激光模式转换器简要介绍及其典型应用案例

激光模式转换器简要介绍

一、概述

激光模式转换器是一种能够实现激光由基础的TEM00模式转换为更高阶的Hermite-Gaussian（厄米-高斯）模式的衍射光学元件，不同结构及相位分布可实现不同的模式转换。激光模式转换器利用光配相技术在玻璃基底表面制作不同快轴分布的液晶聚合物薄膜，并通过精确控制液晶聚合物的厚度来控制o光和e光的光程差（或相位差），从而实现不同模式的转换。

在激光腔体内，近轴亥姆霍兹方程的任意解可以表示为Hermite-Gaussian模式的组合HGmn（其幅度分布可以用笛卡尔坐标系的x/y轴平面表示）,m和n分别表示x和y方向上的模式数；HG模也称为横向电磁模式（Transverse Electromagnetic Mode），因此也可以表示为TEMmn。利用激光模式转换器，可直接实现各个激光模式光斑的转换，获得各种高阶振荡模式的激光，而不用制作激光谐振腔。高阶模激光相比于基模，具有更加复杂的横向分布，包含更大的信息量，有更大的聚焦光斑，因此，激光模式转换器可用于通信、传感、精密测量、STED显微镜、光镊等领域中。

不同激光模式的强度及相位分布示意图

二、产品结构

激光模式转换器基于N-BK7窗口片和液晶聚合物材料制成，呈现为“前后玻璃衬底+中间LCP功能膜层”的三明治结构，安装于标准SM1透镜套筒中。套筒上刻有产品名称、型号及规格参数，并在端面刻有一条短线和一个点，短线代表快轴0°方向，点对应的区域快轴方向与短线平行，相邻区域快轴方向与短线垂直。对于TEM00-TEM01/10模式转换器，从点对应区域逆时针依次为0°、90°；对于TEM00-TEM11模式转换器，从点对应区域逆时针依次为0°、90°、0°、90°。

激光模式转换器产品结构图

三、光学特性 

激光模式转换器根据其本身设计的结构及相位分布，实现激光由基础的TEM00模式转换为更高阶的厄米高斯模式的衍射光学元件，不同的结构及相位分布可实现不同的模式转换。激光模式转换器主要利用光配相技术在玻璃基底表面制作不同快轴分布的液晶聚合物薄膜来实现其相位结构，并通过控制液晶聚合物薄膜的厚度精确控制o光和e光的相位延迟为π来实现其功能，由于不同波长对应的延迟量不同，所以该产品为为单波长器件。

激光模式转换器光斑实测图

激光模式转换器是利用液晶材料o光和e光的折射率差来实现激光的模式转换，使用时需线偏光入射，且偏振方向与液晶分子快轴方向平行或垂直，才能得到较纯的高阶模式。若使用其他偏振态的光入射，部分激光模式发生转换，导致出射光的模式强度分布不均匀。

四、参数说明

1. 相邻区域间隙

由于液晶材料自身性质，液晶分子快轴不同的两个相邻区域之间会存在一定的渐变区域从而形成缝隙。激光模式转换器相邻区域间隙指的是相邻两分区之间的间隙宽度，一般要求小于10 μm。

激光模式转换器相邻区域间隙示意图

2. 透射光偏转

• 透射光偏转这一参数主要用来表征产品的平行度，透射光偏转角度越接近0 °，则平行度越好；

• 对于未安装机械外壳的光学元件来说，影响平行度的主要因素为保护玻璃的贴合，透射光偏转角度一般控制在1 arcmin以内；

• 对于已安装机械外壳的光学产品来说，影响平行度的主要因素为保护玻璃的贴合和机械外壳与光学元件之间的平行度，透射光偏转角度一般控制在10 arcmin以内。

激光模式转换器典型应用案例

1. 精密测量

激光的高阶模式包含更多的信息量和自由度，利用高阶厄米高斯模式可以提高激光横向位置的测量精度。利用高阶模式这一特性，激光模式转换器可应用到激光倾角的测量，进一步提高激光倾角的测量精度，激光倾角的测量在引力波探测、生物粒子的追踪、卫星之间的定位等方面都有重要的应用。

2. 光阱

高阶的厄米高斯模式可生成方形涡旋阵列光束，可用于二维形式的多阱光镊和原子陷阱的研究，因此模式转换器在多阱光镊应用上表现出巨大潜力。

(a)两个厄米-高斯模叠加产生涡旋阵列光束；(b)用于产生涡旋阵列激光束的多夫棱镜嵌入非平衡马-曾德尔干涉仪示意图