液晶徑向偏振光轉(zhuǎn)換組件用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳建農(nóng),曲 崇,李志剛,朱林偉

(魯東大學(xué),山東煙臺(tái) 264025)

液晶徑向偏振光轉(zhuǎn)換組件用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳建農(nóng),曲 崇,李志剛,朱林偉

(魯東大學(xué),山東煙臺(tái) 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(xì)闡述產(chǎn)生這些偏振光的工作原理。描述該實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)電路以及軟件和實(shí)驗(yàn)程序。該實(shí)驗(yàn)可以作為本科生的光學(xué)或液晶方向?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目的選擇性實(shí)驗(yàn)。

徑向偏振光;液晶;轉(zhuǎn)換;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一個(gè)光束的偏振狀態(tài),可以分為兩大類(lèi),一類(lèi)就是光束橫截面空間各點(diǎn)的偏振取向是隨時(shí)間變化的,例如圓偏振光和橢圓偏振光;另一類(lèi)就是光束橫截面空間各點(diǎn)的偏振取向是不隨時(shí)間變化的,例如線(xiàn)偏振光,徑向偏振光和方位角偏振光。在大學(xué)的光學(xué)教程和實(shí)驗(yàn)課程中,線(xiàn)偏振光,圓偏振光和橢圓偏振光的概念,特點(diǎn),產(chǎn)生方法以及實(shí)驗(yàn)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(nèi)各點(diǎn)的偏振方向都是指向一個(gè)中心。而方位角偏振光是指在光束橫截面內(nèi)各點(diǎn)的偏振方向都是沿著以每個(gè)中心為圓心的圓周的切線(xiàn)方向的。當(dāng)光束橫截面為一個(gè)園時(shí),這個(gè)中心就是圓心。徑向偏振光電場(chǎng)矢量總是沿徑向振動(dòng),而方位角偏振光的電矢量則沿圓周的切線(xiàn)振動(dòng)。由于園對(duì)稱(chēng)性,徑向偏振光和方位角偏振光的光束中心存在強(qiáng)度奇點(diǎn),相位奇點(diǎn)和偏振奇點(diǎn)。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(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦時(shí)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(dāng)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(zhǎng)的焦點(diǎn)光束在三維光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),光刻技術(shù),材料加工,納米微粒操控,生物醫(yī)學(xué)成像,拉曼光譜技術(shù),二次諧波激發(fā),近場(chǎng)掃描和激光共焦顯微技術(shù)中都是至關(guān)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(chǎn)生高度壓縮和增強(qiáng)的納米尺度光場(chǎng)[13-19]。這是表面等離激元調(diào)控領(lǐng)域非常重要的光源,可以用于波導(dǎo),納米線(xiàn),表面等離激元邏輯門(mén),表面等離激元光刻技術(shù),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(chǎn)生超長(zhǎng)針尖狀磁化場(chǎng)[1,2]。

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

1 工作原理

圖1為徑向偏振轉(zhuǎn)換器的組成結(jié)構(gòu)。它由三部分單元組成。從左到右分別為:相位補(bǔ)償單元,線(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)單元和偏振轉(zhuǎn)換單元。該偏振轉(zhuǎn)換器可以將線(xiàn)偏振光轉(zhuǎn)換成徑向偏振光或方位角偏振光。其中,最重要的一個(gè)元件是在文獻(xiàn)[20]中描述的偏振轉(zhuǎn)換單元。這個(gè)液晶單元的入射面定向?qū)雍统錾涿娑ㄏ驅(qū)臃謩e為線(xiàn)摩擦和旋轉(zhuǎn)摩擦。入射面線(xiàn)摩擦方向?yàn)樵搯卧妮S線(xiàn)。每一個(gè)液晶分子鏈都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角,即入射面分子取向和出射面分子取向之間的夾角。當(dāng)一束線(xiàn)偏振光垂直入射面入射,而偏振方向與線(xiàn)摩擦方向平行或垂直時(shí),光束線(xiàn)偏振方向就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)扭轉(zhuǎn)角。當(dāng)入射線(xiàn)偏振方向與液晶單元軸線(xiàn)平行時(shí),出射光的偏振為方位角偏振;當(dāng)入射線(xiàn)偏振方向與液晶單元軸線(xiàn)垂直時(shí),出射光的偏振為徑向偏振;這種現(xiàn)象在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都可以發(fā)生。如果仔細(xì)研究一下,會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)輸出光束的橫截面內(nèi),沿平行于線(xiàn)摩擦方向的直徑分成兩半。兩部分的分子扭轉(zhuǎn)方向是相反的,因此上下兩部分的電矢量振動(dòng)相差π位相。對(duì)于相位要求嚴(yán)格的應(yīng)用,則需要對(duì)此相位差進(jìn)行補(bǔ)償。圖1中的相位補(bǔ)償單元就是補(bǔ)償偏振轉(zhuǎn)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(guò)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(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)單元,就是使線(xiàn)偏振光的偏振方向能夠旋轉(zhuǎn)90度,從而實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)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(gè)單元組裝在一起,并可以調(diào)節(jié)偏振轉(zhuǎn)換單元與相位補(bǔ)償單元之間的相對(duì)位置和角度。

如果一束準(zhǔn)直的入射激光束不經(jīng)過(guò)相位補(bǔ)償直接入射偏振轉(zhuǎn)換單元,則該單元中心的缺陷線(xiàn)就會(huì)使出射光束產(chǎn)生衍射,使得中心出現(xiàn)一條暗線(xiàn),破壞系統(tǒng)輸出光強(qiáng)的均勻性。當(dāng)系統(tǒng)中插入相位補(bǔ)償單元時(shí),這條暗線(xiàn)就可以消失。也可以在輸出端再插入一個(gè)空間濾波器使光束橫截面強(qiáng)度分布更加均勻。

圖1 徑向和方位角偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)組成和原理示意圖

2 驅(qū)動(dòng)電路以及軟件

該偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的相位補(bǔ)償單元和偏振旋轉(zhuǎn)單元工作時(shí)都需要外加交流驅(qū)動(dòng)電路。為此我們制作了一個(gè)具有兩個(gè)輸出端的驅(qū)動(dòng)控制電路盒,該驅(qū)動(dòng)控制電路盒的輸入端經(jīng)過(guò)USB接口連接至電腦。電腦上事先安裝了一個(gè)用Labview開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)軟件。安裝并打開(kāi)后的界面如圖2所示?？刂坪休敵鰹闃?biāo)準(zhǔn)方波。電壓幅度和頻率均可調(diào)。圖2中上面的兩個(gè)旋鈕分別調(diào)節(jié)控制盒一路輸出的電壓幅度和頻率。下面的兩個(gè)旋鈕則分別調(diào)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(diào)。頻率0到1 000Hz。電壓調(diào)節(jié)精度為1mv。頻率調(diào)節(jié)精度為1 Hz。使用時(shí),先在電腦上安裝其應(yīng)用程序。然后將控制盒用USB連線(xiàn)連接到電腦。然后用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊桌面電腦圖標(biāo),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(yīng)的端口。然后在軟件界面左上角串口選擇選擇相應(yīng)的串口。即可以通過(guò)軟件界面調(diào)節(jié)兩個(gè)控制輸出端的方波電壓和頻率。兩個(gè)控制輸出端一個(gè)連接相位補(bǔ)償器單元,一個(gè)連接偏振旋轉(zhuǎn)單元。連接相位補(bǔ)償單元,需要根據(jù)所用波長(zhǎng)施加不同的電壓,器件本身所附的說(shuō)明書(shū)里提供這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),對(duì)于633納米波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō),半個(gè)波長(zhǎng)為316納米。所加方波電壓為1.5 V。當(dāng)然當(dāng)相位延遲達(dá)到633 nm+316 nm=949 nm時(shí),相位同樣得到補(bǔ)償。這時(shí)所加電壓為2.9 V。連接偏振旋轉(zhuǎn)單元所需要加的電壓為一個(gè)確定的數(shù)值。通常需要5 V左右。

圖2 驅(qū)動(dòng)軟件調(diào)節(jié)界面

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)程序

本實(shí)驗(yàn)涉及到三部分知識(shí):第一是徑向偏振光和方位角偏振光的概念,用途,以及產(chǎn)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(zhuǎn)方法,液晶盒定向摩擦層的概念。液晶分子扭轉(zhuǎn)角的概念;第三是用Labview軟件控制方波信號(hào)發(fā)生器輸出兩路不同頻率和不同振幅的方波信號(hào)。因次本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以分三部分來(lái)進(jìn)行。

第一部分:首先要求學(xué)生了解各類(lèi)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(xiàn)偏振檢偏器產(chǎn)生線(xiàn)偏振光,圓偏振光,橢圓偏振光。然后要求學(xué)生了解徑向偏振光和方位角偏振光的特點(diǎn),用途以及產(chǎn)生原理。

第二部分:要求學(xué)生在教師幫助下學(xué)習(xí)液晶的相關(guān)知識(shí),定向?qū)拥母拍詈妥饔?。液晶盒的?gòu)造以及線(xiàn)摩擦和旋轉(zhuǎn)摩擦的方法。液晶分子的扭轉(zhuǎn)角以及液晶分子的傾角與折射率的關(guān)系。然后進(jìn)一步了解相位補(bǔ)償單元的工作原理以及相位補(bǔ)償單元的作用。了解偏振旋轉(zhuǎn)單元的作用。了解偏振轉(zhuǎn)換單元的原理和作用。

第三部分:要求基本了解方波信號(hào)發(fā)生器的工作原理,學(xué)習(xí)Labview軟件的編程過(guò)程。

在上述基本知識(shí)和原理基礎(chǔ)上,進(jìn)行如下的實(shí)驗(yàn)。

1.先將氦氖激光器發(fā)出的激光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直,然后在光路中放入線(xiàn)偏振檢偏器,將徑向偏振轉(zhuǎn)換器光束入射口對(duì)著入射光束。入射口較小約10mm左右。出射口較大。將兩個(gè)連接線(xiàn)分別插到方波信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)輸出端。并使用USB控制線(xiàn)連接到電腦。在電腦上安裝隨機(jī)附帶的軟件。

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

3.根據(jù)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)施加在相位補(bǔ)償單元上的方波電壓,直到位于中間的暗線(xiàn)慢慢消失。這時(shí),中心仍然有一個(gè)暗點(diǎn)。這是偏振奇點(diǎn)造成的。

4.可以進(jìn)一步將徑向偏振光入射到物鏡進(jìn)行聚焦。觀察光斑的大小。

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

4 結(jié) 論

本文提出了一種利用液晶單元組成的徑向偏振轉(zhuǎn)換器將線(xiàn)偏振光轉(zhuǎn)換成徑向偏振光或方位角偏振光的實(shí)驗(yàn)原理,器件結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)程序。對(duì)現(xiàn)有的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中只有線(xiàn)偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光和橢圓偏振光的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)創(chuàng)新,提高和突破。該實(shí)驗(yàn)也有助于學(xué)生獲得對(duì)液晶材料的光電性質(zhì)和應(yīng)用的進(jìn)一步了解。由于徑向偏振光或方位角偏振光在很多領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。因此,該實(shí)驗(yàn)也可以作為光電專(zhuān)業(yè)本科生或研究生深入進(jìn)行其他研究或其他設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性預(yù)備實(shí)驗(yàn)。

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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(guó)家自然科學(xué)基金(11074105)