CC BY
17
УДК 532.783
ФОРМИРОВАНИЕ СВЕТОВОГО ПУЧКА С ВИНТОВОЙ ДИСЛОКАЦИЕЙ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ПРИ ФОТОРЕФРАКТИВНОМ ЭФФЕКТЕ В НЖК
И. А. Будаговский1, А. С. Золотько1, М.П. Смаев1, С. А. Швецов1'2
Осуществлена генерация светового пучка с винтовой дислокацией волнового фронта с помощью нематиче-ского жидкого кристалла, находящегося под воздействием постоянного электрического поля. Аксиально-симметричная деформация поля директора, необходимая для возникновения такого пучка, возникает вследствие светоиндуцированного снятия экранировки постоянного поля поверхностными электрическими зарядами.
Ключевые слова: нематический жидкий кристалл, винтовая дислокация волнового фронта, фоторефрактивный эффект.
Введение. Световые пучки с винтовой дислокацией волнового фронта (ПВД) представляют интерес для микроманипулирования [1, 2], обработки и передачи оптической информации [3], получения изображений астрономических объектов [4]. Такие пучки относятся к свободным модам пространства, характеризуются наличием орбитального углового момента и минимумом интенсивности на оси пучка.
Для получения ПВД используются различные среды, в том числе нематические жидкие кристаллы (НЖК). Нематики являются сильноанизотропными средами, причём направлением оптической оси (директором) можно легко управлять внешними воздействиями. Ячейка с НЖК, имеющая аксиально-симметричную деформацию директора (на оси симметрии при этом будет наблюдаться дефект ориентации молекул), позволяет трансформировать гауссовы пучки в пучки с винтовой дислокацией волнового фронта. В работах [5, 6] предлагается создавать дефекты ориентации в жидкокристаллической ячейке за счет специальной обработки ориентирующих подложек. Для получения ПВД можно использовать естественные дефекты в неориентированном слое
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: smayev@lebedev.ru.
2 Московский физико-технический институт, 141700 Россия, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., 9.
НЖК [7], дефекты, возникающие при локальном нагреве световым пучком [8], а также ориентационные дефекты в объеме НЖК, возникающие при сильной фокусировке светового пучка [9].
Аксиально-симметричная деформация поля директора НЖК, необходимая для формирования ПВД, может быть получена при одновременном приложении электрического и светового полей. Так, в [10] использовался гомеотропно ориентированный НЖК с отрицательной низкочастотной анизотропией, на одну из подложек которого был нанесен слой фотопроводника. К ячейке прикладывалось допороговое низкочастотное поле, изначально не приводившее к переориентации директора. Однако при освещении образца в фотопроводнике генерировались заряды и происходило усиление электрического поля до надпорогового значения. Деформация поля директора имела аксиальную симметрию вследствие гауссова распределения световой интенсивности.
В настоящей работе получен световой пучок с винтовой дислокацией волнового фронта при одновременном приложении к гомеотропному НЖК постоянного электрического и светового полей. Аксиально-симметричное поле директора формируется вследствие поверхностного фоторефрактивного эффекта [11-13], обусловленного переориентацией директора за счет частичного снятия экранировки постоянного поля поверхностными зарядами.
Установка и экспериментальные результаты. Использовался нематический жидкий кристалл ЖКМ-1277 гомеотропной ориентации толщиной Ь = 100 мкм. Подложки жидкокристаллической ячейки были покрыты токопроводящим слоем 1ТО. Исследования проводились при комнатной температуре.
Рис. 1: Схема экспериментальной установки. 1 - твердотельный лазер (X = 532 нм), 2 и 6 - четвертьволновые пластинки, 3 - линза, 4 - ячейка с нематическим жидким кристаллом, 5 - источник постоянного напряжения, 7 - анализатор, 8 - экран.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Световой пучок линейной поляризации с длиной волны Л = 532 нм от твердотельного лазера 1 проходил через четвертьволновую пластинку 2, преобразовывающую линейную поляризацию в циркулярную, и фокусировался линзой 3 с фокусным расстоянием f = 10 см на ячейке с НЖК 4. К подложкам ячейки прикладывалось постоянное напряжение. За жидкокристаллической ячейкой были установлены четвертьволновая пластинка 6 и анализатор 7. Поперечное распределение интенсивности поляризационных компонент светового пучка наблюдалось на экране 8.
Приложенное к НЖК постоянное электрическое поле экранируется приповерхностными зарядами. В освещаемой области электрическое поле проникает в объём НЖК в соответствии с профилем интенсивности пучка, что приводит к аксиально-симметричной деформации поля директора. При прохождении циркулярно-поляризованного пучка через такую структуру формируется пучок с винтовой дислокацией волнового фронта.
(а)
* »
т Ф
О
Рис. 2: Экспериментальные ((а)-(г)) и теоретические ((д)-(ж)) распределения интенсивности в дальней зоне после анализатора: (а) в скрещенных поляризаторах (в отсутствие четвертьволновых пластинок), ((б), (д)) - базовая часть излучения, ((в), (е)) - пучок с винтовой дислокацией волнового фронта, ((г), (ж)) - интерференция базовой компоненты пучка и ПВД (промежуточное положение анализатора). Угловой размер картин - 0.02 рад.
При мощности светового пучка Р =1.5 мВт и напряжении и = 2 В, в отсутствие пластинок 2 и 6 (рис. 1) на экране наблюдалась характерная картина в виде креста (рис. 2(а)). С установленной четвертьволновой пластинкой 2, дающей циркулярную поляризацию из исходной линейной, световой пучок в НЖК частично конвертировался в
ПВД, при этом направление циркулярной поляризации для ПВД изменялось на противоположное. После прохождения пластинки 6 поляризации гауссова пучка и ПВД становились линейными и были расположены в ортогональных плоскостях. Вращая анализатор 7, можно наблюдать распределение интенсивности базовой компоненты (дифрагировавшего на дефекте гауссова пучка, рис. 2(б)), ПВД (рис. 2(в)), а также результат их интерференции (рис. 2(г)). Отметим, что данный эффект наблюдается в широком диапазоне оптических мощностей (1 мВт < Р < 25 мВт) и прикладываемых напряжений (1 В < и < 4 В).
Рис. 3: Переориентация директора в ячейке с НЖК при поверхностном фоторефрак-тивном эффекте. Проникающее в объём НЖК внешнее постоянное поле моделируется полем положительного точечного заряда Q. АЛ1 и ВВ - условные границы светового пучка. гфт - угол поворота директора в центральной плоскости НЖК на расстоянии г до оси пучка.
Обсуждение. Поскольку светоиндуцированное снятие экранирования происходит преимущественно на одной подложке (анодной) [13], а степень снятия определяется интенсивностью излучения, то результирующее проникающее поле можно аппроксимировать полем точечного заряда Q, расположенного вблизи анодной поверхности НЖК (рис. 3). Такое поле будет формировать аксиально-симметричное распределение деформации директора в объеме НЖК в соответствии с направлением проникающего электрического поля. Угол фт отклонения директора от исходного направления равен нулю на оси пучка и на его периферии, но принимает ненулевое значение в некоторой окрестности оси пучка.
5 4
s 3 2 1 О
-4 -2 0 2 4
r/wo
Рис. 4: Распределение дополнительного набега фазы S для необыкновенной компоненты светового поля. w0 - радиус перетяжки падающего светового пучка.
Расчет поперечного распределения интенсивности проводился с помощью соотношений, приведённых в работе [8]. Эти соотношения связывают распределение интенсивности пучка, прошедшего фазовую пластинку, с профилем фазового набега S в поперечном сечении пучка. Поперечное распределение дополнительного набега фазы, обусловленного деформацией директора в проникающем электрическом поле при локальном светоиндуцированном снятии его экранировки, имеет вид, представленный на рис. 4. Результаты расчетов, приведенные на рис. 2((д)-(ж)), хорошо согласуются с экспериментом.
Заключение. Предложена и реализована методика формирования пучков с винтовой дислокацией волнового фронта с помощью фоторефрактивного эффекта в жидких кристаллах. Необходимое аксиально-симметричное распределение деформации поля директора создавалось в результате переориентации директора НЖК при светоиндуцированном снятии экранировки внешнего постоянного поля.
Авторы благодарны В.Н. Очкину за полезные обсуждения. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-12-00784).
ЛИТЕРАТУРА
[1] N. B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, M. J. Padgett, Opt. Lett. 22, 52 (1997).
[2] M. Dienerowitz, M. Mazilu, P. J. Reece, et al., Opt. Express 16, 4991 (2008).
[3] G. Molina-Terriza, J. P. Torres, L. Torner, Nature Phys. 3, 305 (2007).
[4] G. Foo, D. M. Palacios, G. A. Swartzlander, Opt. Lett. 30, 3308 (2005).
[5] L. Marrucci, C. Manzo, D. Paparo, Phys. Rev. Lett. 96, 163905 (2006).
[6] L. Marrucci, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 488, 148 (2008).
[7] C. Loussert, U. Delabre, E. Brasselet, Phys. Rev. Lett. 111, 037802 (2013).
[8] И. А. Будаговский, А. С. Золотько, Д. Л. Коршунов и др., Опт. и спектроск. 119,
295 (2015).
[9] E. Brasselet, Opt. Lett. 34, 3229 (2009).
[10] R. Barboza, U. Bortolozzo, G. Assanto, et al., Phys. Rev. Lett. 109, 143901 (2012).
[11] P. Pagliusi, G. Cipparrone, J. Appl. Phys. 93, 9116 (2003).
[12] A. S. Zolot'ko, I. A. Budagovsky, V. F. Kitaeva, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst. 454, 407 (2006).
[13] И. А. Будаговский, А. С. Золотько, М. П. Смаев, М. И. Барник, ЖЭТФ 138, 150 (2010).
Поступила в редакцию 22 апреля 2015 г.
