涡旋波片基本特性

涡旋波片做为一种新型光学器件，正在光学领域内受到越来越多研究人员的青睐。但很多人还是对涡旋波片的表面结构及透射光束特性不太了解。本文主要介绍了何为涡旋波片，涡旋波片的作用，以及涡旋波片生成光束的各种特性。

一. 何为涡旋波片

涡旋波片是一种可以生成矢量偏振光束和涡旋光束的光学元件。涡旋波片可以通过使用液晶、液晶聚合物配合先进的光配相技术实现。涡旋波片生成的特殊光束在量子光学、光场调控、超分辨率成像、光束捕捉、激光加工等领域具有良好的应用前景。

LBTEK生产的涡旋波片由具有双折射特性的液晶或液晶聚合物制作。涡旋波片作为一种特殊的波片，其设计延迟量为1/2个设计波长。液晶或液晶聚合物材料的快轴在涡旋波片表面沿着轴心旋转。快轴分布可由下面公式描述：

 (1)

公式中，为涡旋波片上特定位置的快轴方向；φ为涡旋波片上特定位置上所处半径与零度线的夹角；是φ=0位置处的快轴方向。

通过上述公式，可以很方便的描绘出各种涡旋波片的表面快轴分布方向。图1中展示了几种涡旋波片表面快轴排布结构，以及生成的环形光束。

二. 涡旋波片作用

涡旋波片作为一种特殊的光学元件，可以将入射的TEM00的高斯光束转变成环形光束，并且可以生成两种特殊光束：

1、矢量偏振光束

当入射光为线性偏振光时，涡旋波片会将出射光转变为矢量偏振光束。使用LBTEK标准的m=1标准涡旋波片，可以生成两种特殊矢量偏振光束：角向偏振和径向偏振光束。其中：

当入射光的偏振方向与涡旋波片0°快轴角度平行时，出射光为径向偏振光。

图2，线性偏振光经过涡旋波片之后生成径向偏振光，且光束仍然保持为平面波。

当出射光的偏振方向与涡旋波片0°快轴角度垂直时，出射光为角向偏振光。

图3，线性偏振光经过涡旋波片之后生成角向偏振光，且光束仍然保持为平面波。

当入射光的偏振方向与涡旋波片0°快轴角度呈一定角度时，则出射的矢量偏振光介于径向与角向偏振之间。除表现出的矢量偏振态之外，光束的结构为环形，中心为暗斑。

2、涡旋光束

当入射光为圆偏振光时，涡旋波片可以将入射的平面波转变为涡旋波前。如图4所示，并且光束转变为相反的偏振态。例如：

3、当入射光为左旋圆偏振光时，出射光束为=-1的右旋涡旋光束，并且光束偏振态转变为右旋圆偏振光。

4、当入射光为右旋圆偏振光时，出射光束为=1的左旋涡旋光束，并且光束偏振态转变为左旋圆偏振光。

另外所有两种状态下涡旋光束光强分布也是环形光斑，中心为暗斑。

图4，当圆偏振光入射时，出射光束由平面波变为涡旋波前。且偏振态转变为相反圆偏振态。

三. 涡旋波片常见使用场景及正确使用方式

涡旋波片需要配合其他多种光学元件配合使用，以下主要介绍几种常见使用方式及使用技巧：

1. 涡旋波片对准

当光路中使用到涡旋波片时，需要将涡旋波片做好中心对准及快轴角度对准之后正常使用。当未对准时，可能会导致以下几种问题: 1, 生成的环形光束不规则，有缺边；2，生成不了需要的矢量偏振光束以及涡旋光束。为了得到理想的光束，必须要配套合适的涡旋波片安装架使用。建议与XY调整架TXY1S与旋转调整架CRM-1AS搭配使用。

使用正确的元件安装座可以方便的调整涡旋波片，保证光束从涡旋波片中心透过。比较典型的安装调试方式为使用光束质量分析仪对准。使用光束质量分析仪对准光路则相对比较简单，对准光路如下图所示：

图6，涡旋波片对准光路示意图。

在使用光束质量分析仪做对准时，主要步骤如下：

第一步，先利用涡旋波片上机械外壳上的十字线，将入射光束大概调整到涡旋波片中心位置。

第二步，缓慢调整涡旋波片安装的XY调整架上的两个螺纹副。先将y轴调整到正中心的位置，然后缓慢调整x轴，从行程一端走到另一端。同时观察光束质量分析仪探测到的光斑图。当光斑靠近涡旋波片中心时，光斑形状会从标准圆形光斑开始变形。光斑形状有如下几种典型样式：

当变形为光斑1的形状时，则表明涡旋波片中心在光斑的右下角。需要调整x轴将涡旋波片向左边微调，然后y轴将涡旋波片向上提升，完成涡旋波片对准。

当变形为光斑2的形状时，则表明涡旋波片中心在光斑的左下角。需要调整x轴将涡旋波片向右边微调，然后y轴将涡旋波片向上提升，完成涡旋波片对准。

当变形为光斑3的形状时，则表明涡旋波片中心在光斑的右上角。需要调整x轴将涡旋波片向左边微调，然后y轴将涡旋波片向下降低，完成涡旋波片对准。

当变形为光斑3的形状时，则表明涡旋波片中心在光斑的左上角。需要调整x轴将涡旋波片向右边微调，然后y轴将涡旋波片向下降低，完成涡旋波片对准。

当涡旋波片对准之后，光束质量分析仪所探测到的光斑形状为：

当用户手头没有光束质量分析仪时，可以用一个扩束镜或透镜加观察板替代。对准方法与使用光束质量分析仪时基本保持保持一致。简易对准光路如下：

图7，涡旋波片简易对准光路。

此光路中加入透镜/扩束镜的主要时为了将透过涡旋波片的光斑放大，投射到观察板上，方便目视观察。当光源为目视不可见的红外波长时，可以用红外显色卡替代激光观察板

2. 光束分路

一种比较常见的涡旋波片使用方式是配合光分束器一起使用，将生成的环形光束一分为二，其中一束作为参考光束，一束为测试光束。具体光路如图8所示：

图8，矢量光束分束光路。

为了保证经过光分束器之后两束光的偏振态分布以及光强分布保持一致。此处的光分束器只能使用非偏振光分束器，比如LBTEK的BS系列非偏振分束立方。

若用光分路器只是为了得到两束环形光束或者两束涡旋光束，则光路中可以使用偏振分束器。偏振分束器光路结构如图9所示：

波片推荐安装方式

30 mm同轴系统旋转调整架

涡旋波片应用案例

1) 由于LG光束中每个光子具有轨道角动量，且能够通过传递给被照明的粒子而引起特定粒子的旋转。利用具有角动量的光束与原子、 微米或纳米粒子、 以及生物大分子间的相互作用，可以囚禁或旋转这些粒子，譬如所谓的光学镊子或光学扳手。具体可以参考LBTEK基于涡旋波片的光镊系统

图1 LBTEK 基础版光镊系统。

2) LG光束可以作为OAM(Orbital Angular Momentum of Light)的载体，因此LG光束可以应用到与OAM相关的领域，包括光操控、非线性光学、光通讯、材料加工、成像等领域。

3) LG光束作为一种具有中心奇点的光束，可以用于超分辨显微成像系统（STED）。LG光束作为抑制激发光束，可以实现成像分辨率远超普通光学显微镜分辨率极限。

图2 典型STED显微镜光路示意图。

图2光路示意图中，激发光源为TEM00的高斯光束，抑制激发光源为的LG光束，其中标注为VPP的元件可选用涡旋波片（LBTEK涡旋波片系列产品），螺旋相位板，空间光调制器等。当激发光束与抑制激发光束同时被物镜聚焦于成像面上，只被激发光源照射到的中心区域被激发的荧光波长为，而同时被激发光束与抑制激发光束照射的环形区域所激发荧光波长为。基于光学衍射极限原理，激发光源光斑及抑制激光光束尺寸均满足衍射极限，所以激发波长为荧光中心区域则肯定小于光学衍射极限。根据共聚焦的光学结构，两束激发荧光同时被物镜收集。而在APD探测器之前添加窄带滤光片，可以保证只有波长为的荧光被成像。由此实现该显微镜成像精度超过普通光学显微镜的衍射极限。

4) LG光束本身具有特殊的优势。对于高纯度的LG光束，在传播过程中可通过透镜整形复原复振幅分布，具有角向和径向两个量子数，具有最佳的光束品质因子，传播过程中可以保持很好的环形光强分布等。这些优势，使得LG模式可以应用到精密测量和探测领域。

5) 2006年，Mours等证明了高阶LG模式可以有效地减小高功率激光对镜片产生的热效应，对于具有相同束腰w₀和相同能量的LG光束而言，在相同横截面处光斑的直径与 成正比，因此能量密度与成正比。所以随着和的增大，功率密度越来越小，镜子产生的热噪声也越小。LG光束的这个特点可被应用到引力波探测装置LIGO系统上。

6) 近年来，LG光束的指数也被证明具有量子特性，因此，在量子信息领域，高纯度的LG光束可以提高混合径向和角向的量子关联。