[發明專利]空變液晶波片

有效

• 申請號: 200810007788.3
• 申請日: 2008-03-12
• 公開（公告）號: CN101266313A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 大衛·M.·西蒙;斯科特·邁克爾東尼;杰瑞·扎而巴
• 申請（專利權）人: JDS尤尼弗思公司
• 主分類號: G02B5/30
• 分類號: G02B5/30
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司
• 代理人: 鄭小粵

技術領域

[01]本發明涉及光軸方向隨空間變化的波片，尤其涉及光定向空變(space-variant)液晶波片及其制造方法。

背景技術

[02]波片或光學延遲器是通過在入射光場的兩個正交的偏振分量之間加入預定相移來改變入射光的偏振狀態的光學設備。通常，所加入的相移被稱為波片延遲并且以波長的分數來測量，因此，在兩個正交偏振之間加入π相移的波片被稱為二分之一波片，而在兩個正交偏振之間加入π/2相移的波片被稱為四分之一波片。

[03]波片可以由選定厚度的雙折射材料制造，所述雙折射材料的光軸位于波片的面內；這種波片被稱為a-板。具有雙折射特性的材料含有不同的折射率并且以不同方向(通常為正交方向)傳輸偏振光。在任何一種雙折射材料中，至少有一個被稱為光軸的軸，使得無論這些光的偏振狀態如何，沿所述材料中光軸方向傳播的光都具有相同的速度。當光束垂直于光軸穿過雙折射材料并且與所述光軸成一定角度的線性偏振時，則所述雙折射材料將光束分解為尋常光和非常光，所述尋常光和非常光在相互垂直的方向上具有線性偏振并且以不同的速度穿過所述雙折射材料，從而在這些光束間產生相移。當入射到波片上的光沿所述波片的光軸或與所述光軸成90°角線性偏振時，即光束的電場矢量平行或垂直與波片光軸時，光的偏振是波片的本征偏振并且不能由波片改變。入射到二分之一波片的線性偏振光將具有一定偏轉，其偏振狀態不是波片的本征偏振，所述入射光的偏轉角為線性偏振光的方向和延遲器的光軸之間夾角的兩倍。

[04]傳統應用中一般使用在空間分布均勻(spatiallyy-uniform)的波片來獲得均勻偏振的光束，即偏振狀態在光束截面上無改變的偏振光照射光束。然而，近來，人們認識到，在均勻偏振光束上引發偏振的空間變化是一種價值無法衡量的波前整形工具。確實，如果隨后采用線性偏光器對所述具有空間變化的偏振光束進行分析，則凈效果是在光束的橫截面上加入了空變相移，如眾所周知的Pancharatnam-Berry相位。造成對光束波前的特殊整形效果。因此，空變波片吸引到人們相當大的興趣，因為可以使用空變波片來形成在光束的橫截面上偏振方向變化的線性偏振光束，所述偏振方向即光照射的電場矢量方向；參見例如M.Stalder和M.Schadt的名稱為“由液晶偏振轉換器產生軸對稱線性偏?振光”的文章，Opt.Letts.，21卷，23號，1948-1950頁，1996年12月1日。

[05]所述空變線性偏振光束的典型實例分別是徑向偏振光束和切向偏振光束，有時也被分別簡稱為徑向光束和切向光束。切向偏振光束也可被稱為方位角偏振光束。這些光束的偏振模式(pattern)如圖1A和圖1B中所示，其中箭頭示出光束偏振的局部定向。在這兩種情況中，偏振方向都僅依賴于特定空間位置的方位角并且與到光軸的徑向距離r無關。這類偏振光束在本領域中有時被稱為柱面矢量光束或偏振渦旋光束。術語“偏振渦旋”反映出偏振狀態繞光束軸旋轉并且在這類光束軸處未確定的事實，因此光束在光軸處的光強為零。這類偏振渦旋光束具有可在各種實際應用中使用的獨特特性，例如用于粒子俘獲(如作為光鑷子)、微鏡分辨率增強、自由空間通信以及光刻。

[06]如圖1A和圖1B中所示的切向和徑向光束是偏振渦旋光束的兩個示例。術語“偏振渦旋光束”在本文中指偏振空變的光束，所述光束在圍繞光束軸通過閉合環路(如圓周軌跡)時，通過2π弧度或數倍2π弧度的方位角旋轉，表現出偏振方向的持續改變。光渦旋是光束截面上的一個點，該點表現出異常相位，以便在圍繞該點的任何圓周軌跡上，光輻射的電場以數倍2π弧度為周期變化。“偏振渦旋”為線性偏振狀態，其中，類似地，偏振方向以數倍2π弧度為周期繞光軸變化。

[07]同樣成立的是，偏振平面波可以通過名為瓊斯矢量(Jones?Vector)的2維復合矢量進行描述。極坐標中線性偏振渦旋的瓊斯矢量由以下等式(1)給出：

[08]其中，m既是渦旋的偏振階(polarization?order)，也表示每方位角旋轉的電場方向的旋轉數量；_l是方位角。θ_l0是常量參數，所述常量參數對于徑向光束為0，并且對于切向光束為π/2弧度。通常，由等式(1)所描述的渦旋光束被稱為m階偏振渦旋光束。