Электрически контролируемые микроструктурированные жидкокристаллические твист-элементы для фазового преобразования световых полей

Abstract

Предмет исследования. Предложены топологии микроструктурированной фотоориентации директора нематического жидкого кристалла, использование которых в электрически управляемых жидкокристаллических элементах позволяет формировать световые пучки с заданной фазовой сингулярностью. Основные результаты. Созданы электрически управляемые азимутально ориентированные жидкокристаллические твист-элементы, позволяющие реализовать преобразование гауссовых пучков в пучки с заданным количеством фазовых сингулярностей волнового фронта. На основе методов поляризационной микроскопии и анализа распределения интенсивности в профиле пучка, а также результатов когерентного сложения преобразованного излучения с плоской волной определен рабочий диапазон напряжений, обеспечивающий возбуждение оптических сингулярных пучков. Показано, что разработанные элементы осуществляют фазовое топологическое преобразование волнового фронта циркулярно поляризованного гауссова пучка в оптические вихри независимо от длины волны в широкой оптической области спектра и не требуют точной подстройки по управляющему напряжению. Дифракционные оптические элементы на основе микроструктурированной твист-планарной ориентации директора жидкого кристалла позволили осуществить преобразование волнового фронта линейно поляризованного излучения в оптические вихри с различными топологическими зарядами. На примере дифракционного топологического элемента, позволяющего формировать оптические вихри с топологическим зарядом 4, проведено экспериментальное исследование зависимости дифракционной эффективности элемента от амплитуды управляющего напряжения. Разработанный дифракционный элемент имеет начальную дифракционную эффективность (в отсутствие напряжения на элементе) порядка 10%. Максимальная дифракционная эффективность созданных дифракционных топологических элементов достигает 30% при амплитуде управляющего напряжения несколько вольт. Увеличение амплитуды внешнего напряжения до 20 В приводит к исчезновению дифракционной структуры. На основе анализа интерференционной картины, являющейся результатом когерентного сложения сформированного элементом фазового сингулярного пучка с плоской волной, продемонстрирована устойчивость возбуждаемых оптических вихрей к значению амплитуды управляющего напряжения. Экспериментально установлено, что возбуждаемые сингулярные пучки высокого топологического заряда остаются устойчивыми при их распространении на расстояния более 3 м. Практическая значимость. Разработанные топологические электрически управляемые жидкокристаллические элементы могут работать в широкой оптической области спектра и использоваться для генерации оптических вихрей ультракороткой длительности и суперконтинуума, а также найти применение в оптических мультипинцетах и технологиях защиты ценных бумаг и документов.