本发明实施例涉及微结构液晶和涡旋光束技术领域，尤其涉及一种涡旋光束探测器及其制备方法。
背景技术：
涡旋光束相较于平面波或高斯光束而言，具有螺旋型的相位分布，中心相位奇点导致暗场，总体呈现空心的环状分布。这一特殊的螺旋波前引入光的轨道角动量，给对光的操控带来全新的自由度。近年来，涡旋光束在光镊、超分辨显微成像、激光加工、光通讯以及量子信息等领域的应用研究层出不穷，正一步步从实验研究走向生产生活中。其中，最引人瞩目的当属基于轨道角动量模式复用的光通讯技术。理论上存在无限多的轨道角动量本征态，使用涡旋光束作为光通讯的媒介，极大拓宽了光通讯容量。
结合波分复用和模分复用，使用涡旋光束作为光通讯的媒介，被认为是下一代光通讯技术的重要策略之一。然而，目前已经报导的涡旋光束的探测器，很难与现有的波分复用光通讯系统相兼容，检测效率面临严重的波长依懒性，难以实现宽波段高效率；同时，对于同时含有多种不同轨道角动量成分的涡旋光束叠加态的探测，常常会存在难以避免的不同轨道角动量之间的串扰，进而影响检测效果，探测容量很有限的问题。此外，绝大部分探测方式都会对被检测的涡旋光束造成破坏性损伤，难以实现在线式监测。
技术实现要素：
本发明提供一种涡旋光束探测器及其制备方法，以解决检测效率对波长的依赖性较严重、对叠加态的涡旋光束探测时，不同轨道角动量之间的串扰以及被检测的模式破坏的问题。
第一方面，本发明实施例提出一种涡旋光束探测器，该涡旋光束探测器包括：
相对设置的第一基板和第二基板；
位于所述第一基板和所述第二基板之间的胆甾相液晶层；
所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成有第一取向膜；所述第一取向膜包括第一取向区域和第二取向区域，所述第一取向区域和第二取向区域的取向膜分子指向矢正交排列；沿第一方向，所述第一取向区域和所述第二取向区域间隔设置，沿垂直所述第一方向的第二方向，所述第一取向区域和所述第二取向区域间隔设置；所述第一取向区域和所述第二取向区域在所述第一取向膜的覆盖区域形成达曼叉形光栅；
所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成有第二取向膜；所述第二取向膜包括第三取向区域和第四取向区域，所述第三取向区域和第四取向区域的取向膜分子指向矢正交排列；沿第一方向，所述第三取向区域和所述第四取向区域间隔设置，沿垂直所述第一方向的第二方向，所述第三取向区域和所述第四取向区域间隔设置；所述第三取向区域和所述第四取向区域在所述第二取向膜的覆盖区域形成达曼叉形光栅；
并且，所述第一取向区域在所述第二基板所在平面上的垂直投影与所述第三取向区域完全重合，所述第二取向区域在所述第二基板所在平面上的垂直投影与所述第四取向区域完全重合。
可选的，第一取向膜和所述第二取向膜的材料包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种。
可选的，所述光致顺反异构材料包括偶氮类光控取向材料sd1。
可选的，所述光束探测器还包括位于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板，形成所述胆甾相液晶层的填充空间；
其中，沿垂直所述第一基板和第二基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度大于或者等于所述胆甾相液晶层中液晶分子螺距的10倍。
可选的，所述间隔粒子位于所述第一基板和所述第二基板的边界。
可选的，所述间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种。
第二方面，本发明实施例提出一种涡旋光束探测器的制备方法，用于制备第一方面提出的涡旋光束探测器，该制备方法包括：
提供第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板相对设置；
在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向膜，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向膜；其中，所述第一取向膜包括第一取向区域和第二取向区域，所述第一取向区域和第二取向区域的取向膜分子指向矢正交排列；所述第二取向膜包括第三取向区域和第四取向区域，所述第三取向区域和第四取向区域的取向膜分子指向矢正交排列；沿第一方向，所述第一取向区域和第二取向区域间隔设置，所述第三取向区域和所述第四取向区域间隔设置；沿垂直所述第一方向的第二方向，所述第一取向区域和所述第二取向区域间隔，所述第三取向区域和所述第四取向区域间隔设置；所述第一取向区域和所述第二取向区域在所述第一取向膜的覆盖区域形成达曼叉形光栅，所述第三取向区域和所述第四取向区域在所述第二取向膜的覆盖区域形成达曼叉形光栅；并且，所述第一取向区域在所述第二基板所在平面上的垂直投影与所述第三取向区域完全重合，所述第二取向区域在所述第二基板所在平面上的垂直投影与所述第四取向区域完全重合；
在所述第一基板和所述第二基板之间制备胆甾相液晶层。
可选的，在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向膜，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向膜，包括：
将取向材料旋涂在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧以及所述第二基板靠近所述第一基板的一侧；
对旋涂有所述取向材料的第一基板和第二基板进行退火，分别在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向膜，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向膜。
可选的，在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向膜，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向膜之后，还包括：
在所述第一基板和所述第二基板之间形成间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板，形成所述胆甾相液晶层的填充空间；
对所述第一基板和所述第二基板进行封装，形成液晶盒。
可选的，在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向膜，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向膜，包括：
在所述第一取向膜和所述第二取向膜所在区域进行紫外光曝光处理，其中，所述紫外光的偏振方向为第一偏振方向；
使用达曼叉形光栅掩膜版对所述第一取向膜和所述第二取向膜进行掩模处理，并使用第二偏振方向的偏振光对所述第一取向膜和所述第二取向膜所在区域进行二次曝光处理；
其中，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直。
本发明实施例提供的涡旋光束探测器，通过相对设置的第一基板和第二基板上形成有取向膜，控制位于第一基板和第二基板之间的胆甾相液晶的螺旋结构在相邻区域扭曲90度排列，构成一个基于胆甾相液晶的二维达曼叉形光栅，利用胆甾相液晶对入射光半透半反的性质，当入射光为涡旋光时，若波长在胆甾相液晶的布拉格反射带内：与胆甾相液晶旋性相同的圆偏振入射涡旋光被反射，并在相应的衍射级次还原为高斯光束，据此可判断入射涡旋光携带的轨道角动量大小；与胆甾相液晶旋性相反的圆偏振入射涡旋光直接投射，模式保持不变。当入射光为叠加态的涡旋光时，经反射衍射，不同的轨道角动量会分别在不同的衍射级次上还原为高斯模式，其分布在空间上是分离的，从而避免了多种角动量成分之间的串扰，从而增加了轨道角动量的探测范围和容量。由此，本发明实施例提供的涡旋光束探测器可实现宽波段高效率探测，解决了检测效率对波长的依赖性较严重的问题，同时可避免对叠加态的涡旋光束探测时，不同轨道角动量之间的串扰的问题，同时实现了在线式无损检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测器的立体结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测器y-z侧面结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的涡旋光束探测器的第一基板的一种区域分布示意图；
图4是图3中叉形光栅的等效示意图；
图5是本发明实施例一提供的一种胆甾相液晶的透过率光谱示意图；
图6是基于本发明提供的涡旋光束探测器的一种涡旋光束探测装置的结构示意图；
图7是本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测结果示意图；
图8是本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测原理示意图；
图9是本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测结果示意图；
图10是本发明实施例一提供的另一种涡旋光束探测结果示意图；
图11是本发明实施例一提供的又一种涡旋光束探测结果示意图；
图12是本发明实施例二提供的一种涡旋光束探测器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测器的立体结构示意图，图2为本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测器y-z侧面结构示意图。参见图1和图2，该涡旋光束探测器包括：
相对设置的第一基板110和第二基板120；位于第一基板110和第二基板120之间的胆甾相液晶层130；第一基板110靠近第二基板120的一侧形成有第一取向膜140；第一取向膜140包括第一取向区域111和第二取向区域112，第一取向区域111和第二取向区域112的取向膜分子指向矢正交排列；沿第一方向(图1中x方向)，第一取向区域111和第二取向区域112间隔设置，沿垂直第一方向(图1中x方向)的第二方向(图1中y方向)，第一取向区域111和第二取向区域112间隔设置；第一取向区域111和第二取向区域112在第一取向膜140的覆盖区域形成达曼叉形光栅；第二基板120靠近第一基板110的一侧形成有第二取向膜150；第二取向膜150包括第三取向区域121和第四取向区域122，第三取向区域121和第四取向区域122的取向膜分子指向矢正交排列；沿第一方向(图1中x方向)，第三取向区域121和第四取向区域122间隔设置，沿垂直第一方向(图1中x方向)的第二方向(图1中y方向)，第三取向区域121和第四取向区域122间隔设置；第三取向区域121和第四取向区域122在第二取向膜150的覆盖区域形成达曼叉形光栅；并且，第一取向区域111在第二基板120所在平面上的垂直投影与第三取向区域121完全重合，第二取向区域112在第二基板120所在平面上的垂直投影与第四取向区域122完全重合。
其中，胆甾相液晶层130在第一取向膜140和第二取向膜150的控制下，其螺旋结构在相邻区域扭曲90°排列，构成一个基于胆甾相液晶分子的二维达曼叉形光栅。
示例性的，继续参见图1，位于第一取向区域111和第三取向区域121之间的胆甾相液晶层130，在第一基板110和第二基板120上，胆甾相液晶分子的取向平行于第一取向膜140和第二取向膜150的取向膜分子指向矢，即平行于第一方向(图1中x方向)。位于第二取向区域112和第四取向区域122之间的胆甾相液晶层130，在第一基板110和第二基板120上，胆甾相液晶分子的取向同样平行于第一取向膜140和第二取向膜150的取向膜分子指向矢，即平行于第二方向(图1中y方向)。由于第二方向垂直于第一方向，由此胆甾相液晶分子也相互垂直，从而构成达曼叉形光栅。
需要说明的是，图1中仅示例性的示出了一种第一取向区域、第二取向区域、第三取向区域以及第四取向区域的长度和宽度的设置，但并非对本发明的限制。在其他实施方式中，可根据探测需求设置其长度和宽度，确保第一取向区域在第二基板所在平面上的垂直投影与第三取向区域完全重合，第二取向区域在第二基板所在平面上的垂直投影与第四取向区域完全重合即可。同时，图2中仅示例性的示出了第一取向区域和第二取向区域间隔设置，第三取向区域和第四取向区域间隔设置，并未示出叉形光栅的构成，叉形光栅的构成可参见图3和图4。
其中，达曼叉形光栅可以看作是达曼光栅和叉形光栅组合形成的复合光栅，从而可实现光束，尤其是涡旋光束的高衍射效率探测。
示例性的，图3是本发明实施例一提供的涡旋光束探测器的第一基板的一种区域分布示意图，图4是图3中叉形光栅的等效示意图。图3和图4也可以看做是图1在x-y面的结构示意图，参见图3和图4，第一基板110靠近第二基板120的一侧形成有第一取向膜140；第一取向膜140包括第一取向区域111和第二取向区域112，第一取向区域111和第二取向区域112的取向膜分子指向矢正交排列；沿第一方向(图3中x方向)，第一取向区域111和第二取向区域112间隔设置形成多个第一取向组11，沿垂直第一方向(图3中x方向)的第二方向(图3中y方向)，第一取向区域111和第二取向区域112间隔设置形成多个第二取向组13；在第一取向膜140覆盖的区域，至少一组第一取向组11分叉形成至少两组沿第二方向(图3中y方向)排列的第一取向分组12，每组第一取向分组12包括第一取向分区域1111和第二取向分区域1122，第一取向分区域1111和第二取向分区域1122沿第一方向(图3中x方向)间隔设置；和/或，至少一组第二取向组13分叉形成至少两组沿第一方向(图3中x方向)排列的第二取向分组14，每组第二取向分组14包括第三取向分区域1113和第四取向分区域1124，第三取向分区域1113和第四取向分区域1124沿第二方向(图3中y方向)间隔设置；同时，第二基板靠近第一基板的一侧形成有第二取向膜；第二取向膜包括第三取向区域和第四取向区域，第三取向区域和第四取向区域的取向膜分子指向矢正交排列；沿第一方向，第三取向区域和第四取向区域间隔设置形成多个第三取向组，沿垂直第一方向的第二方向，第三取向区域和第四取向区域间隔设置形成多个第四取向组；在第二取向膜覆盖区域，至少一组第三取向组分叉形成至少两组沿第二方向排列的第三取向分组，每组第三取向分组包括第五取向分区域和第六取向分区域，第五取向分区域和第六取向分区域沿第一方向间隔设置；和/或，至少一组第四取向组分叉形成至少两组沿第二方向排列的第四取向分组，每组第四取向分组包括第七取向分区域和第八取向分区域，第七取向分区域和第八取向分区域沿第二方向间隔设置；并且，第一取向组在第二基板所在平面上的垂直投影与第三取向组完全重合，第二取向组在第二基板所在平面上的垂直投影与第四取向组完全重合，第一取向分组在第二基板所在平面上的垂直投影与第三取向组完全重合，第二取向分组在第二基板所在平面上的垂直投影与第四取向组分完全重合。
需要说明的是，图4中仅示例性的示出了叉形光栅的边界及第一取向组、第二取向组、第一取向分组和第二取向分组的划分，并未示出第一取向膜上其他各区域的划分细节。同时，第一取向膜和第二取向膜的区域划分完全对应一致，未另外示出第二基板的区域划分情况。此外，图3和图4中仅示例性的示出了1个沿第二方向(图3中y方向)的叉形光栅(叉形个数为1)，1个沿第一方向(图3中x方向)的叉形光栅(叉形个数为3)，但并非对本发明提供的探测器的限制。达曼光栅一个周期内位相转变点的数量和位置(参见图1和图3中，第一取向区域和第二取向区域边界的数量和位置)会影响衍射光斑阵列的分布，不同的衍射能级对应不同的参数设置；叉形光栅的叉形的数量决定衍射的涡旋光束的轨道角动量在空间的分布情况，即圆环状光斑在空间的分布情况(可参照图7)。在其他实施方式中，可根据光束探测需求设计叉形光栅的个数、交叉角度及每个叉形光栅中叉形的个数。
示例性的，图5是本发明实施例一提供的一种胆甾相液晶的透过率光谱示意图。参见图5，横坐标代表入射光的波长(λ)，单位为纳米(nm)；纵坐标代表光透过率(t)，曲线210代表波长λ的取值范围为450nm-750nm范围内，胆甾相液晶的光透过率t曲线。由图5可以看出，在525nm-641nm范围内，胆甾相液晶的透过率为50％，不考虑胆甾相液晶对光的吸收，可认为胆甾相液晶的光反射率也是50％。本发明实施例一提供的光束探测器基于上述胆甾相液晶半透半反的性质，实现对光束的无损探测。
需要说明的是，图5中仅示例性的示出了一种胆甾相液晶的透过率光谱示意图，但并非对本发明采用的胆甾相液晶材料的限制。在其他实施方式中，可根据实际需求选择胆甾相液晶材料。
本发明实施例一提供的涡旋光束探测器，通过在相对设置的第一基板和第二基板邻近液晶层的一侧形成有取向膜，并控制取向膜形成达曼叉形光栅，以控制位于第一基板和第二基板支架的胆甾相液晶层形成二维达曼叉形光栅，利用胆甾相液晶半透半反的光透过率性质及圆偏振选择性的布拉格反射作用。第一方面，当入射光为平面波或高斯光束(即轨道角动量取值为0的涡旋光束)时，若入射光波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的部分圆偏振入射光会被反射，并且衍射出等能量分布的涡旋光束阵列，不同衍射级次涡旋光束的轨道角动量大小不同；与胆甾相液晶的旋性相反的另一部分圆偏振入射光会直接透射，模式不变，不发生衍射，即在整个胆甾相液晶的布拉格反射带内实现宽波段高衍射效率且衍射效率相同。第二方面，当入射光为涡旋光束(即轨道角动量取值为非0的涡旋光束)时，若其波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的部分圆偏振入射涡旋光会被反射，并且在相应衍射级次被还原为高斯光束，据此可判断其携带的轨道角动量大小；与胆甾相液晶的旋性相反的另一部分圆偏振入射涡旋光会直接透射，模式保持不变，是一种无损的探测方式，可实现在线式的涡旋光束探测、路由与解复用。第三方面，当入射涡旋光束为叠加态时，即同时含有多个不同的轨道角动量成分，经反射衍射，不同的轨道角动量会分别在不同的衍射级次上被还原为高斯模式，空间上是分离的，从而避免了多种轨道角动量成分之间的串扰，可大大拓宽轨道角动量的探测范围和容量。
示例性的，图6是基于本发明提供的涡旋光束探测器的一种涡旋光束探测装置的结构示意图。参见图6，该涡旋光束探测装置包括：
沿z方向(与图1中z方向同向，表示垂直于第二基板表面所在平面或第一基板所在平面的方向)依次设置的激光光源310、偏振片320、第一四分之一波片331、涡旋光束产生器340、第二四分之一波片332、分束棱镜350、涡旋光束探测器360、四分之一波片370、第二相机382以及位于与z方向的垂直方向(图6中y方向，图6与图1中y方向同向)且平行于分束棱镜350的另两个出光面方向的第一相机381和黑屏390。
其中，激光光源310用于产生激光光束，图6中示例性的以箭头方向代表光束的传播方向。偏振片320用于将激光光源310产生的激光光束变为线偏振光，第一四分之一波片331用于将线偏振光束变为圆偏振光，经过涡旋光束产生器340(示例性的，可为q波片)产生圆偏振的涡旋光束，再经过第二四分之一波片332变为线偏振的涡旋光束。此线偏振的涡旋光束经过分束棱镜350，一半被反射，被第一相机381拍摄，由于分束棱镜350的反射光束和透射光束所携带的信息完全一致，同时，分束棱镜350的透射光束即为入射到涡旋光束探测器360的入射光，因此，可通过第一相机381拍摄分束棱镜350的反射光束来示出涡旋光束探测器360的入射光束；另一半直接透过分束棱镜350，照射到涡旋光束探测器360上。当照射在涡旋光束探测器360上的入射光的波长落在胆甾相液晶材料的布拉格反射带内时，由于胆甾相液晶的圆偏振选择性的布拉格反射作用，与胆甾相液晶的旋性相同的圆偏振成分被反射并与入射光发生衍射，经分束棱镜350照射到黑屏390上，形成衍射光斑；与胆甾相液晶的旋性相反的圆偏振成分直接透过，不发生衍射，即光束模式保持不变，被第二相机382拍摄，可视为透射光束。
当不设置涡旋光束产生器340，即入射涡旋光束探测器360的光为激光本身的基模高斯模式时，若入射光波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的圆偏振入射光会被反射，并且衍射出等能量分布的涡旋光束阵列，呈现于黑屏390上，不同衍射级次涡旋光束的轨道角动量大小不同；与胆甾相液晶的旋性相反的圆偏振入射光会直接透过，模式不变，不发生衍射，被第二相机382拍摄。
示例性的，图7是本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测结果示意图。图7示出了高斯光束(轨道角动量取值为0的涡旋光束)的反射衍射图，参见图7，衍射出的等能量分布的涡旋光束阵列所携带的轨道角动量大小被相应的标示出，中心的实心光斑为0级光斑。其中，圆环光束的直径越大代表涡旋光束携带的轨道角动量越大；正数代表波前的涡旋方向是顺时针方向，负数代表波前的涡旋方向是逆时针方向。示例性的，本发明实施例一提供的涡旋光束探测器可探测的入射光的波长可包括532nm(绿)、580nm(黄)、600nm(橙)和633nm(红)，但并非对本发明提供的涡旋光束探测器的限定，只要入射到光涡旋束探测器的高斯光束的波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带范围内，均可发生半透半反，反射衍射出等能量分布的涡旋光束阵列，在整个胆甾相液晶的布拉格反射带内效率相同，实现宽波段高衍射效率且衍射效率相等。
需要说明的是，本发明实施例一仅示例性的示出了可见光波长范围的探测，但并非对本发明提供的涡旋光束探测器的限定，在其他实施方式中，根据实际需求，可以通过改变胆甾相液晶的螺距，从而改变胆甾相液晶布拉格发射带的波长范围，使本发明提供的涡旋光束探测器适用于通讯(近红外)及更长的波长范围。
示例性的，图8是本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测原理示意图。结合图6和图8，410示出的图案代表第一相机381拍摄到的光束，即入射到涡旋光束探测器360的入射光束，420示出的图案代表第二相机382拍摄到的光束，即由涡旋光束探测器360透射的光束，430示出的图案代表黑屏390呈现的光斑阵列，即由涡旋光束探测器360反射的光束。如图8所示，入射涡旋光束携带的轨道角动量为+1，当其入射到涡旋光束探测器360时，其波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的部分圆偏振入射涡旋光会被反射，并且在相应衍射级次(-1)被还原为高斯光束(中心变亮，空心圆环状光斑变为实心圆点状光斑)，据此可判断入射涡旋光束携带的轨道角动量大小；与胆甾相液晶的旋性相反的另一部分圆偏振入射涡旋光会直接透过，模式保持不变。
需要说明的是，直接透过的涡旋光束(图8中420示出)与入射涡旋光束(图8中410示出)模式保持一致，但总体强度衰减。
示例性的，图9是本发明实施例一提供的一种涡旋光束探测结果示意图。结合图6和图9，411示出的图案代表第一相机381拍摄到的光束，即入射到涡旋光束探测器360的入射光束，421示出的图案代表第二相机382拍摄到的光束，即由涡旋光束探测器360透射的光束，431示出的图案代表黑屏390呈现的光斑阵列，即由涡旋光束探测器360反射的光束。如图9所示，透射涡旋光束421与入射涡旋光束411的模式保持一致，总体强度衰减；反射检测图案431中，衍射图案中轨道角动量为-1的位置被还原为高斯模式，中心变亮，即表示入射的涡旋光束所携带的轨道角动量为+1。
示例性的，图10是本发明实施例一提供的另一种涡旋光束探测结果示意图。结合图6和图10，412示出的图案代表第一相机381拍摄到的光束，即入射到涡旋光束探测器360的入射光束，422示出的图案代表第二相机382拍摄到的光束，即由涡旋光束探测器360透射的光束，432示出的图案代表黑屏390呈现的光斑阵列，即由涡旋光束探测器360反射的光束。如图10所示，透射涡旋光束422与入射涡旋光束412的模式保持一致，总体强度衰减；反射检测图案432中，衍射图案中轨道角动量为+2的位置被还原为高斯模式，中心变亮，即表示入射的涡旋光束所携带的轨道角动量为-2。
示例性的，图11是本发明实施例一提供的又一种涡旋光束探测结果示意图。结合图6和图11，413示出的图案代表第一相机381拍摄到的光束，即入射到涡旋光束探测器360的入射光束，423示出的图案代表第二相机382拍摄到的光束，即由涡旋光束探测器360透射的光束，433示出的图案代表黑屏390呈现的光斑阵列，即由涡旋光束探测器360反射的光束。如图11所示，透射涡旋光束423与入射涡旋光束413的模式保持一致，总体强度衰减；反射检测图案433中，衍射图案中轨道角动量为-1和-3的位置被还原为高斯模式，中心变亮，即表示入射的涡旋光束所携带的轨道角动量为+1和+3，即入射光束为叠加态的涡旋光束。从而，当入射的涡旋光为叠加态时，即同时含有多个不同的轨道角动量成分，经反射衍射，不同的轨道角动量会分别在不同的衍射级次上被还原为高斯模式，空间上是分离的，从而避免了多种轨道角动量成分之间的串扰，可大大拓宽轨道角动量的探测范围和容量。
可选的，继续参见图2，第一取向膜140和第二取向膜150的材料包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种。
其中，第一取向膜140和第二取向膜150为光控取向材料，用于在紫外线偏振光照射下发生物理或化学反应，产生各向异性的表面作用力，进而诱导液晶分子定向排列。
需要说明的是，本发明实施例仅示例性的示出了上述三种取向膜材料，但并非对本发明的限定，在其他实施方式中，可根据探测需求，可以采用其他的光控取向材料，实现对液晶分子取向的控制。
可选的，光致顺反异构材料包括偶氮类光控取向材料sd1。
可选的，继续参见图2，光束探测器还包括位于第一基板110和第二基板120之间的间隔粒子160，间隔粒子160用于支撑第一基板110和第二基板120，形成胆甾相液晶层130的填充空间；其中，沿垂直第一基板110和第二基板120的方向(图2中z方向)，间隔粒子160的延伸长度大于或者等于胆甾相液晶层130中液晶分子螺距的10倍。从而，使得液晶盒的厚度达到胆甾相液晶发生圆偏振选择性布拉格反射的条件。
需要说明的是，图2中仅示例性的示出了涡旋光束探测器中第一基板、第二基板、液晶层和间隔粒子的位置关系(即结构特征)，其尺寸(尤其是间隔粒子的延伸长度)并不代表涡旋光束探测器的实际大小。
可选的，间隔粒子160位于第一基板110和第二基板120的边界。
由此，减少间隔粒子160对胆甾相液晶层130中胆甾相液晶分子的取向的影响。
可选的，间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种。
本发明实施例一提供的涡旋光束探测器，通过在相对设置的第一基板和第二基板邻近液晶层的一侧形成有取向膜，并控制取向膜形成达曼叉形光栅，以控制位于第一基板和第二基板支架的胆甾相液晶层形成二维达曼叉形光栅，利用胆甾相液晶半透半反的光透过率性质及圆偏振选择性的布拉格反射作用。第一方面，当入射光为平面波或高斯光束(即轨道角动量取值为0的涡旋光束)时，若入射光波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的部分圆偏振入射光会被反射，并且衍射出等能量分布的涡旋光束阵列，不同衍射级次涡旋光束的轨道角动量大小不同；与胆甾相液晶的旋性相反的另一部分圆偏振入射光会直接透射，模式不变，不发生衍射，即在整个胆甾相液晶的布拉格反射带内实现宽波段高衍射效率且衍射效率相同。第二方面，当入射光为涡旋光束(即轨道角动量取值为非0的涡旋光束)时，若其波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的部分圆偏振入射涡旋光会被反射，并且在相应衍射级次被还原为高斯光束，据此可判断其携带的轨道角动量大小；与胆甾相液晶的旋性相反的另一部分圆偏振入射涡旋光会直接透射，模式保持不变，是一种无损的探测方式，可实现在线式的涡旋光束探测、路由与解复用。第三方面，当入射涡旋光束为叠加态时，即同时含有多个不同的轨道角动量成分，经反射衍射，不同的轨道角动量会分别在不同的衍射级次上被还原为高斯模式，空间上是分离的，从而避免了多种轨道角动量成分之间的串扰，可大大拓宽轨道角动量的探测范围和容量。
实施例二
图12是本发明实施例二提供的一种涡旋光束探测器的制备方法的流程示意图，用于制备上述实施例一提供的涡旋光束探测器，参见图12，该制备方法包括：
s510、提供第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板相对设置。
其中，第一基板和第二基板可采用光透过率较高(大于或等于85％)的柔性基板或刚性基板。
示例性的，第一基板和第二基板材料可包括石英玻璃或普通玻璃，基板的厚度可为1-2毫米(mm)。
s520、在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向膜，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向膜。
其中，第一取向膜包括第一取向区域和第二取向区域，第一取向区域和第二取向区域的取向膜分子指向矢正交排列；第二取向膜包括第三取向区域和第四取向区域，第三取向区域和第四取向区域的取向膜分子指向矢正交排列；沿第一方向，第一取向区域和第二取向区域间隔设置，第三取向区域和第四取向区域间隔设置；沿垂直第一方向的第二方向，第一取向区域和第二取向区域间隔，第三取向区域和第四取向区域间隔设置；第一取向区域和第二取向区域在第一取向膜的覆盖区域形成达曼叉形光栅，第三取向区域和第四取向区域在第二取向膜的覆盖区域形成达曼叉形光栅；并且，第一取向区域在第二基板所在平面上的垂直投影与第三取向区域完全重合，第二取向区域在第二基板所在平面上的垂直投影与第四取向区域完全重合。
可选的，第一取向膜和第二取向膜的厚度可为30nm-50nm。
s530、在所述第一基板和所述第二基板之间制备胆甾相液晶层。
其中，在第一取向膜和第二取向膜的控制下，胆甾相液晶的螺旋结构在相邻区域扭曲90度排列，形成基于胆甾相液晶的二维达曼叉形光栅。
同时，可通过所述胆甾相液晶层中混配的手性剂的含量来调节所述胆甾相液晶层的螺距。
可选的，步骤s520包括：
将取向材料旋涂在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧以及所述第二基板靠近所述第一基板的一侧；对旋涂有所述取向材料的第一基板和第二基板进行退火，分别在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向膜，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向膜。
其中，取向材料在旋涂到所述第一基板靠近所述第二基板的一侧以及所述第二基板靠近所述第一基板的一侧时，取向材料是溶解在某种溶剂中，退火可使溶剂蒸发，形成取向材料薄膜。
示例性的，退火工艺可包括：退火氛围为空气中，退火温度为80-120℃，退火时间为8-12分钟。
示例性的，旋涂工艺可包括：首先调节转速为600-900转/分钟，控制第一旋涂时间为5-10秒，使取向材料在被旋涂的基板表面分布均匀；而后调节转速至2500-3500转/分钟，控制第二旋涂时间为30-50秒，使取向材料涂开。
需要说明的是，上述转速及旋涂时间仅为示例性的说明，在其他实施方式中，可根据实际需求调节转速及旋涂时间，使得取向膜可控制胆甾相液晶分子取向即可。
可选的，在步骤s520之后，在步骤s530之前，还包括：
在所述第一基板和所述第二基板之间形成间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板，形成所述胆甾相液晶层的填充空间；对所述第一基板和所述第二基板进行封装，形成液晶盒。
其中，封装可包括用封装胶涂在第一基板和第二基板的四周。
可选的，步骤s520还包括：
在所述第一取向膜和所述第二取向膜所在区域进行紫外光曝光处理，其中，所述紫外光的偏振方向为第一偏振方向；使用达曼叉形光栅掩膜版对所述第一取向膜和所述第二取向膜进行掩模处理，并使用第二偏振方向的偏振光对所述第一取向膜和所述第二取向膜所在区域进行二次曝光处理；其中，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直。
其中，第一取向膜和第二取向膜的取向膜分子指向矢可通过诱导光的偏振方向进行设定，通过上述两步曝光法，形成达曼叉形光栅。
需要说明的是，采用上述先封装后曝光的顺序可保证第一取向膜和第二取向膜的光栅图案完全对应一致。
本发明实施例二提供的涡旋光束探测器的制备方法，可通过采用不同种类的胆甾相液晶和设计不同图案的达曼叉形光栅结构实现涡旋光束探测器的制备。同时，通过在相对设置的第一基板和第二基板邻近液晶层的一侧形成有取向膜，并控制取向膜形成达曼叉形光栅，以控制位于第一基板和第二基板支架的胆甾相液晶层形成二维达曼叉形光栅，利用胆甾相液晶半透半反的光透过率性质及圆偏振选择性的布拉格反射作用。第一方面，当入射光为平面波或高斯光束(即轨道角动量取值为0的涡旋光束)时，若入射光波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的部分圆偏振入射光会被反射，并且衍射出等能量分布的涡旋光束阵列，不同衍射级次涡旋光束的轨道角动量大小不同；与胆甾相液晶的旋性相反的另一部分圆偏振入射光会直接透射，模式不变，不发生衍射，即在整个胆甾相液晶的布拉格反射带内实现宽波段高衍射效率且衍射效率相同。第二方面，当入射光为涡旋光束(即轨道角动量取值为非0的涡旋光束)时，若其波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的部分圆偏振入射涡旋光会被反射，并且在相应衍射级次被还原为高斯光束，据此可判断其携带的轨道角动量大小；与胆甾相液晶的旋性相反的另一部分圆偏振入射涡旋光会直接透射，模式保持不变，是一种无损的探测方式，可实现在线式的涡旋光束探测、路由与解复用。第三方面，当入射涡旋光束为叠加态时，即同时含有多个不同的轨道角动量成分，经反射衍射，不同的轨道角动量会分别在不同的衍射级次上被还原为高斯模式，空间上是分离的，从而避免了多种轨道角动量成分之间的串扰，可大大拓宽轨道角动量的探测范围和容量。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。