완벽한 소용돌이 빔 생성이 가능한 평면 가변 액정 회절 나선형 액시콘

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2385(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

단일 LC 셀을 기반으로 한 투명 가변 회절 나선형 액시콘(DSA)이 제시됩니다. 제조된 DSA는 24개의 서로 다른 구성(12개 수렴 및 12개 발산) 간에 전환할 수 있으며 출력 각도는 적용된 토폴로지 전하에 따라 달라집니다. 장치의 활성 영역은 인듐-주석 산화물 코팅 유리 기판에 직접 레이저 쓰기 기술을 사용하여 생성됩니다. 액정은 다양한 DSA 구성을 생성하는 들어오는 빔의 위상을 변조하는 데 사용됩니다. DSA는 24개의 개별적으로 구동되는 투명한 나선형 전극으로 구성되며 각각 특정 위상 지연을 도입합니다. 이 기사에서는 조정 가능한 DSA의 제조 및 특성화를 제시하고 DSA의 성능을 실험적으로 시연하고 해당 시뮬레이션과 비교합니다.

움직이는 부품이 없는 조정 가능한 렌즈는 빛의 경로를 공간적으로 변조하여 초점 거리를 조정할 수 있습니다. 초점 변경을 얻기 위한 여러 기술이 문헌1,2,3,4에 제안되어 있으며 이러한 기술은 디스플레이5, 통신6, 망원경7, 안경8 또는 현미경9을 포함하여 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 이러한 모든 응용 분야에서는 움직이는 부품이 있는 기존 렌즈의 복잡성을 줄이면서 크기와 무게를 줄이는 것이 바람직합니다10. 적응형 요소의 광범위한 적용으로 인해 조정 가능한 렌즈의 설계 및 제조에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

곡률을 변경하지 않고 렌즈를 조정하는 방법은 네마틱 액정(LC)을 사용하는 것입니다. 들어오는 파면이 LC 장치를 통과할 때 외부 전기장을 적용한 결과 LC 분자의 방향에 따라 위상이 이동됩니다. 이러한 LC 장치는 다른 빔 특성에 영향을 주지 않는 평면 위상 전용 장치를 제조하는 데 사용됩니다11. 이방성 물질을 따른 전기장의 분포에 따라 렌즈는 수렴(양성) 또는 발산(음성)될 수 있습니다12. 홀 앤 링 전극13, 회절 프레넬 렌즈14 및 복잡한 다중 전극 장치15와 같은 다양한 LC 렌즈가 제시되었습니다. 이들은 모두 제한된 직경 크기, 초점 조정 범위 및/또는 제조 복잡성이 특징입니다.

Axicon은 들어오는 시준된 광선으로부터 환형 패턴을 생성하는 원추형 렌즈입니다. Axicon은 광학 축을 따라 선분의 점 범위에 점 광원을 이미징할 수 있는 요소로 문헌에서 처음 설명되었습니다. 이 세그먼트의 길이를 초점 심도(DOF)라고 합니다.

Axicon은 다양한 응용 분야로 인해 널리 연구되어 왔습니다. Axicon은 환형 링을 생성할 수 있으므로 이미지 내부에 입자를 가두는 데 사용할 수 있습니다17,18. 각도경검사19, 마이크로 드릴링20 또는 단층촬영21과 같은 다른 응용 분야를 찾을 수 있습니다.

기존 시스템은 동공의 아포디제이션을 통해 피사계 심도를 제어하지만 다른 시스템은 동일한 결과를 얻기 위해 DOF의 길이를 변경할 수 있는 조정 가능한 반사 축을 사용합니다. 대안으로, 액시콘 앞에 추가 볼록 렌즈를 추가하여 DOF를 조정할 수 있습니다. 광원과 볼록 렌즈 사이의 거리 또는 axicon과 렌즈 사이의 거리를 수동으로 변경하면 axicon의 입력 각도가 변경되어 출력 각도가 변경됩니다. 즉, DOF25가 변경됩니다.

액정을 기반으로 한 회절 액시콘은 최근 발표되었으며 대부분은 반사형 공간 광 변조기(SLM)27,28을 기반으로 하고 다른 것들은 특별히 설계된 전극을 기반으로 하지만 완벽한 위상 프로파일을 적용하기 위한 튜닝 자유가 제한되어 있습니다. .

이 연구에서는 전체 위상 프로파일 제어 기능을 갖춘 24개의 전극만 사용하여 가변 회절 액시콘의 동작을 에뮬레이트할 수 있는 최초로 특별히 개발된 투명 LC 회절 나선형 액시콘(DSA)이 제시되었습니다. 제시된 DSA 출력 광선은 나선형 파면을 특징으로 하는 궤도 각 운동량(OAM)을 전달합니다. 빛이 장치를 통과한 후 빔의 중심축에는 0에서 2π 범위의 모든 위상이 포함됩니다. 따라서 상쇄 간섭이 발생하는 특이점은 모든 횡단면에 형성됩니다. 따라서 개발된 장치는 본질적으로 소용돌이 빔 생성기 역할을 합니다.