液晶径向偏振光转换组件用于实验教学

陈建农,曲 崇,李志刚,朱林伟

(鲁东大学,山东烟台 264025)

液晶径向偏振光转换组件用于实验教学

陈建农,曲 崇,李志刚,朱林伟

(鲁东大学,山东烟台 264025)

首次提出并描述径向偏振光和方位角偏振光的定义和概念,详细阐述产生这些偏振光的工作原理。描述该实验的驱动电路以及软件和实验程序。该实验可以作为本科生的光学或液晶方向实验项目的选择性实验。

径向偏振光;液晶;转换;实验教学

一个光束的偏振状态,可以分为两大类,一类就是光束横截面空间各点的偏振取向是随时间变化的,例如圆偏振光和椭圆偏振光;另一类就是光束横截面空间各点的偏振取向是不随时间变化的,例如线偏振光,径向偏振光和方位角偏振光。在大学的光学教程和实验课程中,线偏振光,圆偏振光和椭圆偏振光的概念,特点,产生方法以及实验均为大家熟悉。但是径向偏振光和方位角偏振光是不被大家熟悉的。径向偏振光是指在光束横截面内各点的偏振方向都是指向一个中心。而方位角偏振光是指在光束横截面内各点的偏振方向都是沿着以每个中心为圆心的圆周的切线方向的。当光束横截面为一个园时,这个中心就是圆心。径向偏振光电场矢量总是沿径向振动,而方位角偏振光的电矢量则沿圆周的切线振动。由于园对称性,径向偏振光和方位角偏振光的光束中心存在强度奇点,相位奇点和偏振奇点。径向偏振光和方位角偏振光可以由右旋和左旋园偏振光叠加组成[1,2]。径向偏振光经过高数值孔径物镜聚焦时可以获得以纵向偏振分量为主的超衍射极限光斑,特别是当光束中心被挡住是,光斑横向尺寸可以很小[3,4]。高度聚焦光斑尺寸小于波长的焦点光束在三维光学数据存储,光刻技术,材料加工,纳米微粒操控,生物医学成像,拉曼光谱技术,二次谐波激发,近场扫描和激光共焦显微技术中都是至关重要的[5-12]。利用低数值孔径的物镜聚焦后,径向偏振光最适合用于照明环形表面等离激元透镜,从而激发向中心传播的表面等离激元,产生高度压缩和增强的纳米尺度光场[13-19]。这是表面等离激元调控领域非常重要的光源,可以用于波导,纳米线,表面等离激元逻辑门,表面等离激元光刻技术,表面等离激元扫描成像等的光源。方位角偏振光束聚焦后可以在磁记录材料中产生超长针尖状磁化场[1,2]。

本文将介绍一种利用液晶产生径向偏振光和方位角偏振光的工作原理,实验方法以及光路。该实验可以在高等院校物理和光电专业作为选修或必修实验,也可以作为学生研究性课题实验,使学生对液晶材料作为偏振器件有一个更加全面和深入的了解。

1 工作原理

图1为径向偏振转换器的组成结构。它由三部分单元组成。从左到右分别为:相位补偿单元,线偏振旋转单元和偏振转换单元。该偏振转换器可以将线偏振光转换成径向偏振光或方位角偏振光。其中,最重要的一个元件是在文献[20]中描述的偏振转换单元。这个液晶单元的入射面定向层和出射面定向层分别为线摩擦和旋转摩擦。入射面线摩擦方向为该单元的轴线。每一个液晶分子链都有一个对应的扭转角,即入射面分子取向和出射面分子取向之间的夹角。当一束线偏振光垂直入射面入射,而偏振方向与线摩擦方向平行或垂直时,光束线偏振方向就会旋转一个扭转角。当入射线偏振方向与液晶单元轴线平行时,出射光的偏振为方位角偏振;当入射线偏振方向与液晶单元轴线垂直时,出射光的偏振为径向偏振;这种现象在一个很宽的波长范围内都可以发生。如果仔细研究一下,会发现整个输出光束的横截面内,沿平行于线摩擦方向的直径分成两半。两部分的分子扭转方向是相反的,因此上下两部分的电矢量振动相差π位相。对于相位要求严格的应用,则需要对此相位差进行补偿。图1中的相位补偿单元就是补偿偏振转换单元上下两部分的相位差的。其工作原理是:其中上半部分通过施加电压,可以改变液晶分子的倾角,从而改变非寻常光的折射率,继而改变光速和相位,而下半部分的相位延迟保持恒定。而第二部分线偏振旋转单元,就是使线偏振光的偏振方向能够旋转90度,从而实现偏振转换器输出的偏振光可以在径向偏振光和方位角偏振光之间切换。这三个单元组装在一起,并可以调节偏振转换单元与相位补偿单元之间的相对位置和角度。

如果一束准直的入射激光束不经过相位补偿直接入射偏振转换单元,则该单元中心的缺陷线就会使出射光束产生衍射,使得中心出现一条暗线,破坏系统输出光强的均匀性。当系统中插入相位补偿单元时,这条暗线就可以消失。也可以在输出端再插入一个空间滤波器使光束横截面强度分布更加均匀。

图1 径向和方位角偏振转换器的结构组成和原理示意图

2 驱动电路以及软件

该偏转转换器的相位补偿单元和偏振旋转单元工作时都需要外加交流驱动电路。为此我们制作了一个具有两个输出端的驱动控制电路盒,该驱动控制电路盒的输入端经过USB接口连接至电脑。电脑上事先安装了一个用Labview开发的驱动软件。安装并打开后的界面如图2所示。控制盒输出为标准方波。电压幅度和频率均可调。图2中上面的两个旋钮分别调节控制盒一路输出的电压幅度和频率。下面的两个旋钮则分别调节控制盒另一路输出的电压幅度和频率。两路输出电压0到10 V可调。频率0到1 000Hz。电压调节精度为1mv。频率调节精度为1 Hz。使用时,先在电脑上安装其应用程序。然后将控制盒用USB连线连接到电脑。然后用鼠标右键点击桌面电脑图标,选择属性。再选择资源管理器。在资源管理器下选择端口找到相应的端口。然后在软件界面左上角串口选择选择相应的串口。即可以通过软件界面调节两个控制输出端的方波电压和频率。两个控制输出端一个连接相位补偿器单元,一个连接偏振旋转单元。连接相位补偿单元,需要根据所用波长施加不同的电压,器件本身所附的说明书里提供这个对应关系。举个例子来说,对于633纳米波长的光来说,半个波长为316纳米。所加方波电压为1.5 V。当然当相位延迟达到633 nm+316 nm=949 nm时,相位同样得到补偿。这时所加电压为2.9 V。连接偏振旋转单元所需要加的电压为一个确定的数值。通常需要5 V左右。

图2 驱动软件调节界面

3 实验内容和实验程序

本实验涉及到三部分知识:第一是径向偏振光和方位角偏振光的概念,用途,以及产生方法。第二是液晶偏振器件的工作原理,例如液晶相位延迟方法,偏振旋转方法,液晶盒定向摩擦层的概念。液晶分子扭转角的概念;第三是用Labview软件控制方波信号发生器输出两路不同频率和不同振幅的方波信号。因次本实验内容可以分三部分来进行。

第一部分:首先要求学生了解各类偏振光的概念以及区别。知道怎样用四分之一玻片和半波片,线偏振检偏器产生线偏振光,圆偏振光,椭圆偏振光。然后要求学生了解径向偏振光和方位角偏振光的特点,用途以及产生原理。

第二部分:要求学生在教师帮助下学习液晶的相关知识,定向层的概念和作用。液晶盒的构造以及线摩擦和旋转摩擦的方法。液晶分子的扭转角以及液晶分子的倾角与折射率的关系。然后进一步了解相位补偿单元的工作原理以及相位补偿单元的作用。了解偏振旋转单元的作用。了解偏振转换单元的原理和作用。

第三部分:要求基本了解方波信号发生器的工作原理,学习Labview软件的编程过程。

在上述基本知识和原理基础上,进行如下的实验。

1.先将氦氖激光器发出的激光束进行扩束和准直,然后在光路中放入线偏振检偏器,将径向偏振转换器光束入射口对着入射光束。入射口较小约10mm左右。出射口较大。将两个连接线分别插到方波信号发生器的两个输出端。并使用USB控制线连接到电脑。在电脑上安装随机附带的软件。

2.在离径向偏振转换器的输出端不远处放置一个白屏,观察白屏上的光斑。也可以用CCD拍摄并连接到一台监视器上观察。这时由于在相位补偿单元上的电压(0~3 V)不能使上下两半相位得到补偿,屏幕上会出现两条暗线。其中一条暗线为偏振转换单元上的缺陷线。旋转左右和上下调节螺丝,并旋转角度调节杆使得屏上两根黑色的暗线平行且尽量重合。

3.根据波长调节施加在相位补偿单元上的方波电压,直到位于中间的暗线慢慢消失。这时,中心仍然有一个暗点。这是偏振奇点造成的。

4.可以进一步将径向偏振光入射到物镜进行聚焦。观察光斑的大小。

5.将径向偏振转换器移去,使扩束和准直的激光直接入射物镜聚焦,再观察光斑大小的变化。

4 结 论

本文提出了一种利用液晶单元组成的径向偏振转换器将线偏振光转换成径向偏振光或方位角偏振光的实验原理,器件结构,实验内容和实验程序。对现有的大学物理实验中只有线偏振光转换成圆偏振光和椭圆偏振光的实验是一个创新,提高和突破。该实验也有助于学生获得对液晶材料的光电性质和应用的进一步了解。由于径向偏振光或方位角偏振光在很多领域具有非常重要的应用价值。因此,该实验也可以作为光电专业本科生或研究生深入进行其他研究或其他设计性实验的基础性预备实验。

[1] Y.Jiang,X.Li,and M.Gu,Generation of subdiffraction-limited pure longitudinal magnetization by the inverse Faraday effect by tightly focusing an azimuthally polarized vortex beam,Opt.Lett.38,2957-2960(2013).

[2] S.Wang,X.Li,J.Zhou and M.Gu,Ultralong pure longitudinal magnetization needle induced by annular vortex binary optics,Opt.Lett.39,5022-5025(2014).

[3] R.Dorn,SQubis,and G.Leuchs,“Sharper focus for a radially polarized light beam,”Phys.Rev.Lett.91, 233901(2003).

[4] Haifeng Wang,Luping Shi,Boris Lukyanchuk,Collin Sheppard,and Chong tow Chong,“Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics,”Nat.Photonics 2,501-505(2008).

[5] J.R.Fortana,A high-energy laser accelerator for electrons using the inverse Cherenkov effect,J.Appl. Phys.54(8),4285-4288(1983).

[6] M.Meier,V.Romano,T.Feurer,Material processing with pulsed radially and azimuthally polarized laser radiation,Appl.Phys.A,86,329-334(2007).

[7] Norihiko Hayazawa,Yuika Saito,Satoshi Kawata,Detection and characterization of longitudinal field for tipenhanced Raman spectroscopy,Appl.Phys.Lett.,85 (25),6239-6241(2004).

[8] Erik J.Sánchez,Lukas Novotny and X.Sunney Xie, Near-Field Fluorescence Microscopy Based on Two-Photon Excitation with Metal Tips,Phys.Rev.Lett.,82 (20),4014-4017(1999).

[9] A.Bouhelier,M.Beversluis,A.Hartschuh,and L.Novotny, Near-Field Second-Harmonic Generation Induced by Local Field Enhancement,Phys.Rev. Lett.,91(1),013903(2003).

[10]D.P.Biss and T.G.Brown,Polarization-vortex-driven second-harmonic generation,Opt.Lett.,28(11),923-925(2003).

[11 E.J.Botcherby,R.Juskaitis,T.Wilson,Scanning two photon fluorescencemicroscopy with extended depth of field,Opt.Commun.,268,253-260(2006).

[12] Nils Huse,Andreas Schonle,Stefan W.Hell,Z-polarized confocalmicroscopy,J.Biomed.Opt.6(4), 480-484(2001).

[13]Gilad M.Lerman,Avner Yanai,and Uriel Levy,Demonstration of Nanofocusing by the use of Plasmonic Lens Illuminated with Radially Polarized Light,Nano. Lett.,9(5):2139-2143(2009).

[14]Weibin Chen,Don C.Abeysinghe,Robert L.Nelson, and Qiwen Zhan,Plasmonic Lens Made of Multiple Concentric Metallic Rings under Radially Polarized Illumination,Nano.Lett.,9(12):4320-4325(2009).

[15]Weibin Chen and Qiwen Zhan,“Numerical study of an apertureless near field scanning optical microscope probe under radial polarization illumination,”Opt.Express 15,4106-4111(2007).

[16]Avner Yanai and Uriel Levy,“Plasmonic focusing with a coaxial structure illuminated by radially polarized light,”Opt.Express 17,924-932(2009).

[17]Guanghao Rui,Weibin Chen,Yonghua Lu,PeiWang, Hai Ming,and Qiwen Zhan,“Plasmonic near-field probe using the combination of concentric rings and conical tip under radial polarization illumination,”J. Opt.12(3),035004(2010).

[18]Jiannong Chen,Numerical Study of a Nonplanar Two-Stage Surface Plasmonic Lens Illuminated by a Radially Polarized Beam,Plasmonics,8:931-936 (2013).

[19]Mengjun Zhu,Dawei Zhang,Linwei Zhu and Jiannong Chen,A Near infrared broadband surface plasmonic lens constructed with multiple couplers with unidirectional propagation property,Plasmonics(Accepted).

[20] M.Stalder,M.Schadt,Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarization converters.

[21]阿克木哈孜,马力克.用一种新实验方法测定透明液体的折射率[J].大学物理实验,2015(2):80-82.

[22]王素红,罗运焱,于得水,等.基于分光计使用的系列拓展实验研究[J].大学物理实验,2014(2): 46-48.

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

国家自然科学基金(11074105)