Generation and regulation of coaxial composite vortex beams based on liquid crystal devices

SUN Wei; ZHOU Xin-yi; FAN Fan; XIE Xiang-sheng; ZHOU Ya-qin

doi:10.37188/CJLCD.2023-0264

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Generation and regulation of coaxial composite vortex beams based on liquid crystal devices

Device Physics and Device Preparation | 更新时间：2024-07-28

- Generation and regulation of coaxial composite vortex beams based on liquid crystal devices
- Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays Vol. 38, Issue 12, Pages: 1664-1671(2023)
- 作者机构：
  
  1.汕头大学理学院，广东汕头 515063
  2.湖南大学物理与微电子科学学院，湖南长沙 410082
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Starting Research Fund from the Shantou University(NTF21051);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2021A1515012050)
- DOI：10.37188/CJLCD.2023-0264
  CLC： O436
- Received：12 August 2023，
  
  Revised：31 August 2023，
  
  Published：05 December 2023
- 稿件说明：
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SUN Wei, ZHOU Xin-yi, FAN Fan, et al. Generation and regulation of coaxial composite vortex beams based on liquid crystal devices[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2023, 38(12): 1664-1671.
DOI：

SUN Wei, ZHOU Xin-yi, FAN Fan, et al. Generation and regulation of coaxial composite vortex beams based on liquid crystal devices[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2023, 38(12): 1664-1671. DOI： 10.37188/CJLCD.2023-0264.

摘要

传统的多涡旋光束多为离轴光束，需要更精密的镜头、光路复杂且成像质量差，限制了其应用。本文设计并制备了一种基于液晶器件的复合q-plate，其透射效率大于95%，同时可生成同轴复合涡旋光束。通过理论和实验证明了该器件生成的复合涡旋光束的传播特性，该光束具有自旋和长距离衍射后自愈等新颖的衍射现象，生成的同轴复合涡旋光束避免了传统多涡旋光束离轴的缺点。此研究为粒子捕获和操控、光信息处理、光学加密和光学测量等领域的应用提供了全新的手段。

Abstract

Traditional multi-vortex beams are mostly off-axis， which limit their applications due to the need for more precise lenses， complex optical paths， and poor imaging quality. In this paper， a mixed q-plate based on liquid crystal devices is designed and fabricated. The transmittance of q-plate is greater than 95% and the coaxial composite vortex beam can be generated. The propagation characteristics of the composite vortex beams generated by this device are theoretically and experimentally demonstrated. The beam exhibits novel diffraction phenomena such as spin and long-distance self-healing after diffraction. The generation of coaxial composite vortex beams avoids the disadvantages of off-axis traditional multi-vortex beams. This research provides a new method for particle capture and manipulation， optical information processing， optical encryption and optical measurement.

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李阳月，陈子阳，刘辉，等 . 涡旋光束的产生与干涉［J］. 物理学报， 2010 ， 59 （ 3 ）： 1740 - 1748 . doi: 10.7498/aps.59.1740 http://dx.doi.org/10.7498/aps.59.1740

LI Y Y ， CHEN Z Y ， LIU H ， et al . Generation and interference of vortex beams ［J］. Acta Physica Sinica ， 2010 ， 59 （ 3 ）： 1740 - 1748 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.59.1740 http://dx.doi.org/10.7498/aps.59.1740

LOU S Z ， ZHOU Y Q ， YUAN Y D ， et al . Generation of arbitrary vector vortex beams on hybrid-order Poincaré sphere based on liquid crystal device ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 8596 - 8604 . doi: 10.1364/oe.27.008596 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.008596

屈檀，吴振森，韦尹煜，等 . 拉盖尔高斯涡旋光束对生物细胞的散射特性分析［J］. 光学学报， 2015 ， 35 （ S1 ）： s129002 . doi: 10.3788/aos201535.s129002 http://dx.doi.org/10.3788/aos201535.s129002

QU T ， WU Z S ， WEI Y Y ， et al . Analysis of scattering of Laguerre-Gaussian vortex beam by biological cells ［J］. Acta Optica Sinica ， 2015 ， 35 （ S1 ）： s129002 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201535.s129002 http://dx.doi.org/10.3788/aos201535.s129002

HAO S H ， WANG D ， HUANG X S . Quantum communication based on two-mode entangled state with quantum noise locking method ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 11 ）： 13841 - 13849 . doi: 10.1364/oe.26.013841 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.013841

VAN DIJK L ， VAN DE GROEP J ， DI VECE M ， et al . Exploration of external light trapping for photovoltaic modules ［J］. Optics Express ， 2016 ， 24 （ 14 ）： A1158 - A1175 . doi: 10.1364/oe.24.0a1158 http://dx.doi.org/10.1364/oe.24.0a1158

LONG J L ， MENG C S ， DING Y ， et al . Suppressing the zero-frequency components in single quantitative phase imaging by filtering the low-frequency intrinsic mode function components ［J］. Photonics ， 2023 ， 10 （ 7 ）： 790 . doi: 10.3390/photonics10070790 http://dx.doi.org/10.3390/photonics10070790

WU S T ， FUH A Y G . Spiral phase plate based on polymer dispersed liquid crystal for wide visible band applications ［J］. Applied Optics ， 2014 ， 53 （ 25 ）： 5593 - 5597 . doi: 10.1364/ao.53.005593 http://dx.doi.org/10.1364/ao.53.005593

LIANG H Y . Modified selective mapping based on squaring construction ［J］. International Journal of Communication Systems ， 2022 ， 35 （ 3 ）： e5029 . doi: 10.1002/dac.5029 http://dx.doi.org/10.1002/dac.5029

DELANEY S ， SÁNCHEZ-LÓPEZ M M ， MORENO I ， et al . Arithmetic with q-plates ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 3 ）： 596 - 600 . doi: 10.1364/ao.56.000596 http://dx.doi.org/10.1364/ao.56.000596

ZHENG S Q ， ZHA L ， LU J H ， et al . Liquid crystal-based order electrically controlled q-plate system ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 11 ）： 16103 - 16110 . doi: 10.1364/oe.27.016103 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.016103

柯熙政，卢宁，杨秦岭 . 单光子轨道角动量的传输特性研究［J］. 物理学报， 2010 ， 59 （ 9 ）： 6159 - 6163 . doi: 10.7498/aps.59.6159 http://dx.doi.org/10.7498/aps.59.6159

KE X Z ， NU N ， YANG Q L . Research of transmission characteristics of single-photon orbital angular momentum ［J］. Acta Physca Sinica ， 2010 ， 59 （ 9 ）： 6159 - 6163 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.59.6159 http://dx.doi.org/10.7498/aps.59.6159

CHATTERJEE J ， CHAKRABORTY S ， PALODHI K . Application of Walsh filters and subsequent angular-stitching for edge enhancement ［J］. Journal of Optics ， 2021 ， 23 （ 1 ）： 015703 . doi: 10.1088/2040-8986/abcf84 http://dx.doi.org/10.1088/2040-8986/abcf84

CHEN Q M ， XU C T ， LIANG X ， et al . Helical structure endows liquid crystal planar optics with a customizable working band ［J］. Advanced Quantum Technologies ， 2023 ， 6 （ 2 ）： 2200153 . doi: 10.1002/qute.202200153 http://dx.doi.org/10.1002/qute.202200153

XU C T ， LIU B H ， PENG C ， et al . Heliconical cholesterics endows spatial phase modulator with an electrically customizable working band ［J］. Advanced Optical Materials ， 2022 ， 10 （ 19 ）： 2201088 . doi: 10.1002/adom.202270074 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202270074

LONG J H ， CHANG H X ， ZHANG J Y ， et al . Generating the optical vortex by optimizing beam arrangement of the coherent laser array ［J］. Optics & Laser Technology ， 2023 ， 167 ： 109757 . doi: 10.1016/j.optlastec.2023.109757 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109757

李金龙，宋洪胜，张玉芹，等 . 利用周期型正交二元相位板产生正方阵列涡旋和螺旋光场［J］. 光学学报， 2023 ， 43 （ 14 ）： 1426001 . doi: 10.3788/AOS230515 http://dx.doi.org/10.3788/AOS230515

LI J L ， SONG H S ， ZHANG Y Q ， et al . Generation of square optical vortex array and optical helix array by periodic orthogonal binary phase plate ［J］. Acta Optica Sinica ， 2023 ， 43 （ 14 ）： 1426001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS230515 http://dx.doi.org/10.3788/AOS230515

PICCARDO M ， DE OLIVEIRA M ， TOMA A ， et al . Vortex laser arrays with topological charge control and self-healing of defects ［J］. Nature Photonics ， 2022 ， 16 （ 5 ）： 359 - 365 . doi: 10.1038/s41566-022-00986-0 http://dx.doi.org/10.1038/s41566-022-00986-0

MO Z W ， JIANG J J ， WEI Q F ， et al . Multiple and off-axis optical bottles from the chirped circular Pearcey Gaussian vortex beams ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 2 ）： 1762 - 1772 . doi: 10.1364/oe.445009 http://dx.doi.org/10.1364/oe.445009

刘思嘉，张逸恒，朱琳，等 . 基于光取向技术的液晶螺旋达曼波带片［J］. 液晶与显示， 2023 ， 38 （ 1 ）： 1 - 9 . doi: 10.37188/cjlcd.2022-0178 http://dx.doi.org/10.37188/cjlcd.2022-0178

LIU S J ， ZHANG Y H ， ZHU L ， et al . Liquid crystal spiral Dammann zone plates based on photoalignment technology ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2023 ， 38 （ 1 ）： 1 - 9 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjlcd.2022-0178 http://dx.doi.org/10.37188/cjlcd.2022-0178

LU Y ， JIANG B ， LÜ S C ， et al . Arrays of Gaussian vortex， Bessel and Airy beams by computer-generated hologram ［J］. Optics Communications ， 2016 ， 363 ： 85 - 90 . doi: 10.1016/j.optcom.2015.11.001 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2015.11.001

LI L ， CHANG C L ， YUAN X Z ， et al . Generation of optical vortex array along arbitrary curvilinear arrangement ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 8 ）： 9798 - 9812 . doi: 10.1364/oe.26.009798 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.009798

FU S Y ， WANG T L ， GAO C Q . Perfect optical vortex array with controllable diffraction order and topological charge ［J］. Journal of the Optical Society of America A ， 2016 ， 33 （ 9 ）： 1836 - 1842 . doi: 10.1364/josaa.33.001836 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.33.001836

LYU J ， LU C Z ， SHANG C L ， et al . Observation of three-dimensional periodic vortex photonic lattices ［J］. Superlattices and Microstructures ， 2019 ， 130 ： 147 - 152 . doi: 10.1016/j.spmi.2019.04.030 http://dx.doi.org/10.1016/j.spmi.2019.04.030

秦雪云，朱刘昊，台玉萍，等 . 多平面波干涉的光学涡旋晶格特性研究［J］. 光学学报， 2021 ， 41 （ 21 ）： 2126001 . doi: 10.3788/AOS202141.2126001 http://dx.doi.org/10.3788/AOS202141.2126001

QIN X Y ， ZHU L H ， TAI Y P ， et al . Properties of optical vortex lattice generated via multiple plane wave interference ［J］. Acta Optica Sinica ， 2021 ， 41 （ 21 ）： 2126001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS202141.2126001 http://dx.doi.org/10.3788/AOS202141.2126001

YUAN Y ， TONG L Y ， CAI F X ， et al . Direct generation of optical vortex arrays by rotating in an all-solid-state Yb∶CALGO laser ［J］. Optical Materials Express ， 2021 ， 11 （ 6 ）： 1594 - 1602 . doi: 10.1364/ome.425827 http://dx.doi.org/10.1364/ome.425827

GUO M X ， LE W ， WANG C ， et al . Generation， topological charge， and orbital angular momentum of off-axis double vortex beams ［J］. Photonics ， 2023 ， 10 （ 4 ）： 368 . doi: 10.3390/photonics10040368 http://dx.doi.org/10.3390/photonics10040368

王丹，韩静雅，吕靖，等 . 基于马赫曾德干涉仪的两涡旋光束离轴干涉研究［J/OL］. 山西大学学报（自然科学版）， 2023 ： 1 - 8 ［ 2023-07-22 ］. https：//doi.org/10.13451/j.sxu.ns.2023032 https://doi.org/10.13451/j.sxu.ns.2023032 .

WANG D ， HAN J Y ， LÜ J ， et al . Study on the off-axis interference between two vortex beams based on the Mach-Zehnder interferometer ［J/OL］. Journal of Shanxi University （Natural Science Edition）， 2023 ： 1 - 8 ［ 2023-07-22 ］. https：//doi.org/10.13451/j.sxu.ns.2023032. https://doi.org/10.13451/j.sxu.ns.2023032. （in Chinese）

张明明 . 离轴涡旋光束的传输特性研究［D］. 南京：南京理工大学， 2014 .

ZHANG M M . Study on the transmission characteristics of off-axis vortex beams ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Science and Technology ， 2014 . （in Chinese）

陈荣泉，王清 . 离轴双涡旋的单光束在非局域介质中的传输特性［J］. 激光与光电子学进展， 2021 ， 58 （ 21 ）： 2119001 . doi: 10.3788/LOP202158.2119001 http://dx.doi.org/10.3788/LOP202158.2119001

CHEN R Q ， WANG Q . Propagation properties of off-axis double vortex single beam in nonlocal media ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2021 ， 58 （ 21 ）： 2119001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/LOP202158.2119001 http://dx.doi.org/10.3788/LOP202158.2119001

LIU X X ， ZHOU J Y ， XUE J C ， et al . Coaxial multi-ring optical vortex generation based on compound spiral phase plates ［J］. Laser Physics ， 2022 ， 32 （ 3 ）： 035402 . doi: 10.1088/1555-6611/ac4911 http://dx.doi.org/10.1088/1555-6611/ac4911

MAN Z S ， XI Z ， YUAN X C ， et al . Dual coaxial longitudinal polarization vortex structures ［J］. Physical Review Letters ， 2020 ， 124 （ 10 ）： 103901 . doi: 10.1103/physrevlett.124.103901 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.124.103901

王文磊，徐建波，周立丰，等 . 环形涡旋光干涉叠加形成复合涡旋光的特性研究［J］. 山东科学， 2013 ， 26 （ 2 ）： 13 - 18 . doi: 10.3976/j.issn.1002-4026.2013.02.003 http://dx.doi.org/10.3976/j.issn.1002-4026.2013.02.003

WANG L L ， XU J B ， ZHOU L F ， et al . Characteristics of composite vortex formed by overlay of two annulus vortexes ［J］. Shandong Science ， 2013 ， 26 （ 2 ）： 13 - 18 . （in Chinese） . doi: 10.3976/j.issn.1002-4026.2013.02.003 http://dx.doi.org/10.3976/j.issn.1002-4026.2013.02.003

杜亚飞 . 双环完美涡旋光束的产生与调控［D］. 武汉：华中科技大学， 2021 . doi: 10.1364/oe.424664 http://dx.doi.org/10.1364/oe.424664

DU Y F . Generation and manipulation of double-ring perfect vortex beam ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science & Technology ， 2021 . （in Chinese） . doi: 10.1364/oe.424664 http://dx.doi.org/10.1364/oe.424664

KOTLYAR V V ， KHONINA S N ， KOVALEV A A ， et al . Diffraction of a plane， finite-radius wave by a spiral phase plate ［J］. Optics Letters ， 2006 ， 31 （ 11 ）： 1597 - 1599 . doi: 10.1364/ol.31.001597 http://dx.doi.org/10.1364/ol.31.001597

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