激光模式轉換器簡要介紹及其典型應用案例

激光模式轉換器簡要介紹

一、概述

激光模式轉換器是一種能夠實現激光由基礎的TEM00模式轉換為更高階的Hermite-Gaussian（厄米-高斯）模式的衍射光學元件，不同結構及相位分布可實現不同的模式轉換。激光模式轉換器利用光配相技術在玻璃基底表面制作不同快軸分布的液晶聚合物薄膜，并通過精確控制液晶聚合物的厚度來控制o光和e光的光程差（或相位差），從而實現不同模式的轉換。

在激光腔體內，近軸亥姆霍茲方程的任意解可以表示為Hermite-Gaussian模式的組合HGmn（其幅度分布可以用笛卡爾坐標系的x/y軸平面表示）,m和n分別表示x和y方向上的模式數；HG模也稱為橫向電磁模式（Transverse Electromagnetic Mode），因此也可以表示為TEMmn。利用激光模式轉換器，可直接實現各個激光模式光斑的轉換，獲得各種高階振蕩模式的激光，而不用制作激光諧振腔。高階模激光相比于基模，具有更加復雜的橫向分布，包含更大的信息量，有更大的聚焦光斑，因此，激光模式轉換器可用于通信、傳感、精密測量、STED顯微鏡、光鑷等領域中。

不同激光模式的強度及相位分布示意圖

二、產品結構

激光模式轉換器基于N-BK7窗口片和液晶聚合物材料制成，呈現為“前后玻璃襯底+中間LCP功能膜層”的三明治結構，安裝于標準SM1透鏡套筒中。套筒上刻有產品名稱、型號及規格參數，并在端面刻有一條短線和一個點，短線代表快軸0°方向，點對應的區域快軸方向與短線平行，相鄰區域快軸方向與短線垂直。對于TEM00-TEM01/10模式轉換器，從點對應區域逆時針依次為0°、90°；對于TEM00-TEM11模式轉換器，從點對應區域逆時針依次為0°、90°、0°、90°。

激光模式轉換器產品結構圖

三、光學特性 

激光模式轉換器根據其本身設計的結構及相位分布，實現激光由基礎的TEM00模式轉換為更高階的厄米高斯模式的衍射光學元件，不同的結構及相位分布可實現不同的模式轉換。激光模式轉換器主要利用光配相技術在玻璃基底表面制作不同快軸分布的液晶聚合物薄膜來實現其相位結構，并通過控制液晶聚合物薄膜的厚度精確控制o光和e光的相位延遲為π來實現其功能，由于不同波長對應的延遲量不同，所以該產品為為單波長器件。

激光模式轉換器光斑實測圖

激光模式轉換器是利用液晶材料o光和e光的折射率差來實現激光的模式轉換，使用時需線偏光入射，且偏振方向與液晶分子快軸方向平行或垂直，才能得到較純的高階模式。若使用其他偏振態的光入射，部分激光模式發生轉換，導致出射光的模式強度分布不均勻。

四、參數說明

1. 相鄰區域間隙

由于液晶材料自身性質，液晶分子快軸不同的兩個相鄰區域之間會存在一定的漸變區域從而形成縫隙。激光模式轉換器相鄰區域間隙指的是相鄰兩分區之間的間隙寬度，一般要求小于10 μm。

激光模式轉換器相鄰區域間隙示意圖

2. 透射光偏轉

• 透射光偏轉這一參數主要用來表征產品的平行度，透射光偏轉角度越接近0 °，則平行度越好；

• 對于未安裝機械外殼的光學元件來說，影響平行度的主要因素為保護玻璃的貼合，透射光偏轉角度一般控制在1 arcmin以內；

• 對于已安裝機械外殼的光學產品來說，影響平行度的主要因素為保護玻璃的貼合和機械外殼與光學元件之間的平行度，透射光偏轉角度一般控制在10 arcmin以內。

激光模式轉換器典型應用案例

1. 精密測量

激光的高階模式包含更多的信息量和自由度，利用高階厄米高斯模式可以提高激光橫向位置的測量精度。利用高階模式這一特性，激光模式轉換器可應用到激光傾角的測量，進一步提高激光傾角的測量精度，激光傾角的測量在引力波探測、生物粒子的追蹤、衛星之間的定位等方面都有重要的應用。

2. 光阱

高階的厄米高斯模式可生成方形渦旋陣列光束，可用于二維形式的多阱光鑷和原子陷阱的研究，因此模式轉換器在多阱光鑷應用上表現出巨大潛力。

(a)兩個厄米-高斯模疊加產生渦旋陣列光束；(b)用于產生渦旋陣列激光束的多夫棱鏡嵌入非平衡馬-曾德爾干涉儀示意圖