Flaches, variables Flüssigkristall-Beugungsspiral-Axicon, das die perfekte Erzeugung von Wirbelstrahlen ermöglicht

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2385 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Es wird ein transparentes variables diffraktives Spiralaxicon (DSA) vorgestellt, das auf einer einzelnen LC-Zelle basiert. Der hergestellte DSA kann zwischen 24 verschiedenen Konfigurationen umgeschaltet werden, 12 konvergenten und 12 divergenten, wobei der Ausgangswinkel als Funktion der angelegten topologischen Ladung variiert wird. Der aktive Bereich des Geräts wird mithilfe einer direkten Laserschreibtechnik in mit Indium-Zinnoxid beschichteten Glassubstraten erzeugt. Flüssigkristall wird verwendet, um die Phase des einfallenden Strahls zu modulieren und so die verschiedenen DSA-Konfigurationen zu erzeugen. Der DSA besteht aus 24 einzeln angetriebenen transparenten spiralförmigen Elektroden, die jeweils eine spezifische Phasenverzögerung bewirken. In diesem Artikel wird die Herstellung und Charakterisierung des abstimmbaren DSA vorgestellt und die Leistung des DSA experimentell demonstriert und mit den entsprechenden Simulationen verglichen.

Abstimmbare Linsen ohne bewegliche Teile sind in der Lage, die Brennweite durch räumliche Modulation des Lichtwegs abzustimmen. In der Literatur werden mehrere Techniken zur Erzielung einer Fokusänderung vorgeschlagen1,2,3,4 und diese haben ein breites Anwendungsspektrum, darunter Displays5, Kommunikation6, Teleskope7, Brillen8 oder Mikroskopie9. Bei all diesen Anwendungen ist es wünschenswert, Größe und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Komplexität herkömmlicher Linsen mit beweglichen Teilen zu verringern10. Das breite Anwendungsspektrum adaptiver Elemente hat zu einem zunehmenden Interesse an der Entwicklung und Herstellung abstimmbarer Linsen geführt.

Eine Möglichkeit, eine Linse abzustimmen, ohne ihre Krümmung zu ändern, ist die Verwendung eines nematischen Flüssigkristalls (LC). Wenn die einfallende Wellenfront das LC-Gerät passiert, wird ihre Phase entsprechend der Ausrichtung der LC-Moleküle infolge des Anlegens eines externen elektrischen Feldes verschoben. Diese LC-Geräte werden zur Herstellung von Nur-Flachphasen-Geräten verwendet, die andere Strahleigenschaften nicht beeinträchtigen11. Abhängig von der Verteilung dieses elektrischen Feldes entlang des anisotropen Materials kann die Linse konvergent (positiv) oder divergent (negativ) sein12. Eine Vielzahl verschiedener LC-Linsen wie Loch-und-Ring-Elektroden13, diffraktive Fresnel-Linsen14 und komplexe Multielektrodengeräte15 wurden vorgestellt. Sie zeichnen sich alle durch einen begrenzten Durchmesser, einen begrenzten Fokusabstimmbereich und/oder eine begrenzte Herstellungskomplexität aus.

Ein Axicon ist eine konische Linse, die aus einem einfallenden kollimierten Lichtstrahl ein ringförmiges Muster erzeugt. Axicons wurden erstmals in der Literatur16 als ein Element beschrieben, das eine Punktquelle in eine Reihe von Punkten auf einem Liniensegment entlang der optischen Achse abbilden kann. Die Länge dieses Segments wird als Tiefenschärfe (DOF) bezeichnet.

Das Axicon wurde aufgrund seiner zahlreichen Anwendungen umfassend untersucht. Da ein Axicon ringförmige Ringe erzeugen kann, kann es zum Einfangen von Partikeln in seinem Bild verwendet werden17,18. Weitere Anwendungen sind beispielsweise Gonioskopie19, Mikrobohren20 oder Tomographie21.

Während herkömmliche Systeme die Schärfentiefe durch die Apodisierung einer Pupille steuern22, verwenden andere abstimmbare reflexive Axicons, die in der Lage sind, die Länge des DOF23,24 zu ändern, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Alternativ kann der DOF einstellbar gemacht werden, indem vor einem Axicon eine zusätzliche konvexe Linse hinzugefügt wird. Eine manuelle Änderung des Abstands zwischen der Lichtquelle und der konvexen Linse oder des Abstands zwischen dem Axicon und der Linse führt zu einer Änderung des Eingangswinkels des Axicons, was zu einer Variation des Ausgangswinkels, also einer Variation des DOF25, führt.

Kürzlich wurden diffraktive Axicons auf der Basis von Flüssigkristallen vorgestellt26,27,28, die meisten basieren auf reflektierenden räumlichen Lichtmodulatoren (SLMs)27,28, während andere auf speziell entwickelten Elektroden basieren, jedoch mit begrenzter Abstimmungsfreiheit zur Anpassung eines perfekten Phasenprofils26 .

In dieser Arbeit wird das erste speziell entwickelte transparente LC-Beugungsspiral-Axicon (DSA) vorgestellt, das das Verhalten eines variablen diffraktiven Axicons nachahmen kann und dabei nur 24 Elektroden mit vollständiger Phasenprofilsteuerung verwendet. Der präsentierte DSA-Ausgangslichtstrahl wird einen Bahndrehimpuls (OAM) tragen, der durch eine spiralförmige Wellenfront gekennzeichnet ist. Nachdem das Licht das Gerät passiert hat, enthält die Mittelachse des Strahls alle Phasen im Bereich von 0 bis 2π. Somit entsteht in allen Transversalebenen ein singulärer Punkt, an dem eine destruktive Interferenz auftritt29. Daher fungiert das entwickelte Gerät intrinsisch als Wirbelstrahlgenerator.

Ein Wirbelstrahl erhält eine Zahl, die sogenannte topologische Ladung, abhängig davon, wie viele Drehungen das Licht in einer Wellenlänge macht. Diese topologische Ladung kann je nach Twist-Händigkeit positiv oder negativ sein. Je höher die Anzahl der Drehungen, desto schneller dreht sich die Phase des Lichts um die Achse.

Die herkömmliche Art, einen optischen Wirbel zu erzeugen, ist die Verwendung einer Spiralphasenplatte (SPP)29. Die Beleuchtung einer Kombination aus einem SPP und einem idealen Axicon mit einem Gaußschen Strahl erzeugt einen Bessel-Gaußschen (BG) Strahl, der OAM mit einer Singularität in der Mitte trägt30,31. BG-Strahlen können auch durch direkte Beleuchtung eines DSA erhalten werden.

Das Hinzufügen einer Linse in einem Bessel-Gauß-Strahl führt zur Fourier-Transformation des Feldes30,32. Durch diese optische Transformation entsteht ein helles Ringmuster mit einem dunklen Loch. Durch die Änderung der topologischen Ladung des Bessel-Gauß-Strahls fungiert das gesamte System als perfekter Wirbelstrahlgenerator (PVB). PVBs sind Wirbelstrahlen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie verschiedene OAMs tragen, ohne ihren Intensitätsringmusterradius zu verändern33,34. PVB sind in vielen Anwendungen relevant, insbesondere in der optischen Kommunikation35,36, da das System unterschiedliche OAM verbreiten und gleichzeitig das Intensitätsmuster konstant halten kann, was die Lichtkopplung und -erkennung erleichtert.

Nach Kenntnis des Autors handelt es sich bei dem vorgestellten Gerät um das erste speziell entwickelte abstimmbare DSA, das aus einer einzelnen LC-Zelle mit einem spiralförmigen, pixeligen aktiven Bereich besteht. Das diffraktive Axicon kann zwischen vierundzwanzig Konfigurationen umgeschaltet werden, die zwölf topologischen Ladungen (positiv und negativ) entsprechen und einen äquivalenten Satz von 24 verschiedenen entsprechenden emulierten Spitzenwinkeln ergeben. Das Gerät zeichnet sich durch seinen hohen Füllfaktor aus, der zu einer hohen Transmission führt, wie in den ergänzenden Daten dargestellt.

Ein ideales refraktives Axicon hat eine konische Struktur. Wie bei einer Fresnel-Linse kann eine Phasenumhüllung über 2 durchgeführt werden37, was zu einem blazeten diffraktiven Axicon führt (Abb. 1a, c). Durch die Unterteilung des Kegels in periodische Abschnitte und die Anwendung einer Phasenumhüllung von 2π wird ein radiales Blazed-Phasenprofil erhalten. Um den Ausgangswinkel (α) für eine gegebene Wellenlänge (λ) zu erhöhen, kann die Neigung des Kegels erhöht werden, was einer Verringerung des Blaze-Gitterabstands (Δ) entspricht (Abb. 1b, d), ähnlich wie bei einem linearen diffraktiven Blaze-Gitter38.

Links Darstellung zweier konvergenter Axicons mit Blaze, die über einen 2π-Bereich gewickelt sind. Auf der rechten Seite Darstellungen divergierender, lodernder Axicons. Die beiden unterschiedlichen Reihen zeigen zwei unterschiedliche Gitterteilungen (Δ). Die Einfügung zeigt die diskrete Pixelverteilung und den Pixelabstand (p).

Ein sägezahnförmiges Phasenprofil erzeugt einen Strahl erster Beugungsordnung mit einem Beugungswinkel, der sich aus der Wellenlänge des einfallenden Strahls dividiert durch die Breite des Blaze-Pitches ergibt39. Um diese Phasenstruktur adressierbar zu machen, muss sie in unabhängige Pixel diskretisiert werden. In dieser diskreten Struktur wird der minimale Pitch, also der maximale Abweichungswinkel, in einer binären Phasenkonfiguration erhalten, die aus Elektroden mit einer abwechselnden Phasenverzögerung von 0 und π besteht.

Das zuvor beschriebene Gerät erzeugt eine Beugung konischer Wellen erster Ordnung, was zu einer ringförmigen Form im Fernfeld führt20. Abhängig von der Anwendung kann der Beugungspeak nullter Ordnung physikalisch blockiert werden. Im Falle der Implementierung des Axicons mit einem SLM wird es normalerweise durch Defokussierung auf der Verarbeitungsebene mit dem Computerhologramm40 eliminiert.

Wenn ein Lichtstrahl auf ein Axicon trifft, werden seine Strahlen im gleichen Winkel (α) relativ zur Linsennormalen gebogen, wodurch die konische Welle entsteht. Abhängig von der Blaze-Gitter-Konfiguration kann das Axicon als konvergente oder divergente Linse wirken (Abb. 1a, c).

Ein konvergentes Axicon erzeugt einen Bessel-Strahl, manchmal einen sogenannten „nichtbeugenden“ Strahl, mit einem transversalen Profil, bei dem sich die Amplitude des Strahlzentrums nicht ändert und der von konzentrischen Ringen geringerer Intensität umgeben ist41. Bessel-Strahlen zeichnen sich durch eine verlängerte Tiefenschärfe aus. Bessel-Strahlen höherer Ordnung transportieren OAM auf Kosten des Energieverlusts in der Zentralkeule42.

Das elektrische Feld n-ter Ordnung des Bessel-Strahls ist definiert durch:

wobei A die Amplitude des elektrischen Feldes und Jn die Bessel-Funktion erster Art n-ter Ordnung ist; kz und kr sind Konstanten, die die longitudinalen und radialen Wellenzahlen darstellen. z, r und \(\mathrm{\varphi }\) entsprechen jeweils der longitudinalen, radialen und azimutalen Komponente. Somit ist die Bildung dieser elektrischen Feldverteilung das Ergebnis der Interferenz ebener Wellen, deren Wellenvektoren zu einer Kegeloberfläche gehören43.

In einer konvergenten Konfiguration mit endlicher Breite (Abb. 2) wird der Quasi-Bessel-Strahl gebildet, der zu der resultierenden Fokustiefe (DOF) führt, die eine Funktion des Strahlradius (\({r}_{beam) ist }\)) und den Ausgabewinkel (α):

Blazed-Axicon-Strahlendiagramm mit relevanten Parametern.

Der Außenradius des resultierenden Kreisringmusters (r) ist gegeben durch:

In einer konvergenten Konfiguration wird ein Scheibenmuster vor dem Ende des DOF ​​erzeugt, während das Ringmuster hinter dieser Brennlinie gebildet wird. Eine divergente Konfiguration, bei der der einfallende Strahl im Winkel (\(\mathrm{\alpha}\)) von der Ausbreitungsachse abgelenkt wird, führt über die gesamte Ausbreitungsstrecke zu einem Ringmuster. Der Außenringradius für eine divergente Konfiguration kann wie folgt ausgedrückt werden:

Das vorgestellte diffraktive Flüssigkristall-Spiral-Axicon (DSA) basiert auf einer diffraktiven Struktur aus spiralförmigen Pixeln (Abb. 3), die leicht an ein externes elektrisches Feld angeschlossen werden kann.

Schema des diffraktiven spiralförmigen Axicon-Phasenprofils. Es wird durch Addition eines SPP und eines Blaze-Axicons für verschiedene topologische Ladungen erhalten. (a) l = 1. (b) l = 2. Es ist auffällig, wie eine Änderung des DSA-Phasenprofils eine gleichzeitige Änderung der topologischen Ladung (l) und des Axicon-Parameters (a) impliziert.

Das Spiralphasenprofil des diffraktiven Spiralaxicons ergibt sich aus der Addition der Phasenverzögerung eines SPP mit der eines diffraktiven Axicons, gefolgt von einer Phasenumschlingung um etwa 2π (Abb. 3). Ein ähnlicher Ansatz wurde bereits bei der Erzeugung von Polymer-Spiralphasenmasken-Axicons verwendet33.

Die Phasenübertragungsfunktion eines diffraktiven Spiralaxikons (DSA) wird wie folgt beschrieben33:

Dabei ist l die topologische Ladung, a der Axicon-Parameter, r der Abstand zur optischen Achse und \(\uptheta\) der Azimutwinkel.

Der Axicon-Parameter und der Ausgabewinkel α werden durch den Blaze-Pitch (\(\Delta\)) bestimmt:

wobei \({k}_{r}= \frac{2\uppi }{\Delta }\) als Radialwellenzahl bekannt ist und k die Lichtwellenzahl ist.

Die Spiralsteigung \(\Delta\) ist gleich der Blaze-Steigung. Er wird durch Multiplikation der Anzahl spiralförmiger Pixel pro Periode mit dem Pixelabstand (p) erhalten. In anderen Werken33, in denen das Axicon nicht stimmbar ist, ist die Spiralsteigung und damit a konstant.

Im vorliegenden abstimmbaren DSA hängt die Anzahl der Pixel pro Periode von der Gesamtpixelanzahl (N) des Geräts und der ausgewählten topologischen Ladung (l) ab, daher ist \(\Delta\) gegeben durch:

Wir betonen, dass N und p Designparameter sind, l jedoch ein rekonfigurierbarer Parameter ist, der durch die ausgewählte DSA-Adressierung bestimmt wird.

Somit können der Axicon-Parameter und der Ausgabewinkel dieses abstimmbaren DSA (\({a}_{l}\)) ausgedrückt werden als:

Der Ausgangswinkel des DSA \({\alpha }_{l}\) hängt von der topologischen Ladung und der Anzahl der Elektroden ab. Bei einem herkömmlichen refraktiven Axicon wird der Ausgangswinkel durch den Spitzenwinkel und das Material bestimmt.

Beim LC-DSA hängt die Qualität des Axicons von der diskreten Annäherung an das kontinuierliche Axicon-Phasenprofil ab, während beim konventionellen Verfahren die Polierqualität von größter Bedeutung ist44. Daher sind bei dem entwickelten flachen Gerät die korrekte Definition der Elektroden, die hohe Anzahl der Elektroden und deren korrekte Kalibrierung (Verhältnis zwischen angelegter Spannung und erzeugter Phasenverschiebung) von großer Bedeutung.

Kombinieren von Gleichungen. (6) und (9) und Anwendung der paraxialen Näherung \({\alpha }_{l}={\mathrm{sin}}^{-1}\left(\frac{\lambda \cdot l}{p\ cdot N}\right)\ approx \frac{\lambda \cdot l}{p\cdot N}\), kann die Übertragungsfunktion des entwickelten abstimmbaren DSA ausgedrückt werden als:

Somit ändern sich im entworfenen Gerät der Ausgangswinkel (αl) und die topologische Ladung (l) von Natur aus gemeinsam. Da im endgültigen Gerät jedes Pixel des aktiven Bereichs unabhängig angesteuert wird, kann jedes Phasenprofil geformt werden, was zu einem führt Reihe untereinander schaltbarer diffraktiver Axicons.

Der vorgestellte DSA unterscheidet sich vom herkömmlichen Axicon dadurch, dass er intrinsisch einen Wirbelstrahl erzeugt. Durch Ändern der Phasenprofilkonfiguration des DSA wird die topologische Ladung des Wirbels geändert. Folglich wird im DOF-Segment ein Bessel-Gauß-Strahl höherer Ordnung und kein Bessel-Strahl nullter Ordnung gebildet45.

Das diffraktive LC-Spiral-Axicon (DSA) besteht aus zwei Indium-Zinn-Oxid-Substraten (ITO) in einer Sandwich-ähnlichen Konfiguration. Eines der ITO-Substrate wird als Rückwandplatine verwendet und das andere wird mithilfe einer DLW-Technik (Direct Laser Writing) verpixelt. Dieser Ablationsprozess wird durch einen UV-Laser durchgeführt, der über einem CNC-gesteuerten XYZ-Tisch (Lasing SA) montiert ist. Dieses System ermöglicht Bewegungen des Substrats in der XY-Ebene und behält gleichzeitig den Ablationsfokus in der Z-Achse mit einer geschlossenen Rückkopplung bei46.

Der aktive Bereich besteht aus 24 durchgehenden Linien, die eine Reihe konzentrischer archimedischer Spiralen bilden (dh Pixel haben im gesamten aktiven Bereich die gleiche Breite), wodurch die Kontur von 24 Pixeln entsteht.

Der Pixelabstand (p), d. h. die entworfene Breite der einzelnen spiralförmigen Pixel, beträgt 30 µm und die Interpixel sind < 3 µm29, was zu einem Gerät mit einem maximalen Spiralabstand von \({\Delta }_{l}= führt 720\mathrm{ \mu m}\) (l = ± 1 und N = 24) und ein Füllfaktor besser als 90 %.

Um eine gleichmäßige Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle und der Schaltebene sicherzustellen, werden beide ITO-Ebenen durch Schleuderbeschichtung (30 s bei 2500 U/min) mit einem Polyimid PIA-2304 (Chisso Lixon, Japan) bedeckt und gerieben. Die Dicke der LC-Zelle wird mithilfe zylindrischer Silica-Abstandshalter auf 7,2 µm eingestellt. Abschließend wird die Zelle mit einem nematischen Flüssigkristall mit hoher Doppelbrechung, MDA-98-16002, gefüllt. Das Transmissionsspektrum des hergestellten Geräts ist in den Zusatzinformationen dargestellt.

Die spiralförmige Struktur der Pixel, die bis zum Rand des aktiven Bereichs reicht, erleichtert die Verbindung zum Spannungstreiber. Die Verbindungen zwischen ITO-Pixeln und dem Flex-Anschluss werden mithilfe eines anisotropen leitfähigen Klebstoffs (Hitachi Chemical, Japan) hergestellt.

Für die individuelle Pixeladressierung wird ein eigens entwickelter 12-Bit-Pulsweitenmodulationstreiber (PWM) verwendet29. Ein quadratisches 5-Vpp- und 51-Hz-Signal wird durch programmierbare PWM-Signale moduliert und erzeugt so die gewünschte RMS-Spannung für jedes Pixel.

Ein DSA-Bild ist in Abb. 4a dargestellt. Der DSA wurde in einem dunklen Raum bei Raumtemperatur zwischen gekreuzten Polarisatoren bei ± 45° zur Reibrichtung kalibriert. Die Beziehung zwischen dem angelegten RMS-Spannungssignal und der durch den LC induzierten Phasenverzögerung wurde mithilfe einer He-Ne-Laserbeleuchtung (λ = 632,8 nm) bestimmt. Die Beziehung zwischen der Phasenverzögerung (\(\delta\)) und dem Arbeitszyklus (dc) wurde angenähert wie folgt:

wie zuvor beschrieben29.

Oben (a) das entwickelte Gerät. Unten sind mikroskopische Aufnahmen zu sehen, die zwei verschiedene DSA-Konfigurationen zwischen gekreuzten Polarisatoren bei Beleuchtung mit weißem Licht zeigen. (b) l = 2 (\(\Delta =360\upmu m\)). (c) l = 4 (\(\Delta =180\mathrm{ \mu m}\)).

Das entwickelte DSA ist ein transmissives LC-Gerät. Somit kann das Phasenprofil, das in das in der LC-Schaltebene polarisierte Licht eingeführt wird, durch Interferenz mit dem unveränderten Phasenprofil des Lichtpolarisators senkrecht dazu beurteilt werden. Dadurch wird das Phasenprofil sichtbar, indem man das Gerät zwischen gekreuzten Polarisatoren platziert und die Interferenzfarben beobachtet. In Abb. 4b, c sind zwei mikroskopische Aufnahmen des aktiven Bereichs des DSA zwischen gekreuzten Polarisatoren dargestellt. Darüber hinaus bleibt der Lichtstrahl TC während jeder radialsymmetrischen Phasenumwandlung, wie z. B. der Lichtausbreitung, erhalten.

In Abb. 5 ist die Entwicklung eines Gaußschen Strahls für ein DSA mit fester konvergenter Konfiguration dargestellt, mit einer topologischen Ladung von l = 6 entsprechend einer Spiralsteigung von \({\Delta }_{l}=120\mathrm{ \mu m}\) wurde simuliert (wie in den Zusatzdaten beschrieben) und mit gemessenen Ergebnissen verglichen. Abbildung 5a zeigt den simulierten Querschnitt der Ausbreitung des gebeugten Strahls. Man kann deutlich ein Segment ohne Intensität entlang der optischen Achse innerhalb des DOF ​​erkennen, was der Singularität des inhärenten erzeugten Wirbels entspricht. Darüber hinaus zeigt sich diese optische Singularität auch in der experimentellen Abbildung 5b, c, wo der Ausgangsstrahl des DSA direkt im Kamerasensor aufgezeichnet wird. In diesem Bereich wird der einfallende Strahl entlang des DOF-Bereichs fokussiert und die Leistungsverteilung um die Singularität ist für einen festen l konstant. Das Ergebnis ist ein Beugungsmuster, das aus positiven und negativen konzentrischen Interferenzen besteht. Der gemessene Außenradius der Scheibe in Abb. 5b, c beträgt 2,8 mm und 1,6 mm, was mit den theoretischen Werten für einen Eingangsstrahlradius von 4,2 mm übereinstimmt.

Strahlentwicklung für einen konvergenten DSA mit l = 6. (a) Simulierte Strahlausbreitung entlang 150 cm. (b–e) Intensitätsmuster, experimentell gemessen bei z = 25 cm, 50 cm, 125 cm bzw. 150 cm. (b–c). Das resultierende Muster wurde direkt auf den CMOS-Sensor projiziert. (d–e). Das resultierende Muster wurde auf eine undurchsichtige Millimeterleinwand projiziert. Die Intensität wurde in jedem Messbild individuell normiert.

Wenn umgekehrt die Ausbreitungsstrecke über den DOF-Bereich hinaus vergrößert wird, beginnt der Beugungsstrahl zu divergieren, was zu einer ringförmigen Ringform führt (Abb. 5c, d). Folglich nimmt der Durchmesser des Rings mit der Ausbreitungsstrecke zu. Der gemessene Außenringradius in Abb. 5d, e beträgt 6,5 mm und 8 mm, was mit den theoretischen Werten für einen Eingangsstrahl mit einem Durchmesser von 8,4 mm übereinstimmt.

Abbildung 6 zeigt Intensitätsmuster für verschiedene topologische Ladungen in einem festen Abstand und veranschaulicht die Rekonfigurierbarkeit des hergestellten Geräts.

Experimentelle Ergebnisse des DSA zusammen mit den entsprechenden Simulationen (rechte obere Ecke in den gestrichelten Linien). (a) Konvergente Konfiguration mit l = 5. (b) Konvergente Konfiguration mit l = 7. (c) Konvergente Konfiguration mit l = 9. (d) Divergente Konfiguration mit l = − 5. (e) Divergente Konfiguration mit l = − 7. (f) Divergente Konfiguration mit l = − 9. Die Beugungsmuster werden auf eine millimetergroße und undurchsichtige Leinwand in 150 cm Entfernung vom DSA projiziert. Die Aufnahmekamera ist auf den Bildschirm fokussiert. Die topologische Ladung und der daraus resultierende äußere Ringradius sind in jedem Bild angegeben.

In der ersten Zeile von Abb. 6 sind positive topologische Ladungen eingestellt. Diese Messungen zeigen, dass mit zunehmender topologischer Ladung der Ringdurchmesser zunimmt. Die gemessenen Radien stimmen mit dem theoretischen Außenradius von Gl. überein. (4) zeigt, dass der Ausgangswinkel wie vorhergesagt mit dem DSA TC zunimmt. Die gleiche Schlussfolgerung kann in Bezug auf negative topologische Ladungen gezogen werden. Darüber hinaus verdeutlicht Abb. 6 auch die Übereinstimmung zwischen Messungen und Simulation.

Gleichzeitig bestätigt diese Zahl, dass der hohe Füllfaktor von Axicon eine hohe Effizienz im Beugungsprozess bietet. Allerdings nimmt die Effizienz mit zunehmender topologischer Ladung ab.

In Abb. 7 ist der vom DSA im Tiefenschärfebereich erzeugte Bessel-Gauß-Strahl dargestellt. Dementsprechend ergibt sich für unterschiedliche topologische Ladungen ein konzentrisches Ringmuster mit einem singulären Interferenzpunkt in der Mitte. In den vergrößerten Abschnitten kann der Abstand und die Breite der BG-Musterringe beobachtet werden, die sich mit der topologischen Ladung ändern. Das simulierte Muster für jede topologische Ladung ist im rechten Teil des vergrößerten Abschnitts von Abb. 7 im Einklang mit den erhaltenen Ergebnissen überlagert.

Vom DSA erzeugtes Bessel-Gauß-Strahlintensitätsmuster bei z = 50 cm für verschiedene Topologien im Vergleich zu den entsprechenden simulierten Ergebnissen (überlagert im rechten Teil des vergrößerten Ausschnitts). (a) l = 2. (b) l = 4. (c) l = 8. Die Bilder zeigen die Lichtintensität, die direkt auf den CMOS-Detektor der Kamera in 50 cm Entfernung vom DSA projiziert wird. Der Radius für Simulationen und Messungen wird überlagert.

Perfekte Vortex-Strahlen (PVB) können durch Implementierung der Fourier-Transformation eines BG-Strahls30 erzeugt werden, dh durch Einfügen einer Sammellinse nach einem DSA (in einer konvergenten Konfiguration) innerhalb des DOF. Somit kann das vorgestellte Gerät bei der Erzeugung von PVB eingesetzt werden. Da das entwickelte Gerät jedoch gleichzeitig den Ausgangswinkel und die topologische Ladung ändert, ist es erforderlich, die Brennweite der Sammellinse für jede PVB zu ändern. Dies kann entweder durch den Austausch der Linse oder durch die Verwendung einer rekonfigurierbaren flachen Multifokallinse, wie wir sie zuvor vorgestellt haben, erfolgen2.

Abbildung 8 zeigt experimentelle Messungen und Simulationen einer solchen konvergenten Konfiguration, bei der Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten abhängig von der topologischen Ladung verwendet werden und in einem festen Abstand innerhalb des DOF ​​(z = 5 cm) platziert werden. Man kann erkennen, dass bei einer Änderung des TC des DSA ein dunkler Hohlraum mit einem hellen konstanten Radius erzeugt wird. Daher könnte durch die Verwendung des DSA als abstimmbares topologisches Ladungssystem und die Modifizierung der zusätzlichen Linse oder die Verwendung einer multifokalen Linse ein perfekter Wirbelstrahl erzeugt werden.

Auf den CMOS-Sensor der Kamera projizierte PVBs im Vergleich mit den entsprechenden simulierten Ergebnissen (überlagert im linken Teil), erzeugt durch Hinzufügen einer Linse zum DSA-Ausgang im Abstand z = 4 cm, mit einer Brennweite f abhängig von der topologischen Ladung. (a) l = 4, f = 20 cm. (b) l = 8, f = 10 cm.

Eine variable diffraktive Spiral-Axicon-Vorrichtung, die auf einer nematischen Flüssigkristallstruktur basiert, wurde hergestellt und durch experimentelle Ergebnisse demonstriert. Alle diese Experimente werden mit den entsprechenden Simulationen verglichen. Der hergestellte DSA kann auf 24 verschiedene Konfigurationen eingestellt werden, zwölf konvergente oder zwölf divergente, wobei der Ausgangswinkel und die topologische Ladung gleichzeitig abgestimmt werden. Ein sehr hoher Füllfaktor wird erreicht, da der Abstand zwischen den Pixeln (Interpixel) im Vergleich zur Pixelgröße klein ist, da der aktive Bereich frei von Treiberelektronik ist. Die optische Singularität in der konvergenten Konfiguration, fokussiert entlang der optischen Achse, wurde nachgewiesen. Simulationen und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das hergestellte DSA in der Lage ist, perfekte Wirbelstrahlen so zu erzeugen, dass die topologische Ladung abgestimmt werden kann, ohne die ringförmige Intensitätsgröße zu verändern.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel (und seinen ergänzenden Informationsdateien) enthalten. Die Simulationscodes stehen den Autoren auf Anfrage zur Verfügung.

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Diese Forschung wurde von der Autonomen Gemeinschaft Madrid durch das „Programm für Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten“ („SINFOTON2-CM“ – S2018/NMT-4326) und die „Zuschüsse für die Verwirklichung industrieller Doktoranden der Autonomen Gemeinschaft Madrid“ (IND2020) finanziert /ICT-17424) von der Regionalregierung der Autonomen Gemeinschaft Madrid. Die finanzielle Unterstützung für diese Studie kommt von „ENHANCE-5G“ (PID2020-114172RB-C22) vom spanischen Ministerium für Wissenschaft und Innovation und „LC-LENS“ (PDC2021-121370-C21), finanziert von der Europäischen Union im Rahmen von NextGenerationEU vom spanischen Ministerium für Wissenschaft und Innovation verwaltetes Programm. Darüber hinaus danken die Autoren der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Projekts „Smart Heaters“ (4000133048/20/NL/KML). MCG ist dankbar für den Zuschuss der spanischen Regierung (BG20/00136). Diese Arbeit wurde von der Regierung von Madrid (Comunidad de Madrid-Spanien) im Rahmen der mehrjährigen Vereinbarung mit der Universidad Polytechnica de Madrid (Technologische Innovation) (BEAGALIND-21-QU81R4-7-0QQBF3) unterstützt. Dieses Forschungsprojekt wurde von der Autonomen Gemeinschaft Madrid durch Forschungsstipendien für junge Forscher der Polytechnischen Universität Madrid (YOUTH SUPPORT-21-9FOMOQ-22-0CNGFM) finanziert.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Javier Pereiro-García und Mario García-de-Blas.

CEMDATIC, ETSI Telecommunications, Polytechnische Universität Madrid, Av. Complutense 30, 28040, Madrid, Spanien

Javier Pereiro-García, Mario García-de-Blas, Morten Andreas Geday, Xabier Quintana und Manuel Caño-García

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JPG und MGdB haben gemeinsam den Artikel geschrieben und das Gerät charakterisiert. MGdB hat das Gerät hergestellt. JPG führte die Gerätesimulationen durch. XQA, MCG und MAG haben den elektronischen Treiber entwickelt. XQA, MCG und MAG übernahmen die Gesamtaufsicht. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Javier Pereiro-García oder Morten Andreas Geday.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pereiro-García, J., García-de-Blas, M., Geday, MA et al. Flaches, variables Flüssigkristall-Beugungsspiral-Axicon, das die perfekte Erzeugung von Wirbelstrahlen ermöglicht. Sci Rep 13, 2385 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29164-0

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Eingegangen: 31. August 2022

Angenommen: 31. Januar 2023

Veröffentlicht: 10. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29164-0

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