RU2680728C1 - Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation - Google Patents

Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2680728C1
RU2680728C1 RU2018103463A RU2018103463A RU2680728C1 RU 2680728 C1 RU2680728 C1 RU 2680728C1 RU 2018103463 A RU2018103463 A RU 2018103463A RU 2018103463 A RU2018103463 A RU 2018103463A RU 2680728 C1 RU2680728 C1 RU 2680728C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transparent
contact electrodes
resistance
coating
substrates
Prior art date
Application number
RU2018103463A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Анатольевич Самагин
Светлана Павловна Котова
Александра Михайловна Майорова
Дарья Владимировна Прокопова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФИАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФИАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФИАН)
Priority to RU2018103463A priority Critical patent/RU2680728C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2680728C1 publication Critical patent/RU2680728C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: this device is related to optical technology and is intended for the formation of two-lobed vortex light fields. A transparent high-resistance coating is applied to each of the first and second transparent substrates; opaque low-resistance coatings connected to the transparent high-resistance coating are applied to the opposite edges of each of the transparent substrates, thereby forming two contact electrodes on each of the transparent substrates so that the edges of these electrodes facing each other on any of the transparent substrates are parallel; the transparent high-resistance coating and contact electrodes are divided in the second transparent substrate in the middle of the edges of these contact electrodes perpendicularly facing each other, thereby forming a non-conductive transparent strip and four contact electrodes; an orienting coating is applied to a high-resistance transparent coating and contact electrodes on each of the transparent substrates; have transparent substrates at the predetermined distance from one another with the sides facing each other with orienting coatings so that the non-conductive transparent strip on the second transparent substrate was parallel to the edges of the contact electrodes on the first transparent substrate; the layer of nematic liquid crystal between transparent substrates is placed; variable potentials are supplied to the contact electrodes on both transparent substrates to form a voltage distribution with equipotential lines in the form of concentric circles at the given shift of the centers of these circles between high-resistance coatings on different transparent substrates and to form a jump in the phase delay profile of the nematic liquid crystal layer with respect to the non-conducting transparent strip, which ensures the formation of vortex two-bladed light fields with rotation of the intensity distribution during their propagation.EFFECT: expansion of the arsenal of technical means, ensuring high energy efficiency, the width of the working spectral range and the manufacturability of the device and its control system.6 cl, 9 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к способу формирования двухлепестковых вихревых световых полей (полей с ненулевым орбитальным моментом) и к устройству для осуществления этого способа.The present invention relates to a method for generating two-leaf vortex light fields (fields with non-zero orbital momentum) and to a device for implementing this method.

Уровень техникиState of the art

Из существующего уровня техники известны такие устройства формирования вихревых световых полей как стационарные дифракционные оптические элементы (ДОЭ), например, спиральные фазовые пластинки (M.W. Beijersbergen et al., "Helical-wave front laser beams produced with a spiral phase plate," Opt. Commun., v. 112, No. 6, pp. 321-327, 1994; S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, et al. "The phase rotor filter," J. Mod. Opt., v. 39, pp. 1147-1154, 1992), либо вихревые аксиконы (авторское свидетельство СССР 1730606, опубл. 30.04.1992; S.N. Khonina, V.V. Kotlyar et al. "Trocho-son", Opt. Commun., v. 91, No. 3-4, 1992). Из недостатков использования ДОЭ отметим дискретность задания фазы и невозможность управления величиной топологического заряда (углового момента) в реальном масштабе времени. Также следует отметить, что ДОЭ рассчитываются для заданной длины волны излучения.Vortex light field generation devices such as stationary diffractive optical elements (DOEs), for example, spiral phase plates (MW Beijersbergen et al., "Helical-wave front laser beams produced with a spiral phase plate," Opt. Commun, are known from the prior art. ., v. 112, No. 6, pp. 321-327, 1994; SN Khonina, VV Kotlyar, et al. "The phase rotor filter," J. Mod. Opt., v. 39, pp. 1147-1154 , 1992), or vortex axicons (USSR author's certificate 1730606, publ. 04/30/1992; SN Khonina, VV Kotlyar et al. "Trocho-son", Opt. Commun., V. 91, No. 3-4, 1992) . Among the disadvantages of using DOEs, we note the discreteness of the phase assignment and the inability to control the value of the topological charge (angular momentum) in real time. It should also be noted that DOEs are calculated for a given radiation wavelength.

Известны устройства для формирования вихревых полей, позволяющие обойти указанные недостатки. В частности, известно устройство, содержащее два ДОЭ, последовательно установленных параллельно друг другу (патент РФ №2458367, опубл. 10.08.2012), в котором описано оптическое устройство с парой дифракционных оптических элементов. При размещении на определенном расстоянии эти ДОЭ действуют как спиральная фазовая пластинка, оптические свойства которой, например, спиральный индекс или сдвиг фазы можно менять непрерывно за счет вращения одного ДОЭ по отношению к другому относительно общей центральной оси. Также известны динамически управляемые многопиксельные жидкокристаллические пространственные модуляторы света (ЖК ПМС) (K. Crabtree, J.A. Davis, and I. Moreno, "Optical processing with vortex-producing lenses," Appl. Opt., v. 43, No. 6, pp. 1360-1367, 2004). Многопиксельные ЖК ПМС применяются для формирования разнообразных световых полей, в том числе, вращающихся световых полей, имеющих в поперечном сечении форму интенсивности в виде двух лепестков и широко использующихся для решения различных прикладных задач оптики и фотоники (S.R.P. Pavani, R. Piestun "High-efficiency rotating point spread functions", OpticsExpress, v. 16, No. 5, pp. 3484-3489, 2008; M.

Figure 00000001
Z. Bouchal "Rotating vortex imaging implemented by a quantized spiral phase modulation", J. Europ.Opt. Soc. Rap. Public. 8, 13017, 2013; В.Г. Волостников, E.H. Воронцов и др. «Генерация вращающихся световых полей», Известия ВУЗов, сер. Физическая, т. 58, №11 (3), стр. 73-76, 2015). К недостаткам данного технического решения следует отнести низкую энергетическую эффективность многопиксельных ЖК ПМС, их довольно высокую стоимость, трудность реализации с их помощью компактных и технологически простых схем.Known devices for the formation of vortex fields, allowing to circumvent these disadvantages. In particular, it is known a device containing two DOEs installed in series parallel to each other (RF patent No. 2458367, publ. 08/10/2012), which describes an optical device with a pair of diffractive optical elements. When placed at a certain distance, these DOEs act as a spiral phase plate, the optical properties of which, for example, a spiral index or phase shift can be changed continuously due to the rotation of one DOE relative to another relative to the common central axis. Also known are dynamically controlled multi-pixel liquid crystal spatial light modulators (LC PMS) (K. Crabtree, JA Davis, and I. Moreno, "Optical processing with vortex-producing lenses," Appl. Opt., V. 43, No. 6, pp. 1360-1367, 2004). Multi-pixel LCD PMS are used to form a variety of light fields, including rotating light fields, having a cross section in the form of intensity in the form of two petals and widely used to solve various applied problems of optics and photonics (SRP Pavani, R. Piestun "High-efficiency rotating point spread functions ", OpticsExpress, v. 16, No. 5, pp. 3484-3489, 2008; M.
Figure 00000001
Z. Bouchal "Rotating vortex imaging implemented by a quantized spiral phase modulation", J. Europ.Opt. Soc. Rap. Public 8, 13017, 2013; V.G. Volostnikov, EH Vorontsov et al. “Generation of rotating light fields”, Izvestiya VUZov, ser. Physical, t. 58, No. 11 (3), pp. 73-76, 2015). The disadvantages of this technical solution include the low energy efficiency of multi-pixel LCD PMS, their rather high cost, the difficulty of implementing compact and technologically simple schemes with their help.

С точки зрения практического использования в биомедицине, астрономии, промышленности актуальной остается задача формирования сложных световых полей с помощью недорогих и технологически простых управляемых устройств. В качестве таких устройств могут использоваться жидкокристаллические устройства, в которых непрерывный профиль фазовой задержки слоя нематического ЖК формируется за счет того, что в конструкцию устройств на низкоомное покрытие с отверстием, играющим роль апертуры, наносится дополнительный однородный высокоомный прозрачный слой - управляющий электрод. Из существующего уровня техники известны управляемые ЖК линзы (Е.Г. Абрамочкин, Ф.Ф. Васильев и др. "Управляемая жидкокристаллическая линза", препринт ФИАН, 194, Москва, 1988, 18 с.; Г.В. Вдовин, И.Р. Гуральник, С.П. Котова и др. "Жидкокристаллические линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием. I. Теория, II. Численная оптимизация и эксперимент" // Квантовая электроника, 26, №3, 1999, с. 256-264). Также известны ЖК корректоры волнового фронта (С.П. Котова, М.Ю. Локтев, А.Ф. Наумов и др. "Управление фазовым пропусканием жидкокристаллической линзы". Вестник СамГУ, 2(4), стр. 167-173, 1997; патент РФ №2214617, опубл. 20.10.2003).From the point of view of practical use in biomedicine, astronomy, industry, the task of forming complex light fields with the help of inexpensive and technologically simple controlled devices remains relevant. Liquid crystal devices can be used as such devices, in which a continuous phase delay profile of a nematic LC layer is formed due to the fact that an additional uniform high-resistance transparent layer, a control electrode, is applied to the low-resistance coating with an aperture playing the role of an aperture. Controlled LCD lenses are known from the current level of technology (EG Abramochkin, F.F. Vasiliev and others. “Controlled Liquid Crystal Lens”, preprint FIAN, 194, Moscow, 1988, 18 pp .; GV Vdovin, I. R. Guralnik, SP Kotova, et al., “Liquid Crystal Lenses with Adjustable Focal Length. I. Theory, II. Numerical Optimization and Experiment” // Quantum Electronics, 26, No. 3, 1999, pp. 256-264). Also known are LC wavefront correctors (S.P. Kotova, M.Yu. Loktev, A.F. Naumov et al. "Control of the phase transmission of a liquid crystal lens." Vestnik SamGU, 2 (4), pp. 167-173, 1997 ; RF patent No. 2214617, publ. 10/20/2003).

Среди ЖК устройств рассматриваемого типа, используемых для формирования вихревых световых полей, известны ЖК спиральные фазовые пластинки, в конструкцию которых входят слой нематического ЖК, расположенный между двумя подложками с нанесенными высокорезистивными электродами и низкоомными покрытиями (ИТО). В документе (J. Albero et al., "Liquid crystal devices for the reconfigurable generation of optical vortices," J. Lightw. Technol, vol. 30, No. 18, pp. 3055-3060, Sep. 15, 2012) предложена конфигурация ЖК СФП, в которой на подложку методом литографии наносится ИТО таким образом, что геометрия электродов представляет собой круг, разделенный на 12 секторов. Спиральная фазовая пластинка формируется за счет прикладывания к каждому электроду определенным образом выбранных напряжений. В документе (J.F. Algorri, V. Urruchi et al. "Generation of Optical Vortices by an Ideal Liquid Crystal Spiral Phase Plate" Electron Device Letters, IEEE, 2014, Vol.: 35 Issue: 8, pp. 856-858) описана конфигурация, при которой на каждую из подложек наносится непрозрачные низкоомные проводящие покрытия и высокорезистивное прозрачные слои специальной формы. Благодаря геометрии низкоомных покрытий при приложении к ним напряжения в области, где расположены прозрачные покрытия, возникает распределение напряжения, приложенное к слою ЖК, в виде спирали. Таким образом, создается профиль фазовой задержки слоя ЖК, эквивалентный спиральной пластинке. Недостатками этих технических решений является невозможность с их помощью сформировать двухлепестковые вихревые световые поля с вращением распределения интенсивности при распространении, которые представляют интерес для задач манипуляции микрообъектами, определения глубины залегания наноразмерных светящихся частиц, определения формы поверхности объектов.Among the LC devices of this type used to form vortex light fields, there are known spiral LCD phase plates, the structure of which includes a nematic LC layer located between two substrates coated with high-resistance electrodes and low-resistance coatings (ITO). A document (J. Albero et al., "Liquid crystal devices for the reconfigurable generation of optical vortices," J. Lightw. Technol, vol. 30, No. 18, pp. 3055-3060, Sep. 15, 2012) proposed the configuration of the LC TFP, in which ITO is applied by lithography to the substrate in such a way that the electrode geometry is a circle divided into 12 sectors. A spiral phase plate is formed by applying selected voltages to each electrode in a certain way. The document (JF Algorri, V. Urruchi et al. "Generation of Optical Vortices by an Ideal Liquid Crystal Spiral Phase Plate" Electron Device Letters, IEEE, 2014, Vol .: 35 Issue: 8, pp. 856-858) describes the configuration in which opaque low-resistance conductive coatings and highly resistive transparent layers of a special form are applied to each of the substrates. Due to the geometry of low-resistance coatings, when voltage is applied to them in the region where the transparent coatings are located, a voltage distribution appears in the form of a spiral applied to the LC layer. Thus, a phase delay profile of the LC layer is created, equivalent to a spiral plate. The disadvantages of these technical solutions are the impossibility of using them to form two-leaf vortex light fields with rotation of the intensity distribution during propagation, which are of interest for the tasks of manipulating microobjects, determining the depth of nanoscale luminous particles, and determining the surface shape of objects.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является ЖК фокусатор (4-х канальный ЖК модулятор) (Котова С.П., Патлань В.В., Самагин С.А. Перестраиваемый жидкокристаллический фокусатор. 1. Теория; 2. Эксперимент // Квантовая электроника, 2011, т. 41. №1, с. 58-70), который представляет собой устройство, реализованное на основе скрещенных подложек цилиндрических модальных ЖК линз, объединенных в одну конструкцию. На стеклянные подложки наносятся прозрачные высокоомные покрытия (поверхностное сопротивление от 100 кОм/квадрат и до единиц МОм/квадрат) и низкоомные непрозрачные полосковые контакты. Подложки располагаются так, чтобы их контактные электроды были перпендикулярны друг другу. Между подложками заключается слой нематического ЖК, толщина которого задается прокладками, а первоначальная планарная ориентация - нанесенными на подложки ориентирующими покрытиями. Управляя амплитудами и фазами потенциалов, прикладываемых к контактам устройства, можно изменять распределение электрического напряжения по апертуре. Под действием напряжения в ЖК слое происходит переориентация молекул (S-эффект). Это приводит к изменению пространственного распределения фазовой задержки, вносимой ЖК слоем в проходящую световую волну. Устройство позволяет реализовать фокусировку излучения в точку и отрезок, а также формировать световые поля с распределением интенсивности в заданной плоскости в виде окружностей, эллипсов и С-образные световые поля. За счет изменения прикладываемых напряжений можно изменять положение сформированного поля, его размеры, а также форму (например, от кольца к эллипсу и наоборот). Этот ЖК фокусатор характеризуется возможностью работать при достаточно высоких плотностях мощности излучения, падающего на фокусатор (эксперименты проводились при плотностях мощности излучения до 30 Вт/см2), простотой и компактностью устройства и системы управления и, как следствие, более низкой стоимостью системы по сравнению с коммерческими многопиксельными ПМС. Недостатком рассматриваемого устройства является невозможность создания с его помощью вихревых световых полей.The closest analogue of the present invention is an LCD focuser (4-channel LCD modulator) (Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. Tunable liquid crystal focuser. 1. Theory; 2. Experiment // Quantum Electronics, 2011, v. 41. No. 1, pp. 58-70), which is a device implemented on the basis of crossed substrates of cylindrical modal LCD lenses combined in one design. Transparent high-resistance coatings (surface resistance from 100 kOhm / square and up to units of MOhm / square) and low-resistance opaque strip contacts are applied to glass substrates. The substrates are arranged so that their contact electrodes are perpendicular to each other. Between the substrates there is a layer of a nematic LC, the thickness of which is determined by the gaskets, and the initial planar orientation by orienting coatings deposited on the substrates. By controlling the amplitudes and phases of the potentials applied to the contacts of the device, it is possible to change the distribution of electrical voltage over the aperture. Under the action of voltage in the LC layer, reorientation of molecules occurs (S-effect). This leads to a change in the spatial distribution of the phase delay introduced by the LC layer into the transmitted light wave. The device allows to realize radiation focusing to a point and a segment, as well as to generate light fields with an intensity distribution in a given plane in the form of circles, ellipses and C-shaped light fields. By changing the applied stresses, you can change the position of the formed field, its size, as well as the shape (for example, from a ring to an ellipse and vice versa). This LCD focuser is characterized by the ability to operate at sufficiently high power densities of the radiation incident on the focuser (experiments were conducted at radiation power densities of up to 30 W / cm 2 ), the simplicity and compactness of the device and control system, and, as a consequence, the lower cost of the system compared to commercial multi-pixel ICP. The disadvantage of this device is the inability to create with it vortex light fields.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Настоящее изобретение решает задачу формирования двухлепестковых вихревых световых полей с вращением распределения интенсивности при распространении. При этом, помимо расширения арсенала технических средств, обеспечивается высокая энергетическая эффективность, широкий рабочий спектральный диапазон и технологичность изготовления простого и компактного устройства и системы его управления.The present invention solves the problem of the formation of two-leaf vortex light fields with rotation of the distribution of intensity during propagation. At the same time, in addition to expanding the arsenal of technical means, high energy efficiency, a wide operating spectral range and the manufacturability of manufacturing a simple and compact device and its control system are ensured.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ формирования двухлепестковых вихревых световых полей, заключающийся в том, что: наносят на каждую из первой и второй прозрачных подложек прозрачное высокоомное покрытие; наносят на противоположные края каждой из прозрачных подложек непрозрачные низкоомные покрытия, соединенные с прозрачным высокоомным покрытием, формируя тем самым на каждой из прозрачных подложек два контактных электрода так, что обращенные друг к другу кромки этих электродов на любой из прозрачных подложек параллельны; разделяют на второй прозрачной подложке прозрачное высокоомное покрытие и контактные электроды посередине перпендикулярно обращенным друг к другу кромкам этих контактных электродов, формируя тем самым непроводящую прозрачную полосу и четыре контактных электрода; наносят ориентирующее покрытие на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды на каждой из прозрачных подложек; располагают прозрачные подложки на заданном расстоянии одна от другой с обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями так, чтобы непроводящая прозрачная полоса на второй прозрачной подложке была параллельна кромкам контактных электродов на первой прозрачной подложке; размещают между прозрачными подложками слой нематического жидкого кристалла; подают на контактные электроды на обеих прозрачных подложках переменные потенциалы для формирования между высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределения напряжения с эквипотенциальными линиями в виде концентрических окружностей с заданным сдвигом центров этих окружностей и для формирования скачка в профиле фазовой задержки слоя нематического жидкого кристалла относительно непроводящей прозрачной полосы, что и обеспечивает формирование вихревых двухлепестковых световых полей с вращением распределения интенсивности при их распространении.To solve this problem and achieve the indicated technical result, a first object of the present invention provides a method for forming two-leaf vortex light fields, which consists in the following: applying a high-resistance transparent coating to each of the first and second transparent substrates; applying opaque low-resistance coatings to the opposite edges of each of the transparent substrates, connected to a transparent high-resistance coating, thereby forming two contact electrodes on each of the transparent substrates so that the edges of these electrodes facing each other on any of the transparent substrates are parallel; separate on the second transparent substrate a transparent high-resistance coating and contact electrodes in the middle of the edges of these contact electrodes perpendicular to each other, thereby forming a non-conductive transparent strip and four contact electrodes; applying an orientation coating to a high-resistance transparent coating and contact electrodes on each of the transparent substrates; arrange the transparent substrates at a predetermined distance from one another with the sides facing each other with orienting coatings so that the non-conductive transparent strip on the second transparent substrate is parallel to the edges of the contact electrodes on the first transparent substrate; place between the transparent substrates a layer of nematic liquid crystal; alternating potentials are applied to the contact electrodes on both transparent substrates for the formation of voltage distributions with equipotential lines in the form of concentric circles with a given shift of the centers of these circles between high-resistance coatings on different transparent substrates and for the formation of a jump in the phase delay profile of the nematic liquid crystal layer relative to the non-conductive transparent strip , which ensures the formation of vortex two-petalled light fields with rotation of the distribution of inte nsivnosti in their distribution.

Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что на контактные электроды первой прозрачной подложки могут подавать потенциалы равной амплитуды с разностью фаз π, а на контактные электроды второй прозрачной подложки, расположенные с противоположных сторон от высокоомного прозрачного покрытия, могут подавать потенциалы с разностью фаз π и амплитудами больше и меньше на одну и ту же величину, нежели амплитуда для первой прозрачной подложки, при этом на соседних контактных электродах, разделенных непроводящей прозрачной полосой, амплитуды потенциалов различны, а фазы потенциалов на разных подложках отличаются на π/2.A feature of the method according to the first object of the present invention is that potentials of equal amplitude with a phase difference π can be applied to the contact electrodes of the first transparent substrate, and potentials with the difference can be applied to the contact electrodes of the second transparent substrate located on opposite sides of the high-resistance transparent coating π phases and amplitudes are larger and smaller by one and the same quantity than the amplitude for the first transparent substrate, while on adjacent contact electrodes separated by non-conducting s transparent stripe potentials different amplitude and phase potentials on different substrates differ by π / 2.

Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что перед нанесением ориентирующего покрытия на одну из прозрачных подложек на ее высокоомном прозрачном покрытии и контактных электродах могут размещать диэлектрическое зеркало.Another feature of the method according to the first object of the present invention is that before applying the orienting coating to one of the transparent substrates, a dielectric mirror can be placed on its high-resistance transparent coating and contact electrodes.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство для формирования двухлепестковых вихревых световых полей, содержащее: первую прозрачную подложку с нанесенными на нее прозрачным высокоомным покрытием и низкоомными непрозрачными покрытиями, соединенными с высокоомным прозрачным покрытием на противоположных краях первой прозрачной подложки, с формированием двух контактных электродов так, что обращенные друг к другу кромки этих электродов параллельны, при этом на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие; вторую прозрачную подложку с таким же прозрачным высокоомным покрытием и такими же контактными электродами, причем прозрачное высокоомное покрытие и контактные электроды разделены посередине перпендикулярно обращенным друг к другу кромкам этих контактных электродов с образованием непроводящей прозрачной полосы и четырех контактных электродов, при этом на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие; слой нематического жидкого кристалла заданной толщины, размещенный между первой и второй прозрачными подложками, расположенными обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями так, что непроводящая прозрачная полоса на второй прозрачной подложке параллельна кромкам контактных электродов на первой прозрачной подложке; при этом контактные электроды на обеих прозрачных подложках предназначены для подачи на них переменных потенциалов для обеспечения возможности формировать между высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределение напряжения с эквипотенциальными линиями в виде концентрических окружностей с заданным сдвигом центров этих окружностей и формировать скачок в профиле фазовой задержки слоя нематического жидкого кристалла относительно непрозрачной полосы, чтобы обеспечить формирование вихревых двухлепестковых световых полей с вращением распределения интенсивности при их распространении.To solve the same problem and achieve the same technical result, in a second aspect of the present invention, there is provided a device for generating two-leaf vortex light fields, comprising: a first transparent substrate coated with a transparent high resistance coating and low resistance opaque coatings connected to a high resistance transparent coating at opposite edges the first transparent substrate, with the formation of two contact electrodes so that the edges of these electrodes facing each other are parallel s, while high-resistivity transparent coating on the contact electrodes and orienting applied coating; a second transparent substrate with the same transparent high-resistance coating and the same contact electrodes, the transparent high-resistance coating and contact electrodes being separated in the middle of the edges of these contact electrodes perpendicular to each other with the formation of a non-conductive transparent strip and four contact electrodes, while on the high-resistance transparent coating and contact electrodes applied orienting coating; a nematic liquid crystal layer of a given thickness, placed between the first and second transparent substrates, the sides facing each other with orienting coatings so that the non-conductive transparent strip on the second transparent substrate is parallel to the edges of the contact electrodes on the first transparent substrate; the contact electrodes on both transparent substrates are designed to supply variable potentials to them to enable the formation of voltage distributions with equipotential lines in the form of concentric circles with a given shift of the centers of these circles between high-resistance coatings on different transparent substrates and to form a jump in the phase delay profile of the nematic layer liquid crystal relatively opaque strip to ensure the formation of vortex biloba light fields with the intensity distribution of the rotation as they propagate.

Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что контактные электроды первой прозрачной подложки могут быть предназначены для подачи на них потенциалов равной амплитуды с разностью фаз π, а контактные электроды второй прозрачной подложки, расположенные с противоположных сторон от высокоомного прозрачного покрытия, могут быть предназначены для подачи на них потенциалов с разностью фаз π и амплитудами больше и меньше на одну и ту же величину, нежели амплитуда для первой прозрачной подложки, при этом на соседних контактных электродах, разделенных непроводящей прозрачной полосой, амплитуды потенциалов различны, а фазы потенциалов на разных подложках отличаются на π/2.A feature of the device according to the second aspect of the present invention is that the contact electrodes of the first transparent substrate can be designed to supply potentials of equal amplitude with a phase difference π, and the contact electrodes of the second transparent substrate located on opposite sides of the high-resistance transparent coating can be are intended for supplying potentials with phase difference π and amplitudes greater and less by the same amount than the amplitude for the first transparent substrate, while the neighboring contact electrodes separated by a non-conducting transparent strip, the amplitudes of the potentials are different, and the phases of the potentials on different substrates differ by π / 2.

Еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что на высокоомном прозрачном покрытии и контактных электродах одной из прозрачных подложек может быть размещено диэлектрическое зеркало.Another feature of the device according to the second aspect of the present invention is that a dielectric mirror can be placed on the high-resistance transparent coating and contact electrodes of one of the transparent substrates.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На Фиг. 1 представлена условная структурная схема устройства по одному варианту осуществления настоящего изобретения.In FIG. 1 is a schematic structural diagram of a device according to one embodiment of the present invention.

На Фиг. 2 и 3 схематически показано размещение электродов на разных прозрачных подложках устройства по Фиг. 1.In FIG. 2 and 3 schematically show the placement of electrodes on different transparent substrates of the device of FIG. one.

На Фиг. 4 показано распределение напряжения по апертуре устройства по Фиг. 1.In FIG. 4 shows the voltage distribution over the aperture of the device of FIG. one.

На Фиг. 5 приведено распределение фазовой задержки по апертуре устройства по Фиг. 1.In FIG. 5 shows the phase delay distribution over the aperture of the device of FIG. one.

На Фиг. 6 представлена поляризационная интерферограмма, иллюстрирующая распределение фазовой задержки по Фиг. 5.In FIG. 6 is a polarization interferogram illustrating the phase delay distribution of FIG. 5.

На Фиг. 7 показаны примеры распределения интенсивности светового поля, формируемого на разных расстояниях от устройства по Фиг. 1.In FIG. 7 shows examples of the distribution of the intensity of the light field generated at different distances from the device of FIG. one.

На Фиг. 8 показаны примеры распределения интенсивности светового поля, формируемого устройством по Фиг. 1 при различной кривизне падающего волнового фронта.In FIG. 8 shows examples of the intensity distribution of the light field generated by the device of FIG. 1 for various curvatures of the incident wave front.

На Фиг. 9 представлена условная структурная схема устройства по другому варианту осуществления настоящего изобретения.In FIG. 9 is a schematic structural diagram of a device according to another embodiment of the present invention.

Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments

Способ по первому объекту настоящего изобретения может быть реализован с помощью устройства по второму объекту настоящего изобретения. При этом устройство для формирования двухлепестковых вихревых световых полей (далее по тексту именуемое «сдвоенный ЖК фокусатор») может иметь разные варианты осуществления.The method according to the first object of the present invention can be implemented using the device according to the second object of the present invention. Moreover, a device for forming two-leaf vortex light fields (hereinafter referred to as “dual LCD focuser”) may have different implementation options.

На Фиг. 1 представлена условная структурная схема устройства по одному варианту осуществления настоящего изобретения. Такое устройство содержит первую и вторую прозрачные подложки, условно показанные на Фиг. 1 в виде бледных параллелепипедов, имеющих ссылочные позиции 1 и 2, соответственно. На Фиг. 1 первая прозрачная подложка 1 изображена сверху (что не имеет принципиального значения) и в дальнейшем будет иногда именоваться «верхняя прозрачная подложка», вторая прозрачная подложка 2, изображенная внизу, будет иногда именоваться «нижняя прозрачная подложка». Как правило, первая и вторая прозрачные подложки 1, 2 изготавливаются стеклянными, но могут выполняться и из прозрачного пластика, как это известно специалистам.In FIG. 1 is a schematic structural diagram of a device according to one embodiment of the present invention. Such a device comprises first and second transparent substrates, conventionally shown in FIG. 1 in the form of pale parallelepipeds having reference numbers 1 and 2, respectively. In FIG. 1, the first transparent substrate 1 is shown above (which does not matter) and will sometimes be referred to as the “upper transparent substrate”, the second transparent substrate 2, shown below, will sometimes be referred to as the “lower transparent substrate”. As a rule, the first and second transparent substrates 1, 2 are made of glass, but can also be made of transparent plastic, as is known to specialists.

Как показано на Фиг. 2, на первую прозрачную подложку 1 нанесено прозрачное высокоомное покрытие 3 (с поверхностным сопротивлением порядка 100 кОм/квадрат или более), которое может быть выполнено, например, из оксидов индия и олова, как это известно специалистам. На противоположных краях первой прозрачной подложки 1 нанесены низкоомные непрозрачные покрытия, которые могут быть выполнены, например, из меди или алюминия, как это известно специалистам. Эти низкоомные непрозрачные покрытия соединены с высокоомным прозрачным покрытием 3 и образуют два контактных электрода 4 и 5 так, что обращенные друг к другу кромки этих электродов параллельны.As shown in FIG. 2, a transparent high-resistance coating 3 (with a surface resistance of the order of 100 kOhm / square or more) is applied to the first transparent substrate 1, which can be made, for example, of indium and tin oxides, as is known to those skilled in the art. On the opposite edges of the first transparent substrate 1, low resistance opaque coatings are applied, which can be made, for example, of copper or aluminum, as is known to those skilled in the art. These low-resistance opaque coatings are connected to a high-resistance transparent coating 3 and form two contact electrodes 4 and 5 so that the edges of these electrodes facing each other are parallel.

На Фиг. 3 показана вторая прозрачная подложка 2, выполненная аналогично первой прозрачной подложке 1, т.е. на нее нанесено такое же прозрачное высокоомное покрытие 6, а на противоположных краях второй прозрачной подложки 2 нанесены низкоомные непрозрачные покрытия, образующие два контактных электрода, аналогичных контактным электродам 4, 5 на первой прозрачной подложке 1. Но, в отличие от первой подложки 1, прозрачное высокоомное покрытие 6 и получившиеся контактные электроды разделены посередине перпендикулярно обращенным друг к другу кромкам этих двух контактных электродов с образованием непроводящей прозрачной полосы 7 и четырех контактных электродов 8-11.In FIG. 3 shows a second transparent substrate 2, made similarly to the first transparent substrate 1, i.e. it is coated with the same transparent high-resistance coating 6, and on the opposite edges of the second transparent substrate 2 low-resistance opaque coatings are formed, forming two contact electrodes similar to contact electrodes 4, 5 on the first transparent substrate 1. But, unlike the first substrate 1, the transparent the high-resistance coating 6 and the resulting contact electrodes are divided in the middle of the edges of these two contact electrodes perpendicularly facing each other with the formation of a non-conductive transparent strip 7 and four contact electrodes 8-11.

На Фиг. 1 ссылочными позициями 12 и 13 помечены ориентирующие покрытия, нанесенные на высокоомные прозрачные покрытия 3 и 6 и контактные электроды 4, 5 и 8-11 обеих прозрачных подложек 1 и 2.In FIG. 1, reference numerals 12 and 13 mark orientation coatings deposited on high-resistance transparent coatings 3 and 6 and contact electrodes 4, 5 and 8-11 of both transparent substrates 1 and 2.

Как видно из Фиг. 1, прозрачные подложки 1 и 2, выполненные согласно Фиг. 2 и 3, собираются в пакет обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями 12 и 13. При этом непроводящая прозрачная полоса 7 на второй прозрачной подложке 2 параллельна обращенным друг к другу кромкам контактных электродов 4 и 5 на первой прозрачной подложке 1. Иными словами, непрозрачные контактные электроды 4, 5 и 8-11 на скрещенных прозрачных подложках 1 и 2 образуют квадратную апертуру.As can be seen from FIG. 1, transparent substrates 1 and 2 made according to FIG. 2 and 3 are assembled in a bag facing each other with orienting coatings 12 and 13. In this case, the non-conductive transparent strip 7 on the second transparent substrate 2 is parallel to the edges of the contact electrodes 4 and 5 facing each other on the first transparent substrate 1. In other words, the opaque contact electrodes 4, 5 and 8-11 on the crossed transparent substrates 1 and 2 form a square aperture.

Обе прозрачные подложки 1 и 2 в упомянутом пакете расположены на заданном расстоянии одна от другой благодаря, например, прокладкам 14, 15 такой толщины, которая соответствует толщине слоя 16 жидкого кристалла, заливаемого в пространство между первой и второй прозрачными подложками 1, 2. В качестве жидкого кристалла используют нематический жидкий кристалл, как это известно из вышеуказанного ближайшего аналога или из патента РФ №2582208 (опубл. 20.04.2016). Первоначальная планарная ориентация используемого нематического жидкого кристалла задается как раз нанесенными ориентирующими покрытиями 12, 13.Both transparent substrates 1 and 2 in said package are arranged at a predetermined distance from one another due to, for example, gaskets 14, 15 of such a thickness that corresponds to the thickness of the liquid crystal layer 16 poured into the space between the first and second transparent substrates 1, 2. As liquid crystal using a nematic liquid crystal, as is known from the above closest analogue or from the patent of the Russian Federation No. 2582208 (publ. 04/20/2016). The initial planar orientation of the nematic liquid crystal used is determined by just applied orienting coatings 12, 13.

В результате получается сдвоенный жидкокристаллический (ЖК) фокусатор. Для того, чтобы с его помощью реализовать способ по первому объекту настоящего изобретения, на контактные электроды 4, 5 и 8-11 на обеих прозрачных подложках 1, 2 необходимо подать переменные потенциалы для формирования между высокоомными покрытиями 3 и 6 на разных прозрачных подложках 1, 2 распределения напряжения с эквипотенциальными линиями в виде концентрических окружностей с заданным сдвигом центров этих окружностей и для формирования скачка в профиле фазовой задержки слоя 16 нематического жидкого кристалла относительно непроводящей прозрачной полосы 7, что и обеспечивает формирование вихревых двухлепестковых световых полей с вращением распределения интенсивности при их распространении.The result is a dual liquid crystal (LCD) focuser. In order to use it to implement the method according to the first object of the present invention, it is necessary to apply alternating potentials to the contact electrodes 4, 5 and 8-11 on both transparent substrates 1, 2 to form between high-resistance coatings 3 and 6 on different transparent substrates 1, 2 voltage distributions with equipotential lines in the form of concentric circles with a given shift of the centers of these circles and for the formation of a jump in the phase delay profile of the nematic liquid crystal layer 16 relative to the non-conductive transparently strip 7, which ensures the formation of eddy two-petalled light fields with the rotation of the intensity distribution in their propagation.

В частности, на контактные электроды 4, 5 первой прозрачной подложки 1 подают потенциалы равной амплитуды с разностью фаз π, а на контактные электроды 8, 9 и 10, 11 второй прозрачной подложки 2, расположенные с противоположных сторон от высокоомного прозрачного покрытия 6, подают потенциалы с разностью фаз π и амплитудами больше и меньше на одну и ту же величину, нежели амплитуда для первой прозрачной подложки 1, при этом на соседних контактных электродах 8, 9 и 10, 11, разделенных непроводящей прозрачной полосой 7, амплитуды потенциалов различны, а фазы потенциалов на первой и второй прозрачных подложках 1, 2 отличаются на π/2.In particular, potential electrodes 4, 5 of the first transparent substrate 1 are supplied with potentials of equal amplitude with a phase difference π, and potentials are supplied to the contact electrodes 8, 9 and 10, 11 of the second transparent substrate 2, located on opposite sides of the high-resistance transparent coating 6 with a phase difference π and amplitudes larger and smaller by one and the same quantity than the amplitude for the first transparent substrate 1, while on the adjacent contact electrodes 8, 9 and 10, 11 separated by a non-conducting transparent strip 7, the potential amplitudes are different, and the phases The potentials on the first and second transparent substrates 1, 2 differ by π / 2.

Сдвоенный ЖК фокусатор реализует способ по первому объекту настоящего изобретения следующим образом.A dual LCD focuser implements the method according to the first aspect of the present invention as follows.

На контакты 4, 5 и 8-11 подаются потенциалы, характерные для формирования распределения напряжения с эквипотенциальными линиями в виде концентрических окружностей (режим стационарных фаз) с небольшим сдвигом центров этих окружностей. Для частного случая квадратной апертуры эквипотенциальные линии в виде концентрических окружностей с центром в точке с координатами (0, 0), т.е. в середине апертуры, формируются при равенстве амплитуд всех потенциалов, разностью фаз на каждой из подложек 1, 2, равной π, а фазы потенциалов на разных подложках 1 и 2 должны отличаться на π/2. Это так называемый режим управления со стационарным сдвигом фаз потенциалов. Из-за порогового характера вольт-фазной характеристики нематического жидкого кристалла профиль фазовой задержки будет иметь вид усеченного конуса. Для формирования вихревых двухлепестковых световых полей с помощью сдвоенного ЖК фокусатора на контакты 4 и 5 верхней прозрачной подложки 1 необходимо подать потенциалы равной амплитуды с разностью фаз π, а на контакты 8, 9 и 10, 11 нижней прозрачной подложки 2, расположенные по разные стороны от непроводящей прозрачной полосы 7, нужно подать потенциалы с амплитудами больше и меньше на одну и ту же величину по сравнению с значениями амплитуд верхней прозрачной подложки 1, при этом на соседних контактах 8, 9 и 10, 11, разделенных этой непроводящей прозрачной полосой 7, потенциалы должны отличаться. Пример возможных значений амплитуд и фаз потенциалов, подаваемых на контакты 4, 5 и 8-11, приведен ниже.The potentials characteristic of the formation of a voltage distribution with equipotential lines in the form of concentric circles (stationary phase mode) with a slight shift of the centers of these circles are applied to contacts 4, 5, and 8-11. For a special case of a square aperture, equipotential lines in the form of concentric circles centered at a point with coordinates (0, 0), i.e. in the middle of the aperture, they are formed when the amplitudes of all potentials are equal, the phase difference on each of substrates 1, 2 is π, and the phases of the potentials on different substrates 1 and 2 should differ by π / 2. This is the so-called control mode with a stationary phase shift of potentials. Due to the threshold nature of the volt-phase characteristic of a nematic liquid crystal, the phase delay profile will look like a truncated cone. To form vortex double-petal light fields using a dual LCD focuser, it is necessary to apply potentials of equal amplitude with phase difference π to the contacts 4 and 5 of the upper transparent substrate 1, and to the contacts 8, 9 and 10, 11 of the lower transparent substrate 2, located on opposite sides of non-conductive transparent strip 7, it is necessary to apply potentials with amplitudes greater and less by the same value compared to the amplitudes of the upper transparent substrate 1, while at adjacent contacts 8, 9 and 10, 11 separated by this non-conducting rachnoy strip 7, must be different potentials. An example of the possible values of the amplitudes and phases of the potentials supplied to the contacts 4, 5 and 8-11 is given below.

Figure 00000002
Figure 00000002

Заданные значения приводят к смещению центров формируемых распределений в противоположные стороны.The setpoints lead to a shift in the centers of the formed distributions in opposite directions.

Работа устройства по второму объекту настоящего изобретения иллюстрируется результатами численного моделирования. При моделировании апертура полагалась квадратной с длиной стороны 2 мм; толщина слоя 16 жидкого кристалла задавалась равной 20 мкм; для расчета фазовой задержки использовалась экспериментальная вольт-фазная характеристика ЖК BL037. Распределение напряжения по апертуре для значений потенциалов, указанных выше, представлено на Фиг. 4 (где U - действующее значение напряжения в области апертуры, приложенное к слою 16 жидкого кристалла; х и у - координаты в плоскости устройства). Соответствующие распределения фазовой задержки и поляризационная интерферограмма представлены на Фиг. 5 (где δФ - фазовая задержка; х и у - координаты в плоскости апертуры устройства) и Фиг. 6 (х и у - координаты в плоскости апертуры устройства). Видно, что из-за напряжения ниже порогового для жидкого кристалла в центральной части получается профиль фазовой задержки в виде усеченного конуса.The operation of the device according to the second object of the present invention is illustrated by the results of numerical simulation. In the simulation, the aperture was assumed to be square with a side length of 2 mm; the thickness of the liquid crystal layer 16 was set equal to 20 μm; To calculate the phase delay, we used the experimental current-voltage characteristic of the BL037 LC. The aperture voltage distribution for the potential values indicated above is shown in FIG. 4 (where U is the effective value of the voltage in the aperture region applied to the liquid crystal layer 16; x and y are the coordinates in the plane of the device). The corresponding phase delay distributions and polarization interferograms are shown in FIG. 5 (where δF is the phase delay; x and y are the coordinates in the plane of the aperture of the device) and FIG. 6 (x and y are the coordinates in the plane of the aperture of the device). It is seen that due to a voltage below the threshold for a liquid crystal in the central part, a phase delay profile in the form of a truncated cone is obtained.

При прохождении (либо отражении) световой волны через такой фазовый транспарант (т.е. пакет из прозрачных подложек по Фиг. 1) формируется вращающееся двухлепестковое вихревое поле. Примеры рассчитанных световых полей для разных расстояний от фокусатора представлены на Фиг. 7 (над распределениями интенсивности обозначены расстояния от сдвоенного ЖК фокусатора до плоскости наблюдения). Расчеты проводились в предположении, что на транспарант падает плоская однородная световая волна. На представленных изображениях видно, что в распределении интенсивности присутствуют два максимума, которые с изменением расстояния изменяют свое положение, поворачиваясь вокруг центра картины. Была промоделирована и другая ситуация, когда плоскость наблюдения неподвижна, а изменяется радиус кривизны падающей волны. Результаты представлены на Фиг. 8 (над распределениями интенсивности обозначены величины, обратные радиусу кривизны волнового фронта пучка, падающего на сдвоенный ЖК фокусатор). Изменение положения максимумов при изменении радиуса кривизны падающей волны указывают на возможность использования сдвоенного ЖК фокусатора (ЖК дуплета) для увеличения продольного разрешения флуоресцентных микроскопов, т.е. для оценки продольного смещения объектов друг относительно друга в предметной области по изменению положения максимумов интенсивности в плоскости изображения.When a light wave passes (or reflects) through such a phase transparency (i.e., a packet of transparent substrates in Fig. 1), a rotating two-petal vortex field is formed. Examples of calculated light fields for different distances from the focuser are shown in FIG. 7 (above the intensity distributions, the distances from the dual LC focuser to the observation plane are indicated). The calculations were carried out under the assumption that a plane uniform light wave is incident on the transparency. It can be seen in the presented images that two maxima are present in the intensity distribution, which change their position with a change in distance, turning around the center of the picture. Another situation was simulated when the observation plane is stationary and the radius of curvature of the incident wave changes. The results are presented in FIG. 8 (the reciprocal of the intensity distribution indicates the reciprocal of the radius of curvature of the wave front of the beam incident on the dual LC focuser). A change in the position of the maxima with a change in the radius of curvature of the incident wave indicates the possibility of using a dual LC focuser (LCD doublet) to increase the longitudinal resolution of fluorescence microscopes, i.e. to assess the longitudinal displacement of objects relative to each other in the subject area by changing the position of the intensity maxima in the image plane.

При различных наборах потенциалов, удовлетворяющих описанному выше правилу, будут формироваться различные по свойствам двухлепестковые поля. Они будут отличаться расстоянием от устройства, на котором формируется соответствующее световое поле и скоростью вращения распределения интенсивности при распространении.With different sets of potentials satisfying the rule described above, two-petal fields with different properties will be formed. They will differ in distance from the device on which the corresponding light field is formed and in the speed of rotation of the intensity distribution during propagation.

Для формирования двухлепестковых световых полей не обязательно использовать режим постоянной фазы, описанный выше. Может быть реализован другой режим работы, при котором на контакты 4, 5 первой прозрачной подложки 1 подаются произвольные не равные между собой потенциалы ϕ4, ϕ5, комплексные амплитуды которых удобнее задавать через их действительную (R4, R5) и мнимую (I4, I5) части: ϕ4=R4+iI4; ϕ5=R5+iI5 (здесь i - мнимая единица). Тогда значения комплексных амплитуд четырех потенциалов, которые нужно подать на контактные электроды 8-11 второй прозрачной подложки 2 с непроводящей прозрачной полосой 7 (ϕ8=R8+iI8, ϕ9=R9+iI9, ϕ10=R10+iI10, (ϕ11=R11+iI11), определяются в соответствии с формулами:It is not necessary to use the constant phase mode described above to form two-leaf light fields. Another mode of operation can be implemented in which arbitrary potentials ϕ 4 , ϕ 5 are applied to contacts 4, 5 of the first transparent substrate 1, the complex amplitudes of which are more convenient to set through their real (R 4, R 5 ) and imaginary (I 4, I 5 ) parts: ϕ 4 = R 4 + iI 4 ; ϕ 5 = R 5 + iI 5 (here i is the imaginary unit). Then the values of the complex amplitudes of the four potentials that must be applied to the contact electrodes 8–11 of the second transparent substrate 2 with a nonconducting transparent strip 7 (ϕ 8 = R 8 + iI 8 , ϕ 9 = R 9 + iI 9 , ϕ 10 = R 10 + iI 10 , (ϕ 11 = R 11 + iI 11 ), are determined in accordance with the formulas:

Figure 00000003
Figure 00000003

где R8, R10, I8, I10 - действительные и мнимые части комплексных амплитуд потенциалов, подаваемых на контакты левой половинки второй прозрачной подложки 2 с непроводящей прозрачной полосой 7, R9, R11, I9, I11 - действительные и мнимые части комплексных амплитуд потенциалов, подаваемых на контакты правой половинки той же подложки 2, x0left, y0left -координаты центра окружности эквипотенциальных линий распределения потенциала для левой половинки подложки 2, x0right, y0right - координаты центра окружности эквипотенциальных линий распределения потенциала для правой половинки подложки 2, γleft, γright - величина эллиптичности эквипотенциальных линий распределений потенциала для левой и правой половинок подложки 2 соответственно, а - половина расстояния между полосковыми контактами 4, 5 на первой прозрачной подложке 1, b - половина расстояния между контактами 8, 10 для левой и контактами 9, 11 для правой половинок второй прозрачной подложки 2.where R 8 , R 10 , I 8 , I 10 are the real and imaginary parts of the complex amplitudes of the potentials supplied to the contacts of the left half of the second transparent substrate 2 with a non-conductive transparent strip 7, R 9 , R 11 , I 9 , I 11 are real and imaginary parts of the complex amplitudes of the potentials applied to the contacts right halves of the same substrate 2, x 0left, y 0left coordinates of the circle center of the potential distribution of equipotential lines for the left half of the substrate 2, x 0right, y 0right - coordinates of the circle center equipotential lines for the potential distribution right half of the substrate 2, γ left, γ right - value of the ellipticity of the equipotential lines of the potential distributions for the left and right halves of the substrate 2, respectively, and - half the distance between the stripe contacts 4, 5 on the first transparent substrate 1, b - half the distance between the contacts 8, 10 for the left and contacts 9, 11 for the right halves of the second transparent substrate 2.

Для формирования двухлепестковых световых полей требуется реализовать на устройстве распределение напряжения, аналогичное изображенному на Фиг. 4, что осуществляется подачей управляющих потенциалов в соответствии с представленными соотношениями при следующих параметрах:To form two-leaf light fields, it is required to realize a voltage distribution on the device similar to that shown in FIG. 4, which is carried out by supplying control potentials in accordance with the presented ratios with the following parameters:

x0left=x0right=0,x 0left = x 0right = 0,

γleft=γright=1,γ left = γ right = 1,

y0left=-y0right=y0.y 0left = -y 0right = y 0 .

Величина у0 задается таким образом, чтобы был получен скачок фазы в профиле фазовой задержки аналогично представленному на Фиг. 5 и 6, и зависит от конструктивных геометрических размеров апертуры, характера вольт-фазной зависимости жидкого кристалла и определятся для каждого конкретного образца устройства.The value of y 0 is set so that a phase jump is obtained in the phase delay profile similar to that shown in FIG. 5 and 6, and depends on the structural geometric dimensions of the aperture, the nature of the current-voltage dependence of the liquid crystal and will be determined for each specific sample of the device.

Данные соотношения были получены в результате анализа решения задачи о распределении напряжения (U) по апертуре ЖК дуплета. Распределение напряжения в области апертуры определяется разностью распределений потенциалов (ϕ1, ϕ2left, ϕ2right) на поверхностях прозрачных проводящих покрытий 3 и 6 на, соответственно, первой и второй прозрачных подложках 1, 2, что является решениями уравнения Лапласа для каждого проводящего электрода с соответствующими граничными условиями, учитывающими их геометрию:These relationships were obtained by analyzing the solution to the problem of the distribution of voltage (U) over the aperture of the LC doublet. The voltage distribution in the aperture region is determined by the difference in potential distributions (ϕ 1 , ϕ 2left , ϕ 2right ) on the surfaces of transparent conductive coatings 3 and 6 on, respectively, the first and second transparent substrates 1, 2, which are solutions of the Laplace equation for each conductive electrode with corresponding boundary conditions taking into account their geometry:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

где

Figure 00000006
- двумерный оператор Лапласа, ϕ1 - распределение потенциала на первой (верхней) прозрачной подложке 1, ϕ2left, ϕ2right - распределения потенциалов для, соответственно, левой и правой половинок второй (нижней) прозрачной подложки 2 с непроводящей прозрачной полосой 7. Решение данной системы уравнений дает следующие выражения для распределения напряжения, приложенного в области апертуры к слою 16 жидкого кристалла:Where
Figure 00000006
is the two-dimensional Laplace operator, ϕ 1 is the potential distribution on the first (upper) transparent substrate 1, ϕ 2left , ϕ 2right is the potential distribution for, respectively, the left and right halves of the second (lower) transparent substrate 2 with a non-conducting transparent strip 7. The solution to this The system of equations gives the following expressions for the distribution of the voltage applied in the aperture region to the liquid crystal layer 16:

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

В результате анализа возможных распределений напряжения было установлено, что эквипотенциальные линии могут быть только эллиптического и параболического типа. Для получения распределений напряжения с эквипотенциальными линиями в виде эллипсов (в частном случае окружностей) потенциалы, прикладываемые к контактным электродам 8-11 на второй прозрачной подложке 2 с непроводящей прозрачной полосой 7, должны в случае заданных потенциалов на первой прозрачной подложке 1 удовлетворять вышеприведенным соотношениям (*).As a result of the analysis of possible stress distributions, it was found that the equipotential lines can only be elliptical and parabolic. To obtain voltage distributions with equipotential lines in the form of ellipses (in the particular case of circles), the potentials applied to the contact electrodes 8-11 on the second transparent substrate 2 with a non-conductive transparent strip 7 must, in the case of given potentials on the first transparent substrate 1, satisfy the above relations ( *).

На Фиг. 9 представлена условная структурная схема устройства по другому варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления для реализации сдвоенного ЖК фокусатора (ЖК дуплета), работающего в режиме отражения, на одной из прозрачных подложек (в данном случае это вторая, т.е. нижняя прозрачная подложка 2) на ее высокоомном прозрачном покрытии 6 и контактных электродах 8-11 размещают диэлектрическое зеркало 17.In FIG. 9 is a schematic structural diagram of a device according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, to implement a dual LCD focuser (LCD doublet) operating in reflection mode on one of the transparent substrates (in this case, this is the second, i.e., lower transparent substrate 2) on its high-resistance transparent coating 6 and contact electrodes 8 -11 place the dielectric mirror 17.

Таким образом, предлагаемый сдвоенный жидкокристаллический фокусатор, расширяя арсенал технических средств и будучи технологически довольно простым, компактным и недорогим устройством, позволяет формировать двухлепестковые вихревые световые поля (вихревые световые поля в виде двух максимумов) с вращением распределения интенсивности при распространении и управлять их свойствами.Thus, the proposed dual liquid crystal focuser, expanding the arsenal of technical means and being technologically quite simple, compact and inexpensive, allows the formation of two-petal vortex light fields (vortex light fields in the form of two maxima) with the rotation of the intensity distribution during propagation and control their properties.

Claims (17)

1. Способ формирования двухлепестковых вихревых световых полей, заключающийся в том, что:1. The method of forming two-petal vortex light fields, which consists in the fact that: - наносят на каждую из первой и второй прозрачных подложек прозрачное высокоомное покрытие;- a transparent high-resistance coating is applied to each of the first and second transparent substrates; - наносят на противоположные края каждой из упомянутых прозрачных подложек непрозрачные низкоомные покрытия, соединенные с упомянутым прозрачным высокоомным покрытием, формируя тем самым на каждой из упомянутых прозрачных подложек два контактных электрода так, что обращенные друг к другу кромки этих контактных электродов на любой из упомянутых прозрачных подложек параллельны;- applying opaque low-resistance coatings connected to said transparent high-resistance coating on opposite edges of each of said transparent substrates, thereby forming two contact electrodes on each of said transparent substrates so that the edges of these contact electrodes facing each other on any of said transparent substrates are parallel; - разделяют на упомянутой второй прозрачной подложке упомянутое прозрачное высокоомное покрытие и упомянутые контактные электроды посередине перпендикулярно упомянутым обращенным друг к другу кромкам этих контактных электродов, формируя тем самым непроводящую прозрачную полосу и четыре контактных электрода;- said transparent high-resistance coating and said contact electrodes are separated on said second transparent substrate in the middle perpendicular to said facing edges of these contact electrodes, thereby forming a non-conductive transparent strip and four contact electrodes; - наносят ориентирующее покрытие на упомянутые высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды на каждой из прозрачных подложек;- applying an orientation coating to said high-resistance transparent coating and contact electrodes on each of the transparent substrates; - располагают упомянутые прозрачные подложки на заданном расстоянии одна от другой с обращенными друг к другу сторонами с упомянутыми ориентирующими покрытиями так, чтобы упомянутая непроводящая прозрачная полоса на второй прозрачной подложке была параллельна упомянутым кромкам контактных электродов на первой прозрачной подложке;- said transparent substrates are positioned at a predetermined distance from each other with sides facing each other with said orienting coatings so that said non-conductive transparent strip on the second transparent substrate is parallel to said edges of the contact electrodes on the first transparent substrate; - размещают между упомянутыми прозрачными подложками слой нематического жидкого кристалла;- a layer of nematic liquid crystal is placed between said transparent substrates; - подают на упомянутые контактные электроды на обеих упомянутых прозрачных подложках переменные потенциалы для формирования между упомянутыми высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределения напряжения с эквипотенциальными линиями в виде концентрических окружностей с заданным сдвигом центров этих окружностей и для формирования скачка в профиле фазовой задержки упомянутого слоя нематического жидкого кристалла относительно упомянутой непроводящей прозрачной полосы, что и обеспечивает формирование вихревых двухлепестковых световых полей с вращением распределения интенсивности при их распространении.- apply alternating potentials to said contact electrodes on both said transparent substrates to form a voltage distribution between said high-resistance coatings on different transparent substrates in the form of concentric circles with a predetermined shift of the centers of these circles and to form a jump in the phase delay profile of said nematic liquid layer crystal relative to the aforementioned non-conductive transparent strip, which ensures the formation of vortex waves hlepestkovyh light fields with the intensity distribution of the rotation as they propagate. 2. Способ по п. 1, в котором подают на контактные электроды упомянутой первой прозрачной подложки потенциалы равной амплитуды с разностью фаз π и подают на контактные электроды упомянутой второй прозрачной подложки, расположенные с противоположных сторон от упомянутого высокоомного прозрачного покрытия, потенциалы с разностью фаз π и амплитудами больше и меньше на одну и ту же величину, нежели амплитуда для первой прозрачной подложки, при этом на соседних контактных электродах, разделенных упомянутой непроводящей прозрачной полосой, амплитуды потенциалов различны, а фазы потенциалов на разных подложках отличаются на π/2.2. The method according to p. 1, in which potentials of equal amplitude with a phase difference π are supplied to the contact electrodes of the said first transparent substrate, and potentials with the phase difference π are fed to the contact electrodes of the said second transparent substrate located on opposite sides of the high-resistance transparent coating and the amplitudes are larger and smaller by the same value than the amplitude for the first transparent substrate, while on adjacent contact electrodes separated by the aforementioned non-conducting transparent strip, the amplitudes Potential lituds are different, and the phases of potentials on different substrates differ by π / 2. 3. Способ по п. 1, в котором перед нанесением упомянутого ориентирующего покрытия на одну из прозрачных подложек размещают на ее высокоомном прозрачном покрытии и контактных электродах диэлектрическое зеркало.3. The method according to p. 1, in which before applying the said orienting coating on one of the transparent substrates, a dielectric mirror is placed on its high-resistance transparent coating and contact electrodes. 4. Устройство для формирования двухлепестковых вихревых световых полей, содержащее:4. A device for forming a two-leaf vortex light fields, containing: - первую прозрачную подложку с нанесенными на нее прозрачным высокоомным покрытием и низкоомными непрозрачными покрытиями, соединенными с упомянутым высокоомным прозрачным покрытием на противоположных краях первой прозрачной подложки, с формированием двух контактных электродов так, что обращенные друг к другу кромки этих электродов параллельны, при этом на упомянутые высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие;- the first transparent substrate coated with a transparent high-resistance coating and low-resistance opaque coatings connected to said high-resistance transparent coating at opposite edges of the first transparent substrate, with the formation of two contact electrodes so that the edges of these electrodes facing each other are parallel, while on the aforementioned high-resistance transparent coating and contact electrodes applied orienting coating; - вторую прозрачную подложку с таким же прозрачным высокоомным покрытием и такими же контактными электродами, причем упомянутые прозрачное высокоомное покрытие и контактные электроды разделены посередине перпендикулярно упомянутым обращенным друг к другу кромкам этих контактных электродов с образованием непроводящей прозрачной полосы и четырех контактных электродов, при этом на упомянутые высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие;a second transparent substrate with the same transparent high-resistance coating and the same contact electrodes, said transparent high-resistance coating and contact electrodes being separated in the middle perpendicular to said facing edges of these contact electrodes to form a non-conductive transparent strip and four contact electrodes, while on said high-resistance transparent coating and contact electrodes applied orienting coating; - слой нематического жидкого кристалла заданной толщины, размещенный между упомянутыми первой и второй прозрачными подложками, расположенными обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями так, что упомянутая непроводящая прозрачная полоса на второй прозрачной подложке параллельна упомянутым кромкам контактных электродов на первой прозрачной подложке;- a nematic liquid crystal layer of a given thickness placed between said first and second transparent substrates, facing each other with orienting coatings so that said non-conductive transparent strip on the second transparent substrate is parallel to said edges of the contact electrodes on the first transparent substrate; - при этом упомянутые контактные электроды на обеих упомянутых прозрачных подложках предназначены для подачи на них переменных потенциалов для обеспечения возможности формировать между упомянутыми высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределение напряжения с эквипотенциальными линиями в виде концентрических окружностей с заданным сдвигом центров этих окружностей и формировать скачок в профиле фазовой задержки упомянутого слоя нематического жидкого кристалла относительно упомянутой непроводящей прозрачной полосы, чтобы обеспечить формирование вихревых двухлепестковых световых полей с вращением распределения интенсивности при их распространении.- wherein said contact electrodes on both of these transparent substrates are designed to supply variable potentials to them to enable the formation of a voltage distribution with equipotential lines in the form of concentric circles with a given shift of the centers of these circles between the high-resistance coatings on different transparent substrates and to form a jump in the profile phase delay of said nematic liquid crystal layer relative to said non-conductive transparent p olos to ensure the formation of vortex two-petalled light fields with rotation of the intensity distribution during their propagation. 5. Устройство по п. 4, в котором упомянутые контактные электроды первой прозрачной подложки предназначены для подачи на них потенциалов равной амплитуды с разностью фаз π, а упомянутые контактные электроды второй прозрачной подложки, расположенные с противоположных сторон от упомянутого высокоомного прозрачного покрытия, предназначены для подачи на них потенциалов с разностью фаз π и амплитудами больше и меньше на одну и ту же величину, нежели амплитуда для первой прозрачной подложки, при этом на соседних контактных электродах, разделенных упомянутой непроводящей прозрачной полосой, амплитуды потенциалов различны, а фазы потенциалов на разных подложках отличаются на π/2.5. The device according to claim 4, in which said contact electrodes of the first transparent substrate are designed to supply potentials of equal amplitude with a phase difference π, and said contact electrodes of the second transparent substrate, located on opposite sides of said high-resistance transparent coating, are intended to supply the potentials on them with the phase difference π and amplitudes are larger and smaller by one and the same quantity than the amplitude for the first transparent substrate, while at the adjacent contact electrodes it is divided s said non-conductive transparent strip potentials different amplitude and phase potentials on different substrates differ by π / 2. 6. Устройство по п. 4, в котором на упомянутых высокоомном прозрачном покрытии и контактных электродах одной из упомянутых прозрачных подложек размещено диэлектрическое зеркало.6. The device according to claim 4, in which a dielectric mirror is placed on said high-resistance transparent coating and contact electrodes of one of said transparent substrates.
RU2018103463A 2018-01-30 2018-01-30 Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation RU2680728C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018103463A RU2680728C1 (en) 2018-01-30 2018-01-30 Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018103463A RU2680728C1 (en) 2018-01-30 2018-01-30 Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2680728C1 true RU2680728C1 (en) 2019-02-26

Family

ID=65479237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018103463A RU2680728C1 (en) 2018-01-30 2018-01-30 Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2680728C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2728214C1 (en) * 2019-11-01 2020-07-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Method of manufacturing multisector spiral phase plate with variable phase delay (svr)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1730606A1 (en) * 1990-05-22 1992-04-30 Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева Device for focusing radiation in a ring
RU2214617C2 (en) * 1999-12-20 2003-10-20 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Dynamic method of control over profile of wave front of light beam and device for its realization ( variants )
US20050047702A1 (en) * 2003-08-27 2005-03-03 Mesophotonics Limited Nonlinear optical device
RU2458367C2 (en) * 2007-07-20 2012-08-10 Медицинише Универзитет Иннсбрук Optical device with pair of diffraction optical elements
RU2582208C2 (en) * 2014-01-15 2016-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук (ИК РАН) Method of controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer, device for controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer and liquid crystal light modulator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1730606A1 (en) * 1990-05-22 1992-04-30 Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева Device for focusing radiation in a ring
RU2214617C2 (en) * 1999-12-20 2003-10-20 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Dynamic method of control over profile of wave front of light beam and device for its realization ( variants )
US20050047702A1 (en) * 2003-08-27 2005-03-03 Mesophotonics Limited Nonlinear optical device
RU2458367C2 (en) * 2007-07-20 2012-08-10 Медицинише Универзитет Иннсбрук Optical device with pair of diffraction optical elements
RU2582208C2 (en) * 2014-01-15 2016-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук (ИК РАН) Method of controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer, device for controlling amplitude and direction of electric field in liquid crystal layer and liquid crystal light modulator

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2728214C1 (en) * 2019-11-01 2020-07-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Method of manufacturing multisector spiral phase plate with variable phase delay (svr)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Algorri et al. Tunable liquid crystal multifocal microlens array
US20020145701A1 (en) Liquid crystal adaptive lens with closed-loop electrodes and related fabrication methods and control methods
EP1783538A1 (en) Optical element
JP7082429B2 (en) Optical element, image pickup device, variable focus drive method, and lens center movement method
Kotova et al. Tunable 4-channel LC focusing device: summarized results and additional functional capabilities
Schitea et al. Modeling of Risley prisms devices for exact scan patterns
Kotova et al. Tunable liquid-crystal focusing device. 2. Experiment
RU2680728C1 (en) Method of formation of two-bridge vortex light fields and device for its implementation
Kotova et al. Formation of ring-shaped light fields with orbital angular momentum using a modal type liquid crystal spatial modulator
Kotova et al. Focusing light into a line segment of arbitrary orientation using a four-channel liquid crystal light modulator
Korobtsov et al. Optical trap formation with a four-channel liquid crystal light modulator
Kotsifaki et al. Efficient and low cost multiple optical trap, based on interference
Kotova et al. The possibility of forming two-lobe vortex light fields using a modified liquid-crystal focusator
Kazak et al. Operation with laser radiation by using of liquid crystal elements
Xu et al. Programmable agile beam steering based on a liquid crystal prism
Mouet et al. Comprehensive refractive manipulation of water waves using electrostriction
Mamonova et al. Liquid crystal metasurfaces for versatile electrically tunable diffraction
WO2019171874A1 (en) Spatial light modulator, light modulating device, and method for driving spatial light modulator
Shen et al. One-dimensional straight-stripe-electrode tunable self-focusing cylindrical liquid crystal lens to realize the achromatic function in time domain
Algorri Genaro et al. Multifunctional light beam control device by stimuli-responsive liquid crystal micro-grating structures
RU161905U1 (en) ELECTRIC FIELD CONTROLLED DIFFRACTION OPTICAL ELEMENT
Kun et al. Electrically controlled fast response cascading tunable polymer dispersed liquid crystal focusing lenses
US9104031B2 (en) Active optical device and display apparatus including the same
JP2024528594A (en) High speed active beam steering device and instrument operating in transmission mode
Das et al. Analysis of electric field for inclined electrodes and use of such configuration for generating tunable differential polarization phase

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210131