一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法

文档序号:9216322阅读:654来源:国知局
一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及偏振光栅技术领域,尤其涉及一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来,由于涡旋光束在光学诱捕、操纵微小粒子、新型超分辨光学显微镜及天文学等方面的应用,人们对涡旋光束的研宄越来越关注。产生涡旋光束的方法很多,可通过激光器的谐振腔和抽运方式、模式转换、螺旋相位片、超构材料以及计算全息术等方法产生带有角向相位因子Ψ1 = eXp(im0)的光涡旋,其中m为拓扑荷数,Θ为以光束传播方向为z轴的柱坐标体系中的方位角。其中计算全息术的方法,因其方法简单而被越来越多的研宄者使用。它通过电脑计算产生叉形光栅的图案,具体方法为:因为入射光是高斯光束,其相位因子为Ψ2 = exp(ikx),k为空间波矢,所以可以通过电脑把目标光束Ψ1与入射光束Ψ2这两束光的干涉图案计算出来,便可得到可产生涡旋光束的模板,即为叉形光栅的图案。目前的研宄方法里,或者把图案曝光冲洗到透明胶片上,或者转移到空间光调制器上,但前者步骤繁琐,不可电调;后者成本较高,分辨率低,产生效率很低。也有人把计算全息术和聚合物混合型液晶相结合,通过空间光调制器把图案曝光到上述液晶上,在光化学反应下实现图案化;但这种方法产生的叉形光栅其衍射效率较低,而且对入射光有偏振依赖性。涡旋光在具体应用时,一般选用某一单一模式(即单一衍射级次),但由于现有技术中的叉形光栅产生的涡旋光具有多个级次,最大衍射效率的正负一级理论上也只能分别达到40.5%,因此衍射效率低成为现有技术的叉形光栅的最大难题。

【发明内容】

[0003]本发明提供一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法,以提高液晶叉形偏振光栅的衍射效率。
[0004]第一方面,本发明实施例提供了一种液晶叉形偏振光栅,包括:
[0005]相对设置的第一基板和第二基板,以及位于所述第一基板和第二基板的液晶层;
[0006]其中,所述第一基板上设置有间隔粒子,以支撑所述液晶层;
[0007]所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧分别设置有第一电极和第二电极;
[0008]所述第一电极和第二电极近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜,所述光控取向膜具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布且中心区域呈叉形的控制图形,所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布,以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光。
[0009]进一步的,所述叉形具有至少一个分支,叉形分支数量与所述涡旋光的拓扑荷数相同。
[0010]进一步的,所述控制图形的中心区域还包括至少一个90°液晶取向位错环,和/或,一条液晶取向径向线位错;
[0011]其中,所述叉形位于90°液晶取向位错环内,所述90°液晶取向位错环内的控制图形与所述90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期;
[0012]当所述控制图形的中心区域包括一条液晶取向径向线位错时,所述叉形分支数量具有小数部分,所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧,且一端与所述叉形相连,所述液晶取向径向线位错两侧的控制图形相对移动小数部分个周期。
[0013]进一步的,其特征在于,所述液晶层的材料为向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的任意一种;
[0014]所述光控取向膜的控制图形可擦写,所述光控取向膜的材料为偶氮染料。
[0015]进一步的,入射光在所述液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差大于或者等于π ;
[0016]当入射光为线偏振时,经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有正负一级衍射光斑;
[0017]当入射光为圆偏振时,经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有正一级或负一级衍射光斑。
[0018]第二方面,本发明实施例还提供一种液晶叉形偏振光栅的制备方法,包括:
[0019]在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧形成光控取向膜;
[0020]在设置有第一电极的第一基板上设置间隔粒子,并与所述设置有第二电极的第二基板封装;
[0021]对所述光控取向膜进行多步重叠曝光,以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形;在所述设置有第一电极的第一基板和所述设置有第二电极的第二基板之间灌注液晶层,所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布,以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光。
[0022]进一步的,所述对所述光控取向膜进行多步重叠曝光,以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形,还包括:
[0023]在所述控制图形的中心区域中引入至少一个90°液晶取向位错环,和/或,在所述控制图形的中心区域中引入一条液晶取向径向线位错;
[0024]其中,所述叉形位于90°液晶取向位错环内,所述90°液晶取向位错环内的控制图形与所述90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期;
[0025]当所述控制图形的中心区域包括一条液晶取向径向线位错时,所述叉形分支数量具有小数部分,所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧,且一端与所述叉形相连,所述液晶取向径向线位错两侧的控制图形相对移动小数部分个周期。
[0026]进一步的,在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧旋涂光控取向膜,包括:
[0027]将光控取向材料旋涂在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧,旋涂参数为:低速旋涂5秒,转速800转/分钟,高速旋涂40秒,转速3000转/分钟;
[0028]将旋涂有光控取向材料的第一基板和第二基板退火10分钟,退火温度为100°C,形成光控取向膜。
[0029]进一步的,对所述光控取向膜进行多步重叠曝光,以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形,包括:
[0030]采用数控微镜阵光刻系统,根据曝光次序,选择对应的曝光图形,以及对应的诱导光偏振方向,依次进行曝光;
[0031]其中,相邻步骤曝光图形的曝光区域部分重叠,所述诱导光偏振方向随曝光次序单调增加或单调减小,以实现形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
[0032]进一步的,还包括:
[0033]在所述第一电极和所述第二电极之间形成预设电压差,使所述液晶层中的液晶分子垂直于所述第一基板所在平面;
[0034]采用线偏振光照射所述光控取向膜预设时间,以擦除所述控制图形;
[0035]再次对所述光控取向膜进行多步重叠曝光,以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
[0036]本发明通过在相对设置的第一基板的第一电极和第二基板的第二电极上设置光控取向膜,并为所述光控取向膜设置具有中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形,以控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布,使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光,由于液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布,相当于引入偏振光栅的概念,可以抑制高级次的涡旋光的产生,只产生零级和正负一级的涡旋光,同时通过为所述液晶叉形偏振光栅施加不同电压,从而可完全抑制零级,通过改变入射光的偏振态可实现单一级次的涡旋光产生,因此通过该液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光的衍射效率可以达到接近100 %,相比于现有技术中的叉形光栅,衍射效率显著提尚O
【附图说明】
[0037]图1为本发明实施例一提供的一种液晶叉形偏振光栅的剖面结构示意图;
[0038]图2为本发明实施例一提供的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的模拟示意图;
[0039]图3为本发明实施例一提供的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的俯视示意图;
[0040]图4a-图4
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