影响涡旋波片-S波片相位延迟和双折射特性的因素

此文是通过简单讲述双折射特性和对比，让大家更加清晰的了解到径向偏振转换片/S波片的影响因素。

传统光学（如透镜或反射镜）是通过控制材料的厚度或折射率，利用光路差来操纵相位，后来，出现了一种利用光波在光路差以外的参数（如偏振）作用下发生几何相位（GP）偏移的光学技术。波阵面通过引入空间变化的各向异性而发生改变，这便是几何相位GP（也称为Pancharatnam-Berry相位），偏振GP光学元件（GPOE）的制造需要双折射图案化，通过光刻方法制作的质子元表面可实现具有高空间分辨率的薄型光学元件。在此，飞秒激光写入已成为一种在各种块状和薄膜透明材料（尤其是石英玻璃）中通过形成偏振控制薄片结构进行双折射的方法。

GPOE和径向偏振转换片（S波片、涡旋波片）是通过偏振控制纳米晶格方向和相关光轴的双折射形式制造的。在加工过程中，有一些影响低损耗双折射改性的因素，比如脉冲数，脉冲持续时间，数值孔径（NA）和波长等。在此篇文章中，简单讲述影响S波片/径向偏振片相位延迟和双折射特性的因素和效果展示。

形成低损耗双折射改性的因素：

图1：不同参数下激光写入图案的双折射和透射率

低损耗双折射改性的形成有两个关键因素，第一个是脉冲密度，第二个是激光脉冲持续时间。

为了更清晰地观察从低损耗到高损耗改性的过渡，还研究了光栅扫描写入的双折射结构与脉冲密度和脉冲持续时间的函数关系。在如上的a图和c图中，分别为在不同脉冲密度和脉冲持续时间下写入的双折射结构的相位延迟（左）和透射率（右）图像。可在c中看出，偏振在激光写入过程中发生了旋转。其中，b 图和 d图 分别是a图和c图中变化区域的相位延迟（蓝色圆圈）和透射率（红色正方形）与脉冲密度和脉冲持续时间的对比图。在d图中，不同颜色表示不同修饰类型的脉冲持续时间范围。

如图a、b，随着脉冲密度的增加，延迟率也随之增加，透射率减少，在Nd(脉冲密度)=100脉冲/μm时，透射光中突然出现了明显的改变。如图c、d，随着脉冲持续时间的变化，出现了不同类型的改变。当tp<250fs时的各向异性具有正折射率变化，这是由于二氧化硅结构的压实造成的，随着脉冲持续时间的增加，在保持高透射率的同时，出现了取决于偏振的双折射效应。

另外，激光写入区域周围的应力取决于脉冲持续时间（如图 3e、f）。在脉冲持续时间为220fs时，由于玻璃压实发生了各向异性的改变，激光写入区域附近的应力引起的双折射最大。e和f图是用不同脉冲持续时间写入的双折射结构区域的延迟分布，f沿e中虚线绘制的延迟，激光写入结构之间形成应力，在较短的脉冲持续时间内，Δn折射率变化为正，这表明在激光写入区域内二氧化硅结构发生了紧密的变化。

g图中，用不同脉冲持续时间写入的变化区域的折射率变化。Δnunpol、Δn0°,o和 Δn90°,e分别是用非偏振光以及水平（0°）和垂直（90°）偏振光测量的折射率变化。变化区域的双折射慢轴是水平的（0°）。在较短的脉冲持续时间内，Δn0°,o>Δn90°,e的微小差异是由于应力引起的双折射造成的，而应力引发的双折射则受到脉冲持续时间的影响。

在不同的激光照射条件下，由于石英玻璃致密化和纳米孔形成之间的平衡，类似的体积膨胀也可忽略不计。其他关键因素包括数值孔径（NA）和波长，NA 越高，越难形成低损耗双折射。此外，在波长为515nm 的写入光束中，NA>0.30 和光激发条件下均未观察到双折射改性。在较高的NA值和较短的波长下没有双折射改性，这表明光激发体积的大小可能会影响纳米孔的形成。例如，使用较高的 NA 聚焦会使光斑尺寸变小，从而在硅玻璃改性的阈值通量下产生较高的能量密度。较高的能量密度很容易克服材料的拉伸强度（杨氏模量Young’s modulus），从而阻止空间上分离的纳米孔的形成。

效果展示：

图2：双折射效果图示

低损耗双折射整形提供了各种双折射光学元件，如GPOE、矢量光束转换器和零阶S波片(涡旋波片)，径向偏振片等，可用于高功率激光器和紫外光源等。几何相位(GP)棱镜或偏振光栅具有双折射分布，沿水平方向具有恒定的慢轴梯度，如上a图，上图是慢轴梯度为0.01πrad/μm的GP棱镜的双折射图像，上图是GP棱镜在具有不同圆偏振的457nm连续激光束的光强模式下衍射后的图像。这与传统光学元件（如炽热光栅和菲涅尔透镜）不同，传统光学元件的相位轮廓展现的是折射率和厚度的光路变化，而GP棱镜和偏振光栅的相位轮廓展现的是折射率和厚度的光路变化，此外，还可以通过改变入射光的圆偏振来切换光的传播方向。

在波长457nm处，衍射效率高于99%，这与220nm波长处的测量延迟计算值一致。此外，还制作了慢轴分布呈抛物线形状的GP透镜。b图是GP透镜的双折射图像，以及由GP透镜聚焦和散焦的具有不同圆偏振的488nm连续激光束的光强图，其中在488nm的波长，焦距为208mm。

图3：a) 测量的延迟分布图Measured retardance distribution, b) 延迟彩色图retardance colour map，

c) 延迟色散retardance dispersion，d) 快轴分布图fast axis distribution，e) 快轴色彩图fast axis color map

如图3，在线性偏振白光照明下，无偏振片（左）和有偏振片（中）的十毫米矢量光束转换器，右图为转换器中央部分的慢轴分布。在该转换器中，延迟选择为目标波长（343nm）的一半，慢轴相对于方位角在0°至180°之间是线性变化（右图）。由左图和中间图像可看到，在交叉偏振器下可以清晰观察到镜片是高度透明的。在图像中，可更加清晰的观察到快轴和延迟色散的情况，其中横线是快轴，而慢轴则垂直于快轴。

图4：激光束经过转换器后产生的涡旋光图像(左)，径向（中）和角向（右）矢量光束的图示

如图4，产生了具有径向和角向偏振的高质量343nm圆顶形光束，左图是不带偏振片的343nm激光束经过转换器后产生的涡旋光图像。中间图像和右图是经过偏振后产生的径向（中）和角向（右）矢量光束的图示。

参考文献：Ultralow-loss geometric phase and polarization shaping by ultrafast laser writing in silica glass, Sakakura et al. Light: Science & Applications ( 2020) 9:15