CN101672947A - 光学涡旋延迟器微阵列 - Google Patents
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Abstract
通过形成具有多个分立取向斑块的取向层来提供一种光学涡旋延迟器的微阵列，所述多个分立取向斑块具有不同的方向。包括液晶和液晶聚合物前体材料之一的双折射材料层被设置成相邻于取向层。在所述多个分立取向斑片中的每个分立取向斑片的取向方向和位置被选择成促使双折射材料层形成相邻于取向层的实质上非定向的区的至少一个光学涡旋延迟器。
Description
技术领域
[01]本申请通常涉及光学涡旋延迟器，尤其涉及光学涡旋延迟器的微阵列和制造其的方法。
发明背景
[02]波片通过在偏振光场的两个正交偏振分量之间增加预定相移来改变偏振光。按照惯例，增加的相移称为波片延迟，并对垂直入射光以波长的分数的形式被测量。例如，在正交偏振之间增加π的相移的波片被称为半波片，而增加π/2的相移的波片被称为四分之一波片。
[03]传统上，使用单轴双折射材料来制造波片。单轴双折射材料具有两个主要的折射率，即，寻常折射率no和非常折射率ne，其中双折射被定义为Δn＝ne-no。在波片中，具有低折射率的轴称为快轴，而具有较高折射率的轴称为慢轴并与快轴成直角。例如，对于ne＞no的正单轴双折射材料，非常轴是慢轴，而寻常轴是快轴。非常轴也是光轴，其被认为是线偏振光通过介质以相同速度传播的方向，而不考虑其偏振状态。为了提供所需的相移，在传统波片的制造中使用的单轴双折射材料的光轴一般定向成与波片平面成非直角。例如，波片常常从具有平行于波片平面(即，称为A-plate)或与衬底平面成斜角(即，称为O-plate)的光轴的单轴双折射材料制造。可选地，波片可从具有垂直于波片平面(即，称为C-plate)的光轴的单轴双折射材料制造，以便其相位延迟随着入射角(AOI)而增加。
[04]波片的一个重要应用是改变通过其传播的偏振光的偏振态。例如，半波片可被用于旋转线偏振的方向，而四分之一波片可被用于将线偏振光转换成圆偏振的。对于前者，当入射光的偏振方向被定向成与波片平面中的光轴成θ角时，旋转角是2θ。对于后者，入射光的偏振方向一般被定向成与波片平面中的光轴成45度角。在每种情况下，优选地，波片的光轴在空间上是一致的(即，在整个波片表面上不变，使得波片的整个表面具有相同的光轴方向)，以便提供一致偏振的光束(即，偏振在整个光束横截面上不变化的偏振光辐射的光束)，假定入射偏振态在整个光束横截面上也是一致的。
[05]最近，已经认识到，越过一致偏振的光束引起空间偏振变化是非常宝贵的波前成形工具。事实上，如果使用线偏振器分析具有空间变化的偏振的这样的光束，净效应是在整个光束横截面上增加被称为Pancharatnam-Berry相位的在空间上变化的相移。具有在空间上变化的线偏振的光束的一些例子有径向偏振和方位角偏振(即，切向偏振)光束，其中局部偏振轴是径向的，即，平行于连接局部点和中心点的线，或切向的，即，垂直于该线。这些光束的偏振图样在图1中示出，其中箭头示意性地示出光束偏振的局部方向。
[06]不管光束是径向还是方位角偏振，其偏振方向都依赖于特定空间位置的方位角，且不依赖于离中心点的径向距离。这些类型的偏振光束有时被称为圆柱形矢量光束或偏振涡旋光束。术语“偏振涡旋(polarization vortex)”与术语“光学涡旋(optical vortex)”有关。光学涡旋是光束的横截面中的点，其展示相位异常，使得光束辐射的电场在该点周围描绘的任何封闭路径上完整地发展π的倍数。类似地，偏振涡旋是线偏振态，其中偏振方向相对于光束轴完整地发展π的倍数。这样的光束当被聚焦时在中心点采用零强度(例如，如果涡旋在光束内位于中心，则沿着光束轴)。偏振涡旋光束具有很多独特的特性，这些特性可被有利地用在各种实际应用中，例如粒子捕获(光镊)、显微镜分辨率增强和光刻术。
[07]获得偏振涡旋光束的一种方法是使一致偏振的光束通过光学涡旋延迟器。在这里也被简单地称为涡旋延迟器的光学涡旋延迟器指一类波片，其具有绕着一点旋转的在空间上变化的快轴。更具体地，快轴的方位角绕着一点旋转。如果光学延迟器是消色差延迟器(例如，多层设计，其中两个或更多个的延迟器被堆叠或层压，以使得光学延迟器消色差)，则在空间上变化的快轴是有效快轴(即，如果多层延迟器被假定是单层双折射材料，将表现为快轴的方向)。术语“方位角”指在光学延迟器的平面中投影的、相对于某个任意参考点测量的轴的方位角方向。注意，虽然涡旋延迟器的快轴的方位角绕着一点旋转，该快轴的极角在延迟器的整个表面上一般是恒定的(即，涡旋延迟器一般具有在空间上一致的相位延迟)。术语“极角”指快轴的片外倾斜。
[08]通常，涡旋延迟器的在空间上变化的快轴方位角将随着在预定关系中的涡旋延迟器上的方位角位置变化。例如，参考图2，在空间上变化的快轴方位角θ一般根据下式随着方位角位置φ变化
θ(φ)＝αφ+θ(0) (1)
其中α是等于快轴方位角相对于方位角位置的变化率的常数。注意，快轴方位角θ和方位角位置φ都相对于预定参考点(例如，被示为x轴)被测量。在该参考点处的快轴方位角是θ(0)。如图3A所示，当θ(0)＝90度时，快轴被认为是切向取向的。如图3B所示，当θ(0)＝0度时，快轴被认为是径向取向的。
[09]再次参考方程(1)，只有α＝m/2时，在空间上变化的快轴θ在所有φ处才是连续的，其中m是被称为涡旋延迟器的模的整数。事实上，涡旋延迟器常常根据其模(例如，m＝2α)而被特征化。例如，图3A和3B所示的涡旋延迟器是m＝2涡旋延迟器。值得注意地是，m＝2涡旋延迟器(例如，其中α＝1)相应于特殊情况，其中在方位角位置上的1度逆时针旋转相应于在快轴方位角方向上的1度增加。相反，在m＝-2涡旋延迟器(例如，其中α＝-1)中，在方位角位置上的1度逆时针旋转相应于在快轴方位角方向上的1度减小。图4示出具有等于1、-1、2和-2的模的涡旋延迟器的例子。
[10]使用一系列的双折射晶体、应力诱发双折射、纳米结构、液晶(LC)和液晶聚合物(LCP)来制造涡旋延迟器。LC和LCP对制造涡旋延迟器的使用是有利的，由于因其形成的涡旋延迟器在可见光波长范围内是有用的，并且具有连续变化的快轴。而且，LC和LCP材料都可使用线性光聚合的聚合物(LPP)层被取向，LPP层对线偏振紫外(LPUV)光是光敏的。更具体地，LPP层在平行于LPUV光的方向上被选择性地聚合。因此，涡旋延迟器可通过旋转支撑LPP层的衬底和LPUV光的方向中的至少一个来制造。例如，在S.C.McEldowney、D.M.Shemo、R.A.Chipman和P.K.Smith的″Creating vortexretarders using photoaligned liquid crystal polymers，″Opt.Lett.Vol.33，134-136(2008)以及Scott C.McEldowneyl、David M.Shemo和Russell A.Chipman的“Vortex retardersproduced from photo-aligned liquid crystal polymers”，Vol.16，7295-73o8，2008中描述了使用LCP的涡旋延迟器的制造，这两篇文章在这里都通过引用被并入。
[11]虽然同时旋转衬底和/或LPUV光的方向以及照射LPP层被证明提供了改进的涡旋延迟器，但该方法局限于制造单一涡旋延迟器。
[12]在J.N.Eakin和G.P.Crawford的“Single step surface alignment patterning inliquid crystals using polarization holography exposure”，SID 06，p 875中，全息曝光技术用于制造多个相对小的涡旋延迟器，其中每个涡旋延迟器具有绕着不同的点旋转的在空间上变化的快轴。更具体地，通过使用全息曝光所产生的干涉图样来图案化LPP层而制造被配置为两维阵列的多个相对小的涡旋延迟器。虽然LPP层的两维图案化使用单个步骤被方便地执行，但不幸的是，相对复杂的程序依赖于4个不共面的相干激光束的干涉。此外，因为干涉图样用于提供两维图案化，控制和最优化该过程特别是阵列的尺寸很难，阵列的尺寸由激光光斑尺寸和光学器件所限制。而且，使用干涉图样来提供两维图案化引入了强度调制，这可能消极地影响在空间上变化的快轴的在空间上一致的面外倾斜。
发明内容
[13]本发明涉及光学涡旋延迟器的微阵列和制造其的方法，其中光学涡旋延迟器使用具有多个分立取向区(例如，斑片(patch))的取向层而形成，所述取向区散布在实质上未取向的区域中。每个分立取向区域或斑片都被策略性策略性地被定向、依尺寸制造、成形和/或定位成促使相邻的LC或LCP层形成光学涡旋延迟器的周期性布置。每个光学涡旋延迟器在与分立取向斑片之间的间隙区邻接的LC或LCP层中形成。
[14]根据本发明的一个方面，提供了制造光学涡旋延迟器的方法，其包括：形成具有第一多个分立取向斑片的取向层，所述第一多个分立取向斑片包括具有第一取向方向的第一取向斑片和具有第二另一取向方向的第二取向斑片；以及提供相邻于取向层的双折射材料层，双折射材料包括液晶和液晶聚合物前体材料之一，其中在所述第一多个分立取向斑片中的每个分立取向斑片具有取向方向和位置，对所述取向方向和位置进行选择，以促使双折射材料层形成相邻于取向层的实质上非定向的区域的至少一个光学涡旋延迟器。
[15]根据本发明的另一方面，提供了一种光学涡旋延迟器阵列，其包括：被布置成相邻于取向层的双折射材料层，该双折射材料包括液晶和液晶聚合物前体材料之一，取向层具有多个分立取向斑片，所述多个分立取向斑片包括具有第一取向方向的第一取向斑片和具有第二另一取向方向的第二取向斑片，其中在所述多个分立取向斑片中的每个分立取向斑片具有取向方向和位置，对所述取向方向和位置进行选择，以促使双折射材料层形成光学涡旋延迟器阵列。
[16]根据本发明的一个方面，提供了用于制造光学涡旋延迟器的微阵列的方法，其包括步骤：a)提供衬底；b)在衬底上布置取向层；c)图案化具有取向斑片的阵列的取向层；以及d)将液晶层布置在包含阵列取向斑片的取向层上，其中阵列中的每个取向斑片具有倾向于局部定向叠加叠加液晶层(overlying liquid crystal layer)的液晶指向矢的预定取向方向，其中取向斑片的阵列被散布在取向层的实质上非定向的区中，且其中取向斑片的阵列被周期性地分布，该周期被选择为使得局部定向的液晶指向矢促使液晶层在取向层的实质上非定向的区域之上形成涡旋延迟器的微阵列。
附图说明
[17]结合附图理解，从下面的详细描述中本发明的进一步的特征和优点将变得明显，其中：
[18]图1是示出径向偏振的光束(左)和方位角偏振的光束(右)的示意图；
[19]图2是示出在一个方位角位置φ处的光学涡旋延迟器的快轴方位角方向θ的示意图；
[20]图3A是具有切向取向的快轴的光学涡旋延迟器的示意图；
[21]图3B是具有径向取向的快轴的光学涡旋延迟器的示意图；
[22]图4示出具有等于1、2、-1和-2的模的光学涡旋延迟器的例子；
[23]图5A示出用于产生m＝+/-1涡旋的阵列的取向图样的一个实施例，其中每个斑片中的方向由在其内绘制的线指示；
[24]图5B示出使用图5A所示的取向图样在LC或LCP层中形成的m＝+/-1光学涡旋延迟器的阵列的实施例，其中“矢量线”表示双折射材料(即，LC或LCP)的轴(即，快轴或慢轴)，且其中下层取向图样为了参考目的而被示出；
[25]图6A示出用于产生m＝+/-2涡旋的阵列的取向图样的一个实施例，其中每个斑片中的方向由在其内绘制的线指示；
[26]图6B示出使用图6A所示的取向图样在LC或LCP层中形成的m＝+/-2光学涡旋延迟器的阵列的实施例，其中“矢量线”表示双折射材料(即，LC或LCP)的轴(即，快轴或慢轴)，且其中下层取向图样为了参考目的而被示出；
[27]图7A示出用于产生包括次级取向斑片组的m＝+/-2涡旋的阵列的取向图样的一个实施例，其中每个斑片中的方向由在其内绘制的线指示；
[28]图7B示出使用图7A所示的取向图样在LC或LCP层中形成的m＝+/-2光学涡旋延迟器的阵列的实施例，其中“矢量线”表示双折射材料(即，LC或LCP)的轴(即，快轴或慢轴)，且其中下层取向图样为了参考目的而被示出；
[29]图8A示出用于产生包括次级取向斑片组的m＝+/-3涡旋的阵列的取向图样的一个实施例，其中每个斑片中的方向由在其内绘制的线指示；
[30]图8B示出使用图8A所示的取向图样在LC或LCP层中形成的m＝+/-3光学涡旋延迟器的阵列的实施例，其中“矢量线”表示双折射材料(即，LC或LCP)的轴(即，快轴或慢轴)，且其中下层取向图样为了参考目的而被示出；
[31]图9A示出用于产生包括次级取向斑片组的m＝+/-4涡旋的阵列的取向图样的一个实施例，其中每个斑片中的方向由在其内绘制的线指示；
[32]图9B示出使用图9A所示的取向图样在LC或LC层P中形成的m＝+/-4光学涡旋延迟器的阵列的实施例，其中“矢量线”表示双折射材料(即，LC或LCP)的轴(即，快轴或慢轴)，且其中下层取向图样为了参考目的而被示出；
[33]图10A示出图5A所示的被定向的取向斑片的布置的晶胞；
[34]图10B是分别在图5A和5B中示出的取向层和相邻的LC或LCP层的横截面图；
[35]图11示出在5到20微米范围内的LCP材料的45度过渡；
[36]图12示出混合m＝+/-2光学涡旋延迟器的两个不同的实施例；
[37]图13示出混合m＝+/-4光学涡旋延迟器的两个不同的实施例；以及
[38]图14示出图10A所示的晶胞的3x3阵列的模拟涡旋取向。
[39]应注意，在全部附图中，相似的特征用相似的参考数字标识。
具体实施例
[40]参考图5A，其示出根据本发明的一个实施例的用于在相邻的LC或LCP层中产生光学涡旋延迟器的阵列的取向层的示意图。取向层110包括散布在实质上非定向的区130中的多个分立取向区域或斑片120A、120B、120C、120D。每个取向斑片120A、120B、120C、120D的固定取向方向不同于一个或多个其它取向斑片的固定取向方向。特别是，多个分立取向斑片120A、120B、120C、120D包括4个不同的取向方向。例如，取向斑片120A具有在0度的固定取向方向，而120C具有在90度的固定取向方向，每个取向方向都相对于x轴而被测量。多个分立取向斑片120A、120B、120C、120D以预定的细距(finely-pitched)二维图样布置，以便固定取向方向以某种周期性方式交替。例如，参考分立取向斑片120B和120D，固定取向方向在平行于x轴的方向上在正交的方向之间交替。值得注意的是，分立取向斑片之间的区域(例如，实质上非定向的区130)，包括间隙区140，并没有优选的取向方向。
[41]也参考图5B，每个分立取向斑片120A、120B、120C、120D策略性地被定向、依尺寸制造、成形和/或定位成使布置在取向层110之上的LC或LCP前体层150产生光学涡旋延迟器的阵列。特别是，每个分立取向斑片120A、120B、120C、120D都被用于局部稳定叠加/相邻的LC或LCP前体层150的取向，并促使与非定向的间隙区140相邻的LC或LCP材料形成涡旋延迟器160。虽然在每个取向斑片120A、120B、120C、120D上的LC或LCP材料150通常具有与下层取向斑片相同的方向，但是在斑片边缘附近会有某种偏移，以使得在斑片边界处有平滑的快轴过渡。值得注意的是，取向斑片的此图样被示为产生m＝1和m＝-1光学涡旋延迟器的阵列。例如，光学涡旋延迟器160是m＝-1涡旋延迟器，而光学涡旋延迟器170是m＝-1光学涡旋延迟器。
[42]参考图6A，其示出根据本发明的另一实施例用于在相邻的LC或LCP层中产生光学涡旋延迟器的阵列的取向层的示意图。取向层210包括散布在实质上非定向的区230中的多个分立取向区域或斑片220A、220B、220C、220D。每个取向斑片220A、220B、220C和220D的固定取向方向不同于一个或多个其它取向斑片的固定取向方向。特别是，多个分立取向斑片220A、220B、220C、220D包括2个不同的取向方向。例如，取向斑片220A具有在0度的固定取向方向，而220B具有在90度的固定取向方向，每个取向方向都相对于x轴被测量。多个分立取向斑片220A、220B、220C、220D以预定的细距二维图样布置，以便固定取向方向以某种周期性方式交替。特别是，固定取向方向以棋盘格方式交替。值得注意的是，分立取向斑片之间的区域(例如，实质上非定向的区230)，包括间隙区240，并没有优选的取向方向。
[43]也参考图6B，每个分立取向斑片220A、220B、220C、220D策略性地被定向、依尺寸制造、成形和/或定位成使布置在取向层210之上的LC或LCP前体层250产生光学涡旋延迟器的阵列。例如，每个分立取向斑片220A、220B、220C、220D用于局部稳定叠加/相邻的LC或LCP前体层250的取向，使得在间隔区240上或与间隙区240相邻的LC或LCP材料的方向被强制产生涡旋延迟器260。虽然在每个取向斑片220A、220B、220C、220D上的LC或LCP材料250通常具有与下层取向斑片相同的方向，在斑片边缘附近会有某种偏移，以便使得在斑片边界处有平滑的快轴过渡。值得注意的是，取向斑片的此图样被示为产生m＝2和m＝-2光学涡旋延迟器的阵列。例如，光学涡旋延迟器260是m＝-2涡旋延迟器，而光学涡旋延迟器270是m＝2光学涡旋延迟器。
[44]参考图7A，其示出根据本发明的另一实施例用于在相邻的LC或LCP层中产生光学涡旋延迟器的阵列的取向层的示意图。除了上面描述的第一多个分立取向区域或斑片220A、220B、220C、220D以外，取向层210进一步包括第二多个分立取向区域或斑片225A、225B、225C、225D，其比第一多个220A、220B、220C、220D小，且其也散布在实质上非定向的区230中。
[45]也参考图7B，每个分立取向斑片220A、220B、220C、220D、225A、225B、225C、225D策略性地被定向、依尺寸制造、成形和/或定位成使布置在取向层210之上/与取向层210相邻的LC或LCP前体层250产生m＝2、m＝-2光学涡旋延迟器的阵列。特别是，第二多个分立取向区域或斑片225A、225B、225C、225D被布置成使得在每个涡旋延迟器内诱发取向旋转的正确方向，因而避免阵列内的失效失效(例如，其中快轴的旋转方向在涡旋延迟器的一部分内反转)。
[46]参考图8A，其示出根据本发明的另一实施例用于在相邻的LC或LCP层中产生光学涡旋延迟器的阵列的取向层的示意图。取向层310包括第一多个分立取向区域或斑片320A、320B、320C、320D和第二多个分立取向区域或斑片325A、325B、325C、325D，其中每个斑片都散布在实质上非定向的区330中。每个取向斑片的固定取向方向不同于一个或多个其它取向斑片的固定取向方向。特别是，第一多个分立取向区域或斑片320A、320B、320C、320D包括4个不同的取向方向，而第二多个分立取向区域或斑片325A、325B、325C、325D再包括4个不同的取向方向。值得注意的是，分立取向图样之间的区域(例如，实质上非定向的区330)，包括在分立取向斑片之间的间隙区340，并没有优选的取向方向。
[47]也参考图8B，每个分立取向斑片320A、320B、320C、320D、325A、325B、325C、325D策略性地被定向、依尺寸制造、成形和/或定位成使布置在取向层310之上的LC或LCP前体层350产生光学涡旋延迟器的阵列。例如，每个分立取向斑片320A、320B、320C、320D用于局部稳定叠加/相邻的LC或LCP前体层350的取向，并促使在非定向间隙区340之上/与非定向间隙区340相邻的LC或LCP材料形成涡旋延迟器360。虽然在每个取向斑片320A、320B、320C、320D上的LC或LCP材料350通常具有与下层取向斑片相同的方向，但是在斑片边缘附近会有某种偏移，以使得在斑片边界处有平滑的快轴过渡。第二多个分立取向区域或斑片325A、325B、325C、325D有助于在每个涡旋延迟器内诱发取向旋转的正确方向，因而避免阵列内的失效(例如，其中快轴的旋转方向在涡旋延迟器的一部分内反转)。值得注意的是，取向斑片的此图样被示为产生m＝3和m＝-3光学涡旋延迟器的阵列。例如，光学涡旋延迟器360是m＝-3涡旋延迟器，而光学涡旋延迟器370是m＝3光学涡旋延迟器。
[48]参考图9A，其示出根据本发明的另一实施例用于在相邻的LC或LCP层中产生光学涡旋延迟器的阵列的取向层的示意图。取向层410包括第一多个分立取向区域或斑片420和第二多个分立取向区域或斑片425，其中每个斑片都散布在实质上非定向的区430中。第一多个420和第二多个425中的每个取向斑片的固定取向方向不同于一个或多个其它取向斑片的固定取向方向。值得注意的是，分立取向图样之间的区域(例如，实质上非定向的区430)，包括在分立取向斑片之间的间隙区，并没有优选的取向方向。
[49]也参考图9B，第一多个420和第二多个425中的每个分立取向斑片策略性地被定向、依尺寸制造、成形和/或定位成使布置在取向层410之上/与取向层410相邻的LC或LCP前体层450产生光学涡旋延迟器的阵列。特别是，在第一多个分立取向区域或斑片420中的每个分立取向斑片用于局部稳定叠加/相邻的LC或LCP前体层450的取向，并促使在非定向间隙区之上/与非定向间隙区相邻的LC或LCP材料形成涡旋延迟器460。在第二多个分立取向区域或斑片425中的每个分立取向斑片有助于在每个涡旋延迟器内诱发取向旋转的正确方向，因而避免阵列内的失效(例如，其中快轴的旋转方向在涡旋延迟器的一部分内反转)。值得注意的是，取向斑片的此图样被示为产生m＝4和m＝-4光学涡旋延迟器的阵列。例如，光学涡旋延迟器460是m＝-4涡旋延迟器，而光学涡旋延迟器470是m＝4光学涡旋延迟器。
[50]注意，虽然次级取向斑片325A和425可帮助抑制阵列中的失效，在上面的每个实施例中，在微阵列内或其周围可能有显示不规则取向、随机取向、一致取向、缺陷、位错、各向同性LC相位或缺乏LC材料的区域。
[51]有利地，图5B、6B、7B、8B和9B所示的每个光学涡旋延迟器包括通过改变分立取向斑片的方向而容易控制和最优化的设计。换句话说，不管阵列设计/模如何，制造光学涡旋延迟器的这种方法都容易控制和最优化。
[52]进一步有利地，图5B、6B、7B、8B和9B所示的光学涡旋延迟器包括交替的+/-模涡旋。例如，图5B示出交替的+1/-1模光学涡旋延迟器，而图6B示出交替的+2/-2模光学涡旋延迟器。保留+/-模的中性被认为提供了没有取向冲突和/或失效的稳定涡旋阵列。
[53]值得注意的是，图5A、6A、7A、8A和9A所示的取向图样使用光学涡旋延迟器阵列的本质。例如，取向图样被设计成使得每个分立取向斑片用于帮助产生4个不同的涡旋(例如，在每个斑片位置，4个邻近的涡旋趋向于共同的取向方向)。此外，每个涡旋延迟器的奇点(singularity point)方便地在每个间隙区的中心(例如，在每个间隙点处)居中，其中快轴的方向实质上未明确规定。
[54]参考图10A，其示出图5A所示取向图样的更大的区域，很清楚，多个分立取向斑片120沿着栅格分布。更具体地，多个分立取向斑片120分布在相应于正方形格子的格点的周期性间隔处，使得每个分立取向斑片被4个最接近的邻斑片包围。此外，从图10A很清楚的，多个分立取向斑片120的方向也具有预定图样。此二维图像的晶胞180包括在0°、90°、-45°(或135°)和45°之间的取向方向上交替的正方形斑片的布置。如上述所讨论的，该二维图样被选择成为随后沉积的LC或LCP层提供边界条件，以产生中心在间隙点190处的交替的m＝-1和m＝+1涡旋延迟器的阵列，在该二维图样中，取向方向由斑片内的阴影线指示。更具体地，该图样提供交替的涡旋布置，其中m＝-1涡旋(中心在浅颜色点190A)以棋盘状方式与m＝1涡旋(中心在暗颜色点190B)交替。
[55]光学涡旋延迟器的阵列的质量将至少部分地由晶胞180的几何结构确定。如果由4个最接近的正方形取向斑片的角所限制的圆形间隙区140的直径称为涡旋直径V，每个正方形取向斑片的尺寸(即，长度和宽度)是P，每个正方形取向斑片的对角线尺寸是D，以及每个晶胞的尺寸(即，长度和宽度)是U，则晶胞的几何结构可由下式确定：
D＝3*((V/2)/(cos(45*π/180))-(V/2)) (2)
U＝3*V+2*D (3)
P＝D/√2 (4)
[56]例如，如果希望有具有20微米的直径V的涡旋延迟器，则每个取向斑片D的对角线尺寸一般为大约8.2微米，晶胞U的长度和宽度一般为大约56.6微米，以及每个取向斑片的长度和宽度一般为5.8微米。
[57]通常，间隙区的尺寸V，以及涡旋延迟器的尺寸将被有所限制。如果间隙区太大，则取向斑片将不能够迫使LC或LCP变成所期望的取向。例如，在这种情况下，LC或LCP材料将自由地从期望涡旋取向偏离，可能不规则地取向或形成每个间隙多于一个涡旋。如果间隙区太小，则LC有可能不能够遵循试图被强加的取向图样，因为LC或LCP在定向中不能产生急剧的转变。
[58]可能的涡旋延迟器尺寸的精确范围将取决于不同的参数，包括所使用的LC或LCP材料的类型。例如，基于LCP材料的涡旋延迟器阵列被模拟成具有由(V+D)/2定义的在从大约5到20微米范围内的参数，该LCP材料在5～20微米范围内在取向方向上相差45度(例如，如图11所示)的两个邻接的取向区之间平移。根据实验的，观察基于相同LCP材料的涡旋延迟器的一维阵列，其中每个涡旋延迟器具有在大约15和30微米之间的直径。
[59]此外，涡旋延迟器尺寸将取决于LC材料的粘度和层厚度。如果层厚度太大，则LC取向可能从理想的垂直方向偏离。如果粘度太低，则斑片之间的LC将更自由地从期望取向状态偏离。如果粘度太高，则LC可能在动力学上被阻止在每个位置处组织到优选方向上。通常，层厚度将被选择成使得光学涡旋延迟器提供所需的相位延迟(例如，Γ＝Δnd，其中d是层厚度)。例如，在一个实施例中，光学涡旋延迟器的阵列被配置为在540nm的光学波长处的半波片。
[60]值得注意的是，虽然在上述实施例中的初级取向斑片(即，较大正方形，包括120A-D、220A-D、320A-D和420)被显示为以相应于正方形格子的格点的周期性间隔分布，使这些分立取向斑片以相应于另一二维格子类型的周期性间隔分布也在本发明的范围内。例如，在一个实施例中，初级取向斑片以相应于六边形格子的格点的周期性间隔分布。在该实施例中，每个光学涡旋延迟器也在格点处位于中心，使得它被6个等距离的分立取向斑片包围。事实上，可设想各种实施例，其中取向斑片在正方形栅格(例如，棋盘格)、三角形栅格、六边形栅格或通过倾斜两种或多种规则多边形(即，正方形和八边形)而组成的栅格上位于中心。
[61]此外，虽然初级取向斑片(即，较大正方形，包括120A-D、220A-D、320A-D和420)被示为具有正方形形状，以其它形状设计初级取向斑片也在本发明的范围内。例如，在其它实施例中，初级取向斑片被设计为十字形、圆形、4角星或其组合。本领域技术人员应理解，根据斑片形状和所选择的LC或LCP材料可重新评价控制晶胞尺寸、斑片尺寸和间隙区的几何关系。
[62]此外，虽然图5B、6B、7B、8B和9B所示的光学涡旋延迟器的微阵列被显示为具有相反方向、相同模涡旋的交替的行(例如，m＝-1涡旋的行与m＝1涡旋的行交替)，提供其它组合也在本发明的范围内。例如，在一个实施例中，光学涡旋延迟器的微阵列包括m＝-1涡旋、m＝+1涡旋和混合m＝+/-1涡旋。混合m＝+/-1涡旋被定义为在4个象限中的两个内m＝+1而在另两个象限内m＝-1的涡旋延迟器。
[63]参考图12和13，其分别示出混合m＝+/-2和m＝+/-4光学涡旋延迟器的实施例，其中所标绘的箭头表示双折射材料的轴(例如，快轴或慢轴)。在图12的上半部分中示出的实施例中，涡旋延迟器的上半部分是m＝+2，而涡旋延迟器的下半部分是m＝-2。在图12的下半部分中示出的实施例中，混合涡旋延迟器的四个象限在m＝+2和m＝-2之间交替。类似地，在图13的上半部分中示出的实施例中，涡旋延迟器的上半部分是m＝+4，而涡旋延迟器的下半部分是m＝-4。在图13的下半部分中示出的实施例中，混合涡旋延迟器的四个象限在m＝+4和m＝-4之间交替。
[64]有利地，上面所讨论和图5A、6A、7A、8A、9A和10所示的二维图样可提供光学涡旋延迟器的相对大的阵列。例如，参考图14，其示出图10A所示的晶胞180的3x3阵列。值得注意的是，这些大的且相对复杂的图样使用相对简单的制造工艺而形成。特别是，多个分立取向斑片使用简单而精确的方法制成，该方法在取向层中提供线性定向。更复杂的光学涡旋延迟器使用这些线性取向的斑片，通过允许沉积在其上的LC或LCP材料进行定向而制成，该定向被分立取向斑片和/或被从其产生的任何定向影响(例如，在非定向区上/相邻于非定向区的LC或LCP的定向将被横向相邻的LC或LCP材料的定向影响)。因此，使用相对简单的制造工艺提供相对复杂的图样。
[65]上面讨论的制备取向层的一种方法是使用光刻的光取向技术。例如，在一个实施例中，如下制备取向层。
[66]首先，在透明衬底(例如，2x2英寸玻璃衬底)上涂覆线性可聚合的光聚合物(LPP)层。例如，在一个实施例中，通过将环戊酮中的LPP的2wt％溶液旋涂在玻璃衬底上(例如，在60秒内以3000RPM)而形成LPP层，以得到50nm厚的取向层。在其它实施例中，使用另一涂覆方法例如电线包覆、照相凹板式涂覆、开槽涂覆等而形成LPP层。LPP是一种材料，其当被暴露给线偏振紫外(LPUV)光时聚合，使得聚合物的分子取向平行于入射偏振(即，在由入射光的方向确定的一致方向上设定分子取向)。常常包括肉桂酸衍生物和/或阿魏酸衍生物的LPP层在本领域中是公知的。LPP的一个适当的例子是可从ROLIC Technoligies获得到的ROLIC LPP ROP 108/2CP。LPP材料的另一例子是聚乙烯对甲氧基肉桂酸(PVMC)。涂有LPP的衬底可选地在150和200摄氏度之间的温度被烘焙(例如，退火)几分钟，以稳定LPP层和/或从旋涂工艺除去多余的溶剂。可选地，在LPP被涂到衬底上之前，粘合增进剂例如硅烷偶联剂被涂到衬底。进一步可选地，支撑LPP层的透明衬底将包括在其背面上的宽带抗反射(AR)涂层。
[67]其次，通过固定的光掩模使用在适合于选择性地聚合LPP层的波长处(例如，如果LPP是ROLIC LPP ROP 108/2CP，则在280和365nm之间的波长处)的LPUV来照射涂有LPP的衬底。例如，在一个实施例中，使用在大约300到340nm处的LPUV光以垂直入射并以12mJ/cm2的能量密度照射涂有50nm厚ROLIC LPP ROP 108/2CP层的衬底10秒钟。通常，光掩模将会具有被布置在栅格图样上的多个孔，其中每个孔的形状被选择成提供分立取向斑片的所被期望的形状(例如，对于图5A所示的图样为正方形)。例如，在一个实施例中，光掩模是包括多个正方形剪切块的固体金属板。在另一实施例中，光掩模包括具有例如铬的不透明层的透明衬底，该不透明层被涂覆/喷涂在其上，并通过蚀刻以预定的图样被图样化，以提供多个孔。随着通过光掩模照射LPP层时，取向层的小斑片将具有设定在其内的方向，而未暴露区域(即，掩蔽区域)保持为非定向的。为了获得具有不同方向的取向层的小斑片，被照射的涂有LPP的衬底遭受另一照射步骤，该照射步骤使用具有不同的偏振方向的LPUV光。在不同的光掩模或相同的光掩模横向移位(例如，以提供线性转变)之后，通过该光掩模执行第二照射步骤。例如，在一个实施例中，通过光掩模使用具有第一偏振的LPUV光照射涂有LPP的衬底，该掩模被移动，使得多个孔的位置偏移预定的量，接着使用具有第二偏振的LPUV光照射LPP层(例如，该掩模在曝光之间的X和Y方向上偏移预定数量的微米)。根据期望取向图样，旋转LPUV光的偏振以及移动光掩模的步骤将被重复很多次。例如，为了提供图5A所示的取向图样，LPUV光的方向将需要被旋转(例如，使用波片和/或偏振器)四次，而光掩模被移动四次。相反，为了提供图6A所示的取向图样，每个LPUV光的方向和光掩模的位置只需要被转换两次。可选地，使用固定的掩模和LUVP光源来获得具有不同方向的取向层的小斑片，同时衬底在照射步骤之间旋转(例如，只需要衬底的一个90度旋转来形成图6A所示的二维图样)。
[68]制备具有多个分立取向斑片的取向层的另一方法是使用激光直写(DLW)技术。例如，在一个实施例中，LPP层被涂在如上所述的透明衬底上，但不是通过光掩模照射它，而是使它经历无掩模激光直写技术，其中偏振UV激光束用于选择性地在每个斑片位置处以适当的偏振方向暴露LPP层。
[69]制备具有多个分立取向斑片的取向层的又一方法是使用摩擦技术。当被机械摩擦时，在摩擦方向上定向的取向材料的一个例子是聚酰亚胺。聚酰亚胺取向层在本领域中是公知的，并可通过旋涂、电线包覆、照相凹板式涂覆、开槽涂覆等被沉积。可选地，聚酰亚胺层在机械摩擦之前被烘焙(例如，在160-220摄氏度烘焙大约1个小时)。在一个实施例中，使用微摩擦技术来形成多个分立取向斑片，其中使用小摩擦工具单独地摩擦取向斑片。在另一实施例中，通过形成抗蚀层、以合成毡布摩擦覆盖抗蚀剂的取向层、并移除抗蚀层来产生多个分立取向斑片，该抗蚀层具有以预定的二维图样分布在取向层上的多个孔。
[70]一旦形成了具有多个分立取向斑片的取向层，就接着使用LC或LCP前体材料将取向层涂覆到特定的厚度，以获得期望的相位延迟。如果使用非聚合物LC材料，则反衬底一般被用于形成液晶盒。例如，在一个实施例中，反衬底也包括具有分立取向斑片的二维图样的取向层，其反映第一衬底的二维图样。如果采用LCP前体材料，则一般将使用单个衬底，LCP前体材料可包括液晶单体、低聚物或具有可交联的基的聚合物。此外，如果使用LCP前体，则进一步的步骤可包括额外层的退火、UV固化、烘焙、层压和/或涂覆。LC和LCP前体材料都是本领域中公知的，并可展示向列、近晶或胆甾相。例如，LCP材料的可交联的液晶材料可展示向列、近晶或胆甾相。适当的LCP前体材料的一个例子包括可交联的二丙烯酸脂向列液晶化合物，其以加热和/或使用UV照射(不一定是偏振的)而被聚合和/或交联。特别适合于用在使用ROLIC LPPROP108/2CP形成的LPP层上的一种LCP前体是也可从Rolic得到的ROF5151，ROF5151使用UV光被固化，以交联LCP前体并形成LCP层(即，固定LCP涡旋延迟器的方向)。
[71]如果涂上具有厚度d的LC或LCP材料，使得Δn*d的积在所关注的波长λ处是0.5，其中Δn是面内双折射，则阵列中的每个涡旋延迟器是半波涡旋延迟器。在这种情况下，LC或LCP材料被配置为A-plate。当然，使用O-plate型LC材料也在本发明的范围内。
[72]上面讨论的光学涡旋延迟器微阵列可能在微光刻、驱动微光机械泵和处理量子信息中使用。例如，预期涡旋的网络在旋转角、小线性位移的测量中以及在超分辨率显微术、三维扫描干涉测量法中是有用的。此外，涡旋延迟器阵列所提供的结构光能量图谱可提供新类型的光阱。
[73]涡旋延迟器的一种特别有用的应用是在光束的轨角动量状态中的信息的编码，这可通过产生给定阶数的偏振涡旋并接着传输光束来完成。光束阶数可维持在相当大的传播距离上并容易被重建。在大量涡旋延迟器的周期性阵列的情况下，信息可在每个涡旋延迟器位置上被编码。这可能对具有两阶(比如+1和-1)的周期性阵列有用。对于可产生多阶的情况，可在单个光束中传输的信息的量指数地增加。
[74]光学涡旋延迟器阵列的另一应用包括操作小粒子。光学涡旋产生角动量是公知的。因此，光学涡旋的阵列在被正确设计时可用于传送小粒子。一个例子是基于光阱阵列的微流体泵的产生，其中每个涡旋与高数值孔径透镜组合，产生可显微地传送流体的捕获区。
[75]当然，仅作为例子提供了上面的实施例和应用。本领域的普通技术人员应认识到，将使用各种更改、替换配置和/或等效形式，而不偏离本发明的范围。例如，虽然示出了各种周期性和规则的二维图样，使用不规则图样也在本发明的范围内。此外，虽然上面描述的涡旋延迟器是光学涡旋延迟器的二维阵列的部分，形成一维阵列或甚至微尺寸的涡旋延迟器也在本发明的范围内。相应地，本发明的范围因此被规定为完全由所附权利要求的范围限制。
Claims (15)
1.一种制造光学涡旋延迟器的方法，其包括：
形成具有第一多个分立取向斑片的取向层，所述第一多个分立取向斑片包括具有第一取向方向的第一取向斑片和具有第二另一取向方向的第二取向斑片；以及
提供相邻于所述取向层的双折射材料层，所述双折射材料包括液晶和液晶聚合物前体材料之一，
其中，对所述第一多个分立取向斑片中的每个分立取向斑片的取向方向和位置进行选择，以促使所述双折射材料层形成相邻于所述取向层的实质上非定向的区的至少一个光学涡旋延迟器。
2.如权利要求1所述的方法，
其中，对所述第一多个分立取向斑片中的每个分立取向斑片的位置进行选择，以使得每个分立取向斑片被分布在二维格子的格点处。
以及其中，对所述第一多个分立取向斑片中的每个分立取向斑片的取向方向进行选择，以使得所述双折射材料层的快轴绕着所述二维格子的至少一个间隙点作闭合路径的旋转，所述闭合路径位于围绕所述点的间隙区内。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一个光学涡旋延迟器包括光学涡旋延迟器的二维阵列。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述光学涡旋延迟器的二维阵列包括交替行的相反方向相同模光学涡旋延迟器。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述二维格子是正方形格子，且其中每个光学涡旋延迟器被布置成相邻于所述取向层的实质上非定向的区，所述取向层的实质上非定向的区居中位于所述第一多个分立取向斑片中的四个分立取向斑片之间，每个所述四个分立取向斑片具有四个不同的取向方向之一。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述二维格子是正方形格子，且其中每个光学涡旋延迟器被布置成相邻于所述取向层的实质上非定向的区，所述取向层的实质上非定向的区居中位于所述第一多个分立取向斑片中的四个分立取向斑片之间，每个所述四个分立取向斑片具有两个不同的取向方向之一。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述双折射材料是液晶聚合物前体，且所述方法还包括使用紫外光照射相邻于所述取向层的双折射材料，以形成液晶聚合物层的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个涡旋延迟器包括具有在大约5微米到大约30微米之间的直径的涡旋延迟器。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个涡旋延迟器包括混合涡旋延迟器。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述取向层中形成第二多个分立取向斑块，每个所述第二多个分立取向斑块具有取向方向和位置，对所述取向方向和位置进行选择，以促使所述斑片在所述至少一个光学涡旋延迟器中正确旋转。
11.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中，对所述第一多个分立取向斑块中的每个分立取向斑块的取向方向和位置进行选择，以形成光学涡旋延迟器的阵列，用于微光刻、显微术、粒子捕获/操纵、驱动微光机械泵、测量旋转角、测量小线性位移、超分辨率显微术以及三维扫描干涉测量中的至少一个。
12.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中形成具有第一多个分立取向斑片的取向层的所述步骤包括以下步骤：
使用具有第一偏振的线偏振光，穿过具有多个孔的光掩模，照射线性可聚合的光聚合物材料，以提供具有所述第一取向方向的所述第一取向斑块；
相对于支撑所述线性可聚合的光聚合物材料的衬底移动所述光掩模；以及
使用具有第二偏振的线偏振光，穿过所述光掩模和具有多个孔的不同的光掩模之一，照射所述线性可聚合的光聚合物材料，以提供具有所述第二取向方向的所述第二取向斑块。
13.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中形成具有第一多个分立取向斑片的取向层的所述步骤包括以下步骤：
摩擦聚酰亚胺层以提供所述第一多个分立取向斑片。
14.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中所述第一取向斑块通过所述取向层的实质上非定向的区在空间上与所述第二取向斑块分离，且其中所述第一取向方向垂直于所述第二取向方向。
15.一种光学涡旋延迟器阵列，其包括：
被布置成相邻于取向层的双折射材料层，所述双折射材料包括液晶和液晶聚合物前体材料之一，所述取向层具有多个分立取向斑片，所述多个分立取向斑片包括具有第一取向方向的第一取向斑片和具有第二另一取向方向的第二取向斑片，
其中，对所述多个分立取向斑片中的每个分立取向斑片的取向方向和位置进行选择，以促使所述双折射材料层形成光学涡旋延迟器阵列。
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