简要介绍涡旋波片及其典型应用领域

涡旋波片的技术说明

涡旋波片（Vortex Retarder，VR）是基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料制成，呈现为三明治结构，安装于标准SM1透镜套筒中。在LCP层中，液晶分子的快轴取向沿基片径向一致，沿基片角向连续渐变。其在整个器件平面上具有相同的  λ/ 2 延迟量，为单波长器件。涡旋波片具有偏振相关的光学特性，根据入射光束偏振态的不同，可用于生成矢量偏振光束或具备螺旋相位波前的涡旋光束，可将TEM00模高斯光束转换为“空心孔型”的拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian，LG）强度分布。相较于传统的光场调控方式，涡旋波片具有高效稳定、操作简易、功能专一的优势；其真零级特点也帮助实现了较低的波长敏感性、较高的温度稳定性和较大的入射角范围。涡旋波片已经成功应用在量子光学、光场调控、大气光通信、超分辨率成像、光镊、精密激光加工等领域。

外观结构

1. 产品外观

涡旋波片基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物双折射材料，通过光控取向工艺制成，呈现为“前后玻璃衬底+中间LCP功能膜层”的三明治结构，安装于标准SM1-8A透镜套筒中。在SM1透镜套筒上，标注了产品的名称、型号，并用4条刻线标记了涡旋波片的中心点，同时，用1个圆点标记了1处0 °快轴方向（与所处位置径向平行的液晶分子快轴取向，仅限于m≤8的标品型号），方便用户在光路系统中快速区分产品参数、进行元件调试。

涡旋波片产品结构

2. 快轴取向
 在涡旋波片的LCP层中，液晶分子快轴取向沿基片径向一致，沿基片角向连续渐变，其快轴取向具体遵循：

 其中，m为涡旋波片的阶数，Φ为涡旋波片上特定位置的快轴方向，φ为特定位置上径向与零度线的夹角，θ为零度线上的快轴方向。

涡旋波片快轴取向示例，m=1、2、4、8

光学特性

1. 偏振相关的相位调制特性

当入射光为线偏振光时，涡旋波片能够产生矢量偏振光束，即光束横截面上每一点的偏振方向呈现为非均匀分布的线偏振光束。当使用m=1涡旋波片时，有两种较为特殊的情况：若入射线偏振光的偏振方向平行于m=1涡旋波片的0 °快轴，则出射光束为径向偏振光束，即光束横截面上每一点的线偏振方向均与径向平行；若入射线偏振光的偏振方向垂直于m=1涡旋波片的0 °快轴，则出射光束为角向偏振光束，即光束横截面上每一点的线偏振方向均与径向垂直。

径向和角向偏振光束生成示意

当入射光为圆偏振光时，涡旋波片能够产生具备螺旋相位波前的涡旋光束，且出射涡旋光束的圆偏振态与入射时相反，即：当入射光为左旋圆偏振光时，涡旋波片能够产生l=m的右旋圆偏振涡旋光束；当入射光为右旋圆偏振光时，涡旋波片能够产生l=-m的左旋圆偏振涡旋光束。

2. 光束能量分布转换特性

涡旋波片可以将入射的TEM00模高斯光束转换为“空心孔型”的拉盖尔-高斯强度分布。对于不同阶数m的涡旋波片，m值越小，则出射光束中心孔的尺寸越小；反之，m值越大，则出射光束中心孔的尺寸越大。

不同阶数m涡旋波片的出射光强度分布对比

参数说明

1. 阶数m

阶数m即拓扑荷数。m每增加1，则涡旋波片的快轴变化增加180 °。对于不同阶数m的涡旋波片：

• 在生成矢量偏振光束时，能够得到不同的线偏振态分布——m每增加1，则矢量偏振光束的线偏振方向变化增加360 °；

• 在生成涡旋光束时，能够得到l=±m的涡旋光；

• 当在意出射光束的能量分布时，所选取的涡旋波片阶数m越小，则光束中心孔尺寸越小。

2. 延迟量相关参数

涡旋波片，即聚合物真零级涡旋半波片，是基于其整个器件平面上双折射LCP层的λ/2延迟量，即对寻常光o光和非常光e光的光程差调制，以及衍射光学原理来实现其功能的。因此：

• 涡旋波片是有明确工作波长的单波长器件。当入射光波长与器件工作波长不一时，LCP层将不再产生理想的λ/2光程差。从出射效果上来看，光束各点的偏振态会由较为理想的线偏振或圆偏振趋向于椭圆偏振；“中心孔型”强度分布的光束，其外圈亮环与中空部分的对比度也会有所下降；

• 为了保证预期的双折射特性，我们将涡旋波片成品的延迟量精度及均匀性限定在±5 nm内，例如，对于工作波长λ=532 nm的涡旋波片，其LCP层延迟量的合格标准为266±5  nm。对于m=1、2的涡旋波片，我们能够确保其转换效率≥99.5%（拉盖尔-高斯光束的能量占透过光总能量之比）；

• 在非正入射条件下，涡旋波片的等效延迟量相对λ/2会出现一定偏差，比起胶合零级波片，“真零级”特性使得涡旋波片有着较大的入射角范围。经测定，入射角在±20 °以内时，前述偏差在可允许范围内。

3. 快轴精度

基于部分型号涡旋波片的快轴敏感性和客户的使用便易性考虑，我们进行了以下几种情况的快轴标定：

• 对于m为奇数的涡旋波片标品及定制产品，其具有快轴敏感性。我们在机械外壳上用1个圆点标记了1处0 °快轴，圆心角快轴精度为±1 °，对应取向角快轴精度为0.5×m °，m为涡旋波片阶数；

• 对于m=2的涡旋波片标品，其液晶分子快轴取向始终平行于径向，因此不具有快轴敏感性。我们将其快轴精度定义为液晶分子快轴取向与径向的夹角上限，为±1 °；

• 对于m≠2且为偶数的涡旋波片标品及定制产品，其不具有快轴敏感性。我们仍在机械外壳上用1个圆点标记了1处0 °快轴，圆心角快轴精度为±1 °，对应取向角快轴精度为0.5×m °，m为涡旋波片阶数。

当m＞10时，取向角快轴精度已增大至5 °，对客户的使用便易性意义不大。因此，以上快轴标定及精度限制仅限于m≤10的涡旋波片产品型号（包括标品及非标品）。

4. 中心偏移量

对于理想的涡旋波片，其液晶分子快轴取向的变化中心应位于基片圆心处，过大的中心偏移量将不利于涡旋波片的入射光中心对准，尤其是用于同轴系统中时。因此，我们将涡旋波片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：当入射光没有对准涡旋波片中心时，其出射光的环形强度分布会出现明显的不对称现象，即所谓“月牙形强度分布”，如下图所示。通过观察出射光的分布强度，将涡旋波片向出现“月牙形强度分布”的方向调节，即可得到较佳的中心对准效果。

5. 入射光尺寸

涡旋波片入射光的尺寸上限受器件通光孔径限制，为Ø21.5 mm；尺寸下限受器件中心奇点尺寸限制，根据不同型号涡旋波片的中心奇点情况，我们对入射光尺寸下限做出如下建议：

• Ø0.05 mm（m≤2）；

• Ø0.15 mm（m≤8）；

• Ø0.3 mm（m≤32）；

• Ø0.5 mm（m＞32）。

6. 损伤阈值

基于LCP材料的短波强吸收特性，涡旋波片的工作波长越大，其损伤阈值会有所增加。经实测，涡旋波片的损伤阈值参考值（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：

780-1030 nm——

• 0.807J/cm^2@980nm，190fs，50kHz，Ø12.684μm (Single Pulse) - The damage threshold is not reached；

• 0.807J/cm^2@980nm，190fs，100Hz，Ø12.684μm (100 Pulses) - The damage threshold is not reached.

1053-1550 nm——

• 0.503J/cm^2@1550nm，190fs，50kHz，Ø11.47μm (Single Pulse) - The damage threshold is not reached；

• 0.503J/cm^2@1550nm，190fs，100Hz，Ø11.47μm (100 Pulses) - The damage threshold is not reached.

涡旋波片的优势

相较于空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM），涡旋波片：

• 平板结构，更易集成；

• 光-光转换，高效快速，调制稳定；

• 不依赖复杂外部信号控制和辅助设备，操作简单；

• 功能专一性好，对于特定需求的光场调控场景，价格更低。

相较于传统螺旋相位板，涡旋波片：

• 偏振相关，携带偏振信息，可生成矢量偏振光束；

• 聚合物材料，真零级特性——较低的波长敏感性、较高的温度稳定性和较大的入射角范围。

如何选择涡旋波片关键参数

1.阶数m

阶数m即拓扑荷数。m每增加1，则涡旋波片的快轴变化增加180 °。对于不同阶数m的涡旋波片：

• 在生成矢量偏振光束时，能够得到不同的线偏振态分布——m每增加1，则矢量偏振光束的线偏振方向变化增加360 °；

• 在生成涡旋光束时，能够得到l=±m的涡旋光；

• 当在意出射光束的能量分布时，所选取的涡旋波片阶数m越小，则光束中心孔尺寸和形状越小、越圆，反之则越大、越椭。

2.工作波长λ

聚合物真零级涡旋半波片，是基于其整个器件平面上双折射LCP层的λ/2延迟量，即对寻常光o光和非常光e光的光程差调制，以及衍射光学原理来实现其功能的。

因此，涡旋波片是有明确工作波长的单波长器件。当入射光波长与器件工作波长不一时，LCP层将不再产生理想的λ/2光程差。从出射效果上来看，光束各点的偏振态会由较为理想的线偏振或圆偏振趋向于椭圆偏振；“中心孔型”强度分布的光束，其外圈亮环与中空部分的对比度也会有所下降。

建议您选用工作波长λ与光源中心波长尽可能接近的型号。

涡旋波片的应用案例

1. 激光加工

径向偏振光形成的特殊聚焦光场具有穿透性强、光强高度集中等特殊性质，加之其独特的空间结构，使得径向偏振光在金属加工等对偏振特性要求较高的场景下的加工效率约为圆偏振光的2倍。角向偏振光的聚焦光场相比于其它偏振态分布能够获得更高的宽深比，可以用于加工宽深比要求较高的微孔；除此之外，使用角向偏振光时，可以有效增加超快激光成丝的长度，从而提高激光精密加工的性能和效率，在玻璃切割、半导体加工、精密激光打孔等方面有具有明显优势。

径向偏振光与角向偏振光加工深度对比

2. 光镊系统

在LG光束中，每个光子均具有轨道角动量，且能够通过传递给被照明的粒子从而引起特定粒子的旋转。利用具有角动量的光束与原子、 微米或纳米粒子、 生物大分子间的相互作用，可以囚禁或旋转这些粒子，实现所谓的“光学镊子”或“光学扳手”功能。

基于涡旋波片的光镊系统

3. 超分辨显微成像系统

LG光束作为一种具有中心奇点的光束，可以用于超分辨显微成像系统（STED）。如图示，激发光源为TEM00模高斯光束，抑制激发光源为LG光束，其中标注为VPP的元件可选用涡旋波片、螺旋相位板、空间光调制器等。当激发光束与抑制激发光束同时被物镜聚焦于成像面上，只被激发光源照射到的中心区域被激发的荧光波长为λ1，而同时被激发光束与抑制激发光束照射的环形区域所激发荧光波长为λ2。基于光学衍射极限原理，激发光源光斑及抑制激光光束尺寸均满足衍射极限，因此被激发波长为λ1的荧光中心区域小于光学衍射极限。根据共聚焦的光学结构，两束激发荧光同时被物镜收集。而在APD探测器之前添加窄带滤光片，可以保证只有波长为λ2的荧光被成像。由此实现该显微镜成像精度超过普通光学显微镜的衍射极限。

超分辨显微成像系统示意

4. 其他应用方向

LG光束可以作为OAM(Orbital Angular Momentum of Light)的载体，因此可以应用到与OAM相关的领域，包括光操控、非线性光学、光通讯、材料加工、成像等领域；对于高纯度的LG光束，在传播过程中可通过透镜整形复原复振幅分布，具有角向和径向两个量子数，具有最佳的光束品质因子，传播过程中可以保持很好的环形光强分布等，这些优势使得LG模式可以应用到精密测量和探测领域；高阶LG模式可以有效地减小高功率激光对镜片产生的热效应，对于具有相同束腰w0和相同能量的LG光束而言，在相同横截面处光斑的直径与（2p+| l |+1）/2 成正比，因此能量密度与M2=2p+| l |+1 成正比，所以随着l和p的增大，功率密度越来越小，镜片产生的热噪声也越小，LG光束的这个特点可被应用到引力波探测装置LIGO系统上；LG光束的指数也被证明具有量子特性，因此，在量子信息领域，高纯度的LG光束可以提高混合径向和角向的量子关联。