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文 | 面包飞满天

编辑 | 面包飞满天

«——【·前言·】——»

光学器件是当前和未来光子学应用的重要工具，如通信、测量、操作和信息技术。液晶由于具有双折射大、对外部电场响应快等特点，在开发高功能化光学器件方面受到了广泛的关注。

利用这些特性，迄今为止已经研究了各种类型的基于lc的光学器件。特别是LC偏振光栅，其光学各向异性在器件上进行空间和周期调制，因为它可以控制多个光学参数，包括入射光波的传播方向，振幅，相位和偏振状态。

近年来，几种高功能化的LCPG已经被报道，埃斯库蒂利用扭曲向列LC结构制作了消色差偏振光栅，并具有高效率的宽带偏振衍射特性。科曼开发了高效反射LC偏振光栅，并证明了超过95%的衍射效率和亚ms的开关时间。

我们还研究了用光交联聚合物LC 制备的LCPGs，PCLC具有高透光率、高环境温度稳定性和高锚定能等特点，因此我们开发了交叉偏振光栅、多能级各向异性衍射膜和全息二元光栅LC单元等几种LCPG。这些LCPG的优势使其在光学投影、快照式偏振测量和光学测量等领域得到了广泛的应用。

采用正交圆偏振光栅(OCPG)制备了一种具有Fabry - Perot谐振结构的LCPG，由于腔镜之间的多次反射和多次干涉的影响，Fabry - Perot正交圆偏振光栅的偏振衍射特性强烈依赖于谐振条件，因此与传统单层OCPG相比，它可以实现多种衍射特性。由于衍射光不仅在透射方向上发射，而且在反射方向上发射，因此与单层OCPG相比，该LCPG具有双光路。

这些特性使得各种光子学应用包括光通信、光刻、投影和基于多径光学系统的光学传感所需的依赖偏振的光束转向过程成为可能，我们制作了一个Fabry - Perot OCPG，并实验证明了偏振衍射，它有六个衍射路径。我们还澄清了由于谐振效应，可以通过调整腔镜之间的腔隙厚度来控制各自光路的衍射效率。

Fabry - Perot OCPG具有作为多分支偏振分束器的潜力，通过适当设计腔镜的腔隙和反射率等共振条件，可以以不同的方式控制各衍射路径的衍射效率。到目前为止，还没有研究法布里-佩罗OCPG的反射率依赖性。

在本研究中，为了更详细地阐明Fabry - Perot OCPG的特征，我们研究了衍射效率对反射的依赖关系，作为腔镜我们使用了薄的Au薄膜，通过改变薄膜厚度来控制其反射率，基于OCPG的偏振转换和衍射特性，用数值公式描述了Fabry - Perot OCPG衍射的基本原理。

«——【·Fabry - Perot OCPG衍射的基本原理·】——»

Fabry - Perot谐振器的示意图中，OCPG插入两个腔镜之间，OCPG具有均匀双折射，快速轴沿横向x周期性连续旋转，根据琼斯矩阵公式，显示了OCPG的偏振衍射特性。

我们考虑LCP∣L >入射到Fabry - Perot OCPG上的情况，LCP从反射镜M1传输，透射光入射到OCPG中，根据[Eq. (2a)]的衍射特性，衍射角很小，因此OCPG和腔镜的入射角依赖性可以忽略不计。二次腔镜M2翻转波前斜坡的符号和各自圆偏振分量的偏振旋向，腔镜输出的RCP和LCP分量分别向法向和倾斜方向传播。

我们发现，光在透射方向上的LCP和RCP分量被多重干涉并衍射为0阶和1阶衍射光，相反，光在反射方向的RCP和LCP分量受到多重干涉和衍射作为0级和1级衍射光。当RCP∣R >入射到Fabry - Perot OCPG时，在传输方向上，电场的RCP分量和LCP分量分别作为0级和- 1级衍射光进行多重干涉和衍射。

在反射方向上，电场的LCP和RCP分量分别作为0阶和- 1阶衍射光进行多重干涉和衍射，如果线偏振光入射到Fabry - Perot OCPG上，RCP和LCP分量在传输方向上衍射到0、+1和- 1阶，因为LP可以看作是相同振幅的相干RCP和LCP分量的叠加。由Fabry - Perot腔和OCPG组成的方案可以实现依赖偏振的6光路多干涉。

«——【·Fabry-Perot OCPG的制备·】——»

法布里-佩罗OCPG的制作装置由两个金涂层玻璃基板，一个OCPG膜和一个气隙组成，采用溅射法在两块玻璃基板上涂覆薄的Au膜，通过调整溅射时间来控制Au膜的厚度。在本实验中，为了研究Fabry - Perot LCPG的反射率依赖性，我们制备了几种Au膜厚度分别为5、10、15、20和25 nm的衬底。

将具有4-联苯侧基的光交联聚合物LC作为一种极化敏感材料，通过自旋涂层仅在镀金玻璃基板的一侧进行自旋涂层，OCPG是通过将P6CB薄膜暴露在He - Cd激光器发射的左右圆偏振紫外光束的偏振干涉场中形成的。通过排列干涉光束的交叉角，将光栅周期设置为10µm。

法布里-佩罗全息LCPG是通过结合两个衬底薄气隙形成的，气隙厚度的调节采用薄膜式垫片，并在边角处固定4颗螺钉。

«——【·偏振衍射性质的论证·】——»

为了研究法布里-佩罗光学光栅衍射效率与反射率的关系，采用工作波长为632.8 nm的He - Ne激光器作为探测光束，利用偏振片、四分之一波片和半波片，将探测光束入射器件前的偏振态设置为90°线性偏振和左手圆偏振，入射角设为0°。利用Thorlabs PAX7510VIS-T和PAN5710VIS偏振仪测量各衍射阶的偏振态。

为了验证衍射效率与反射指数r的相关性，我们改变了玻璃衬底上R1和R2的Au膜的厚度，为了估计反射镜之间的气隙厚度，通过卤素灯发射的光束通过该装置，测量了0阶衍射光的共振光谱条纹。并将其光谱条纹的峰间距离与数值模拟结果进行了比较，为了消除Au和P6CB薄膜表面粗糙度引起的散射效应，衍射效率ηn计算为各衍射阶强度In与总强度之比。

«——【·讨论研究·】——»

在理论计算中，我们采用矩阵方法，该方法可以严格分析偏振光在分层各向异性介质中的传播，包括不同材料层之间的多次反射和多次干涉的影响。在此计算中，我们考虑了Glass1与Au1、Au1与Air、Air与OC光栅、OCPG与Au2、Au2与Glass2之间的多重反射。

玻璃基片和Au薄膜的复折射率分别设为ngl = 1.524和nau = 0.19591 + i3.2578，以P6CB薄膜的普通折射率和特殊折射率作为拟合参数，由于玻璃基板的低平行度，在基板的入口和出口表面之间发生的多重反射被认为可以忽略不计。

两个Au膜的总厚度分别为(a) 20nm， (b) 30nm， (c) 40nm。(I)、(II)、(III)、(IV)分别给出了探测光束具有90LP和LCP的情况下的结果。纵向和纵轴表示入射侧玻璃基板上镀有Au膜的衍射效率和厚度。

通过分光计，估计细胞间隙为(a) 9.85， (b) 9.80，(c) 9.85µm。普通和特殊折射率拟合为(a) no = 1.50和ne = 1.60， (b) no = 1.50和ne = 1.70，(c) no = 1.50和ne = 1.65。每条衍射路径的衍射效率与Au薄膜的厚度密切相关。由(IV)可知，反射和透射方向的+一阶衍射效率都是入射90LP情况下(II)的两倍。

在入射光为90LP的情形(I)和情形(II)中，测量到透射和反射方向的0 -、+1 -和- 1级衍射光的偏振态分别为透射方向的90LP、RCP和LCP，反射方向的90LP、LCP和RCP。在情形(III)和情形(IV)中，入射光为LCP，一阶衍射光在透射和反射方向上都不可见。在情形(II)中，由于OC光栅的偏振衍射特性，±1个数量级的衍射效率相同，使得理论曲线在图6(II)的同一位置重叠。

这些偏振转换特性与传统单层OCPG相同，法布里-佩罗OCPG可以在保持偏振转换特性的同时，通过改变腔镜反射率，以多种方式控制其在每个衍射路径上的衍射效率。

法布里-珀罗偏振光栅的衍射效率可以通过改变谐振条件来控制，由于衍射光不仅在透射方向上发射，而且在反射方向上发射，因此可以用作依赖偏振的多分支分束器。本文阐明了各衍射阶的衍射效率取决于腔镜的反射率，讨论这种反射率依赖，在Fabry - Perot偏振光栅中，入射光波反复穿过OCPG，它在腔镜之间往复。

由于随着Au膜厚度的增加，往复运动的次数增加，因此在OCPG中获得了较大的延迟，从而提高了衍射效率。

由于透射和反射方向的电场是由腔体发射的光波之间的多重干涉决定的，因此各阶衍射效率强烈依赖于Au的膜厚。

在本研究中，我们使用Au薄膜作为腔镜，由于Au薄膜在可见光范围内吸收光，我们的Fabry - Perot偏振光栅的光吞吐量随着Au薄膜厚度的增加而降低，这里的光吞吐量是指入射光波与输出光波在透射和反射方向上的强度比，为了有效地利用透射和反射方向上的衍射光，可以使用介电多层作为替代腔镜，以提高光吞吐量。

在本研究中，虽然我们使用了OCPG作为PG，但迄今为止已经报道了几种其他的PG，如正交线性PG，多层各向异性衍射膜和交叉偏振光栅，我们可以制作出各种类型的具有独特偏振转换和衍射性能的Fabry - Perot PG。这些pg有望应用于光通信和投影等实验研究。

«——【·总结·】——»

本文研究了法布里-佩罗正交圆偏振光栅衍射效率与反射率的关系，利用OCPG的偏振转换和衍射特性，解释了Fabry - Perot OCPG发射6光程多干涉的原理，实验和理论得到的衍射效率随腔镜反射率的变化而变化。采用全息曝光法在光交联聚合物液晶上制备了一种光交联聚合物薄膜，将镀金玻璃衬底与OCPG相结合，形成了Fabry - Perot结构。

衍射效率随Au反射镜的反射率而变化。这些结果表明，通过控制反射率和气隙厚度，可以通过不同的方式设计法布里-佩罗OCPG的衍射特性，使其可以作为光学传感、投影、光刻和光通信等领域所需的多分支偏振分束器。

«——【·参考文献·】——»

托多罗夫，《光学传感》。物理学报，1984年。

科曼，《正交圆偏振光栅衍射效率与反射率的关系》。科技学报，2009年。

阿普尔。《正交线性PG的研究》。物理学报，2006年。

亨特，《固体光学常数手册》。纽约学术报，1985年。