本文關(guān)鍵詞：基于液晶光控取向技術(shù)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)調(diào)控　出處：《南京大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步和光學(xué)領(lǐng)域的日益發(fā)展,光場(chǎng)調(diào)控受到越來越多的關(guān)注。一方面,通過對(duì)高斯光束的位相和振幅等參數(shù)的調(diào)控,可分別產(chǎn)生渦旋光束和艾里光束等一些結(jié)構(gòu)新穎、性質(zhì)獨(dú)特的光場(chǎng),它們被廣泛應(yīng)用于光學(xué)操控、量子計(jì)算與存儲(chǔ)、天文觀測(cè)、高分辨顯微成像等領(lǐng)域。另一方面,通過對(duì)入射光偏振信息的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的退偏,在光纖通訊及光學(xué)探測(cè)等方面也起著舉足輕重的作用。液晶憑借其優(yōu)異的電光特性,可用來實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的高效調(diào)控。作為新興的取向液晶方式,光控取向技術(shù)在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的液晶元件方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。本文采用基于SD1的液晶光控取向技術(shù),結(jié)合自主研發(fā)的數(shù)字微鏡器件微縮投影曝光系統(tǒng),設(shè)計(jì)并制備了用于光場(chǎng)調(diào)控的各類液晶元件,主要的研究成果如下:1.首次通過對(duì)液晶方位角的控制,制備了不同取向模式及不同結(jié)構(gòu)的液晶叉形光柵,實(shí)現(xiàn)了一系列渦旋光束的產(chǎn)生與調(diào)控。其中,混合排列型液晶叉形光柵可實(shí)現(xiàn)由高斯光到±1級(jí)衍射渦旋光束74%的高轉(zhuǎn)換效率,并可在低電壓1.7 V和15 V的條件下完成渦旋光束的開關(guān)調(diào)控。通過優(yōu)化此液晶元件的參數(shù),分別獲得了 300μs和570μs的快速開關(guān)響應(yīng)時(shí)間。此液晶叉形光柵對(duì)入射光偏振無依賴,且寬波段適用,SD1的可擦寫特性額外賦予了渦旋光束可重構(gòu)的功能。這些優(yōu)勢(shì)增加了對(duì)渦旋光束調(diào)控的靈活性,拓展了渦旋光束的應(yīng)用前景。2.在傳統(tǒng)立方位相模板的基礎(chǔ)上,引入幾何位相的概念,采用部分重疊分步曝光的方式,制備了分子指向矢空間漸變的液晶偏振艾里模板,加以透鏡進(jìn)行傅里葉光學(xué)變換,完成了高斯光束到單/雙艾里光束的調(diào)控。通過調(diào)節(jié)入射光的偏振態(tài),實(shí)現(xiàn)了兩支艾里光束之間的相互切換,且可同時(shí)控制它們光場(chǎng)能量的任意占比。通過測(cè)試雙支艾里光束的傳播動(dòng)態(tài),驗(yàn)證了其橫向自加速和無衍射的性質(zhì)。此液晶偏振艾里模板寬波段適用,且可以承受至少600脈沖(0.5J/cm2,1064 nm,10ns,1Hz)的強(qiáng)光照射,為高質(zhì)量、多功能艾里光束的產(chǎn)生與調(diào)控提供了一個(gè)便捷有效的途徑。3.通過引入q波片產(chǎn)生渦旋光的技術(shù),結(jié)合液晶偏振艾里模板,對(duì)高斯光的位相和振幅同時(shí)進(jìn)行了調(diào)控,產(chǎn)生出了不同模式的渦旋艾里光束。分析了渦旋艾里光的傳播動(dòng)態(tài),從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了此復(fù)合光場(chǎng)中渦旋光的拓?fù)浜�、無衍射、自愈和橫向自加速等性質(zhì)。借助外加電場(chǎng)的調(diào)節(jié)或光路中四分之一波片的旋轉(zhuǎn),輕易地獲得了高斯光、渦旋光、矢量光、艾里光以及它們結(jié)合光場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換,為光場(chǎng)調(diào)控和光束整形提供了一個(gè)靈活高效的方式。高質(zhì)量渦旋艾里光束的產(chǎn)生與自愈、類無衍射和橫向自加速渦旋光束的提出,為它們?cè)诙喾轿坏奈⒘２倏�、量子通訊的無損傳輸、更高清的生物顯微觀測(cè)等方面的應(yīng)用做了很好的鋪墊。4.基于半波片對(duì)線偏振光的調(diào)制機(jī)理,采用分步曝光的方式,制備了一個(gè)新型的液晶退偏器。它由24 × 18個(gè)液晶分子指向矢隨機(jī)平行排列的方形微區(qū)構(gòu)成,在無需外加電場(chǎng)的情況下便可對(duì)通訊波段任意方向入射的線偏振光源實(shí)現(xiàn)偏振度小于5%的退偏效果,展現(xiàn)了很好的偏振不敏感特性。對(duì)于圓偏振和橢圓偏振入射光,通過對(duì)樣品加電調(diào)節(jié)其位相延遲量也可以達(dá)到同樣的退偏功能。此退偏器不僅適用于單波長(zhǎng)1550 nm的光源,而且對(duì)1520 nm-1610 nm的寬波段復(fù)色光源亦起到了很好的消偏作用,得到出射光場(chǎng)最小偏振度的值分別僅為0.384%和0.156%。此液晶退偏器綜合性能優(yōu)于商業(yè)產(chǎn)品,在激光加工、天文學(xué)儀器、光纖通訊等光電系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用價(jià)值。
[Abstract]:In recent years, with the development and progress of the optical field of laser technology, optical field control has attracted more and more attention. On the one hand, through the regulation of the Gauss beam amplitude and phase parameters, respectively generated vortex beam and Airy beam and some novel structure and unique properties of light, they are application in optical manipulation, quantum computing and storage, astronomical observation, high resolution imaging and other fields. On the other hand, through the regulation of the polarization of the incident light information to realize the depolarization of the light field, it also plays an important role in optical communication and optical detection and other aspects. The liquid crystal with its excellent electro-optical properties. Can be used to achieve efficient control of light field. As the orientation of the liquid crystal emerging, photoalignment technology in the preparation of the complex structure of the liquid crystal element showed great advantages. This paper uses liquid crystal light based on SD1 Orientation control technology, combined with independent research and development of digital micromirror device projection exposure system, was designed and prepared for light field control of liquid crystal element, the main results are as follows: 1. for the first time by controlling the liquid crystal orientation angle, different orientation mode and different structure of the liquid crystal fork shaped grating prepared, have realized with the regulation of a series of vortex beams. The hybrid alignment type liquid crystal grating with high conversion efficiency can be forked by Gauss to + 1 level diffraction optical vortex beam 74%, and can complete the switch to control the vortex beam in the low voltage of 1.7 V and 15 V conditions. By optimizing the parameter of the liquid crystal element, respectively. The fast switching of 300 s and 570 s. The response time of the liquid crystal grating forked no dependence on the polarization of the incident light, and wide band application, SD1 rewritable characteristics given additional vortex beam reconfigurable function. These advantages The potential increase of vortex beam control flexibility, expand the application prospect of.2. vortex beam based on traditional cubic phase template, introducing the concept of geometric phase, the overlapping step exposure mode, liquid crystal polarization AI molecular director in spatial gradient template preparation to lens Fourier optical transform, complete Gauss beam to single / double Airy beam regulation. Through adjusting the incident light polarization state, to achieve the two branches between Airy beams are switched, and can also control their light field of arbitrary proportion. Through the test of double Airy beam propagation dynamics, verify the properties of self acceleration and the transverse diffraction. Application of the liquid crystal polarization Elliot template wide band, and can withstand at least 600 pulse (0.5J/cm21064 nm, 10ns, 1Hz) the glare, high quality, multi-function Airy beam generation and regulation Provides a convenient and effective way to produce.3. by introducing Q wave vortex technology, combined with the liquid crystal polarization Elliot template, phase and amplitude of the light of Gauss at the same time the regulation has produced different patterns in AI vortex beam. We analyzed the spreading dynamic optical vortex AI, it is verified experimentally this topology composite optical field in the vortex charge, non diffraction, self-healing and self accelerating transverse properties. By means of external rotation or a wave of four points in the optical path of the film field, easily won the Gauss vortex light, light, light vector, and their combination of AI optical conversion between the optical field. It provides a flexible and efficient way for the light field regulation and beam shaping. The high quality vortex Airy beam generation and self-healing, non diffraction and self accelerating transverse vortex beam is proposed, they are manipulating particles multi-faceted, quantum communication without The transmission loss, more HD and other aspects of the application of biological microscope to pave the way for.4. good modulation mechanism of half wave plate of linearly polarized light based on step by step exposure mode, the preparation of a new type of liquid crystal depolarizer. It consists of 24 x 18 liquid crystal molecules to square vector random parallel arrangement the micro area composition, without external electric field under the condition of linear polarization light source is incident on the communication band in any direction to achieve depolarization polarization degree is less than 5%, showing good polarization insensitive characteristics. For elliptical and circular polarization of incident light, the sample power adjusting the phase delay quantity can achieve the same function. Partial back light source of the depolarizer is not only suitable for the single wavelength of 1550 nm, and 1520 nm-1610 nm wide band of polychromatic source also played a partial effect very good, get a light reflecting field minimum polarization values were only For 0.384% and 0.156%., the performance of the liquid crystal depolarizer is better than that of commercial products. It has great application value in laser processing, astronomical instruments, optical fiber communication and other optoelectronic systems.

【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O753.2

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本文編號(hào)：1364877