通过电控扭曲平面取向液晶菲涅尔透镜实现光学涡旋的相位拓扑稳定性

《Advanced Optical Materials》：Phase Topology Stability of an Optical Vortex via an Electrically Controlled Twist-Planar Oriented Liquid Crystal Fresnel Lens

光涡旋的相位拓扑分析及动态调控：提出一种基于扭曲平面液晶（LC）的电压可调Fresnel透镜，通过低电压（0-35 V）调控LC分子取向，实现光涡旋相位拓扑结构的动态控制与实时分析。实验表明，该透镜可将高阶光涡旋的相位奇点分解为多个一阶涡旋，并通过调整透镜角度（±45°）区分正负拓扑电荷。该技术简化了光路配置，为量子通信、光学微操控等应用提供新方案。

　　光学涡旋（Optical Vortices, OVs）因其独特的性质，在光通信、传感、信息处理等领域展现出巨大的应用潜力。然而，光学涡旋的稳定性一直是制约其在可扩展光子系统中应用的关键障碍。尽管已有许多研究致力于探索其生成与操控方法，但高阶光学涡旋（|?| > 1）在实际系统中往往受到生成技术缺陷和不可避免的相干背景场的影响，导致其不稳定并最终分裂为多个低阶涡旋（|?| = 1）。这种现象使得光学涡旋在自由空间传播时容易发生断裂，从而限制了其在实际应用中的表现。为了解决这一问题，研究人员提出了一种创新的电压可调的费涅尔透镜结构，该结构基于扭转平面液晶（Twist-Planar Liquid Crystal, LC）配置，能够在不改变外部光学系统的情况下实现对光学涡旋相位拓扑的动态控制与实时分析。这种材料平台利用液晶的固有双折射性和电光响应性，实现了检测涡旋拓扑电荷和传播奇异光束的双重功能，且仅需低电压（0–35 V）即可完成调节。

该电压可调的液晶费涅尔透镜通过简单的结构设计和低功耗特性，为实现稳定、可调的涡旋相关技术提供了一种新的功能性材料解决方案。它不仅能够提高光学涡旋在光子系统中的可靠性，还为高精度光束操控、量子信息处理、高分辨率成像以及激光与材料的相互作用提供了新的可能性。在实验与理论分析中，研究人员发现电压引起的液晶取向变化与涡旋在傅里叶平面上的强度分布之间存在明确的相关性，这为光学涡旋的实时检测和调控提供了坚实的理论基础。

在实际应用中，光学涡旋的稳定性至关重要。由于噪声的存在，高阶光学涡旋在传播过程中容易发生断裂，导致其分裂为多个低阶涡旋，这不仅影响了其功能表现，也限制了其在复杂光子系统中的集成。为了解决这一问题，研究人员提出了一种基于费涅尔透镜的新型方法，通过将光束的强度分布从夫朗和费区域转移到傅里叶区域，实现对涡旋相位拓扑的直接分析。这种方法不需要额外的光学元件，简化了实验设备的结构，降低了系统复杂性，并且能够在实时条件下完成对涡旋的检测与分析。

该方法的核心在于利用液晶材料的电光响应特性，通过外部电压对液晶分子的取向进行动态调控。当电压施加到电极上时，液晶分子会根据电场方向发生重新排列，从而改变费涅尔透镜的相位特性。这种动态调控能够实现对光学涡旋的稳定传播和相位拓扑的准确检测。实验结果显示，当光学涡旋通过该费涅尔透镜时，其强度分布会在傅里叶平面上产生多个零点，这些零点的数量和分布方向能够直接反映涡旋的拓扑电荷。此外，通过旋转透镜，可以引入光束的像差，使得这些零点沿特定方向排列，从而进一步验证涡旋的拓扑电荷符号。

该方法的另一个优势在于其高度的可集成性和可扩展性。传统的光学涡旋生成和检测方法通常需要多个光学元件，例如螺旋相位板、空间光调制器、数字微镜设备等，这些设备不仅增加了系统的复杂性，还限制了其在实时应用中的可行性。而基于液晶材料的费涅尔透镜则能够实现“光学涡旋传播”和“拓扑电荷检测”两种功能的无缝切换，无需额外调整光学路径。这种特性使得该透镜在光通信、激光束整形、量子光子学、密码学和量子计算等领域具有广泛的应用前景。

在实验过程中，研究人员使用了多种材料和技术。首先，通过使用有机材料的薄膜沉积和光刻技术，对玻璃基板进行了预处理，以确保其表面清洁和导电性。接着，通过在玻璃基板上沉积AtA-2偶氮染料薄膜，并对其进行线性偏振光的照射，实现了液晶分子的定向排列。这种定向排列为后续的电光调控提供了必要的边界条件。随后，将玻璃基板与液晶材料结合，通过纤维支架形成的均匀空气间隙，实现了透镜的组装和填充。在实验中，研究人员还使用了He–Ne激光器（波长为632.8 nm）作为光源，并通过准直系统和聚焦透镜将激光束转换为具有特定相位结构的光学涡旋。

在实验中，研究人员通过CCD相机记录了光束在透镜焦点区域的强度分布，并结合数值模拟进一步验证了其结果。实验结果显示，当电压施加到透镜上时，液晶分子的取向会发生变化，从而影响光束的相位分布。在电压达到某个阈值时，透镜的结构会发生显著改变，使得光束的传播模式从衍射模式切换为透射模式。这种模式切换使得光学涡旋的传播更加稳定，并且能够减少噪声对光束的影响。

此外，研究人员还通过数值模拟对光束的传播特性进行了深入分析。通过使用Wolfram Mathematica软件，对光束在不同电压条件下的相位分布进行了计算，验证了实验结果的准确性。数值模拟结果表明，当电压较低时，液晶分子的取向变化较小，光束的相位分布保持相对稳定。而当电压增加到一定值时，液晶分子的取向会发生剧烈变化，导致光束的相位分布发生显著变化，从而进一步验证了光学涡旋的分裂行为。

实验还表明，该透镜能够实现对光学涡旋的高精度检测。通过将光束的强度分布从夫朗和费区域转移到傅里叶区域，研究人员能够更直观地观察到涡旋的相位拓扑结构。这种结构的可视化对于理解光学涡旋的行为和性质具有重要意义。同时，实验结果还显示，当光束通过该透镜时，其强度分布会在焦点区域产生多个零点，这些零点的数量和分布方向能够直接反映涡旋的拓扑电荷。

总的来说，该研究提出了一种基于液晶材料的新型电压可调费涅尔透镜，为实现光学涡旋的稳定传播和实时检测提供了一种可行的解决方案。该透镜不仅具有低功耗和紧凑的结构，还能够实现对光学涡旋的双重功能操作，即检测和传播。这种特性使得该透镜在光子系统中的集成更加高效，并为未来的光子技术发展提供了新的方向。通过实验和理论分析的结合，研究人员验证了该透镜的有效性，并展示了其在多个应用领域的潜力。未来，随着该技术的进一步发展，光学涡旋将在更广泛的光子系统中得到应用，为科学研究和实际工程提供更多的可能性。