艾里光束轉換器簡要介紹及其典型應用領域

艾里光束轉換器簡要技術說明

一、概述

我們提供的艾里光束轉換器為二維、一階艾里光束轉換器（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，呈現為“前后玻璃襯底+中間LCP功能膜層”的三明治結構，無外殼，帶單側1.5 mm切邊。在LCP層中，液晶聚合物分子構成立方相位分布，在整個器件平面上具有相同的 λ/2延遲量，為單波長器件。艾里光束轉換器為偏振相關元件，可用于將高斯光束轉換為具有橫向自加速特性、自恢復特性、無衍射特性的艾里光束，其在微粒移動、材料加工、顯微成像、光探測領域的應用被廣泛研究。

二、外觀結構

艾里光束轉換器由前后兩層N-BK7玻璃基底及中間的LCP功能膜層組成。器件單側設計有1.5 mm寬切邊，與方形通光孔徑區域的邊長平行；同時器件側面用箭頭標記了正確的入射方向，當光束依照箭頭方向入射至艾里光束轉換器時，出射光束偏振態與切邊位置的關系如下圖所示。

艾里光束轉換器產品結構

三、光學特性

1.偏振相關性：

艾里光束轉換器具有以下偏振相關的光學特性。當入射光為圓偏振光時，在光束由器件中心正入射的條件下，會得到圓偏振態相反的單束“燕尾狀”艾里光束，入射圓偏振光的左右旋狀態不同時，出射圓偏振光的左右旋狀態及艾里光束的“燕尾”朝向也會相應改變；

圓偏振光入射時的艾里光束轉換器

當入射光為線偏振光時，在光束由器件中心正入射的條件下，會得到分別為左旋圓偏振態和右旋圓偏振態的兩束“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。

線偏振光入射時的艾里光束轉換器

2.艾里光束無衍射特性

無衍射光束在1987年被科學家首次提出，它是自由空間標量波動方程的一組特殊解，其場分布具有第一類零階或高階貝塞爾函數的形式。無衍射光束的物理含義是：光束中心光斑的直徑很小且在遠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，是常見的無衍射光束之一，在激光加工、精密激光準直、精密光學操控、光通信等眾多領域有著廣泛的應用。

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

3.艾里光束—自恢復特性

當艾里光束在傳播路徑上遇到障礙物致使光場分布發生改變時，僅需繼續傳播一段距離，光場分布便可以恢復為原本的狀態。從原理層面來看，當傳播距離比較小時，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，越來越多旁瓣的波印廷矢量的指向方向變為原主瓣的指向方向，這就意味著，二維艾里光束在傳播過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，會有越來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過程1。

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

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行傳輸成為了可能。當入射光束尺寸和波長確定時，由x-z平面的光強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光強分布實測圖

當立方相位調制的有效區域范圍大小不同時，艾里光束轉換器的成型面距離會有差異：

不同立方相位調制區域作用下，艾里光束轉換器出射光在0.8 m傳播距離處的能量分布（x-y平面），當立方相位調制的有效區域為艾里光束轉換器的標準相位設計（a）時，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）；當立方相位調制的有效區域為艾里光束轉換器標準相位設計的一半（c，但通光孔徑相同）時，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。

經測試，基于LCP的二維一階艾里光束轉換器與傳統的基于SLM的艾里光束轉換器出射效果未見明顯差距

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

四、參數說明

1. 中心偏移量

艾里光束轉換器在使用時要求光束由器件相位結構部分的中心入射，因此過大的中心偏移量將不利于入射光對準，尤其是用于同軸系統中時。我們將艾里光束轉換器的中心偏移量限定在0.5 mm以內。更精確的中心對準調節，可以通過我們的xy位移調整架TXY1來實現。關于中心對準：當入射光沒有對準艾里光束轉換器中心時，其出射光的“燕尾”形強度分布（x-y平面）會出現明顯的不對稱現象。通過觀察出射光的強度分布，調節出射光強度分布至對稱狀態，即可得到良好的中心對準效果。

2. 通光孔徑及建議入射光束尺寸

艾里光束轉換器的通光孔徑為10 mm×10 mm，該尺寸的設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構區域更大，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。同時我們建議入射光束尺寸滿足≤?5 mm的要求，這是因為隨入射光束尺寸增大，直至接近通光孔徑邊界時，會出現較明顯的出射雜斑，可能影響光束質量和光路效率。

3. 入射角

艾里光束轉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發生一定程度的改變，請務必確保其不會對實際應用效果產生影響。

4. 透射光偏轉

艾里光束轉換器的透射光偏轉參數由等效襯底片（無相位結構）測得，用于表征器件前后表面的平行度。

5. 損傷閾值

基于LCP材料的短波強吸收特性，艾里光束轉換器的工作波長越大，其損傷閾值會有所增加。經實測，艾里光束轉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）。

艾里光束轉換器的典型應用案例

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背景光影響，圖像清晰；無需逐點掃描，成像速度快等優勢。艾里光束、貝塞爾光束等無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的結構十分適合平行方向的平面照明，同時其自恢復特性能夠保證照明光束的強度均勻，不因物體的屏障作用發生光強衰減。此外，貝塞爾光束截面上存在的若干環狀能量分布，也存在對成像質量產生影響的風險，相比之下，艾里光束則不會存在此問題。

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域的應用已經愈發成熟，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揮獨特的優勢：由于艾里光束橫向位移的存在，光束可看作沿曲線路徑進行傳播。當艾里激光束用作材料切割時，其切割面呈現為緩曲面而非平直切割面，由此可以隨切割過程對切割面進行打磨。

艾里光束用于材料切割