[发明专利]空变液晶波片

说明书

技术领域

[01]本发明涉及光轴方向随空间变化的波片，尤其涉及光定向空变(space-variant)液晶波片及其制造方法。

背景技术

[02]波片或光学延迟器是通过在入射光场的两个正交的偏振分量之间加入预定相移来改变入射光的偏振状态的光学设备。通常，所加入的相移被称为波片延迟并且以波长的分数来测量，因此，在两个正交偏振之间加入π相移的波片被称为二分之一波片，而在两个正交偏振之间加入π/2相移的波片被称为四分之一波片。

[03]波片可以由选定厚度的双折射材料制造，所述双折射材料的光轴位于波片的面内；这种波片被称为a-板。具有双折射特性的材料含有不同的折射率并且以不同方向(通常为正交方向)传输偏振光。在任何一种双折射材料中，至少有一个被称为光轴的轴，使得无论这些光的偏振状态如何，沿所述材料中光轴方向传播的光都具有相同的速度。当光束垂直于光轴穿过双折射材料并且与所述光轴成一定角度的线性偏振时，则所述双折射材料将光束分解为寻常光和非常光，所述寻常光和非常光在相互垂直的方向上具有线性偏振并且以不同的速度穿过所述双折射材料，从而在这些光束间产生相移。当入射到波片上的光沿所述波片的光轴或与所述光轴成90°角线性偏振时，即光束的电场矢量平行或垂直与波片光轴时，光的偏振是波片的本征偏振并且不能由波片改变。入射到二分之一波片的线性偏振光将具有一定偏转，其偏振状态不是波片的本征偏振，所述入射光的偏转角为线性偏振光的方向和延迟器的光轴之间夹角的两倍。

[04]传统应用中一般使用在空间分布均匀(spatiallyy-uniform)的波片来获得均匀偏振的光束，即偏振状态在光束截面上无改变的偏振光照射光束。然而，近来，人们认识到，在均匀偏振光束上引发偏振的空间变化是一种价值无法衡量的波前整形工具。确实，如果随后采用线性偏光器对所述具有空间变化的偏振光束进行分析，则净效果是在光束的横截面上加入了空变相移，如众所周知的Pancharatnam-Berry相位。造成对光束波前的特殊整形效果。因此，空变波片吸引到人们相当大的兴趣，因为可以使用空变波片来形成在光束的横截面上偏振方向变化的线性偏振光束，所述偏振方向即光照射的电场矢量方向；参见例如M.Stalder和M.Schadt的名称为“由液晶偏振转换器产生轴对称线性偏 振光”的文章，Opt.Letts.，21卷，23号，1948-1950页，1996年12月1日。

[05]所述空变线性偏振光束的典型实例分别是径向偏振光束和切向偏振光束，有时也被分别简称为径向光束和切向光束。切向偏振光束也可被称为方位角偏振光束。这些光束的偏振模式(pattern)如图1A和图1B中所示，其中箭头示出光束偏振的局部定向。在这两种情况中，偏振方向都仅依赖于特定空间位置的方位角并且与到光轴的径向距离r无关。这类偏振光束在本领域中有时被称为柱面矢量光束或偏振涡旋光束。术语“偏振涡旋”反映出偏振状态绕光束轴旋转并且在这类光束轴处未确定的事实，因此光束在光轴处的光强为零。这类偏振涡旋光束具有可在各种实际应用中使用的独特特性，例如用于粒子俘获(如作为光镊子)、微镜分辨率增强、自由空间通信以及光刻。

[06]如图1A和图1B中所示的切向和径向光束是偏振涡旋光束的两个示例。术语“偏振涡旋光束”在本文中指偏振空变的光束，所述光束在围绕光束轴通过闭合环路(如圆周轨迹)时，通过2π弧度或数倍2π弧度的方位角旋转，表现出偏振方向的持续改变。光涡旋是光束截面上的一个点，该点表现出异常相位，以便在围绕该点的任何圆周轨迹上，光辐射的电场以数倍2π弧度为周期变化。“偏振涡旋”为线性偏振状态，其中，类似地，偏振方向以数倍2π弧度为周期绕光轴变化。

[07]同样成立的是，偏振平面波可以通过名为琼斯矢量(Jones Vector)的2维复合矢量进行描述。极坐标中线性偏振涡旋的琼斯矢量由以下等式(1)给出：

[08]其中，m既是涡旋的偏振阶(polarization order)，也表示每方位角旋转的电场方向的旋转数量；_l是方位角。θ_l0是常量参数，所述常量参数对于径向光束为0，并且对于切向光束为π/2弧度。通常，由等式(1)所描述的涡旋光束被称为m阶偏振涡旋光束。