艾里光束轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)要技術(shù)說(shuō)明

一、概述

我們提供的艾里光束轉(zhuǎn)換器為二維、一階艾里光束轉(zhuǎn)換器（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，呈現(xiàn)為“前后玻璃襯底+中間LCP功能膜層”的三明治結(jié)構(gòu)，無(wú)外殼，帶單側(cè)1.5 mm切邊。在LCP層中，液晶聚合物分子構(gòu)成立方相位分布，在整個(gè)器件平面上具有相同的 λ/2延遲量，為單波長(zhǎng)器件。艾里光束轉(zhuǎn)換器為偏振相關(guān)元件，可用于將高斯光束轉(zhuǎn)換為具有橫向自加速特性、自恢復(fù)特性、無(wú)衍射特性的艾里光束，其在微粒移動(dòng)、材料加工、顯微成像、光探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用被廣泛研究。

二、外觀結(jié)構(gòu)

艾里光束轉(zhuǎn)換器由前后兩層N-BK7玻璃基底及中間的LCP功能膜層組成。器件單側(cè)設(shè)計(jì)有1.5 mm寬切邊，與方形通光孔徑區(qū)域的邊長(zhǎng)平行；同時(shí)器件側(cè)面用箭頭標(biāo)記了正確的入射方向，當(dāng)光束依照箭頭方向入射至艾里光束轉(zhuǎn)換器時(shí)，出射光束偏振態(tài)與切邊位置的關(guān)系如下圖所示。

艾里光束轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

三、光學(xué)特性

1.偏振相關(guān)性：

艾里光束轉(zhuǎn)換器具有以下偏振相關(guān)的光學(xué)特性。當(dāng)入射光為圓偏振光時(shí)，在光束由器件中心正入射的條件下，會(huì)得到圓偏振態(tài)相反的單束“燕尾狀”艾里光束，入射圓偏振光的左右旋狀態(tài)不同時(shí)，出射圓偏振光的左右旋狀態(tài)及艾里光束的“燕尾”朝向也會(huì)相應(yīng)改變；

圓偏振光入射時(shí)的艾里光束轉(zhuǎn)換器

當(dāng)入射光為線偏振光時(shí)，在光束由器件中心正入射的條件下，會(huì)得到分別為左旋圓偏振態(tài)和右旋圓偏振態(tài)的兩束“燕尾狀”艾里光束，兩艾里光束的“燕尾”朝向相反，主瓣近乎重疊。

線偏振光入射時(shí)的艾里光束轉(zhuǎn)換器

2.艾里光束無(wú)衍射特性

無(wú)衍射光束在1987年被科學(xué)家首次提出，它是自由空間標(biāo)量波動(dòng)方程的一組特殊解，其場(chǎng)分布具有第一類零階或高階貝塞爾函數(shù)的形式。無(wú)衍射光束的物理含義是：光束中心光斑的直徑很小且在遠(yuǎn)距離傳播后保持不變。艾里光束同貝塞爾（Bessel）光束、馬修（Mathieu）光束、韋伯（Weber）光束等類似，是常見的無(wú)衍射光束之一，在激光加工、精密激光準(zhǔn)直、精密光學(xué)操控、光通信等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

常見的無(wú)衍射光束，左圖.貝塞爾光束在焦點(diǎn)附近的強(qiáng)度分布（x-z平面）  右圖.艾里光束自成型面逐漸衰減的強(qiáng)度分布（x-z平面）

3.艾里光束—自恢復(fù)特性

當(dāng)艾里光束在傳播路徑上遇到障礙物致使光場(chǎng)分布發(fā)生改變時(shí)，僅需繼續(xù)傳播一段距離，光場(chǎng)分布便可以恢復(fù)為原本的狀態(tài)。從原理層面來(lái)看，當(dāng)傳播距離比較小時(shí)，其旁瓣的波印廷矢量與主瓣波印廷矢量指向方向相反。隨著傳播距離的增大，越來(lái)越多旁瓣的波印廷矢量的指向方向變?yōu)樵靼甑闹赶蚍较?，這就意味著，二維艾里光束在傳播過(guò)程中如果主瓣受到了遮擋或者破壞，那么隨著傳播距離的增加，會(huì)有越來(lái)越多的旁瓣將能量流向主瓣，從而逐漸完成主瓣的自我修復(fù)過(guò)程1。

艾里光束的自恢復(fù)特性（x-y平面），(a)中艾里光束的傳播距離z=0，此時(shí)光束主瓣被遮擋；5.(b)中當(dāng)光束繼續(xù)傳播至z=11 cm處，可見主瓣恢復(fù)；5.(c)為光束傳播至z=30 cm處的光場(chǎng)分布，可見光束隨傳播距離增大出現(xiàn)能量衰減，但主瓣依舊可見；5.(d)(e)(f)為同樣遮擋情形在各相應(yīng)距離下的仿真結(jié)果對(duì)比

4.艾里光束—橫向自加速特性

艾里光束還有著橫向自加速的典型特征，該特征使光束在自由空間沿彎曲路徑進(jìn)行傳輸成為了可能。當(dāng)入射光束尺寸和波長(zhǎng)確定時(shí)，由x-z平面的光強(qiáng)分布明顯可見艾里光束的橫向位移距離隨光束傳播距離的增大而增大，同時(shí)可知艾里光束的傳播軌跡斜率，即橫向位移速度也隨光束傳播距離的增大而增大；

艾里光束x-z光強(qiáng)分布實(shí)測(cè)圖

當(dāng)立方相位調(diào)制的有效區(qū)域范圍大小不同時(shí)，艾里光束轉(zhuǎn)換器的成型面距離會(huì)有差異：

不同立方相位調(diào)制區(qū)域作用下，艾里光束轉(zhuǎn)換器出射光在0.8 m傳播距離處的能量分布（x-y平面），當(dāng)立方相位調(diào)制的有效區(qū)域?yàn)榘锕馐D(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)相位設(shè)計(jì)（a）時(shí)，出射光在0.8 m傳輸距離下成型為特征鮮明的艾里光束（b）；當(dāng)立方相位調(diào)制的有效區(qū)域?yàn)榘锕馐D(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)相位設(shè)計(jì)的一半（c，但通光孔徑相同）時(shí)，出射光在0.8 m傳輸距離下未見艾里光束明顯特征（d），其成型面約在10米傳輸距離處。

經(jīng)測(cè)試，基于LCP的二維一階艾里光束轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的基于SLM的艾里光束轉(zhuǎn)換器出射效果未見明顯差距

基于空間光調(diào)制器（SLM）和液晶聚合物（LCP）的艾里光束轉(zhuǎn)換器出射效果對(duì)比圖

四、參數(shù)說(shuō)明

1. 中心偏移量

艾里光束轉(zhuǎn)換器在使用時(shí)要求光束由器件相位結(jié)構(gòu)部分的中心入射，因此過(guò)大的中心偏移量將不利于入射光對(duì)準(zhǔn)，尤其是用于同軸系統(tǒng)中時(shí)。我們將艾里光束轉(zhuǎn)換器的中心偏移量限定在0.5 mm以內(nèi)。更精確的中心對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)，可以通過(guò)我們的xy位移調(diào)整架TXY1來(lái)實(shí)現(xiàn)。關(guān)于中心對(duì)準(zhǔn)：當(dāng)入射光沒有對(duì)準(zhǔn)艾里光束轉(zhuǎn)換器中心時(shí)，其出射光的“燕尾”形強(qiáng)度分布（x-y平面）會(huì)出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱現(xiàn)象。通過(guò)觀察出射光的強(qiáng)度分布，調(diào)節(jié)出射光強(qiáng)度分布至對(duì)稱狀態(tài)，即可得到良好的中心對(duì)準(zhǔn)效果。

2. 通光孔徑及建議入射光束尺寸

艾里光束轉(zhuǎn)換器的通光孔徑為10 mm×10 mm，該尺寸的設(shè)置是在不超出制作工藝極限的條件下盡可能使器件的立方相位結(jié)構(gòu)區(qū)域更大，使相同入射條件下的出射艾里光有更鮮明的橫向自加速特征。同時(shí)我們建議入射光束尺寸滿足≤?5 mm的要求，這是因?yàn)殡S入射光束尺寸增大，直至接近通光孔徑邊界時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較明顯的出射雜斑，可能影響光束質(zhì)量和光路效率。

3. 入射角

艾里光束轉(zhuǎn)換器的允許入射角范圍為±15°，該入射角范圍能夠保證艾里光束轉(zhuǎn)換器仍具備較佳的衍射效率，但需注意在非正入射條件下，出射艾里光的橫向偏移情況會(huì)發(fā)生一定程度的改變，請(qǐng)務(wù)必確保其不會(huì)對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。

4. 透射光偏轉(zhuǎn)

艾里光束轉(zhuǎn)換器的透射光偏轉(zhuǎn)參數(shù)由等效襯底片（無(wú)相位結(jié)構(gòu)）測(cè)得，用于表征器件前后表面的平行度。

5. 損傷閾值

基于LCP材料的短波強(qiáng)吸收特性，艾里光束轉(zhuǎn)換器的工作波長(zhǎng)越大，其損傷閾值會(huì)有所增加。經(jīng)實(shí)測(cè)，艾里光束轉(zhuǎn)換器的損傷閾值參考值（線功率密度）為：

• 5 W/cm（CW，@450 nm）；

• 100 W/cm（CW，@532 nm）；

• 1000 W/cm（CW，@1064 nm）。

對(duì)于皮秒、飛秒激光光源，損傷閾值參考值為5 mJ（入射光尺寸約為?6 mm）。

艾里光束轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用案例

1. 光片熒光顯微鏡

光片熒光顯微鏡（LSFM）可以用于觀察物體橫截面內(nèi)的圖像信息。照明光束由觀察面的平行方向照射到觀察面上，物鏡聚焦在被照明的觀察面上并成像，此種成像方式具有無(wú)背景光影響，圖像清晰；無(wú)需逐點(diǎn)掃描，成像速度快等優(yōu)勢(shì)。艾里光束、貝塞爾光束等無(wú)衍射光束均可以作為光片熒光顯微鏡的照明光束，其在傳播路徑上狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)十分適合平行方向的平面照明，同時(shí)其自恢復(fù)特性能夠保證照明光束的強(qiáng)度均勻，不因物體的屏障作用發(fā)生光強(qiáng)衰減。此外，貝塞爾光束截面上存在的若干環(huán)狀能量分布，也存在對(duì)成像質(zhì)量產(chǎn)生影響的風(fēng)險(xiǎn)，相比之下，艾里光束則不會(huì)存在此問(wèn)題。

艾里光束用于光片熒光顯微鏡

2. 材料加工

超快激光在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)愈發(fā)成熟，而艾里光束的橫向自加速特性也使其可能在材料切割中發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：由于艾里光束橫向位移的存在，光束可看作沿曲線路徑進(jìn)行傳播。當(dāng)艾里激光束用作材料切割時(shí)，其切割面呈現(xiàn)為緩曲面而非平直切割面，由此可以隨切割過(guò)程對(duì)切割面進(jìn)行打磨。

艾里光束用于材料切割