Ukrainian Journal of Physical Optics
2023 Volume 24, Issue 1
Optical vector vortices generated with circularly planar and circularly hybrid nematic cells
T. Dudok1, I. Skab1, O. Mys1, O. Krupych2, Yu. Nastishin3, O. Kurochkin4, V. Nazarenko4, Ye. Ryzhov3, A.D. Chernenko3, and R. Vlokh1
1O. G. Vlokh Institute of Physical Optics, 23 Dragomanov Street, 79005 Lviv, Ukraine 2Ivan Franko National University of Lviv, Faculty of Electronics and Computer Technologies, Department of Optoelectronics and Information Technologies, 107 Tarnavskyi Street, 79017 Lviv, Ukraine 3Hetman Petro Sahaidachnyi National Army Academy, 32 Heroes of Maidan Street, 79012 Lviv, Ukraine 4Institute of Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv 03028, Ukraine
Ukr. J. Phys. Opt.
Vol. 24
,
Issue 1 , pp. 22 - 45 (2023).
doi:10.3116/16091833/24/1/22/2023
ABSTRACT
Keywords:
liquid crystals, optical vortices, topological defects, optical indicatrix, optical phase difference
UDC:
535.34, 535.37, 544.25
- Schatz M F and Neitzel G P, 2001. Experiments on thermocapillary instabilities. Ann. Rev. Fluid Mech. 33: 93-127. doi:10.1146/annurev.fluid.33.1.93
- Forbes A, 2019. Common elements for uncommon light: vector beams with GRIN lenses. Light Sci. Appl. 8: 111. doi:10.1038/s41377-019-0228-9
- Rongxuan Wang, Law A C, Garcia D, Shuo Yang and Zhenyu James Kong, 2021. Development of structured light 3D-scanner with high spatial resolution and its applications for additive manufacturing quality assurance. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 117: 845-862. doi:10.1007/s00170-021-07780-2
- Wuchen Zhang, Deborah A Kosiorek and Amy N Brodeur, 2020. Application of structured-light 3-D scanning to the documentation of plastic fingerprint impressions: A quality comparison with traditional photography. J. Forensic Sci. 65: 784-790. doi:10.1111/1556-4029.14249
- Allen L, Beijersbergen M W, Spreeuw R J C and Woerdman J P, 1992. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. Phys. Rev. A. 45: 8185-8189. doi:10.1103/PhysRevA.45.8185
- Qiwen Zhan, 2009. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications. Adv. Opt. Photon. 1: 1-57. doi:10.1364/AOP.1.000001
- Mair A, Vaziri A, Weihs G and Zeilinger A, 2001. Entanglement of the orbital angular momentum states of photons. Nature. 412: 313-316. doi:10.1038/35085529
- Leach J, Jack B, Romero J, Jha A K, Yao A M, Franke-Arnold S, Ireland D G, Boyd R W, Barnett S M and Padgett M J, 2010. Quantum correlations in optical angle-orbital angular momentum variables. Science. 329: 662-665. doi:10.1126/science.1190523
- Quabis S, Dorn R, Eberler M, Glockl O and Leuchs G, 2000. Focusing light to a tighter spot. Opt. Commun. 179: 1-7. doi:10.1016/S0030-4018(99)00729-4
- Youngworth K S and Brown T G, 2000. Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams. Opt. Express 7: 77-87. doi:10.1364/OE.7.000077
- Grier D G, 2003. A revolution in optical manipulation. Nature. 424: 810-816. doi:10.1038/nature01935
- Mawet D, Riaud P, Absil O and Surdej J, 2005. Annular groove phase mask coronagraph. Astro. Phys. 633: 1191-1200. doi:10.1086/462409
- Liu Y, Cline D and He P, 1999. Vacuum laser acceleration using a radially polarized CO2 laser beam. Nucl. Instrum. Meth. Phys Res. A. 424: 296-303. doi:10.1016/S0168-9002(98)01433-8
- Kimura W D, Kim G H, Romea R D, Steinhauer L C, Pogorelsky I V, Kusche K P, Fernow R C, Wang X and Liu Y, 1995. Laser acceleration of relativistic electrons using the inverse Cherenkov effect. Phys. Rev. Lett. 74: 546-549. doi:10.1103/PhysRevLett.74.546
- Basistiy V I, Soskin M S and Vasnetsov M V, 1995. Optical wavefront dislocations and their properties. Opt. Commun. 119: 604-612. doi:10.1016/0030-4018(95)00267-C
- Long Zhu and Jian Wang, 2014. Arbitrary manipulation of spatial amplitude and phase using phase-only spatial light modulators. Sci. Rep. 4: 7441. doi:10.1038/srep07441
- Long Zhu and Jian Wang, 2019. A review of multiple optical vortices generation: methods and applications. Front. Optoelectron. 12: 52-68. doi:10.1007/s12200-019-0910-9
- Beijersbergen M W, Coerwinkel R P C, Kristensen M and Woerdman J P, 1994. Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phaseplate. Opt. Commun. 112: 321-327. doi:10.1016/0030-4018(94)90638-6
- Stalder M and Schadt M, 1996. Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarization converters. Opt. Lett. 21: 1948-1950. doi:10.1364/OL.21.001948
- Zhi-Xiang Li, Ya-Ping Ruan, Peng Chen, Jie Tang, Wei Hu, Ke-Yu Xia and Yan-Qing Lu, 2021. Liquid crystal devices for vector vortex beams manipulation and quantum information applications [Invited]. Chin. Opt. Lett. 19: 112601. doi:10.3788/COL202119.112601
- Skab I, Vasylkiv Y, Savaryn V and Vlokh R, 2011. Optical anisotropy induced by torsion stresses in LiNbO3 crystals: appearance of an optical vortex. J. Opt. Soc. Amer. A. 28: 633-640. doi:10.1364/JOSAA.28.000633
- Skab I, Vasylkiv Yu, Smaga I and Vlokh R, 2011. Spin-to-orbital momentum conversion via electro-optic Pockels effect in crystals. Phys. Rev. A. 84: 043815. doi:10.1103/PhysRevA.84.043815
- Skab I, Vasylkiv Yu, Vlokh R, 2012. Induction of optical vortex in the crystals subjected to bending stresses. Appl. Opt. 51: 5797-5805 . doi:10.1364/AO.51.005797
- Niv A, Biener G, Kleiner V and Hasman E, 2004. Propagation-invariant vectorial Bessel beams obtained by use of quantized Pancharatnam-Berry phase optical elements. Opt. Lett. 29: 238-240. doi:10.1364/OL.29.000238
- Niv A, Biener G, Kleiner V and Hasman E, 2005. Rotating vectorial vortices produced by space-variant subwavelength gratings. Opt. Lett. 30: 2933-2935. doi:10.1364/OL.30.002933
- Niv A, Biener G, Kleiner V, Hasman E, 2006. Manipulation of the Pancharatnam phase in vectorial vortices. Opt. Express. 14: 4208-4220. doi:10.1364/OE.14.004208
- Oron R, Blit S, Davidson N, Friesem A A, Bomzon Z and Hasman E, 2000. The formation of laser beams with pure azimuthal or radial polarization. Appl. Phys. Lett. 77: 3322-3324. doi:10.1063/1.1327271
- Toussaint K C Jr, Park S, Jureller J E and Scherer N F, 2005. Generation of optical vector beams with a diffractive optical element interferometer. Opt. Lett. 30: 2846-2848. doi:10.1364/OL.30.002846
- Yao-Wei Huang, Rubin N A, Ambrosio A, Zhujun Shi, Devlin R C, Cheng-Wei Qiu and Capasso F, 2019. Versatile total angular momentum generation using cascaded J-plates. Opt. Express. 27: 7469-7484. doi:10.1364/OE.27.007469
- Rubano A, Cardano F, Piccirillo B and Marrucci L, 2019. Q-plate technology: a progress review [Invited]. J. Opt. Soc. Amer. B. 36: D70-D87. doi:10.1364/JOSAB.36.000D70
- Piccirillo B, D'Ambrosio V, Slussarenko S, Marrucci L and Santamato E, 2010. Photon spin-to-orbital angular momentum conversion via an electrically tunable q-plate. Appl. Phys. Lett. 97: 241104. doi:10.1063/1.3527083
- Slussarenko S, Piccirillo B, Chigrinov V, Marrucci L and Santamato E, 2013. Liquid crystal spatial-mode converters for the orbital angular momentum of light. J. Opt. 15: 025406. doi:10.1088/2040-8978/15/2/025406
- Nastishin Yu A, Dudok T, Savaryn V, Kostyrko M, Vasylkiv Yu, Hrabchak V, Ryzhov Ye and Vlokh R, 2021. Liquid crystal textures and optical characterization of a dye-doped nematic for generating vector beams. Ukr. J. Phys. Opt. 22: 151-164. doi:10.3116/16091833/22/3/151/2021
- Etienne Brasselet, Naoki Murazawa, Hiroaki Misawa and Saulius Juodkazis, 2009. Optical vortices from liquid crystal droplets. Phys. Rev. Lett. 103: 103903. doi:10.1103/PhysRevLett.103.103903
- Loussert C, Delabre U and Brasselet E, 2013. Manipulating the orbital angular momentum of light at the micron scale with nematic disclinations in a liquid crystal film. Phys. Rev. Lett. 111: 037802. doi:10.1103/PhysRevLett.111.037802
- Frank F C, 1958. I. Liquid crystals. On the theory of liquid crystals. Disc. Farad. Soc. 25: 19-28. doi:10.1039/df9582500019
- Moreno I, Sanchez-Lopez M M, Badham K, Davis J A and Cottrell D M, 2016. Generation of integer and fractional vector beams with q-plates encoded onto a spatial light modulator. Opt. Lett. 41:1305-1308. doi:10.1364/OL.41.001305
- Barboza R, Bortolozzo U, Assanto G, Vidal-Henriquez E, Clerc M G and Residori S, 2013. Harnessing optical vortex lattices in nematic liquid crystals. Phys. Rev. Lett. 111: 093902. doi:10.1103/PhysRevLett.111.093902
- Wei Ji, Chun-Hong Lee, Peng Chen, Wei Hu, Yang Ming, Lijian Zhang, Tsung-Hsien Lin, Vladimir Chigrinov and Yan-Qing Lu, 2016. Meta-q-plate for complex beam shaping. Sci. Rep. 6: 25528. doi:10.1038/srep25528
- Yao-Han Huang, Ming-Shian Li, Shih-Wei Ko and Andy Y-G Fuh, 2013. Helical wavefront and beam shape modulated by advanced liquid crystal q-plate fabricated via photoalignment and analysed by Michelson's interference. Appl. Opt. 52: 6557-6561. doi:10.1364/AO.52.006557
- Clark N L, 1985. Surface memory effects in liquid crystals: Influence of surface composition. Phys. Rev. Lett. 55: 292-295. doi:10.1103/PhysRevLett.55.292
- Marrucci L, Manzo C and Paparo D, 2006. Pancharatnam-Berry phase optical elements for wavefront shaping in the visible domain: switchable helical modes generation. Appl. Phys. Lett. 88: 221102. doi:10.1063/1.2207993
- Glushchenko A, Kresse H, Reshetnyak V, Reznikov Yu and Yaroshchuk O, 1997. Memory effect in filled nematic liquid crystals. Liq. Cryst. 23: 241- 246. doi:10.1080/026782997208505
- Nych A B, Reznikov D Yu, Boiko O P, Nazarenko V G, Pergamenshchik V M and Bos P, 2008. Alignment memory of a nematic liquid crystal and thermal isotropization of the surface adsorbed layer. Europhys. Lett. 81: 16001. doi:10.1209/0295-5075/81/16001
- Cladis P E and Kleman M, 1972. Non-singular disclinations of strength S = +1 in nematics. J. Physique. 33: 591-598. doi:10.1051/jphys:01972003305-6059100
- Meyer R, 1973. On the existence of even indexed disclinations in nematic liquid crystals. Phil. Mag. 27: 405-424. doi:10.1080/14786437308227417
- Melzer D and Nabarro F R N, 1977. Optical studies of a nematic liquid crystal with circumferential surface orientation in a capillary. Phil. Mag. 35: 901-906. doi:10.1080/14786437708232632
- Marrucci L, 2008. Generation of helical modes of light by spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous liquid crystals. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 488: 148-162. doi:10.1080/15421400802240524
- Nastishin Yu A and Dudok T H, 2013. Optically pumped mirrorless lasing. A review. Part I. Random lasing. Ukr. J. Phys. Opt. 14: 146-170. doi:10.3116/16091833/14/3/146/2013
- Dudok T H and Nastishin Yu, 2014. Optically pumped mirrorless lasing. A Review. Part II. Lasing in photonic crystals and microcavities. Ukr. J. Phys. Opt. 15: 47-67. doi:10.3116/16091833/15/2/47/2014
- Dudok T H, Krupych O M, Savaryn V I, Cherpak V V, Fechan A V, Gudeika D, Grazulevicius J V, Pansu B and Nastishin Yu A, 2014. Lasing in a cholesteric liquid crystal doped with derivative of triphenylamine and 1,8-naphthalimide, and optical characterization of the materials. Ukr. J. Phys. Opt. 15: 162-172. doi:10.3116/16091833/15/3/162/2014
- Dudok T H, Savaryn V I, Fechan AV, Cherpak V V, Pansu B and Nastishin Yu A, 2014. Dot lasers: isotropic droplets in a cholesteric matrix, and vice versa. Ukr. J. Phys. Opt. 15: 227-232. doi:10.3116/16091833/15/4/227/2014
- Dudok T H, Savaryn V I, Krupych O M, Fechan A V, Lychkovskyy E, Cherpak V V, Pansu B and Nastishin Yu A, 2015. Lasing in imperfectly aligned cholesterics. Appl. Opt. 54: 9644-9653. doi:10.1364/AO.54.009644
- Dudok T H, Savaryn V I, Meyer C, Cherpak V V, Fechan A V, Lychkovskyy E I, Pansu B and Nastishin Yu A, 2016. Lasing cholesteric capsules. Ukr. J. Phys. Opt. 17: 169-175. doi:10.3116/16091833/17/4/169/2016
- Chapran M, Angioni E, Findlay N J, Breig B, Cherpak V, Stakhira P, Tuttle T, Volyniuk D, Grazulevicius J V, Nastishin Yu A, Lavrentovich O D and Skabara P J, 2017. An ambipolar BODIPY derivative for a white exciplex OLED and cholesteric liquid crystal laser towards multi-functional devices. Appl. Mater. & Interfaces. 9: 4750−4757. doi:10.1021/acsami.6b13689
- Konstantinova A F, Grechushnikov B N, Bokut B V and Valyashko Ye G. Optical Properties of Crystals. Minsk: Navuka i Teknnika, 1995.
- Nastishin Yu A and Nastyshyn S Yu, 2011. Explicit representation of extended Jones matrix for oblique light propagation through a crystalline slab. Ukr. J. Phys. Opt. 12: 191-201. doi:10.3116/16091833/12/4/190/2011
- Nastishin Yu A and Nastyshyn S Yu, 2013. Differential and integral extended Jones matrices for oblique light propagation through a deformed crystal. Phys. Rev. A. 87: 033810. doi:10.1103/PhysRevA.87.033810
- Nastyshyn S Yu, Bolesta I M, Tsybulia S A, Lychkovskyy E, Yakovlev M Yu, Ryzhov Ye, Vankevych P I and Nastishin Yu A, 2018. Differential and integral Jones matrices for a cholesteric. Phys. Rev. A. 97: 053804. doi:10.1103/PhysRevA.97.053804
- Nastyshyn S Yu, Bolesta I M, Tsybulia S A, Lychkovskyy E, Fedorovych Z Ya, Khaustov D Ye, Ryzhov Ye, Vankevych P I and Nastishin Yu A, 2019. Optical spatial dispersion in terms of Jones calculus. Phys. Rev. A. 100: 013806. doi:10.1103/PhysRevA.100.013806
- Mauguin C, 1911. Sur les cristaux liquides de Lehman. Bull. Soc. Fr. Miner. Cristallogr. 34: 71-117. doi:10.3406/bulmi.1911.3472
- Guang-Hoon Kim, Hae June Lee, Jong-Uk Kim and Hyyong Suk, 2003. Propagation dynamics of optical vortices with anisotropic phase profiles. J. Opt. Soc. Amer. B. 20: 351-359. doi:10.1364/JOSAB.20.000351
- Kleman M. Points, lines and walls. In: Liquid crystals, magnetic systems and various ordered media. Chichester: Wiley, 1983.
- Nabarro F R N, 1972. Singular lines and singular points of ferromagnetic spin systems and of nematic liquid crystals. J. Physique. 33: 1089-1098. doi:10.1051/jphys:019720033011-120108900
- Nastishin Yu A, Polak R D, Shiyanovskii S V, Bodnar V H and Lavrentovich O D, 1999. Nematic polar anchoring strength measured by electric field techniques. J. Appl. Phys. 86: 4199-4213. doi:10.1063/1.371347
- Nastishin Yu A, Polak R D, Shiyanovskii S V and Lavrentovich O D, 1999. Determination of nematic polar anchoring from retardation versus voltage measurements. Appl. Phys. Lett. 75: 202-204. doi:10.1063/1.124319
- Shenoy D, Gruenberg K, Naciri J, Shashidhar R, Nastishin Yu, Polak R and Lavrentovich O D, 1999. Device properties and polar anchoring of nematic molecules at photodimerized surfaces. Proc. SPIE. 3635: 24-30. doi:10.1117/12.343869
- Nantomah K, 2018. On some properties and inequalities of the sigmoid function. RGMIA Res. Rep. Coll. 21: 89. doi:10.2139/ssrn.3903038
- Khaustov D Ye, Nastishin Yu A and Khaustov Ya Ye, 2021. Probability of the visual search task execution as a sigmoid function. Weap. Milit. Equip. 3: 80-94.
- Lavrentovich O D and Nastishin Yu A, 1987. Defects with nontrivial topological charges in hybrid-aligned films of nematic liquid crystal. Sov. Phys. Cryst. 34: 914-917
- Lavrentovich O D and Nastishin Yu A, 1990. Defects in degenerate hybrid aligned nematic liquid crystals. Europhys. Lett. 13: 135-141. doi:10.1209/0295-5075/12/2/008
- Kleman M and Laverntovich O D. Soft Matter Physics: an Introduction. New York: Springer-Verlag, 2003.
- Kleman M, Lavrentovich O D and Nastishin Yu A. Dislocation and disclination in mesomorphic phases. Vol. 12, pp. 147-271. In: Dislocations in Solids. Ed by Nabarro F R N and Hirth J P, Elsevier, 2004. doi:10.1016/S1572-4859(05)80005-1
- Slussarenko S, Murauski A, Chigrinov V, Tao Du, Marrucci L and Santamato E, 2011. Tunable liquid crystal q-plates with arbitrary topological charge. Opt. Express. 19: 4085-4090. doi:10.1364/OE.19.004085
- Susser A L, Harkai S, Kralj S and Rosenblatt C, 2020. Transition from escaped to decomposed nematic defects, and vice versa. Soft Matter. 16: 4814-4822. doi:10.1039/D0SM00218F
- White A G, Smith C P, Heckenberg N R, Rubinsztein-Dunlop H, McDuff R, Weiss C O and Tamm C, 1991. Interferometric measurements of phase singularities in the output of a visible laser. J. Mod. Opt. 38: 2531-2541. doi:10.1080/09500349114552651
-
Анотація. Серед різноманіття оптичних елементів, які використовують для генерування векторних і вихрових світлових пучків, на окрему увагу заслуговують рідкокристалічні комірки, що містять топологічні дефекти. На сьогодні вони є однією з найпопулярніших методик через простоту їхнього приготування. У цій роботі досліджено оптичні сингулярності для лазерних променів, які проходять крізь комірку з круглим планарним розташуванням директора на обох підкладках (т.зв. CC-комірку). Інший об’єкт наших досліджень – це т.зв. CH-комірка з циркулярним планарним упорядкуванням на одній підкладці та гомеотропним (тобто перпендикулярним до площини підкладки) упорядкуванням на протилежній підкладці. Виконано оптичну характеризацію CC- і CH-комірок за допомогою поляризаційної оптичної мікроскопії та поляриметрії формування зображень. Оптичні особливості об’єктних пучків, що проходять крізь згадані комірки, візуалізовано за допомогою їхньої інтерференції з квазісферичними та квазіплоскохвильовими опорними ґаусовими пучками. Для CC-комірок очікується утворення на поверхнях дефектів із топологічною силою q=+1. Сингулярний розподіл директора не поширюється крізь об’єм комірки через ефект втечі в третій вимір. Аналізуючи літературу про застосування рідкокристалічних дисклінацій для генерування сингулярних пучків, ми виявили, що втечу директора в третій вимір зазвичай ігнорують для дисклінацій цілочисельної сили. Крім того, ми докладно проаналізували, як втеча в третій вимір виявляється при поширенні світла крізь CC-комірки. Для CH-комірок виявлено, що оптичні картини, одержані за допомогою поляризаційної оптичної мікроскопії, поляриметрії зображення та методів інтерференції, вказують на те, що кругова симетрія структури зразка істотно порушена.
Ключові слова: рідкі кристали, оптичні вихори, топологічні дефекти, оптична індикатриса, оптична різниця фаз
© Ukrainian Journal of Physical Optics ©