激光模式轉(zhuǎn)換器簡要介紹及其典型應(yīng)用案例

激光模式轉(zhuǎn)換器簡要介紹

一、概述

激光模式轉(zhuǎn)換器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)激光由基礎(chǔ)的TEM00模式轉(zhuǎn)換為更高階的Hermite-Gaussian（厄米-高斯）模式的衍射光學(xué)元件，不同結(jié)構(gòu)及相位分布可實現(xiàn)不同的模式轉(zhuǎn)換。激光模式轉(zhuǎn)換器利用光配相技術(shù)在玻璃基底表面制作不同快軸分布的液晶聚合物薄膜，并通過精確控制液晶聚合物的厚度來控制o光和e光的光程差（或相位差），從而實現(xiàn)不同模式的轉(zhuǎn)換。

在激光腔體內(nèi)，近軸亥姆霍茲方程的任意解可以表示為Hermite-Gaussian模式的組合HGmn（其幅度分布可以用笛卡爾坐標系的x/y軸平面表示）,m和n分別表示x和y方向上的模式數(shù)；HG模也稱為橫向電磁模式（Transverse Electromagnetic Mode），因此也可以表示為TEMmn。利用激光模式轉(zhuǎn)換器，可直接實現(xiàn)各個激光模式光斑的轉(zhuǎn)換，獲得各種高階振蕩模式的激光，而不用制作激光諧振腔。高階模激光相比于基模，具有更加復(fù)雜的橫向分布，包含更大的信息量，有更大的聚焦光斑，因此，激光模式轉(zhuǎn)換器可用于通信、傳感、精密測量、STED顯微鏡、光鑷等領(lǐng)域中。

不同激光模式的強度及相位分布示意圖

二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

激光模式轉(zhuǎn)換器基于N-BK7窗口片和液晶聚合物材料制成，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)，安裝于標準SM1透鏡套筒中。套筒上刻有產(chǎn)品名稱、型號及規(guī)格參數(shù)，并在端面刻有一條短線和一個點，短線代表快軸0°方向，點對應(yīng)的區(qū)域快軸方向與短線平行，相鄰區(qū)域快軸方向與短線垂直。對于TEM00-TEM01/10模式轉(zhuǎn)換器，從點對應(yīng)區(qū)域逆時針依次為0°、90°；對于TEM00-TEM11模式轉(zhuǎn)換器，從點對應(yīng)區(qū)域逆時針依次為0°、90°、0°、90°。

激光模式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

三、光學(xué)特性 

激光模式轉(zhuǎn)換器根據(jù)其本身設(shè)計的結(jié)構(gòu)及相位分布，實現(xiàn)激光由基礎(chǔ)的TEM00模式轉(zhuǎn)換為更高階的厄米高斯模式的衍射光學(xué)元件，不同的結(jié)構(gòu)及相位分布可實現(xiàn)不同的模式轉(zhuǎn)換。激光模式轉(zhuǎn)換器主要利用光配相技術(shù)在玻璃基底表面制作不同快軸分布的液晶聚合物薄膜來實現(xiàn)其相位結(jié)構(gòu)，并通過控制液晶聚合物薄膜的厚度精確控制o光和e光的相位延遲為π來實現(xiàn)其功能，由于不同波長對應(yīng)的延遲量不同，所以該產(chǎn)品為為單波長器件。

激光模式轉(zhuǎn)換器光斑實測圖

激光模式轉(zhuǎn)換器是利用液晶材料o光和e光的折射率差來實現(xiàn)激光的模式轉(zhuǎn)換，使用時需線偏光入射，且偏振方向與液晶分子快軸方向平行或垂直，才能得到較純的高階模式。若使用其他偏振態(tài)的光入射，部分激光模式發(fā)生轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致出射光的模式強度分布不均勻。

四、參數(shù)說明

1. 相鄰區(qū)域間隙

由于液晶材料自身性質(zhì)，液晶分子快軸不同的兩個相鄰區(qū)域之間會存在一定的漸變區(qū)域從而形成縫隙。激光模式轉(zhuǎn)換器相鄰區(qū)域間隙指的是相鄰兩分區(qū)之間的間隙寬度，一般要求小于10 μm。

激光模式轉(zhuǎn)換器相鄰區(qū)域間隙示意圖

2. 透射光偏轉(zhuǎn)

• 透射光偏轉(zhuǎn)這一參數(shù)主要用來表征產(chǎn)品的平行度，透射光偏轉(zhuǎn)角度越接近0 °，則平行度越好；

• 對于未安裝機械外殼的光學(xué)元件來說，影響平行度的主要因素為保護玻璃的貼合，透射光偏轉(zhuǎn)角度一般控制在1 arcmin以內(nèi)；

• 對于已安裝機械外殼的光學(xué)產(chǎn)品來說，影響平行度的主要因素為保護玻璃的貼合和機械外殼與光學(xué)元件之間的平行度，透射光偏轉(zhuǎn)角度一般控制在10 arcmin以內(nèi)。

激光模式轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用案例

1. 精密測量

激光的高階模式包含更多的信息量和自由度，利用高階厄米高斯模式可以提高激光橫向位置的測量精度。利用高階模式這一特性，激光模式轉(zhuǎn)換器可應(yīng)用到激光傾角的測量，進一步提高激光傾角的測量精度，激光傾角的測量在引力波探測、生物粒子的追蹤、衛(wèi)星之間的定位等方面都有重要的應(yīng)用。

2. 光阱

高階的厄米高斯模式可生成方形渦旋陣列光束，可用于二維形式的多阱光鑷和原子陷阱的研究，因此模式轉(zhuǎn)換器在多阱光鑷應(yīng)用上表現(xiàn)出巨大潛力。

(a)兩個厄米-高斯模疊加產(chǎn)生渦旋陣列光束；(b)用于產(chǎn)生渦旋陣列激光束的多夫棱鏡嵌入非平衡馬-曾德爾干涉儀示意圖