在光學(xué)領(lǐng)域近年的發(fā)展中,光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)扮演了越來越重要的角色,對(duì)高斯光束的強(qiáng)度、偏振、相位和波前等進(jìn)行調(diào)控可產(chǎn)生特種光場(chǎng)。其中,渦旋光束由于自身獨(dú)特的螺旋相前和所攜帶的軌道角動(dòng)量,備受國內(nèi)外科研工作者們的青睞,在光通信、量子信息、光學(xué)微操控、超分辨顯微成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著太赫茲調(diào)控器件的迅速發(fā)展,對(duì)太赫茲波進(jìn)行波場(chǎng)調(diào)控形成特殊波場(chǎng)也越來越受到人們的關(guān)注,其中太赫茲渦旋集成了太赫茲和軌道角動(dòng)量?jī)烧叩闹T多優(yōu)點(diǎn),在通信、傳感、成像等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛質(zhì)。液晶具有極寬波段的光學(xué)各向異性和介電各向異性,其優(yōu)異的電光特性覆蓋可見、紅外直至太赫茲和微波波段。特定設(shè)計(jì)構(gòu)筑成的液晶人工微結(jié)構(gòu),有望對(duì)光的多維度參量進(jìn)行調(diào)制。本文基于不同液晶材料,采用多種方法構(gòu)筑液晶微結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)的光渦旋及其陣列的產(chǎn)生以及太赫茲渦旋的產(chǎn)生與調(diào)制。主要研究成果如下:采用渦旋光和平面波的計(jì)算全息圖—叉形光柵作為掩模板,通過光刻制備出叉形結(jié)構(gòu)電極,引入聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶,利用結(jié)構(gòu)電極加載垂直電場(chǎng)局部驅(qū)動(dòng)藍(lán)相液晶造成相鄰區(qū)域的相位差形成叉形光柵的位相分布,進(jìn)而產(chǎn)生光渦旋。針對(duì)632.8 nm的入射波長(zhǎng),可在施加電壓為95 Vrms時(shí)獲得最高的±1級(jí)渦旋光束的轉(zhuǎn)換效率,約33%。通過加電和撤電實(shí)現(xiàn)渦旋光束的開關(guān)態(tài)切換,且在50V rms時(shí)測(cè)得開關(guān)時(shí)間分別為364μs和571 μs,達(dá)到亞毫秒量級(jí)。研究了不同入射偏振情況下,一級(jí)衍射效率隨所加電壓的變化情況,結(jié)果表明所制得的藍(lán)相液晶叉形光柵具有偏振無依賴特性。這是首次報(bào)道利用藍(lán)相液晶實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的叉形光柵,為渦旋光束的產(chǎn)生和調(diào)控提供了新的途徑。進(jìn)一步結(jié)合達(dá)曼光柵的設(shè)計(jì)理念,研制出具有達(dá)曼叉形光柵結(jié)構(gòu)的特殊電極,加載垂直場(chǎng)驅(qū)動(dòng)藍(lán)相液晶產(chǎn)生了 1× 7級(jí)渦旋光束陣列,不同衍射級(jí)次分別攜帶不同拓?fù)浜蓴?shù),即不同的軌道角動(dòng)量,且能量分布較接近,高階衍射渦旋光的效率顯著高于普通的叉形光柵。此外,該藍(lán)相液晶達(dá)曼叉形光柵仍然保留了亞毫秒開關(guān)響應(yīng)和偏振無依賴特性。我們還針對(duì)液晶材料和加工精度的限制提出了后續(xù)優(yōu)化方案。基于藍(lán)相液晶實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的達(dá)曼叉形光柵可激發(fā)渦旋光束在超分辨顯微成像、光學(xué)微操控和光通訊等領(lǐng)域的全新應(yīng)用。延伸到太赫茲波段,引入大雙折射率液晶材料,基于SD1偶氮光控取向劑,利用自主研發(fā)的數(shù)字掩模偏振曝光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光軸空間連續(xù)漸變的液晶微結(jié)構(gòu),成功制備出液晶太赫茲q波片,實(shí)現(xiàn)了不同拓?fù)浜商掌潨u旋的產(chǎn)生。我們還展示了其電調(diào)特性,并指出了目前技術(shù)的局限性及可行的優(yōu)化方向。這是國際上首次利用液晶實(shí)現(xiàn)太赫茲渦旋的產(chǎn)生與調(diào)制,有望推進(jìn)太赫茲渦旋在通訊、傳感和成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。在液晶太赫茲q波片的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入偏振光柵設(shè)計(jì),研發(fā)了液晶太赫茲叉形偏振光柵,集成了偏振光柵的偏振選擇性衍射和叉形光柵的渦旋產(chǎn)生能力。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了太赫茲渦旋的產(chǎn)生和偏振分束,-1和+1級(jí)太赫茲渦旋與未轉(zhuǎn)化部分0級(jí)完全分離,避免了模式純化提取操作,且圓偏振正交、拓?fù)浜上喾?可通過控制入射圓偏振實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切換。液晶太赫茲叉形偏振光柵為太赫茲渦旋的產(chǎn)生和分離提供了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法,對(duì)于開發(fā)其它液晶太赫茲調(diào)控器件也具有很好的借鑒意義。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O753.2
【部分圖文】：

ｉ不同拓?fù)浜傻墓獾溞菪ㄇ啊⑾辔环植己凸鈴?qiáng)分布示研宄可以最早追溯到１９世紀(jì)３０年代Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｂｉｄｄｅｌｌ光環(huán)的觀測(cè)［３］，但其本質(zhì)的相位特征直到２０世紀(jì)７０ｈａｎ和Ｗｉｌｌｅｔｔｓ兩人在１９７９年研宄拉蓋爾－高斯（Ｌａｇ光束的相位分布時(shí)發(fā)現(xiàn)它在中心強(qiáng)度為零的位置存人在１９８１年發(fā)現(xiàn)在散斑場(chǎng)中存在的渦旋［５］。１９８９渦旋”這一概念來描述這種特殊光場(chǎng)［６］。１９９２年，Ａｌ的條件下，具有相位因子ｅｘｐ（ｉｍｐ）的禍旋光攜帶ｕｌａｒ邋ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋０ＡＭ），提供了光子邋０ＡＭ邋應(yīng)用的理蓋爾－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，邋ＬＧ）光束就是一的光渦旋［７］。圖１．２展示了邋ＬＧＱ１，邋ＬＧＵ和ＬＧ２ｌ模式總結(jié)出：ＬＧ模式的強(qiáng)度分布存在（ｐ＋１）個(gè)同心環(huán)，

峨／邋□逡逑ｍ邋＝邋—２逡逑圖ｉ．ｉ不同拓?fù)浜傻墓獾溞菪ㄇ啊⑾辔环植己凸鈴?qiáng)分布示意圖１２１逡逑對(duì)光渦旋的研宄可以最早追溯到１９世紀(jì)３０年代Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｂｉｄｄｅｌｌ邋Ａｉｒｙ對(duì)透鏡焦逡逑平面處有反常光環(huán)的觀測(cè)［３］，但其本質(zhì)的相位特征直到２０世紀(jì)７０年代才被人們逡逑真正認(rèn)識(shí)。Ｖａｕｇｈａｎ和Ｗｉｌｌｅｔｔｓ兩人在１９７９年研宄拉蓋爾－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，逡逑ＬＧ）模式的激光束的相位分布時(shí)發(fā)現(xiàn)它在中心強(qiáng)度為零的位置存在一個(gè)相位奇點(diǎn)逡逑［４］。Ｂａｒａｎｏｖａ等人在１９８１年發(fā)現(xiàn)在散斑場(chǎng)中存在的渦旋［５］。１９８９年，Ｃｏｕｌｌｅｔ等逡逑人首次引入“光渦旋”這一概念來描述這種特殊光場(chǎng)［６］。１９９２年，Ａｌｌｅｎ等人提出并逡逑證明在近軸傳播的條件下，具有相位因子ｅｘｐ（ｉｍｐ）的禍旋光攜帶的軌道角動(dòng)逡逑量（Ｏｒｂｉｔａｌ邋ａｎｇｕｌａｒ邋ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋０ＡＭ），提供了光子邋０ＡＭ邋應(yīng)用的理論依據(jù)［７］。Ａｌｌｅｎ逡逑等人還說明了拉蓋爾－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，邋ＬＧ）光束就是一組具有的逡逑螺旋相位結(jié)構(gòu)的光渦旋［７］。圖１．２展示了邋ＬＧＱ１

計(jì)算全息圖、Ｑ波片、液晶空間光調(diào)制器以及超表面器件和波導(dǎo)類器件等。逡逑螺旋相位板：螺旋相位板（ｓｐｉｒａｌ邋ｐｈａｓｅ邋ｐｌａｔｅ，邋ＳＰＰ）是一種最簡(jiǎn)單直接的產(chǎn)生逡逑螺旋波前的方法。如圖１．４所示，螺旋相位板可以將通過的平面波變成光旋渦。逡逑位相片的光學(xué)厚度隨角向位置逐漸增大［８］，使透射光束在截面上各處的相位具有逡逑不同的改變量，變成螺旋的相位波前。１９９４年Ｂｅｒｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ等采用螺旋相位板逡逑將高斯光束變換為渦旋光束［２（）］。雖然螺旋相位板的概念簡(jiǎn)單，但機(jī)械加工要求很逡逑高，制備困難，且只能產(chǎn)生固定的渦旋光束，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控。逡逑４逡逑

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本文編號(hào)：2827698