一种液晶q波片及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明实施例涉及光束整形技术，尤其涉及一种液晶q波片及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，基于对光束位相、强度和波前调控的光束整形领域越来越受到研究者的 关注。一些典型的例子包括贝塞尔光束、艾里光束、矢量光束和涡旋光束等等，以及这些光 束在光学操纵微小粒子、材料加工以及生物成像等方面的应用正被广泛地研究。其中，涡旋 光束因其独特的相位奇点、螺旋波前以及所携带的轨道角动量，在宽波段光学通讯、量子通 讯、光镊等领域有着引人注目的独特应用。传统地，有很多的方法可以产生涡旋光束，包括 模式转换、螺旋相位片、超构材料、计算全息术等等。但是如何拥有一种兼顾光束质量高、效 率高、制作成本低、可调节且无光束偏折等优点的涡旋光束产生方式一直是研究的热点问 题。
[0003] 2006年，一种拥有上述所有优点的基于液晶的q波片应运而生。该波片是液晶分 子指向矢方向α在空间极坐标系中周期性渐变的半波片，其中α满足0!(/#)=例?+%，其 中r为极半径，识为极角/方位角，q为拓扑荷，反映的是指向矢方向随着方位角变化的快 慢，α。是极轴上液晶分子指向矢方向，也被称为初始角度。当一束左旋/右旋圆偏振高斯 光束入射该波片时，出射光变为右旋/左旋圆偏振并携带有±2q个拓扑荷数，而且拓扑荷 数可通过入射偏振连续调节。
[0004] 液晶q波片可以通过液晶的光控取向技术制得，主要采用的是样品和偏振片同步 旋转曝光的方式，但现有技术的方法耗时较长，制作的波片所具有的q值单一或是只能沿 着角向变化，光束整形效果单一。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种液晶q波片及其制备方法，以实现波片结构更为复杂，光束整形 效果更为多样，波片制备方法更为简单的效果。
[0006] 第一方面，本发明实施例提供了一种液晶q波片，所述波片包括：
[0007] 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之间的液晶 层；
[0008] 其中，所述第一基板与所述第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；
[0009] 所述第一基板和第二基板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环绕中心奇点呈周期性渐变分布的控制图形，在以中心奇点为原点的 极坐标系中，环绕所述奇点，所述控制图形在极轴上的初始分子指向矢角度和/或q值按照 预设的规律变化，所述控制图形控制液晶分子指向矢环绕中心奇点呈周期性渐变分布。
[0010] 进一步的，环绕中心奇点，液晶分子指向矢变化的周期数为2|q|。
[0011] 进一步的，入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差等于π :
[0012] 若入射高斯光束为左旋/右旋圆偏振，经所述液晶q波片转换后出射的涡旋光束 为右旋/左旋圆偏振，且当所述波片具有单一的q值时，所述出射光束携带有±2q个拓扑 荷数。
[0013] 进一步的，在以中心奇点为原点的极坐标系中，环绕所述奇点，所述控制图形的q 值在角向和/或径向按照预设的规律变化。
[0014] 进一步的，在以中心奇点为原点的极坐标系中，环绕所述奇点，所述控制图形在极 轴上的初始分子指向矢角度在角向和/或径向按照预设的规律变化。
[0015] 进一步的，所述控制图形的中心区域包含至少一个液晶取向位错环，所述液晶取 向位错环内的分子指向矢与所述液晶取向位错环外的分子指向矢相差90°。
[0016] 进一步的，所述液晶层的材料为向列相液晶；
[0017] 所述光控取向膜的材料为偶氮材料，具有光的偏振响应特性。
[0018] 第二方面，本发明实施例还提供了一种液晶q波片的制备方法，所述方法包括：
[0019] 在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜；
[0020] 在第一基板上设置间隔粒子，并与所述第二基板封装，其中所述第一基板的光控 取向膜一侧与所述第二基板的光控取向膜一侧相对设置；
[0021] 对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成分子指向矢环绕中心奇点呈周期性 渐变分布的控制图形，并且在以中心奇点为原点的极坐标系中，环绕所述奇点，所述控制图 形在极轴上的初始分子指向矢角度和/或q值按照预设的规律变化；
[0022] 在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述控制图形控制液晶分子指 向矢环绕中心奇点呈周期性渐变分布。
[0023] 进一步的，对所述光控取向薄膜进行多步重叠曝光，以形成分子指向矢环绕中心 奇点呈周期性渐变分布的控制图形，包括：
[0024] 采用基于数控微镜阵的投影式光刻系统，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导 光偏振方向，据曝光次序，依次进行曝光；
[0025] 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，以形成分子指向矢环绕中心奇点呈周期性渐变分布的控制图形。
[0026] 进一步的，所述方法还包括：
[0027] 利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节寻常光和非寻常光的相位差为π。
[0028] 本发明实施例通过在相对设置的第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧设 置光控取向膜，并在所述光控取向膜上设置分子指向矢环绕中心奇点呈周期性渐变分布的 控制图形，并在以中心奇点为原点的极坐标系中，环绕所述奇点，所述控制图形在极轴上的 初始分子指向矢角度和/或q值按照预设的规律变化，以控制液晶分子指向矢环绕中心奇 点呈周期性渐变分布，解决现有的波片制备方法耗时较长，制作的波片所具有的q值单一 或只能沿着角向变化，光束整形效果单一的问题，实现波片结构更为复杂，光束整形效果 更为多样，波片制备方法更为简单的效果。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明实施例一中的一种液晶q波片的剖面结构示意图；
[0030] 图2a为液晶分子指向矢方向呈周期性0° -180°渐变分布的俯视示意图；
[0031] 图2b为液晶分子指向矢方向呈周期性0° -180°渐变分布的模拟示意图；
[0032] 图3a是本发明实施例二中的液晶q波片液晶分子指向矢模拟示意图；
[0033] 图3b是本发明实施例二中的液晶q波片在正交显微镜下观察的显微图；
[0034] 图3c-图3f为本发明实施例二中的液晶q波片产生的携带不同拓扑荷数涡旋光 的不意图；
[0035] 图4a是本发明实施例三中的一种q值在角向变化的液晶q波片的液晶分子指向 矢模拟图；
[0036] 图4b是本发明实施例三中的一种q值在角向变化的液晶q波片的显微图；
[0037] 图4c为本发明实施例三中的一种q值在角向变化的液晶q波片产生的椭圆形光 束的不意图；
[0038] 图5a为本发明实施例三中的又一种q值在角向变化的液晶q波片的液晶分子指 向矢分布的模拟示意图；
[0039] 图5b为本发明实施例三中的又一种q值在角向变化的液晶q波片的显微图；
[0040] 图5c为本发明实施例三中的又一种q值在角向变化的液晶q波片产生的非对称 形光束的不意图；
[0041 ] 图6a为本发明实施例三中的一种q值在径向变化的液晶q波片的液晶分子指向 矢分布的模拟示意图；
[0042] 图6b为本发明实施例三中的一种q值在径向变化的液晶q波片的显微图；
[0043] 图6c为本发明实施例三中的一种q值在径向变化的液晶q波片产生的涡旋光束 的不意图；
[0044] 图7a为本发明实施例四中的一种初始分子指向矢角度在径向每次增加10°变化 九次的液晶q波片的液晶分子指向矢分布的模拟示意图；
[0045] 图7b为本发明实施例四中的一种初始分子指向矢角度在径向每次增加10°变化 九次的液晶q波片的显微图；
[0046] 图7c为本发明实施例四中的一种初始分子指向矢角度在径向每次增加10°变化 九次的液晶q波片产生的涡旋光束的示意图；
[0047] 图8a为本发明实施例四中的一种初始分子指向矢角度在径向变化90°的液晶q 波片的液晶分子指向矢分布的模拟示意图；
[0048] 图8b为本发明实施例四中的一种初始分子指向矢角度在径向变化90°的液晶q 波片的显微图；
[0049] 图8c为本发明实施例四中的一种初始分子指向矢角度在径向变化90°的液晶q 波片广生的具有两个壳环的祸旋光束的不意图；
[0050] 图9是本发明实施例五中的一种液晶q波片的制备方法流程图。
【具体实施方式】
[0051] 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。
[0052] 实施例一
[005