几何位相液晶光学元件研究

论文摘要

几何位相光学元件具有体积小、集成度高、光能利用率高等优势,不仅可应用于光束偏折、偏振复用全息及非线性光学等领域,还可用于光场调控以及结构光场、特种光束的产生。液晶是性能优异的宽波段可调电光材料,可对光的强度、偏振和位相等进行调控,在通讯、成像、传感等诸多领域有广阔的应用前景。本文论述了基于几何位相超薄型、动态可调液晶光学元件的设计、制备与测试。该类几何位相元件为高性能、高效液晶光学元件的应用,以及高质量特种光束的产生、调控与检测提供了新策略,主要研究成果如下:1.基于几何位相理论,结合快速响应的特种液晶材料,利用动态投影曝光系统及光控取向技术,设计并制备了双频液晶偏振光栅。此设计可作为快速响应且高效的光开关元件,仅通过调节外加电场频率就能实现单一衍射级次的开关态转换。优化材料及外加电场等系统参数,并对该偏振光栅的开关性能进行了表征和测试。利用其衍射一级作为光开关,测得实际衍射效率可达到95%。同时测得该器件开/关态响应时间为350μs和550 μs,分别实现了亚毫秒量级响应。此液晶偏振光栅具有制备简单、功耗低等优势,为快速响应高效光开关类元件的设计与制备提供了一种可行的方法。2.通过引入几何位相透镜设计,与特种液晶结合,提出了两种基于几何位相的液晶透镜。在提高传统液晶透镜效率的同时,优化了透镜的响应时间,提高了传统位相调制型元件的衍射效率和响应速度。偏振叉形透镜的设计,将透镜聚焦与发散、涡旋光的产生与分离等多功能集成于单一元件,节省了光路系统的空间,且具低功耗、易于加工等优点,为光镊及轨道角动量(OAM)模式复用中光束的产生、聚焦和耦合提供了一种可行的方法。此类平面光学液晶透镜元件具有轻便易集成、电光可调、偏振可控,且结构易实现、成本低廉等优势,为增强现实显示、医疗研究、精密仪器制造,以及OAM的产生与检测、粒子操控、光通信等领域提供了便利。3.分析了贝塞尔光束的传播动态,并借鉴锥透镜产生贝塞尔光束的方法,充分结合液晶聚合物材料优势,利用光取向技术制备液晶聚合物材料功能化薄膜。结合液晶q波片以及锥透镜的位相,将全息图案引入到液晶聚合物体系中,设计和制备了基于几何位相的贝塞尔涡旋模板。对入射高斯光束的位相和振幅同时进行了调控,直接实现贝塞尔涡旋光束(高阶贝塞尔光束)的产生。从实验上验证了此复合光场中的拓扑荷数以及类无衍射特性,并与q波片产生的涡旋光束进行对比。由于聚合物薄膜具有良好的稳定性和柔性,且材料制备工艺中能多次旋涂、厚度可控,可适用于较广泛的光学波段。除了本文论述的可见光波段光学元件设计外,液晶聚合物功能化薄膜还可应用于紫外波段,以及红外、太赫兹波段的特种光束产生与调控等多研究领域。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 段薇

导师: 陆延青,胡伟

关键词: 几何位相,双频液晶,液晶聚合物,光取向技术,液晶元件,光场调控

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,无线电电子学

单位: 南京大学

分类号: TN256;O753.2

总页数: 117

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