一种涡旋波片的制作方法

1.本发明涉及一种涡旋波片，尤其涉及一种能够在宽波段实现消色差的涡旋波片。


背景技术：

2.光的角动量可以分解为两种：与偏振相关的自旋角动量和与相位分布有关的轨道角动量。与自旋角动量不同，具有轨道角动量的光束含有螺旋型的相位波前，称之为涡旋光束。相较于平面波或高斯光束而言，涡旋光束中心存在相位奇点，强度呈现空心的环状分布。这一独特的螺旋波前赋予了光的轨道角动量，给对光的操控和调制带来全新的自由度。由于涡旋光束理论上可以提供无数个独立的信道，其目前已经成为模分复用中一个有潜力的信息载体，并且涡旋光束在与物质相互作用时可以传递更多的动量，在光镊和粒子控制领域也表现出巨大的应用前景，目前常用的产生涡旋光束的器件和方法有螺旋相位板、模式转换法、计算全息法和涡旋波片等，但没有一种方法能够产生在宽波段上，限制了涡旋光束在诸如光通信等领域的发展。
3.波片是一种用于改变光束相位的偏振光学器件，也称作相位延迟片。光束的偏振态是由其正交振动分量的振幅比和它们之间的相位延迟决定的，改变这两个值就能改变光束的偏振属性，所以波片常常用来改变光束的偏振态。波片将入射光分解成两个振动方向，代表了两个主轴方向，平行于光轴和垂直于光轴，每个方向的波速不同，波速快的方向叫做快轴，波速慢的方向叫做慢轴，这也是产生相位延迟的原因，波片通常按其相位延迟的大小划分，分为零级波片，四分之一波片和半波片。在此基础上，涡旋波片是一种光轴方向沿角向呈周期性渐变的半波片，其光轴方向满足关系式其中，是方位角，q是与拓扑荷数有关的一项系数，反映了快轴方向随方位角变化的快慢，α0是极轴上光轴的方向。在涡旋波片的中心，由于光轴方向无法定义，存在拓扑缺陷。对于圆偏振平面波入射涡旋波片，与普通半波片相同的是，会将其转化为相反手性的圆偏振态，不同的是会引入
±
2α的几何相位，也就是说出射光为涡旋光束且波前螺旋方向可由入射光偏振控制。对于线偏振平面波入射，其出射光束可以看作是相反手性的圆偏振涡旋光束的叠加，形成偏振态成特定空间分布的矢量光束。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种能够在宽波段实现相位补偿、在一定范围内消除色差的涡旋波片。
5.技术方案：本发明是一种能够在一定范围内消除色差的涡旋波片，包括光控取向膜和旋涂于其上表面的液晶聚合物薄膜，所述液晶聚合物薄膜包括n层不同厚度和扭曲角度的扭曲液晶层，所述扭曲液晶层后一层底部的液晶分子由前一层上部分子取向，每层扭曲液晶层最底部液晶分子指向与最上部液晶分子指向之间存在扭曲角度，n层所述扭曲液晶层形成一个光轴在横向围绕中心连续变化在纵向连续旋转的有机整体。
6.进一步地，所述光控取向膜通过外部偏振光照射控制取向分子方向，并通过分子
间作用力传递给邻近的底层扭曲液晶层最下层的液晶分子，对底层液晶分子进行取向。
7.进一步地，所述n层扭曲液晶层包括n个扭曲角度、n个厚度，共2n个结构参数，通过构造评价函数计算2n个结构参数的最优解。
8.进一步地，通过向所述扭曲液晶层添加不同浓度的手性剂到每一层对应的液晶聚合物溶液中以调整旋涂后对应的扭曲角度。
9.进一步地，所述液晶聚合物薄膜中下一层扭曲液晶层上部的液晶分子和上一层底部的液晶分之间存在分子间作用力，两层之间通过分子间的引力固定。
10.有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：克服了传统涡旋波片波长应用范围短、能量转换效率在中心波长处沿两侧急剧下降的弊端，可提供宽波段的相位补偿效果，从而在一定范围内消除色差，而且厚度只有微米量级，作为一个独立的光学器件相较于多个器件的方式能量转换效率更高。
附图说明
11.图1为多层扭曲液晶层的侧视图；
12.图2为双层扭曲液晶层的侧视图；
13.图3为双层扭曲液晶层的俯视图；
14.图4为评价函数构造方法流程图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
16.如图1所示，本发明是一种能够在宽波段实现相位补偿、从而在一定范围内消除色差的涡旋波片，是一个独立的平面光学器件，只有毫米级别，在实际制备工艺中选择在基板3上放置光控取向膜1，基板3起到一个支撑作用，将液晶聚合物薄膜2旋涂于光控取向膜1上，液晶聚合物薄膜2包括n个厚度不同的扭曲液晶层4自下而上排列，所述每一层扭曲液晶层4的最底部分子指向和最上部分子指向之间存在扭曲角度，而且后一层底部的液晶分子由前一层上部分子取向，从整体上看会发现所述液晶聚合物薄膜2内部液晶分子指向即光轴在横向围绕中心连续变化在纵向连续旋转。
17.所述n层扭曲液晶层4包括n个扭曲角phi，n个厚度d，共计2n个结构参数，如图4所示，通过构造评价函数计算2n个结构参数的最优解。
18.涡旋波片本质上是一个将入射圆偏振态转化为正交圆偏振态的半波片，所以消色差涡旋波片的设计可以简化为消色差波片(圆偏振态-正交圆偏振态)最优结构的设计，降低复杂度。穆勒矩阵是描述介质偏振属性即介质对光的响应的一种数学方法，每一个扭曲液晶层4有独自的厚度d和扭曲角phi，两者对应一个穆勒矩阵，n层穆勒矩阵依次相乘得到液晶聚合物薄膜2的穆勒矩阵m。假设入射光偏振态为s
in
，则出射光偏振态为so＝m*s
in
，假设目标偏振态为s
t
，通过建立评价函数来评价出射光实际偏振态so和目标偏振态s
t
的差异程度，当so＝s
t
时，|so*s
t
|＝1，f＝0，故f越接近0，实际偏振态和目标偏振态越接近，所以只需借助计算机解出f＝0的最优解或者f的最小值点就可以得出最优结构参数。涡旋波片对底层光轴方向无要求，所以只需将消色差波片底层分子指向角设为任一值，并将入射光偏振态和出射光偏振态设为一对正交的圆偏振态，即可找到最优的结构参数。
19.根据计算出的结构参数对扭曲液晶层4每一层的扭曲角和厚度进行设置，添加不同浓度的手性剂到每一层扭曲液晶层4对应的液晶聚合物溶液中以调整旋涂后对应的扭曲角，以双层(n＝2)的扭曲液晶层为例说明，对于设定的q＝0.5的涡旋波片，如图2所示是计算出来的双层扭曲液晶层最优结构的侧视图，从下到上依次是基板3、放置其上的光控取向膜1和两层扭曲液晶层4，从图中可以看出两层扭曲液晶层的扭曲方向相反呈镜像对称，每层扭曲角度在70
°
左右，如图3所示是双层扭曲液晶层的俯视图，实线长方形表示底层液晶指向即光轴，虚线长方形表示上层的液晶光轴，由于扭曲角度的存在，整体光轴在连续旋转。由此类推，随着扭曲液晶层4的层数越来越多，即n越来越大，可操控的自由度越来越多，在一定范围内可实现消色差的波段越来越宽。


技术特征：
1.一种涡旋波片，其特征在于：包括光控取向膜(1)和旋涂于其上表面的液晶聚合物薄膜(2)，所述液晶聚合物薄膜(2)包括n层不同厚度和扭曲角度的扭曲液晶层(4)，所述扭曲液晶层(4)后一层底部的液晶分子由前一层上部分子取向，每层扭曲液晶层(4)最底部液晶分子指向与最上部液晶分子指向之间存在扭曲角度，n层所述扭曲液晶层(4)形成一个光轴在横向围绕中心连续变化在纵向连续旋转的有机整体。2.根据权利要求1所述的涡旋波片，其特征在于：所述光控取向膜(1)通过外部偏振光照射控制取向分子方向，并通过分子间作用力传递给邻近的底层扭曲液晶层(4)最下层的液晶分子，对底层液晶分子进行取向。3.根据权利要求1所述的涡旋波片，其特征在于：所述n层扭曲液晶层(4)包括n个扭曲角度、n个厚度，共2n个结构参数，通过构造评价函数计算2n个结构参数的最优解。4.根据权利要求1所述的涡旋波片，其特征在于：通过向所述扭曲液晶层(4)添加不同浓度的手性剂到每一层对应的液晶聚合物溶液中以调整旋涂后对应的扭曲角度。5.根据权利要求1所述的涡旋波片，其特征在于：所述液晶聚合物薄膜(2)中下一层扭曲液晶层(4)上部的液晶分子和上一层底部的液晶分之间存在分子间作用力，两层之间通过分子间的引力固定。

技术总结
本发明公开了一种涡旋波片，包括光控取向膜和旋涂于其上表面的液晶聚合物薄膜，所述液晶聚合物薄膜包括N层不同厚度和扭曲角度的扭曲液晶层，每层扭曲液晶层最底部分子指向和最上部分子指向之间存在一定的扭曲角度，所述扭曲液晶层后一层底部的液晶分子由前一层上部分子取向，所述液晶聚合物薄膜的液晶分子指向即光轴围绕中心连续变化。本发明克服了传统涡旋波片波长应用范围短、能量转换效率在中心波长处沿两侧急剧下降的弊端，可提供宽波段的相位补偿效果，从而在一定范围内消除色差，而且厚度只有微米量级，作为一个独立的光学器件相较于多个器件的方式能量转换效率更高。较于多个器件的方式能量转换效率更高。较于多个器件的方式能量转换效率更高。


技术研发人员：曹瀚
受保护的技术使用者：南京晶萃光学科技有限公司
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/6/14