完璧な渦ビームの生成を可能にするフラット可変液晶回折スパイラル アキシコン

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2385 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

単一の LC セルに基づく透明な可変回折スパイラル アキシコン (DSA) が示されています。 製造された DSA は、12 個の収束と 12 個の発散の 24 個の異なる構成間で切り替えることができ、適用されるトポロジカル電荷の関数として出力角度が変化します。 デバイスのアクティブ領域は、インジウムスズ酸化物でコーティングされたガラス基板に直接レーザー書き込み技術を使用して作成されます。 液晶は、さまざまな DSA 構成を生成する入射ビームの位相を変調するために使用されます。 DSA は、個別に駆動される 24 個の透明なスパイラル形状の電極で構成されており、それぞれが特定の位相遅延を導入します。 この記事では、調整可能な DSA の製造と特性評価について説明し、DSA のパフォーマンスを実験的に実証し、対応するシミュレーションと比較します。

可動部品のない調整可能なレンズは、光路を空間的に変調することで焦点距離を調整できます。 焦点変化を取得するためのいくつかの技術が文献 1、2、3、4 で提案されており、これらはディスプレイ 5、通信 6、望遠鏡 7、眼鏡 8、顕微鏡 9 など幅広い用途に使用されています。 これらすべての用途において、可動部品を備えた従来のレンズの複雑さを軽減しながら、サイズと重量を削減することが望ましい10。 適応要素の幅広い用途により、調整可能なレンズの設計と製造に対する関心が高まっています。

曲率を変えずにレンズを調整する方法は、ネマチック液晶 (LC) を使用することです。 入射波面が LC デバイスを通過すると、外部電場が印加された結果、LC 分子の向きに応じてその位相がシフトします。 これらの LC デバイスは、他のビーム特性に影響を与えないフラットフェーズのみのデバイスを製造するために使用されます11。 異方性材料に沿ったこの電場の分布に応じて、レンズは収束 (正) または発散 (負) になります 12。 ホールアンドリング電極 13、回折フレネルレンズ 14、複合多電極デバイス 15 など、さまざまな LC レンズが数多く発表されています。 これらはすべて、制限された直径サイズ、焦点を合わせたチューニング範囲、および/または製造の複雑さによって特徴付けられます。

アキシコンは、入射する平行光線から環状パターンを生成する円錐レンズです。 アキシコンは、点光源を光軸に沿った線分上の点の範囲に結像できる要素として文献 16 に初めて記載されました。 このセグメントの長さは焦点深度 (DOF) として知られています。

アキシコンは、その応用例の多さから広く研究されています。 アキシコンは環状リングを生成できるため、画像内に粒子をトラップするために使用できます17,18。 隅角鏡検査 19、マイクロドリリング 20、断層撮影 21 などの他の用途も見つかります。

従来のシステムは瞳のアポダイゼーションによって被写界深度を制御します22が、他のシステムでは同じ結果を得るためにDOFの長さを変更できる調整可能な反射アキシコンを採用しています23、24。 あるいは、アキシコンの前に追加の凸レンズを追加することで、DOF を調整可能にすることもできます。 光源と凸レンズの間の距離、またはアキシコンとレンズの間の距離を手動で変更すると、アキシコンの入力角度が変化し、出力角度の変化、つまり DOF25 の変化が生じます。

液晶に基づく回折アキシコンが最近発表されており 26、27、28、そのほとんどは反射型空間光変調器 (SLM) に基づいています 27、28。一方、他のものは特別に設計された電極に基づいていますが、完全な位相プロファイルを適応させる調整の自由度は限られています 26 。

この研究では、初めて特別に開発された透明な LC 回折スパイラル アキシコン (DSA) が紹介されており、完全な位相プロファイル制御を備えた 24 個の電極のみを使用して、可変回折アキシコンの動作をエミュレートできます。 提示された DSA 出力光ビームは、らせん波面によって特徴付けられる軌道角運動量 (OAM) を運びます。 光がデバイスを通過した後のビームの中心軸には、0 ～ 2π の範囲のすべての位相が含まれます。 したがって、相殺的干渉が発生する特異点がすべての横断面に形成されます29。 したがって、開発されたデバイスは本質的に渦ビーム発生器として機能します。