陳建農,曲 崇,李志剛,朱林偉

(魯東大學,山東煙臺 264025)

液晶徑向偏振光轉換組件用于實驗教學

陳建農,曲 崇,李志剛,朱林偉

(魯東大學,山東煙臺 264025)

首次提出并描述徑向偏振光和方位角偏振光的定義和概念,詳細闡述產生這些偏振光的工作原理。描述該實驗的驅動電路以及軟件和實驗程序。該實驗可以作為本科生的光學或液晶方向實驗項目的選擇性實驗。

徑向偏振光;液晶;轉換;實驗教學

一個光束的偏振狀態(tài),可以分為兩大類,一類就是光束橫截面空間各點的偏振取向是隨時間變化的,例如圓偏振光和橢圓偏振光;另一類就是光束橫截面空間各點的偏振取向是不隨時間變化的,例如線偏振光,徑向偏振光和方位角偏振光。在大學的光學教程和實驗課程中,線偏振光,圓偏振光和橢圓偏振光的概念,特點,產生方法以及實驗均為大家熟悉。但是徑向偏振光和方位角偏振光是不被大家熟悉的。徑向偏振光是指在光束橫截面內各點的偏振方向都是指向一個中心。而方位角偏振光是指在光束橫截面內各點的偏振方向都是沿著以每個中心為圓心的圓周的切線方向的。當光束橫截面為一個園時,這個中心就是圓心。徑向偏振光電場矢量總是沿徑向振動,而方位角偏振光的電矢量則沿圓周的切線振動。由于園對稱性,徑向偏振光和方位角偏振光的光束中心存在強度奇點,相位奇點和偏振奇點。徑向偏振光和方位角偏振光可以由右旋和左旋園偏振光疊加組成[1,2]。徑向偏振光經過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦時可以獲得以縱向偏振分量為主的超衍射極限光斑,特別是當光束中心被擋住是,光斑橫向尺寸可以很小[3,4]。高度聚焦光斑尺寸小于波長的焦點光束在三維光學數(shù)據(jù)存儲,光刻技術,材料加工,納米微粒操控,生物醫(yī)學成像,拉曼光譜技術,二次諧波激發(fā),近場掃描和激光共焦顯微技術中都是至關重要的[5-12]。利用低數(shù)值孔徑的物鏡聚焦后,徑向偏振光最適合用于照明環(huán)形表面等離激元透鏡,從而激發(fā)向中心傳播的表面等離激元,產生高度壓縮和增強的納米尺度光場[13-19]。這是表面等離激元調控領域非常重要的光源,可以用于波導,納米線,表面等離激元邏輯門,表面等離激元光刻技術,表面等離激元掃描成像等的光源。方位角偏振光束聚焦后可以在磁記錄材料中產生超長針尖狀磁化場[1,2]。

本文將介紹一種利用液晶產生徑向偏振光和方位角偏振光的工作原理,實驗方法以及光路。該實驗可以在高等院校物理和光電專業(yè)作為選修或必修實驗,也可以作為學生研究性課題實驗,使學生對液晶材料作為偏振器件有一個更加全面和深入的了解。

1 工作原理

圖1為徑向偏振轉換器的組成結構。它由三部分單元組成。從左到右分別為:相位補償單元,線偏振旋轉單元和偏振轉換單元。該偏振轉換器可以將線偏振光轉換成徑向偏振光或方位角偏振光。其中,最重要的一個元件是在文獻[20]中描述的偏振轉換單元。這個液晶單元的入射面定向層和出射面定向層分別為線摩擦和旋轉摩擦。入射面線摩擦方向為該單元的軸線。每一個液晶分子鏈都有一個對應的扭轉角,即入射面分子取向和出射面分子取向之間的夾角。當一束線偏振光垂直入射面入射,而偏振方向與線摩擦方向平行或垂直時,光束線偏振方向就會旋轉一個扭轉角。當入射線偏振方向與液晶單元軸線平行時,出射光的偏振為方位角偏振;當入射線偏振方向與液晶單元軸線垂直時,出射光的偏振為徑向偏振;這種現(xiàn)象在一個很寬的波長范圍內都可以發(fā)生。如果仔細研究一下,會發(fā)現(xiàn)整個輸出光束的橫截面內,沿平行于線摩擦方向的直徑分成兩半。兩部分的分子扭轉方向是相反的,因此上下兩部分的電矢量振動相差π位相。對于相位要求嚴格的應用,則需要對此相位差進行補償。圖1中的相位補償單元就是補償偏振轉換單元上下兩部分的相位差的。其工作原理是:其中上半部分通過施加電壓,可以改變液晶分子的傾角,從而改變非尋常光的折射率,繼而改變光速和相位,而下半部分的相位延遲保持恒定。而第二部分線偏振旋轉單元,就是使線偏振光的偏振方向能夠旋轉90度,從而實現(xiàn)偏振轉換器輸出的偏振光可以在徑向偏振光和方位角偏振光之間切換。這三個單元組裝在一起,并可以調節(jié)偏振轉換單元與相位補償單元之間的相對位置和角度。

如果一束準直的入射激光束不經過相位補償直接入射偏振轉換單元,則該單元中心的缺陷線就會使出射光束產生衍射,使得中心出現(xiàn)一條暗線,破壞系統(tǒng)輸出光強的均勻性。當系統(tǒng)中插入相位補償單元時,這條暗線就可以消失。也可以在輸出端再插入一個空間濾波器使光束橫截面強度分布更加均勻。

圖1 徑向和方位角偏振轉換器的結構組成和原理示意圖

2 驅動電路以及軟件

該偏轉轉換器的相位補償單元和偏振旋轉單元工作時都需要外加交流驅動電路。為此我們制作了一個具有兩個輸出端的驅動控制電路盒,該驅動控制電路盒的輸入端經過USB接口連接至電腦。電腦上事先安裝了一個用Labview開發(fā)的驅動軟件。安裝并打開后的界面如圖2所示?？刂坪休敵鰹闃藴史讲?。電壓幅度和頻率均可調。圖2中上面的兩個旋鈕分別調節(jié)控制盒一路輸出的電壓幅度和頻率。下面的兩個旋鈕則分別調節(jié)控制盒另一路輸出的電壓幅度和頻率。兩路輸出電壓0到10 V可調。頻率0到1 000Hz。電壓調節(jié)精度為1mv。頻率調節(jié)精度為1 Hz。使用時,先在電腦上安裝其應用程序。然后將控制盒用USB連線連接到電腦。然后用鼠標右鍵點擊桌面電腦圖標,選擇屬性。再選擇資源管理器。在資源管理器下選擇端口找到相應的端口。然后在軟件界面左上角串口選擇選擇相應的串口。即可以通過軟件界面調節(jié)兩個控制輸出端的方波電壓和頻率。兩個控制輸出端一個連接相位補償器單元,一個連接偏振旋轉單元。連接相位補償單元,需要根據(jù)所用波長施加不同的電壓,器件本身所附的說明書里提供這個對應關系。舉個例子來說,對于633納米波長的光來說,半個波長為316納米。所加方波電壓為1.5 V。當然當相位延遲達到633 nm+316 nm=949 nm時,相位同樣得到補償。這時所加電壓為2.9 V。連接偏振旋轉單元所需要加的電壓為一個確定的數(shù)值。通常需要5 V左右。

圖2 驅動軟件調節(jié)界面

3 實驗內容和實驗程序

本實驗涉及到三部分知識:第一是徑向偏振光和方位角偏振光的概念,用途,以及產生方法。第二是液晶偏振器件的工作原理,例如液晶相位延遲方法,偏振旋轉方法,液晶盒定向摩擦層的概念。液晶分子扭轉角的概念;第三是用Labview軟件控制方波信號發(fā)生器輸出兩路不同頻率和不同振幅的方波信號。因次本實驗內容可以分三部分來進行。

第一部分:首先要求學生了解各類偏振光的概念以及區(qū)別。知道怎樣用四分之一玻片和半波片,線偏振檢偏器產生線偏振光,圓偏振光,橢圓偏振光。然后要求學生了解徑向偏振光和方位角偏振光的特點,用途以及產生原理。

第二部分:要求學生在教師幫助下學習液晶的相關知識,定向層的概念和作用。液晶盒的構造以及線摩擦和旋轉摩擦的方法。液晶分子的扭轉角以及液晶分子的傾角與折射率的關系。然后進一步了解相位補償單元的工作原理以及相位補償單元的作用。了解偏振旋轉單元的作用。了解偏振轉換單元的原理和作用。

第三部分:要求基本了解方波信號發(fā)生器的工作原理,學習Labview軟件的編程過程。

在上述基本知識和原理基礎上,進行如下的實驗。

1.先將氦氖激光器發(fā)出的激光束進行擴束和準直,然后在光路中放入線偏振檢偏器,將徑向偏振轉換器光束入射口對著入射光束。入射口較小約10mm左右。出射口較大。將兩個連接線分別插到方波信號發(fā)生器的兩個輸出端。并使用USB控制線連接到電腦。在電腦上安裝隨機附帶的軟件。

2.在離徑向偏振轉換器的輸出端不遠處放置一個白屏,觀察白屏上的光斑。也可以用CCD拍攝并連接到一臺監(jiān)視器上觀察。這時由于在相位補償單元上的電壓(0~3 V)不能使上下兩半相位得到補償,屏幕上會出現(xiàn)兩條暗線。其中一條暗線為偏振轉換單元上的缺陷線。旋轉左右和上下調節(jié)螺絲,并旋轉角度調節(jié)桿使得屏上兩根黑色的暗線平行且盡量重合。

3.根據(jù)波長調節(jié)施加在相位補償單元上的方波電壓,直到位于中間的暗線慢慢消失。這時,中心仍然有一個暗點。這是偏振奇點造成的。

4.可以進一步將徑向偏振光入射到物鏡進行聚焦。觀察光斑的大小。

5.將徑向偏振轉換器移去,使擴束和準直的激光直接入射物鏡聚焦,再觀察光斑大小的變化。

4 結 論

本文提出了一種利用液晶單元組成的徑向偏振轉換器將線偏振光轉換成徑向偏振光或方位角偏振光的實驗原理,器件結構,實驗內容和實驗程序。對現(xiàn)有的大學物理實驗中只有線偏振光轉換成圓偏振光和橢圓偏振光的實驗是一個創(chuàng)新,提高和突破。該實驗也有助于學生獲得對液晶材料的光電性質和應用的進一步了解。由于徑向偏振光或方位角偏振光在很多領域具有非常重要的應用價值。因此,該實驗也可以作為光電專業(yè)本科生或研究生深入進行其他研究或其他設計性實驗的基礎性預備實驗。

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The Radially Polarized Beam Converter for Experimental Teaching Project

CHEN Jian-nong,QU Cong,LIZhi-gang,ZHU Lin-wei
(Ludong University,Shandong Yantai264025)

The definition and conception of radially polarized beam and azimuthally polarized beam are first introduced and described.Then the principle of generating these kinds of polarized beams is presented in detail. The driving electrical circuit,the software and the experimental procedure are also described.This experiment can be as a selective optical experiment project or liquid crystal experiment project for the undergraduates in the university.

radial polarization;LCD;conversion;experiment teaching

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.020

1007-2934(2015)05-0069-04

2015-06-10

國家自然科學基金(11074105)