光取向液晶调控光场系列进展

近年来，特殊光场的产生和调控成为光学领域的研究热点。其中，涡旋光束、艾里光束和矢量光束被广泛关注。涡旋光束具有螺旋位相，其中心位相奇点只有在光强为零的条件下才能够满足，故光束中心总是个黑点，如果将光束投射到屏幕上会呈现涡漩状，因此也称为光涡旋；该类光束独特的螺旋型等相面导致其坡印廷矢量绕轴旋转，光束因此携带轨道角动量（OAM）。OAM赋予了对光的性质进行调控的一个全新自由度，在微操控、OAM复用光通讯、量子计算和量子信息领域、以及天文观测等方面都有着广阔的应用前景。艾里光束可由平面波经立方位相调制生成，其显示出独特的无衍射、自加速和自愈的特性，在空间高能武器、微操纵、微加工和生物观测等领域都有广泛的应用前景。而矢量光束的特征是其偏振态在光束截面上呈现特殊分布。其中一类具有径向高对称性偏振分布的光场具有高数值孔径的聚焦特性，可用于超高分辨率的成像和对微粒及生物分子的精细操控。此外，该类光束在微纳光学、激光加工、非线性光学和太赫兹技术领域都有着广泛的应用。

科研人员已开发出一系列技术用于上述特殊光场的产生，然而传统技术在效率和灵活性方面都受到很大的限制。针对这一问题，南京大学陆延青教授与胡伟副教授带领研究团队创造性的将Pancharatnam-Berryphase (PB位相)的概念引入叉形光栅和艾里模版等元件的设计，并利用自主开发的动态曝光系统，配合偏振敏感的光配向剂，采用分步层叠曝光和同步偏振控制结合的独特工艺，实现了系列偏振衍射光学元件的制备。不同于传统的位相概念，PB位相是和偏振紧密关联的。同样是从左旋圆偏振变换到右旋圆偏振，在庞加莱球上走过不同的经线（经历不同的偏振变化过程），将会引入不同的位相延迟量。上述偏振态改变可通过引入半波片来实现，不同路径则对应到不同的半波片光轴指向方向。这样，通过设计半波片不同位置的光轴指向，则可以引入特定变化的PB位相（位相延迟量为光轴角度的二倍）。利用这类方案设计制备的偏振衍射元件具有圆偏振选择特性，理论上单个衍射级的效率高达100%。

光取向技术适于液晶的高分辨多畴取向。利用研究组开发的动态掩模光取向技术，将目标光轴排列以线偏振信息的形式写入光取向层，进而引导液晶微区取向，可以完美地实施空间光轴渐变的液晶半波片的制备。基于此制备的偏振叉形光栅，在将入射圆偏振反向的同时让光束携带上OAM。该类元件可将入射的单一圆偏振光全部转化为目标光束，实测的转化效率高达99%。改变入射偏振可连续调节正负一级涡旋光的能量分布。此外，由于设备的制备弹性，我们可以制备任意偏振叉形光栅，并高效产生和实时重构了各类（整数阶、高阶LG模和分数阶）涡旋光。【"Generation of arbitrary vector beams with liquid crystal polarization converters and vector-photoaligned q-plates" Photonics Research 2015, 3(4), 133-139.】

基于动态光取向系统制备的元件产生的涡旋光束、艾里光束和矢量光束

除了线性的PB位相调制，该技术同样适用于非线性的PB位相调制。我们引入了立方PB位相制备偏振艾里模板。由于制备工艺的精度高和液晶分子的连续性好，该类偏振艾里模板可以产生高品质的艾里光束，且其双臂能量分布可以通过入射偏振进行连续调控。因为没有ITO等吸收光的材料，激光损伤阈值大幅提升。我们对其光损伤特性的初步研究显示，0.5 J/cm²的脉冲激光长时间曝光（600 pulses @ 0.5 J/cm², 1064 nm, 10 ns, 1 Hz），样品未产生任何可观测的损伤。【"Polarization-controllable Airy beams generated via a photoaligned director-variant liquid crystal mask" Sci. Rep. 2015, 5:17484.】上述基于PB位相的液晶偏振衍射元件实现了对涡旋光束、艾里光束等复杂光场的高效产生、动态变换和快速调控，且在短脉冲强光调制方面有着重要应用前景。

通过对液晶盒一面均匀取向，另一面图形化取向，我们制备了特殊的扭曲向列相液晶盒。该类元件可用作偏振转换器，当线偏振光沿着均匀取向一侧的液晶光轴入射，出射偏振因偏振导波效应将跟随另一侧取向方向而形成特定的矢量光束。利用该技术，我们可以产生任意的矢量光束。进一步的，我们利用该类偏振转换器做矢量曝光，一步曝光即可实现偏振光学元件的取向控制。这大大简化了器件制备的工艺流程，适用于元件的大批量生产，为技术的实用化探索迈出了关键一步。【"Arbitrary and reconfigurable optical vortex generation: a high-efficiency technique using director-varying liquid crystal fork gratings" Appl. Phys. Lett. 2015, 107(24), 241102.】

论文第一作者分别是2012级“英才计划”博士生魏冰妍同学(SR)和2014级直博生陈鹏同学(PR & APL)，胡伟副教授和陆延青教授为共同通讯作者，南京大学与香港科技大学合作完成。本系列研究得到了国家自然科学基金、教育部博士点基金及高等学校基本科研业务费的支持。