2013. V. 52. № 9. P. 09172-1–09172-19.
19. Szatkowski M., Masajada J., Augustyniak I., Nowacka K. Generation of composite vortex beams by independent spatial light modulator pixel addressing // Opt. Commun. 2020. V. 463. DOI:10.1016/j.optcom.2020.125341
20. Ostrovsky A.S., Rickenstorff-Parrao C., and Arrizón V. Generation of the “perfect” optical vortex using a liquid-crystal spatial light modulator // Opt. Lett. 2013. V. 38. P. 534–536.
21. Sueda K., Miyaji G., Miyanaga N., and Nakatsuka M. Laguerre-Gaussian beam generated with a multilevel spiral phase plate for high intensity laser pulses // Opt. Exp. 2004. V. 12. № 15. P. 3548–3553.
22. Oemrawsingh S.S.R., Houwelingen J.A.W., Eliel E.R., Woerdman J.P., Verstegen E.J.K., Kloosterboer J.G., and Hooft G.W. Production and characterization of spiral phase plates for optical wavelengths // Appl. Opt. 2004. V. 43. № 3. P. 688–694.
23. Massari M., Ruffato G., Gintoli M., Ricci F., and Romanato F. Fabrication and characterization of highquality spiral phase plates for optical applications // Appl. Opt. 2015. V. 54. № 13. P. 4077–4083.
24. Nersisyan S., Tabiryan N., Steeves D.M, and Kimball B.R. Fabrication of liquid crystal polymer axial waveplates for uv-ir wavelengths // Opt. Exp. 2009. V. 17. № 14. P. 11926–11934.
25. Ling X., Luo H., Guan F., Zhou X., Luo H., and Zhou L. Vortex generation in the spin-orbit interaction of a light beam propagating inside a uniaxial medium: Origin and efficiency // Opt. Exp. V. 2020. V. 28. № 19. P. 27258–27267.
26. Marrucci L. Spin-to-orbital optical angular momentum conversion in liquid crystal “q-plates”. Classical and quantum applications // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2012. V. 561. P. 48–56.
27. Slussarenko S., Murauski An., Du Tao, Chigrinov V., Marrucci L., Santamato E. Tunable liquid crystal q-plates with arbitrary topological charge // Opt. Exp. 2011. V. 19. № 5. P. 4085–4090.
28. Wei Ji, Lee C.-H., Chen P., Hu W., Ming Y., Zhang L., Lin T.H., Chigrinov V. & Lu Y.-Q. Meta-q-plate for complex beam shaping // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 25528-1–25528-7.
29. Liu Y.J., Sun X.W., Luo D., and Raszewski Z. Generating electrically tunable optical vortices by a liquid crystal cell with patterned electrode // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. № 10. P. 101114-1–101114-3.
30. Rafayelyan M. and Brasselet E. Bragg-Berry mirrors: Reflective broadband // Opt. Lett. 2016. V. 41. № 7. P. 3972–3975.
31. Kobashi J., Yoshidaand H., Ozaki M. Broadband optical vortex generation from patterned // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2017. V. 646. № 1. P. 116–124.
32. Lee D., Lee H., Migara L.K., Kwak K., Panov V.P., and Song J.-K. Widely tunable optical vortex array generator based on grid patterned liquid crystal cell // Adv. Opt. Mater. 2020. P. 2001604-1–2001604-10.
33. Ge S.-J., Ji W., Cui G.-X., Wei B.-Y., Hu W., and Lu Y.-Q. Fast switchable optical vortex generator based on blue phase liquid crystal fork grating // Opt. Mater. Exp. 2014. V. 4. № 12. P. 2535–2541.
34. Ge S.-J., Chen P., Ma L.-L., Liu Z., Zheng Z.-G., Shen D., Hu W., and Lu Y.-Q. Optical array generator based on blue phase liquid crystal Dammann grating // Opt. Mater. Exp. 2016. V. 6. № 4. P. 1087–1092.
35. Казак А.А., Мельникова Е.А., Толстик А.Л., Могильный В.В., Станкевич А.И. Управляемые дифракционные жидко-кристаллические структуры на основе полимерного фотоориентанта // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. Вып. 20. С. 1–7.
36. Казак А.А., Толстик А.Л., Мельникова Е.А. Управление световыми полями с помощью дифракционных жидкокристаллических элементов // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 7. C. 72–74.
37. Kazak A.A., Tolstik A.L., Melnikova E.A., Komar A.A. Operation with laser radiation by using of liquid crystal elements // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2013. V. 16. № 3. P. 302–308.
38. Chen P., Wei B.-Y., Ji W., Ge S.-J., Hu W., Xu F., Chigrinov V.R., and Lu Yan-Q. Arbitrary and reconfigurable optical vortex generation: A high-efficiency technique using director-varying liquid crystal fork gratings // Photonics Research. 2015. V. 3. № 4. P. 133–139.
39. Ji W., Wei B.-Y., Chen P., Hu W. & Lu Y.-Q. Optical field control via liquid crystal photoalignment // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2017. V. 644. P. 3–11.
40. Томилин М.Г., Невская Г.Е. Фотоника жидких кристаллов. Спб.: изд. Политехн. ун-та, 2011. 741 с.
41. Mikulich V.S., Murauski An.A., Muravsky Al.A., Agabekov V.E. Influence of methyl substituents on azodye photoalignment in thin films // Appl. Spectr. 2016. V. 83. № 1. P. 115–120.
42. Mahilny U., Trofimova A., Stankevich A., Tolstik A., Murauski A., Muravsky A. New photocrosslinking polymeric materials for liquid crystal photoalignment // Nonlinear phenomena in complex systems. 2013. V. 16. № 1. P. 79–85.
43. Кабанова О.С., Рушнова И.И., Мельникова Е.А., Толстик А.Л., Муравский Ал.А., Муравский Ан.А., Хайнцманн Р. Двумерная дифракционная оптическая структура на основе текстурированной фотоориентации полимеризуемого жидкого кристалла // Журнал Белорусского государственного университета. Физика. 2019. № 3. С. 4–11.
44. Melnikova Е.А., Tolstik A.L., Rushnova I.I., Kabanova O.S., Muravsky A.A. Electrically controlled spatialpolarization switch based on patterned photoalignment of nematic liquid crystals // Appl. Opt. 2016. V. 55. № 23. P. 6491–6495.
45. Węgłowskia R., Kozanecka-Szmigielb A., Pieceka W., Konieczkowskac J., Schab-Balcerzak E. Electrooptically tunable diffraction grating with photoaligned liquid crystals // Opt. C ommun. 2017. V. 400. P. 144–149.
46. Mauguin C.V. Sur les cristaux liquides de Lehman // Bull. Soc. Fr. Miner. 1911. V. 34. P. 71–117.
47. Soskin M.S., Gorshkow V.N., Vasnetsov M.V., Malos J.T., and Heckenberg N.R. Topological charge and angular momentum of light beams carrying optical vortices // Phys. Rev. 1997. A5. V. 56. № 5. P. 4064–4075.
48. Ando T., Matsumoto N., Ohtake Y., Takiguchi Y., and Inoue T. Structure of optical singularities in coaxial superpositions of Laguerre-Gaussian modes // JOSA. 2010. A27. V. 27. № 12. P. 2602–2612.