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1、,液晶光子学,of,40,2,习题,2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,3,通过调控光场的振幅、相位和偏振等信息产生空间结构光场,(2.1),(2.2),(2.3),(2.4),(2.5),2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,4,当m = p = 0时，(2.4)式便退化为基模高斯光： 当m 0时，LG模式将会携带螺旋相位项exp(im)，对应的光场即为涡旋光场。,(2.6),m = 0,m = +1,m = -1,m = +2,m = -2,2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,5,2.1光场调控的基本介绍,第二章液
2、晶光场调控技术,of,40,6,(2.7),(2.8),(2.10),(2.9),(2.11),2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,7,(a)径向(b)角向(c)径向和角向线性叠加的矢量光场偏振分布示意图,2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,8,(2.12),(2.13),(2.14),(2.15),2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,9,(a)无限能量与(b) a = 0.05时有限能量的艾里光传播动态，插图里为起始位置时艾里光的光强分布,2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,10,(2.1
3、6),(2.17),2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,11, = 104m-1时零阶贝塞尔光束横向(a)光强轮廓与(b)光场形貌分布,2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,12,2.1光场调控的基本介绍,第二章液晶光场调控技术,of,40,13,液晶分子的介电和光学各向异性示意图,2.1光场调控的基本介绍,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,of,40,14,习题,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,15,棒状液晶分子，如向列相液晶，波长为的入射光的偏振方向与长轴之间的夹角为，有效双折射率为：经过厚度为d的液晶
4、层后入射偏振光经过的相位延迟为： 倾角不同 不同相位延迟() 改变波前整形,1原理,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,16,2实例,LCOS-SLM的结构示意图,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,17,2实例,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,18,2实例,盒厚不均匀型液晶透镜的结构及其在(a)无电压和(b)施加电压情况下的工作原理,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,19,2实例,(a)无施加电压和(b)施加电压情况下及(c)改进的曲面电极型液晶透镜的
5、结构及工作原理,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,20,2实例,(a)无电压和(b)施加电压以及(c)可施加双重电压的圆孔电极型液晶透镜的结构及工作原理,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,21,2实例,(a)叉指电极液晶光栅侧面结构和(b)0, 10, 20和30角入射下有效折射率轮廓示意图,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,22,2实例,(a) m = 2的叉形光栅图；(b) 3.6 V (c) 4.8 V (d) 6.2 V电压下叉形电极液晶光栅的衍射光斑分布,2.2基于倾角控制的液
6、晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,23,2实例,(a)灰度和(b)二元化立方位相图和相应产生的艾里光束模拟图(c)和(d),2.1光场调控的基本介绍,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,of,40,24,习题,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,25,1原理,of,40,26,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,1原理,1）起源于光的自旋轨道相互作用（描述光的偏振和轨迹之间的耦合）2）带来光子的自旋霍尔效应，即自旋（圆偏振）相关的光的分离现象3）几何相位与空间渐变的光的偏振态调控有关，只
7、依赖于几何特征4）通常，几何相位的大小正比于局部有效光轴的排列方向（），并且符号与入射光的偏振相关5）从庞加莱球上看，每一点都代表一个特定的偏振态，从一点出发，到另一固定点处，可以有任意路径。不同路径的初态和终态的偏振状态完全一样，但走过的不同路径中间所经历的偏振中间态不同，引入一与光轴方向有关的相位差，大小等于这两条路径所组成的庞加莱球上的一闭合曲面所对应的的立体角的一半,of,40,27,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,1原理,6）基于半波条件实现，由空间非均匀的各向异性介质形成，包括天然双折射材料液晶，以及超构表面等人工材料7）琼斯矩阵考虑圆偏振入射，左、右旋
8、分别为则出射光分别为式中，2为几何相位8）对半波片光轴分布进行设计，以产生目标光场,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,28,1原理,Yeh P, Gu C. Optics of liquid crystal displays. New Jersey: John Wiley & Sons, 2010.,液晶取向技术,利用尼龙、纤维或是棉绒等材料按特定的角度摩擦与液晶接触的高分子取向膜，使取向膜表层产生一定的凹槽,of,40,29,利用光敏材料在紫外线偏光照射下发生物理或化学反应，产生各向异性的表面作用力，进而诱导液晶分子定向排列光交联、光降解、光致顺反异构,
9、2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,2液晶取向技术,Nat. Mater. 12, 12 (2013),2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,30,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于动态相位的液晶光场调控器件,液晶光栅,二次摩擦法,调制入射光的振幅和相位，利用液晶自身结构形成的光栅主要为相位光栅；其原理在于液晶层形成周期性排列，进而得到周期性的折射率分布和相位延迟，从而发生衍射。,两步曝光法,Jpn. J. Appl. Phys., 2003, 42(11R): 6992.,Appl. Phys. Lett., 2012, 100
10、(11): 111116.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,31,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于动态相位的液晶光场调控器件,液晶叉形光栅,涡旋光和高斯光的电脑计算全息图是一个叉形光栅，因此可通过叉形光栅产生涡旋光束；中心区域出现位错，看上去像个叉子，故称作叉形光栅；一束高斯光照射到叉形光栅上，会被衍射成一系列的涡旋光束。,Adv. Mater., 2014, 26(10): 1590-1595.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,32,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于动态相位的液晶光场调控器件,液晶
11、达曼光栅,液晶达曼光栅,将一个周期内的相位分布增多，通过选取一定数量和特殊位置的相位转变点，可以实现若干个目标级次的等能量的阵列衍射，这类光栅就是达曼光栅。,液晶圆形和叉形达曼光栅,Opt. Lett., 2016, 41(24): 5668-5671;Crystals, 2017, 7(3): 79.,Appl. Opt., 2011, 50(15): 2316-2321;Phys. Rev. Appl., 2016, 5(4): 044009.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,33,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于动态相位的液晶光场调控器件,
12、液晶菲涅尔透镜,将透镜划分出为一系列理论上无数多个的同心圆纹路（即菲涅耳带）达到相同的光学效果；利用光的衍射原理实现聚焦效果的元件，其由一系列亮暗交替分布的同心圆环构成；缩小了器件的体积，易于集成，且节省了材料用量。,Opt. Lett., 2013, 38(11): 1775-1777.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,34,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于几何相位的液晶光场调控器件,Opt. Express, 2014, 22(10): 12691-12706.,激光直写法,基于DMD的动态无掩模曝光法,干涉法,Sci. Rep., 2016
13、, 6: 25528.,Optica, 2015, 2(11): 958-964.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,35,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于几何相位的液晶光场调控器件,Adv. Mater., 2015, 27(44): 7191-7195.,液晶偏振光栅,在空间局域调控入射光偏振的同时，引入渐变的倾斜相位分布，从而产生光束衍射与偏折；液晶指向矢在液晶盒基板平面内呈周期性渐变排列，每个周期内从0到180连续渐变；若左旋或右旋圆偏振入射，则只存在+1或-1级，且衍射级次的圆偏振旋性与入射光相反。,液晶偏振光栅,基于复合液晶偏振光栅的高
14、效偏振片,Liquid crystal geometric phase holograms for efficient beam steering and imaging spectropolarimetry M.North Carolina State University, 2011.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,36,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于几何相位的液晶光场调控器件,液晶偏振透镜,液晶指向矢分布与液晶偏振光栅类似，也是连续渐变的，不同的是在极坐标系下的函数关系；左右旋圆偏振分别对应于发散和聚焦的球面波，同时出射光转变为与入射相
15、反的圆偏振态；偏振敏感，在3D显示、自旋光子态筛选、多焦点聚焦等方面有着广阔的应用前景。,Optica, 2015, 2(11): 958-964.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,37,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于几何相位的液晶光场调控器件,液晶q波片,液晶指向矢（即局域光轴）在空间极坐标系中随方位角呈周期性渐变分布，() = q + 0；入射圆偏振，出射为相反圆偏振，并引入螺旋形相位，即产生涡旋光束（拓扑荷|m| = 2q）；入射线偏振，出射光线偏振在空间非均匀的渐变分布，即柱对称矢量光束（偏振级数|P| = 2q）,Opt. Expre
16、ss, 2011, 19(5): 4085-4090.,液晶q波片,液晶叉形偏振光栅,Photon. Res., 2015, 3(4): 133-139.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液晶光场调控技术,of,40,38,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 基于几何相位的液晶光场调控器件,其他特殊光场,根据目标光束的相位分布，设计具有相应光轴分布的液晶波片，同样能够实现其他结构光场。,Sci. Rep., 2015, 5: 17484.,液晶偏振艾里模板,液晶贝塞尔光束产生器,J. Opt., 2016, 18(12): 124002.,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,第二章液
17、晶光场调控技术,of,40,39,3结合方位角控制的液晶调光技术实例 液晶偏振转换器件,柱对称矢量光束,线偏振光转变为空间非均匀的偏振光束,Opt. Express, 2012, 20(21): 23036-23043.,基于波片原理,TN液晶的偏振旋转效应,Opt. Express, 2008, 16(6): 3768-3775.,液晶退偏器,Photonics Res., 2016, 4(2): 70-73.,2.1光场调控的基本介绍,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,2.4讨论和展望,of,40,40,习题,of,40,41,液晶具有极宽波段的光学各向
18、异性，从可见光到红外、太赫兹甚至微波波段，结合液晶优良的电光调谐特性，同一器件可适用于不同波段；可省去吸收型的电极，使得基于液晶的光场调控器件可以适用于短脉冲强光调制；,本章着重介绍的基于向列相液晶的光场调控器件，一些特种液晶材料，包括胆甾相液晶、蓝相液晶、铁电液晶和近晶相液晶，及自身拓扑缺陷态或形成的液晶微滴等，也可用来实现光场调控的功能；,液晶为光场调控技术带来了新的选择，有望催生各类新型的光学器件并拓宽特种光场的应用领域；液晶，这一在显示领域至关重要的传统材料，正在全新的领域彰显出勃勃生机。,2.4讨论和展望,第二章液晶光场调控技术,通过相位集成技术、将液晶微结构与传统的光学元件结合等手
19、段，可以更加丰富光相位、偏振、强度操控的实现手段,2.1光场调控的基本介绍,2.2基于倾角控制的液晶调光技术,2.3结合方位角控制的液晶调光技术,2.4讨论和展望,of,40,42,习题,1请举出光的横向空间模式，你还能想到哪些特殊光束？2基于向列相液晶调控光场，主要的物理机制是什么？3液晶透镜有许多种类，请列举五例，简述其原理。你认为哪种液晶透镜更为实用，为什么？4对光场的相位调制主要分哪两种，其区别是什么？5光控取向与摩擦取向相比，有哪些优势？目前最先进的技术手段有哪些，分别适合在哪些情况下使用？6液晶偏振转换器件主要分为哪两种，分别简述其特点的异同。你是否想到兼顾两者的优势途径？,习题：,
