叉形液晶光栅的制备及其在生成涡旋光束中的应用的制作方法
【专利摘要】液晶叉形光栅，液晶光栅中相邻液晶区域的液晶取向有不同的控制：一是TN/PA型，即液晶的90°扭曲相微区与液晶平行取向的微区交替构成叉形光栅；二是正交PA型，即由液晶的光轴方向为同一区域内均匀平行微区且相邻区域互为正交的微区域交替构成叉形光栅；三是正交HAN型。其制备是利用光控取向方法控制液晶微区取向，进而控制液晶的指向矢分布制备液晶叉形光栅；由基于数控微镜阵DMD的微投影式光刻系统实现，数控装置输出液晶叉形光栅图形信号控制DMD各像素反射光实现液晶微区的液晶叉形光栅图形的成像；所述光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射光控取向材料剂导电玻璃片。
【专利说明】 叉形液晶光栅的制备及其在生成涡旋光束中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及微光刻系统、液晶取向控制、电光可调元器件制备等【技术领域】，具体涉及一种基于液晶光控、摩擦取向与数控微镜阵DMD光刻系统的可电调节及光重写的液晶叉形光栅的制备及其在生成光涡旋中的应用。
【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究越来越关注。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、螺旋相位板以及计算全息术等方法产生带有角向相位因子WeexpQm Θ )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究者使用。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=θχρ (ikx)，k为空间波矢，所以可以通过电脑把目标光束W1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。目前的研究方法里，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。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。
[0003]本发明提出基于液晶的取向控制，通过自行设计的DMD微投影式光刻系统制备出的叉形光栅，完全克服了上述技术的缺陷。本发明可以通过改变DMD系统中的物镜倍数来改变图案大小与叉形光栅的尺寸，从而可以实现高分辨叉形光栅的制备。制备出的样品体积小，结构简单，成本低，稳定性和重复性都满足实用要求，为产生涡旋光束提供了一种全新的便捷简单的方法。
【发明内容】
[0004]本发明目的是:提出一种液晶叉形光栅的制备及其在生成光涡旋中的应用，制备简单可电调及光重写的叉形光栅来实现涡旋光束的产生、控制与重构。
[0005]本发明的技术方案:液晶叉形光栅，液晶光栅中相邻液晶区域的液晶取向有不同的控制:一是ΤΝ/ΡΑ型，即液晶的90°扭曲相微区与液晶平行取向的微区交替构成叉形光栅；二是正交PA型，即由液晶的光轴方向为同一区域内均匀平行微区且相邻区域互为正交的微区域交替构成叉形光栅；三是正交HAN型，即由液晶一侧微区取向方向与相互正交的混合取向微区交替构成叉形光栅。其中二与三对正入射激光呈现偏振无依赖特性。
[0006]利用光控取向方法控制液晶微区取向，进而控制液晶的指向矢分布制备叉形光栅；图形化对液晶微区曝光并取向由一套基于数控微镜阵DMD的微投影式光刻系统实现，基于数控微镜阵DMD的微投影式光刻系统由光源、光路准直装置、数控微镜阵DMD、分束棱镜、物镜、CCD、偏振片、精密调节载物台等组成。经光路准直装置后的紫外或蓝光束经分束棱镜分束的光束、均匀照射到DMD表面，数控装置输出液晶微区的叉形光栅图形信号控制DMD各像素反射光实现叉形光栅图形的成像；所述光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射至置于载物台上的表面涂有光控取向材料剂导电玻璃片上，控制曝光剂量完成曝光；光控取向材料的取向方向由诱导取向光的偏振决定，便于取向方向的精确控制；按导电玻璃片上叉形光栅图形对液晶微区曝光后对液晶取向；光控取向材料的取向方向由曝光即诱导取向光的偏振决定。光控取向材料有可擦写特性，取向由最后一次曝光的偏振方向决定，利于图案的重构及润旋光束的改与。所用液晶材料可为向列相液晶、双频液晶或铁电液晶。
[0007]光源尤其是高压汞弧灯等构成的紫外或蓝光束。
[0008]液晶盒厚要与液晶性质和取向模式匹配使得相邻区域对e光和O光的相移之差大于η，盒厚通过选取间隔子或mylar控制，以获得最佳开关比、衍射效率和响应速度。
[0009]液晶盒为平板电极上下驱动，通过施加电场的调节实现衍射效率的控制，从而控制润旋光束开关态的。
[0010]用激光器照射液晶叉形光栅产生衍射斑图案，非O衍射级即呈现涡旋光束，其轨道角动量m=nl,为衍射级次η与叉形光栅拓扑荷I的乘积,单位力A如图5所示。
[0011]本发明叉形液晶光栅能够将普通高斯激光光束转换为涡旋光束，且由于液晶的电光特性和光控取向材料的可擦写性，产生的涡旋光可电控开关及进行轨道角动量的实时变更；产生的涡旋光束在量子通讯、量子计算、微粒捕获、光镊、光马达、天文观测领域的应用。
[0012]本发明有益效果:公开了一种基于光控取向技术控制液晶微区取向制备可调可擦写的叉形光栅的技术，该叉形液晶光栅能够将普通激光(高斯光束)转换为涡旋光束，且产生的涡旋光具备可电控开关及实时变更轨道角动量的特性。该类器件具有结构简单，光能转化效率高，可加电调节、低电压、低能耗，可实时变更轨道角动量，偏振无依赖，多波长适用等特点，技术实施成本低、效率高、适于批量生产，器件的重复性和稳定性都满足实用要求。在量子通讯、量子计算、微粒捕获、光镊、光马达、天文观测等科研【技术领域】有着广泛的应用。
[0013](I)利用DMD系统进行曝光，节约了掩模制作成本，全数字化操作，灵活方便。由于是投影式曝光，避免了光束展宽造成的图形变形，大大提高了分辨率；
[0014](2)采用SDl作为光控取向材料，实现了图案的光擦写；
[0015](3)由于液晶盒结构的优化设计，器件结构简单，光能转化效率高，制备出的样品偏振无依赖、对入射光波长不敏感，电调可实现高的开关比；
[0016](4)工作波段范围宽、低电压、低能耗，制备方案简便高效、廉价、小巧易携带，可批量生产，用液晶实现的叉形光栅性能稳定，重复性好，各项指标满足量子通讯、量子计算、微粒捕获、光镊等领域的实用要求。
[0017](5)通过制备简单可电调及光重写的叉形光栅来实现涡旋光束的产生、控制与重构。开拓简便、小巧、廉价、高效、稳定、可擦写、可批量生产的制备技术，实现高衍射效率、偏振无依赖、对入射波长不敏感的涡旋光束生成器的制备，满足其在量子通讯、量子计算、微粒捕获、光镊、光马达、天文观测等领域的应用需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1DMD投影式光刻系统示意图；[0019]图2涡旋光束衍射斑的探测光路示意图；
[0020]图3不同做盒方式下不同结构的叉形光栅显微图。(a)、(b)为TN/PA型，(c)为正交HAN型，(d)为正交PA型，比例尺长度为100 μ m。
[0021]图4用黑屏接收的涡旋光束衍射光斑示意图；
[0022]图5 (a)-(d)正交HAN型m=l叉形光栅加电控制下零级与一级衍射斑的变化；(e)为擦写后的m=2的叉形光栅显微图；(f)为(e)的正一级衍射光斑；
[0023]图6在不同入射波长(a)与不同入射光的偏振态(b)下正交HAN型m=l叉形光栅的衍射效率曲线。
【具体实施方式】
[0024]下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施例来限制本发明。图1所示，UV光源1、分束棱镜2、DMD3、(XD4、偏振片5、显微物镜6、制备的液晶盒(样品)7。由图1系统进行制备，具体为在ITO导电玻璃上旋涂光控取向薄膜，制备成盒并通过微光刻技术进行图形曝光赋予叉形光栅图案，约束取向材料的分子排列方向，进而控制液晶的取向，形成叉形液晶光栅。
[0025]激光照射该光栅即可衍射产生漩涡光束，改变施加电压可对涡旋光强度进行调节进而实现动态开关。通过对取向结构的光擦除和重新赋形，可实时生成具有不同轨道角动量值的涡旋光束。
[0026]①按照取向模式的不同，液晶盒的取向类型如上述，制液晶盒的前期准备可划分为三种，制备方法如下:
[0027]TN/PA 型:
[0028](e)清洗玻璃片，旋涂光控取向材料SDl，退火处理形成均匀薄膜；
[0029](f)对两片玻璃片用线偏光均匀曝光获得沿玻璃片长边方向进行初始取向；
[0030](g)入射偏振旋转90°，用DMD微光刻系统对其中一片进行叉形光栅图形曝光；
[0031](h)在其中一片玻璃片上喷涂空间粉或放置mylar，然后将两片玻璃片胶合成盒。
[0032]正交PA型:
[0033]前两步和TN/PA型一样，第三步先将两片玻璃片胶合成盒，然后入射偏振旋转90°，用DMD系统对液晶盒曝光进行叉形光栅赋形。
[0034]正交HAN 型:
[0035](a)清洗玻璃片，一片旋涂SDl，一片旋涂垂直取向剂PI，退火处理形成均匀薄膜；
[0036](b)对旋涂SDl的玻璃片进行如TN/PA型(b)_ (C)步骤相同的操作，对旋涂PI的玻璃片进行摩擦取向，摩擦方向与边缘均呈45°夹角。
[0037](c)在其中一片玻璃片上喷涂空间粉或放置mylar，然后将两片玻璃片胶合成盒。
[0038]②依据制盒类型和驱动模式设计优化液晶盒的盒厚参数，选取恰当粒径的间隔子，实现开关速率和衍射效率间的最佳平衡；
[0039]③把做好的液晶盒置于热台上，在液晶的清亮点以上灌入液晶。在偏光显微镜下观察，得到不同取向结构的叉形光栅图案，如图3所示。其中(a)、(b)为TN/PA型，(c)为正交HAN型，(d)为正交PA型。
[0040]④将激光光源、叉形光栅样品、CXD等部件调整好，打开光源，用黑屏接收，可看到涡旋光束的衍射斑分布，如图4所示。用CCD可进一步清晰地观察到涡旋光束的衍射光斑。对液晶盒加电，衍射效率随电压变化，从而实现了涡旋光束开关态的控制。
[0041]⑤用光探测器接收一级衍射斑的光强，测试其随加电大小的变化，得到衍射效率。
[0042]⑥改变入射光源的波长，可得其在不同波段下的衍射效率曲线。
[0043]⑦改变入射光的偏振态，测试其在不同偏振态入射光照射下的衍射效率。
[0044]⑧对其进行光重写叉形光栅图案，并探测其电光特性。
[0045]实施例1:
[0046]本实施例为TN型液晶盒上实现叉形光栅的图案化及涡旋光束衍射光斑的探测。
[0047]数控微镜阵光刻系统组成为:405±10nm蓝光LED光源，通过分束棱镜(尺寸25_X25mm)，均匀照射至DMD (1024X 768个像素，每个像素13.68 μ m，最佳匹配紫外及蓝光波段)，计算机通过CAD软件(构成数控装置)将图像控制信号输至DMD信号输入端；图形经显微物镜(透镜孔径50mm,焦距150mm,数值孔径0.3,工作距离34mm,焦深3 μ m,放大倍率10倍)缩微，样品载物台前5cm处放置亚波长金属线栅偏振片(直径50mm，消光比大于2000:1);聚焦监控组件即实时监控系统中的分束棱镜、CXD成像器件(选用工业紫外可见近红外成像(XD)并通过USB与计算机终端连接；载物台精密位移调节杆行程均为25mm，精度I μ m0
[0048]选择14mmX20mm尺寸的ITO玻璃片，用丙酮或酒精进行超声清洗30分钟，然后再用纯水两次超声清洗10分钟。在120°C烘箱里烘干40分钟后，进行UVO清洗30分钟以增加浸润性和粘附性。将偶氮类光取向材料SD1，旋涂在玻璃片上，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。旋涂完毕后放在热台上以100°C烘干10分钟。
[0049]用蓝光405nm LED透过偏振片垂直曝光(5J/cm2)，在两片上获得均匀的初始取向。然后，将其中一片玻璃片放置在DMD光刻系统的焦平面上。选择需要曝光的叉形光栅图形，用电脑将其输出到DMD表面，并将偏振片的偏振方向调节为与原曝光方向垂直，再次曝光(5J/cm2)。二次曝光的区域的取向方向将与其余区域垂直。
[0050]在其中一片玻璃片上均匀喷涂直径为6μπι的空间粉，然后将两片玻璃片做成液晶盒，在清亮点以上灌入液晶Ε7。自然冷却至室温后，液晶分子将重新取向，两片玻璃片取向层方向相同的区域，液晶分子呈平行取向(PA取向)；取向层方向相互垂直的区域，液晶分子将呈90°扭转向列向(TN取向)。在垂直偏振片的观测下，TN区域呈亮态，PA区域呈暗态，从而实现叉形光栅的图案化，如图3(a)、(b)所示。
[0051]用波长为671nm的激光照射液晶盒叉形光栅图案区域，用黑屏接收衍射斑，得到涡旋光束衍射斑分布，如图4所示。
[0052]实施例2:
[0053]本实施例为正交PA型液晶盒上实现叉形光栅的图案化。
[0054]前面曝光步骤和实施例1相同，不同的是，先把初次曝光的两片玻璃片胶合成盒，再拿到DMD系统中进行二次曝光叉形光栅图案。二次曝光的方向与初次曝光方向垂直。做盒及灌液晶的方法和实施例1相同。此方法下，液晶盒里二次曝光区域和未二次曝光区域液晶分子都呈平行PA取向，但两者取向互相正交。此种液晶分子的排布优势在于，其产生的衍射斑及其衍射效率对入射光偏振无依赖。体现在其显微图像上，为二次曝光有图案区域和没图案区域颜色基本一致，如图3(d)所示。
[0055]实施例3:
[0056]本实施例为正交HAN型液晶盒上实现叉形光栅的图案化并测其涡旋光束衍射斑的在不同偏振态的入射光和不同波长下的衍射效率。改变曝光图案，可实现涡旋光束的可擦写特性。
[0057]对做成液晶盒的其中一片玻璃片的曝光处理和实施例1中相同，对另一片要进行摩擦取向处理。首先对玻璃片的清洗工作和实施例1相同，然后旋涂PI垂直取向剂。需要注意的是，PI垂直取向剂使用前需要提前3?4小时从冰箱中取出，待其恢复到室温后方可打开使用。旋涂参数为低速旋涂6秒，转速300转/分钟，高速旋涂20秒，转速2000转/分钟。旋涂完毕后放在烘箱里先以80°C预烘10分钟，然后将烘箱温度调至250°C烘I小时。固化完成后，关掉烘箱，使其自然降温到室温后，取出玻璃片。切不可骤冷，防止温差过大，使玻璃片碎裂。接着对玻璃片摩擦取向，摩擦方向与玻璃片的直角边都成45°夹角，方便对液晶盒加电后液晶分子朝此方向排列。最后是做盒及灌液晶，方法和实施例1中相同。此方法下，旋涂SDl的一侧，液晶分子沿玻璃片表面排列，但二次曝光图案的区域和没图案的区域液晶分子的排列方向互相垂直；旋涂PI的一侧，液晶分子沿垂直于玻璃片表面排列。整个液晶盒里液晶分子的排列由一侧平行于玻璃片逐渐转变为另一侧垂直于玻璃片。此种液晶分子的排布优势在于，其产生的衍射斑及其衍射效率对入射光偏振无依赖。体现在其显微图像上，为二次曝光有图案区域和没图案区域颜色基本一致，如图3(c)所示。体现在其衍射效率上，为，对其进行不同偏振态的入射光照射，可得到基本一致的衍射效率曲线，如图6(b)所示。而且这种方法下测得的涡旋光束一级衍射斑的衍射效率较高，可达到37%左右。分别改变入射光的波长至532nm和632.8nm，也皆可得到衍射效率高达37%的衍射效率曲线，如图6(a)所示。这意味着，我们可以实现74%的总能量都集中到一级衍射斑的涡旋光束上。对样品进行再次曝光，可得倒置的m=2叉形光栅结构(图5(e))，用CCD探测其正一级衍射斑，可得到拓扑荷数为m=-2的涡旋光束(图5(f))。这表明了，如果用我们的样品进行光镊操作，我们可以同时改变被捕获微粒的旋转角速度和方向。
[0058]实施例4:
[0059]本实施例为在正交HAN型液晶盒里引入双频液晶，实现涡旋光束开关态的快速响应。
[0060]为了实现液晶叉形光栅的快速响应，在HAN型液晶盒里灌入HEF951800-100双频液晶；通过对盒厚参数的优化，选取5 μ m的盒厚。通过测试可得，在15V/80kHz下，开态响应时间为300 μ s ;在15V/lkHz下，关态响应时间为570 μ S。其中，开态响应时间定义为涡旋光束由10%最强亮度到90%最强亮度所需的时间，关态响应时间反之亦然。通过对盒厚和材料的优化，很好地实现了涡旋光束开关态亚毫秒的快速响应。
【权利要求】
1.液晶叉形光栅，其特征是液晶光栅中相邻液晶区域的液晶取向有不同的控制:一是TN/PA型，即液晶的90°扭曲相微区与液晶平行取向的微区交替构成叉形光栅；二是正交PA型，即由液晶的光轴方向为同一区域内均匀平行微区且相邻区域互为正交的微区域交替构成叉形光栅；三是正交HAN型，即由液晶一侧微区取向方向与相互正交的混合取向微区交替构成叉形光栅。
2.液晶叉形光栅的制备方法，其特征是利用光控取向方法控制液晶微区取向，进而控制液晶的指向矢分布制备液晶叉形光栅； 叉形光栅图形曝光及液晶取向:由一套基于数控微镜阵DMD的微投影式光刻系统实现，基于数控微镜阵DMD的微投影式光刻系统由光源、光路准直装置、数控微镜阵DMD、分束棱镜、物镜、CCD、偏振片、精密调节载物台组成；经光路准直装置后的紫外或蓝光束经分束棱镜分束的光束、均匀照射到DMD表面，数控装置输出液晶叉形光栅图形信号控制DMD各像素反射光实现液晶微区的液晶叉形光栅图形的成像；所述光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射至置于载物台上的表面涂有光控取向材料剂导电玻璃片上，控制曝光剂量完成曝光；光控取向材料的取向方向由诱导取向光的偏振决定，便于取向方向的精确控制；按导电玻璃片上叉形光栅图形对液晶微区曝光后对液晶取向；光控取向材料的取向方向由曝光即诱导取向光的偏振决定；光控取向材料有可擦写特性，取向由最后一次曝光的偏振方向决定，利于图案的重构及涡旋光束的改写。
3.根据权利要求2所述的液晶叉形光栅的制备方法，其特征是所用液晶材料可为向列相液晶、双频液晶或铁电液晶。
4.根据权利要求2所述的液晶叉形光栅的制备方法，其特征是液晶盒厚要与液晶性质和取向模式匹配使得相邻区域对e光和ο光的相移之差大于π，盒厚通过选取间隔子或mylar控制，以获得最佳开关比、衍射效率和响应速度；液晶盒为平板电极上下驱动，通过施加电场的调节实现衍射效率的控制，从而控制涡旋光束开关态。
5.根据权利要求2所述的液晶叉形光栅的制备方法，其特征是步骤如下， 1)制备TN/PA型液晶叉形光栅: (a)清洗玻璃片，玻璃片上旋涂光控取向材料SDl，退火处理形成均匀薄膜； (b)对两片玻璃片用线偏光均匀曝光获得沿玻璃片长边方向进行初始取向； (c)入射偏振旋转90°，用DMD微光刻系统对其中一片进行液晶叉形光栅图形曝光； (d)在其中一片玻璃片上喷涂空间粉或放置mylar，然后将两片玻璃片胶合成盒。 2)制备正交PA型液晶叉形光栅: (a)、(b)前两步和TN/PA型一样；(c)先将两片玻璃片胶合成盒，然后入射偏振旋转90° ,用DMD系统对液晶盒曝光进行液晶叉形光棚赋形； 3)制备正交HAN型液晶叉形光栅: Ca)清洗玻璃片，一片旋涂SDl，一片旋涂垂直取向剂PI，退火处理形成均匀薄膜； (b)对旋涂SDl的玻璃片进行如TN/PA型I)中(b)-(c)步骤相同的操作，对旋涂PI的玻璃片进行摩擦取向，摩擦方向与边缘均呈45°夹角； (c)在其中一片玻璃片上喷涂空间粉或放置mylar，然后将两片玻璃片胶合成盒。
6.根据权利要求2所述的液晶叉形光栅的制备方法，其特征是数控微镜阵光刻系统组成为:405±10nm蓝光LED光源，通过分束棱镜(尺寸25mmX25mm)，均匀照射至DMD(1024X768个像素，每个像素13.68 μ m,最佳匹配紫外及蓝光波段)，计算机通过CAD软件(构成数控装置)将图像控制信号输至DMD信号输入端；图形经显微物镜(透镜孔径50_，焦距150mm，数值孔径0.3，工作距离34mm，焦深3 μ m,放大倍率10倍)缩微，样品载物台前5cm处放置亚波长金属线栅偏振片(直径50mm，消光比大于2000:1);聚焦监控组件即实时监控系统中的分束棱镜、CXD成像器件(选用工业紫外可见近红外成像(XD)并通过USB与计算机终端连接；载物台精密位移调节杆行程均为25mm,精度I μ m。
7.根据权利要求2所述的液晶叉形光栅的制备方法，其特征是选择ITO玻璃片，用丙酮或酒精进行超声清洗30分钟，然后再用纯水两次超声清洗10分钟。在120°C烘箱里烘干40分钟后，进行UVO清洗30分钟以增加浸润性和粘附性；将偶氮类光取向材料SDl，旋涂在玻璃片上，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；旋涂完毕后放在热台上以100 C供干10分钟。
8.根据权利要求2所述的液晶叉形光栅的制备方法，其特征是用蓝光405nmLED透过偏振片垂直曝光(5J/cm2)，在两片上获得均匀的初始取向；然后，将其中一片玻璃片放置在DMD光刻系统的焦平面上。选择需要曝光的叉形光栅图形，用电脑将其输出到DMD表面，并将偏振片的偏振方向调节为与原曝光方向垂直，再次曝光(5J/cm2)。二次曝光的区域的取向方向将与其余区域垂直。
9.根据权利要求2-8之一所述叉形液晶光栅在生成涡旋光束中的应用，该叉形液晶光栅能够将普通高斯激光光束转换为涡旋光束，产生的涡旋光可电控开关及进行轨道角动量的实时变更；产生的涡旋光束在量子通讯、量子计算、微粒捕获、光镊、光马达、天文观测领域应用。`
【文档编号】G02B5/18GK103792605SQ201310680172
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】胡伟, 魏冰妍, 明阳, 陆延青, 徐飞 申请人:南京大学