艾里光束转换器简要介绍及其典型应用领域

艾里光束转换器简要技术说明

一、概述

我们提供的艾里光束转换器为二维、一阶艾里光束转换器（Airy Beam Converter，AB），其基于液晶聚合物材料（Liquid Crystal Polymers，LCP）及N-BK7窗口片制成，呈现为“前后玻璃衬底+中间LCP功能膜层”的三明治结构，无外壳，带单侧1.5 mm切边。在LCP层中，液晶聚合物分子构成立方相位分布，在整个器件平面上具有相同的 λ/2延迟量，为单波长器件。艾里光束转换器为偏振相关元件，可用于将高斯光束转换为具有横向自加速特性、自恢复特性、无衍射特性的艾里光束，其在微粒移动、材料加工、显微成像、光探测领域的应用被广泛研究。

二、外观结构

艾里光束转换器由前后两层N-BK7玻璃基底及中间的LCP功能膜层组成。器件单侧设计有1.5 mm宽切边，与方形通光孔径区域的边长平行；同时器件侧面用箭头标记了正确的入射方向，当光束依照箭头方向入射至艾里光束转换器时，出射光束偏振态与切边位置的关系如下图所示。

三、光学特性

1.偏振相关性：

艾里光束转换器具有以下偏振相关的光学特性。当入射光为圆偏振光时，在光束由器件中心正入射的条件下，会得到圆偏振态相反的单束“燕尾状”艾里光束，入射圆偏振光的左右旋状态不同时，出射圆偏振光的左右旋状态及艾里光束的“燕尾”朝向也会相应改变；

圆偏振光入射时的艾里光束转换器

当入射光为线偏振光时，在光束由器件中心正入射的条件下，会得到分别为左旋圆偏振态和右旋圆偏振态的两束“燕尾状”艾里光束，两艾里光束的“燕尾”朝向相反，主瓣近乎重叠。

线偏振光入射时的艾里光束转换器

2.艾里光束无衍射特性

无衍射光束在1987年被科学家首次提出，它是自由空间标量波动方程的一组特殊解，其场分布具有第一类零阶或高阶贝塞尔函数的形式。无衍射光束的物理含义是：光束中心光斑的直径很小且在远距离传播后保持不变。艾里光束同贝塞尔（Bessel）光束、马修（Mathieu）光束、韦伯（Weber）光束等类似，是常见的无衍射光束之一，在激光加工、精密激光准直、精密光学操控、光通信等众多领域有着广泛的应用。

常见的无衍射光束，左图.贝塞尔光束在焦点附近的强度分布（x-z平面）  右图.艾里光束自成型面逐渐衰减的强度分布（x-z平面）

3.艾里光束—自恢复特性

当艾里光束在传播路径上遇到障碍物致使光场分布发生改变时，仅需继续传播一段距离，光场分布便可以恢复为原本的状态。从原理层面来看，当传播距离比较小时，其旁瓣的波印廷矢量与主瓣波印廷矢量指向方向相反。随着传播距离的增大，越来越多旁瓣的波印廷矢量的指向方向变为原主瓣的指向方向，这就意味着，二维艾里光束在传播过程中如果主瓣受到了遮挡或者破坏，那么随着传播距离的增加，会有越来越多的旁瓣将能量流向主瓣，从而逐渐完成主瓣的自我修复过程。

艾里光束的自恢复特性（x-y平面），(a)中艾里光束的传播距离z=0，此时光束主瓣被遮挡；5.(b)中当光束继续传播至z=11 cm处，可见主瓣恢复；5.(c)为光束传播至z=30 cm处的光场分布，可见光束随传播距离增大出现能量衰减，但主瓣依旧可见；5.(d)(e)(f)为同样遮挡情形在各相应距离下的仿真结果对比

4.艾里光束—横向自加速特性

艾里光束还有着横向自加速的典型特征，该特征使光束在自由空间沿弯曲路径进行传输成为了可能。当入射光束尺寸和波长确定时，由x-z平面的光强分布明显可见艾里光束的横向位移距离随光束传播距离的增大而增大，同时可知艾里光束的传播轨迹斜率，即横向位移速度也随光束传播距离的增大而增大；

艾里光束x-z光强分布实测图

当立方相位调制的有效区域范围大小不同时，艾里光束转换器的成型面距离会有差异：

不同立方相位调制区域作用下，艾里光束转换器出射光在0.8 m传播距离处的能量分布（x-y平面），当立方相位调制的有效区域为艾里光束转换器的标准相位设计（a）时，出射光在0.8 m传输距离下成型为特征鲜明的艾里光束（b）；当立方相位调制的有效区域为艾里光束转换器标准相位设计的一半（c，但通光孔径相同）时，出射光在0.8 m传输距离下未见艾里光束明显特征（d），其成型面约在10米传输距离处。

经测试，基于LCP的二维一阶艾里光束转换器与传统的基于SLM的艾里光束转换器出射效果未见明显差距

基于空间光调制器（SLM）和液晶聚合物（LCP）的艾里光束转换器出射效果对比图

四、参数说明

1. 中心偏移量

艾里光束转换器在使用时要求光束由器件相位结构部分的中心入射，因此过大的中心偏移量将不利于入射光对准，尤其是用于同轴系统中时。我们将艾里光束转换器的中心偏移量限定在0.5 mm以内。更精确的中心对准调节，可以通过我们的xy位移调整架TXY1来实现。关于中心对准：当入射光没有对准艾里光束转换器中心时，其出射光的“燕尾”形强度分布（x-y平面）会出现明显的不对称现象。通过观察出射光的强度分布，调节出射光强度分布至对称状态，即可得到良好的中心对准效果。

2. 通光孔径及建议入射光束尺寸

艾里光束转换器的通光孔径为10 mm×10 mm，该尺寸的设置是在不超出制作工艺极限的条件下尽可能使器件的立方相位结构区域更大，使相同入射条件下的出射艾里光有更鲜明的横向自加速特征。同时我们建议入射光束尺寸满足≤Ø5 mm的要求，这是因为随入射光束尺寸增大，直至接近通光孔径边界时，会出现较明显的出射杂斑，可能影响光束质量和光路效率。

3. 入射角

艾里光束转换器的允许入射角范围为±15°，该入射角范围能够保证艾里光束转换器仍具备较佳的衍射效率，但需注意在非正入射条件下，出射艾里光的横向偏移情况会发生一定程度的改变，请务必确保其不会对实际应用效果产生影响。

4. 透射光偏转

艾里光束转换器的透射光偏转参数由等效衬底片（无相位结构）测得，用于表征器件前后表面的平行度。

5. 损伤阈值

基于LCP材料的短波强吸收特性，艾里光束转换器的工作波长越大，其损伤阈值会有所增加。经实测，艾里光束转换器的损伤阈值参考值（线功率密度）为：

• 5 W/cm（CW，@450 nm）；

• 100 W/cm（CW，@532 nm）；

• 1000 W/cm（CW，@1064 nm）。

对于皮秒、飞秒激光光源，损伤阈值参考值为5 mJ（入射光尺寸约为Ø6 mm）。

艾里光束转换器的典型应用案例

1. 光片荧光显微镜

光片荧光显微镜（LSFM）可以用于观察物体横截面内的图像信息。照明光束由观察面的平行方向照射到观察面上，物镜聚焦在被照明的观察面上并成像，此种成像方式具有无背景光影响，图像清晰；无需逐点扫描，成像速度快等优势。艾里光束、贝塞尔光束等无衍射光束均可以作为光片荧光显微镜的照明光束，其在传播路径上狭长的结构十分适合平行方向的平面照明，同时其自恢复特性能够保证照明光束的强度均匀，不因物体的屏障作用发生光强衰减。此外，贝塞尔光束截面上存在的若干环状能量分布，也存在对成像质量产生影响的风险，相比之下，艾里光束则不会存在此问题。

艾里光束用于光片荧光显微镜

2. 材料加工

超快激光在材料加工领域的应用已经愈发成熟，而艾里光束的横向自加速特性也使其可能在材料切割中发挥独特的优势：由于艾里光束横向位移的存在，光束可看作沿曲线路径进行传播。当艾里激光束用作材料切割时，其切割面呈现为缓曲面而非平直切割面，由此可以随切割过程对切割面进行打磨。

艾里光束用于材料切割