CN104932170B - 一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法，所述液晶叉形偏振光栅包括：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的液晶层；其中，所述第一基板上设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧分别设置有第一电极和第二电极；所述第一电极和第二电极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方向呈周期性渐变分布且中心区域呈叉形的控制图形，所述光控取向膜的控制图形控制液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，以使照射在液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光，本发明提供的液晶叉形偏振光栅相比于现有技术中的叉形光栅，衍射效率显著提高。

Description

一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法
技术领域
本发明涉及偏振光栅技术领域，尤其涉及一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法。
背景技术
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、模式转换、螺旋相位片、超构材料以及计算全息术等方法产生带有角向相位因子Ψ1＝exp(imθ)的光涡旋，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＝exp(ikx)，k为空间波矢，所以可以通过电脑把目标光束Ψ1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，产生效率很低。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。涡旋光在具体应用时，一般选用某一单一模式(即单一衍射级次)，但由于现有技术中的叉形光栅产生的涡旋光具有多个级次,最大衍射效率的正负一级理论上也只能分别达到40.5％，因此衍射效率低成为现有技术的叉形光栅的最大难题。
发明内容
本发明提供一种液晶叉形偏振光栅以及制备方法，以提高液晶叉形偏振光栅的衍射效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种液晶叉形偏振光栅，包括：
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的液晶层；
其中，所述第一基板上设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；
所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧分别设置有第一电极和第二电极；
所述第一电极和第二电极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方向呈周期性渐变分布且中心区域呈叉形的控制图形，所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光。
进一步的，所述叉形具有至少一个分支，叉形分支数量与所述涡旋光的拓扑荷数相同。
进一步的，所述控制图形的中心区域还包括至少一个90°液晶取向位错环，和/或，一条液晶取向径向线位错；
其中，所述叉形位于90°液晶取向位错环内，所述90°液晶取向位错环内的控制图形与所述90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期；
当所述控制图形的中心区域包括一条液晶取向径向线位错时，所述叉形分支数量具有小数部分，所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧，且一端与所述叉形相连，所述液晶取向径向线位错两侧的控制图形相对移动小数部分个周期。
进一步的，其特征在于，所述液晶层的材料为向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的任意一种；
所述光控取向膜的控制图形可擦写，所述光控取向膜的材料为偶氮染料。
进一步的，入射光在所述液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差大于或者等于π；
当入射光为线偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有正负一级衍射光斑；
当入射光为圆偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有正一级或负一级衍射光斑。
第二方面，本发明实施例还提供一种液晶叉形偏振光栅的制备方法，包括：
在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧形成光控取向膜；
在设置有第一电极的第一基板上设置间隔粒子，并与所述设置有第二电极的第二基板封装；
对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形；在所述设置有第一电极的第一基板和所述设置有第二电极的第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光。
进一步的，所述对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，还包括：
在所述控制图形的中心区域中引入至少一个90°液晶取向位错环，和/或，在所述控制图形的中心区域中引入一条液晶取向径向线位错；
其中，所述叉形位于90°液晶取向位错环内，所述90°液晶取向位错环内的控制图形与所述90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期；
当所述控制图形的中心区域包括一条液晶取向径向线位错时，所述叉形分支数量具有小数部分，所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧，且一端与所述叉形相连，所述液晶取向径向线位错两侧的控制图形相对移动小数部分个周期。
进一步的，在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧旋涂光控取向膜，包括：
将光控取向材料旋涂在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧，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；
将旋涂有光控取向材料的第一基板和第二基板退火10分钟，退火温度为100℃，形成光控取向膜。
进一步的，对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，包括：
采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；
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，以实现形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
进一步的，还包括：
在所述第一电极和所述第二电极之间形成预设电压差，使所述液晶层中的液晶分子垂直于所述第一基板所在平面；
采用线偏振光照射所述光控取向膜预设时间，以擦除所述控制图形；
再次对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
本发明通过在相对设置的第一基板的第一电极和第二基板的第二电极上设置光控取向膜，并为所述光控取向膜设置具有中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，以控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光，由于液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，相当于引入偏振光栅的概念，可以抑制高级次的涡旋光的产生，只产生零级和正负一级的涡旋光，同时通过为所述液晶叉形偏振光栅施加不同电压，从而可完全抑制零级，通过改变入射光的偏振态可实现单一级次的涡旋光产生，因此通过该液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光的衍射效率可以达到接近100％，相比于现有技术中的叉形光栅，衍射效率显著提高。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种液晶叉形偏振光栅的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的模拟示意图；
图3为本发明实施例一提供的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的俯视示意图；
图4a-图4c为本发明实施例一提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图；
图5为涡旋光衍射效率随入射光的偏振状态的变化曲线图；
图6为涡旋光衍射效率随所述第一基板的第一电极和第二基板的第二电极上施加的电压差的变化曲线图；
图7为本发明实施例二提供的液晶叉形偏振光栅中的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的模拟示意图；
图8a-图8c为本发明实施例二提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图；
图9为本发明实施例二提供的又一种液晶叉形偏振光栅中的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的模拟示意图；
图10a-图10c为控制图形具有2个90°液晶取向位错环时，液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图；
图11为本发明实施例三提供的液晶叉形偏振光栅中的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的模拟示意图；
图12a-图12c为本发明实施例三提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图；
图13为本发明实施例四提供的液晶叉形偏振光栅的液晶指向矢周期性渐变排布示意图；
图14a-图14c为本发明实施例四提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图；
图15为本发明实施例五提供的一种液晶叉形偏振光栅的制备方法的流程图；
图16为本发明实施例六提供的一种对光控取向膜进行多步重叠曝光的方法示意图；
图17为本发明实施例七提供一种液晶叉形偏振光栅的实时重构方法的流程图；
图18为产生拓扑荷数为2的液晶叉形偏振光栅重构为拓扑荷数为10的液晶叉形偏振光栅的显微图。
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
本发明实施例提供一种液晶叉形偏振光栅，图1为本发明实施例一提供的一种液晶叉形偏振光栅的剖面结构示意图，如图1所示，所述液晶叉形偏振光栅包括：相对设置的第一基板11和第二基板12，以及位于所述第一基板11和第二基板12的液晶层13；其中，所述第一基板11上设置有间隔粒子14，以支撑所述液晶层13；所述第一基板11和第二基板12近邻所述液晶层13的一侧分别设置有第一电极111和第二电极121；所述第一电极111和第二电极121近邻所述液晶层13的一侧设置有光控取向膜15，所述光控取向膜15具有中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，所述控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光。图2为液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的模拟示意图，如图2所示，示例性的设置周期为L，每个周期内的液晶指向矢方向呈渐变分布，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向从0°渐变为180°。例如在一个周期L内，控制图形使光控取向膜的分子指向矢方向从0°渐变为180°。图3为液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的俯视示意图，如图3所示，在光控取向膜的锚定作用下，由于控制图形使光控取向膜的分子指向矢方向从0°渐变为180°，因此光控取向膜15使液晶层13中的液晶分子的指向矢呈周期性渐变分布(图1和图3仅示例出一个周期内的液晶分子的指向矢排布情况)。
本发明实施例通过在所述第一基板和第二基板上设置光控取向膜，且所述光控取向膜上设置有中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，在所述控制图形的控制下，所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光。由于液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，相当于一个偏振光栅，因此入射光经过所述液晶叉形偏振光栅后，只存在三个衍射级次，分别对应零级高斯光束，和正负一级涡旋光束，抑制了高级次的涡旋光的产生，因此衍射效率大大提高。
在上述实施例的基础上，可选的，所述叉形具有至少一个分支，叉形分支数量与所述涡旋光的拓扑荷数相同。图2示例性的展示所述叉形具有2个分支，通过该液晶叉形偏振光栅的入射光转换的涡旋光束的拓扑荷数为2，图2中的叉形分支数量并非对本发明实施例的限定，在其他实施方式中，所述叉形还可以具有多个分支或者只有一个分支，以获得拓扑荷数大于2或者为1的涡旋光模式。
进一步的，在上述实施例基础上，优选的，可以控制间隔粒子的尺寸调整第一基板和第二基板之间的距离，以实现入射光在所述液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差大于或者等于π；这样设置的好处是，当入射光在所述液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差等于π时，入射光照射到所述液晶叉形偏振光栅后出射的光束只有涡旋光，零级高斯光束被抑制，因此涡旋光的衍射效率和为100％。当入射光在所述液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差大于π时，可以通过控制施加在所述液晶叉形偏振光栅第一基板和第二基板上的电压差，使零级高斯光束消失，实现涡旋光的衍射效率之和为100％。
图4a-图4c为本发明实施例一提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图。本发明实施例提供的液晶叉形偏振光栅对入射光的波长没有限制，可实现任意波长入射光的涡旋光的转换。并且对于入射光的不同偏振状态，可以产生不同偏振模式的涡旋光。如图4a所示，当入射光为线偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有两个衍射光斑，分别为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)和负一级衍射光斑(左旋圆偏振)；当入射光为圆偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光只有一个衍射光斑，为正一级或负一级衍射光斑。如图4b所示，入射光为左旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)，如图4c所示，入射光为右旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为负一级衍射光斑(左旋圆偏振)。图5为涡旋光衍射效率随入射光的偏振状态的变化曲线图，如图5所示，入射光为线偏振时(偏振片与四分之一波片光轴的夹角角度为0°和90°)，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有两个衍射光斑，分别为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)和负一级衍射光斑(左旋圆偏振)，正一级和负一级的衍射效率均为50％。当入射光为左旋圆偏振(偏振片与四分之一波片光轴的夹角角度为45°)，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)，正一级衍射效率为100％。入射光为右旋圆偏振(偏振片与四分之一波片光轴的夹角角度为135°)，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为负一级衍射光斑(左旋圆偏振)，负一级衍射效率为100％。本发明实施例提供的液晶叉形偏振光栅具有偏振选择性，通过选择不同的入射光偏振性，可以获得不同偏振状态的涡旋光，以满足不同模式涡旋光生成器的需要，可满足其在量子通讯、量子计算、微粒操控等领域的应用需求。
进一步的，通过在所述第一基板的第一电极和第二基板的第二电极上形成电压差，调节控制施加在所述液晶叉形偏振光栅第一基板和第二基板上的电压差，可以产生不同衍射强度的涡旋光。图6为涡旋光衍射效率随所述第一基板的第一电极和第二基板的第二电极上施加的电压差的变化曲线图。如图6所示，经过所述液晶叉形偏振光栅的高斯光和涡旋光的衍射效率之和为100％，通过调节所述第一基板的第一电极和第二基板的第二电极上间的电压差的数值，可以使所述0级高斯光消失，从而使入射光完全转换为涡旋光，此时涡旋光的衍射效率和为100％。
实施例二
本发明实施例提供了又一种液晶叉形偏振光栅，与上述实施例一不同的是，所述控制图形的中心区域还包括至少一个90°液晶取向位错环。图7为本发明实施例二提供的液晶叉形偏振光栅中的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的模拟示意图，如图7所示，示例性的设置周期为L，每个周期内的液晶指向矢方向呈渐变分布，液晶指向矢方向从0°渐变为180°，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向从0°渐变为180°。由于控制图形的中心区域呈叉形，因此液晶层中的液晶分子在中心区域也呈现叉形71，叉形的分支数量为1个。此外，控制图形的中心区域还包括一个90°液晶取向位错环，使液晶指向矢排布出现一个90°液晶取向位错环72，所述叉形71位于90°液晶取向位错环72内。90°液晶取向位错环内和90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期。
图8a-图8c为本发明实施例二提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图。如图8a所示，当入射光为线偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有两个衍射光斑，分别为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)和负一级衍射光斑(左旋圆偏振)；当入射光为圆偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光只有一个衍射光斑，为正一级或负一级衍射光斑。如图8b所示，入射光为左旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)，如图8c所示，入射光为右旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为负一级衍射光斑(左旋圆偏振)。涡旋光是一种拉盖尔高斯模式(Laguerre-Gaussian mode)，有两个关键参数，分别是拓扑荷数(也称为角向指数)和径向指数。其中，叉形分支数量与所述涡旋光的拓扑荷数相同，90°液晶取向位错环数量与所述涡旋光的径向指数相同。实施例一中的涡旋光对应的是径向指数为0的拉盖尔高斯模，涡旋光的衍射斑只有一个亮环。当引入一个90°液晶取向位错环，相当于径向指数为1的拉盖尔高斯模，呈现出两个亮环的涡旋光。
需要说明的是，图7示例性的展示控制图形具有一个90°液晶取向位错环时，液晶指向矢的周期性渐变排布的情况，并非对本发明实施例的限制，在其他实施方式中，所述控制图形还可以具有多个90°液晶取向位错环，即径向指数大于1的情况，如图9所示，光控取向膜的控制图形中心区域呈叉形，叉形的分支数量为1个，并且控制图形具有周期性。此外，控制图形的中心区域还包括2个90°液晶取向位错环，所述叉形位于90°液晶取向位错环内，在控制图形的控制下，液晶指向矢的排布图中区域具有叉形91，以及2个90°液晶取向位错环92，所述叉形91位于90°液晶取向位错环92内，液晶指向矢方向呈现周期性渐变排布。
图10a-图10c为控制图形具有2个90°液晶取向位错环时，液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图。如图10a所示，当入射光为线偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有两个衍射光斑，分别为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)和负一级衍射光斑(左旋圆偏振)；当入射光为圆偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光只有一个衍射光斑，为正一级或负一级衍射光斑。如图10b所示，入射光为左旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)，如图10c所示，入射光为右旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为负一级衍射光斑(左旋圆偏振)。当引入2个90°液晶取向位错环，相当于径向指数为2的拉盖尔高斯模，呈现出三个亮环的涡旋光束。由此产生的高阶径向指数涡旋光束，在重力波探测、冷原子操控等领域有着重要应用。
实施例三
本发明实施例提供了又一种液晶叉形偏振光栅，与上述实施例一不同的是，所述控制图形的中心区域还包括一条液晶取向径向线位错。图11为本发明实施例三提供的液晶叉形偏振光栅中的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的模拟示意图，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向从0°渐变为180°。所述光控取向膜的控制图形中心区域呈叉形，叉形的分支数量为2.5个，并且控制图形具有周期性。所述叉形分支数量具有小数部分0.5，控制图形的中心区域还包括一条液晶取向径向线位错，所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧，且一端与所述叉形相连，所述液晶取向径向线位错两侧的液晶指向矢方向排布相对移动0.5个周期，在控制图形的控制下，液晶指向矢的排布图中，其中心区域也呈现叉形111，叉形的分支数量为2.5个，对应非整数拓扑荷数，所述叉形分支数量具有小数部分0.5，中心区域还包括一条液晶取向径向线位错112，所述液晶取向径向线位错112位于所述叉形111的一侧，且一端与所述叉形111相连，所述液晶取向径向线位错112两侧的液晶指向矢方向相对移动0.5个周期。
图12a-图12c为本发明实施例三提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图。如图12a所示，当入射光为线偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有两个衍射光斑，分别为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)和负一级衍射光斑(左旋圆偏振)；当入射光为圆偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光只有一个衍射光斑，为正一级或负一级衍射光斑。如图12b所示，入射光为左旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)，如图12c所示，入射光为右旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为负一级衍射光斑(左旋圆偏振)。本发明实施例提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光的拓扑荷数为非整数，控制图形存在一条径向线位错，位错线上下平移周期比例为拓扑荷数的小数部分。非整数液晶叉形偏振光栅产生的是分数阶涡旋光束，参见图12a-图12c，涡旋光的衍射斑呈现开环的特征。这类分数阶涡旋光束在高维量子纠缠方面应用前景广阔。
实施例四
本发明实施例提供了又一种液晶叉形偏振光栅，与上述实施例一不同的是，所述光控取向膜的控制图形中心区域同时包括一个90°液晶取向位错环和一条液晶取向径向线位错。图13为本发明实施例四提供的液晶叉形偏振光栅的液晶指向矢周期性渐变排布示意图，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向从0°渐变为180°。示例性的，设置所述光控取向膜的控制图形中心区域呈叉形，叉形的分支数量为2.5个，并且控制图形具有周期性。此外，控制图形的中心区域还包括一个90°液晶取向位错环，所述叉形位于90°液晶取向位错环内。90°液晶取向位错环内和90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期。所述叉形分支数量具有小数部分0.5，控制图形的中心区域还包括一条液晶取向径向线位错，所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧，且一端与所述叉形相连，所述液晶取向径向线位错两侧的控制图形相对移动0.5个周期，在上述控制图形的控制下，所述液晶指向矢方向排布图中，中心区域也具有叉形131，叉形的分支数量为2.5个。此外，中心区域还包括一个90°液晶取向位错环132，所述叉形131位于90°液晶取向位错环132内。90°液晶取向位错环内和90°液晶取向位错环外的液晶指向矢方向相对移动半个周期。所述叉形131分支数量具有小数部分0.5，中心区域还包括一条液晶取向径向线位错133，所述液晶取向径向线位错133位于所述叉形131的一侧，且一端与所述叉形131相连，所述液晶取向径向线位错133两侧的液晶指向矢方向相对移动0.5个周期。
图14a-图14c为本发明实施例四提供的液晶叉形偏振光栅产生的涡旋光衍射示意图。如图14a所示，当入射光为线偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有两个衍射光斑，分别为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)和负一级衍射光斑(左旋圆偏振)；当入射光为圆偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光只有一个衍射光斑，为正一级或负一级衍射光斑。如图14b所示，入射光为左旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为正一级衍射光斑(右旋圆偏振)，如图14c所示，入射光为右旋圆偏振，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光为负一级衍射光斑(左旋圆偏振)。本发明实施例提供的液晶叉形光栅产生的涡旋光束，既具有分数阶涡旋光束的开环性，同时具有径向指数非零的多环性，兼具二者特性，目前学术界鲜有研究，具有潜在的应用价值。
在上述实施例的基础上，所述液晶层的材料为向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的任意一种，本发明实施例对此不作限制。
进一步的，所述光控取向膜的的控制图形可擦写，所述光控取向膜的材料为偶氮染料，使该液晶叉形偏振光栅可重复利用，通过擦写光控取向膜上的控制图形，可实时变更液晶叉形偏振光栅的结构，实现产生多种模式的涡旋光。
实施例五
本发明实施例还提供一种液晶叉形偏振光栅的制备方法，图15为本发明实施例五提供的一种液晶叉形偏振光栅的制备方法的流程图，如图15所示，所述方法包括如下步骤：
步骤151、在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧形成光控取向膜；
可选的，在形成光控取向膜之前，为增加光控取向膜与第一基板和第二基板的浸润性和粘附性，用ITO(氧化铟锡导电膜)洗液(丙酮、酒精等混合试剂)进行超声清洗30分钟，然后再用超纯水超声清洗两次，各10分钟。在120℃烘箱中烘干40分钟后，进行UVO(紫外臭氧)清洗30分钟。
可选地，在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧形成光控取向膜可以采用下列方式：
将光控取向材料旋涂在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧，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；
将旋涂有光控取向材料的第一基板和第二基板退火10分钟，退火温度为100℃，形成光控取向膜。
步骤152、在设置有第一电极的第一基板上设置间隔粒子，并与所述设置有第二电极的第二基板封装；
其中，间隔粒子的尺寸可以根据具体需要进行选取，通过选取不同尺寸的间隔粒子，可以调整第一基板和第二基板之间的距离，以实现入射光在所述液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差大于或者等于π；这样设置的好处是，当入射光在所述液晶叉形液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差等于π时，入射光照射到所述液晶叉形偏振光栅后出射的光束只有涡旋光，零级高斯光束被抑制，因此涡旋光的衍射效率之和为100％。当入射光在所述液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差大于π时，可以通过控制施加在所述液晶叉形偏振光栅第一基板和第二基板上的电压差，使零级高斯光束消失，实现涡旋光的衍射效率为100％。
步骤153、对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形；
光控取向膜中的分子指向矢可通过诱导光的偏振方向进行设定，具体的可以通过多次重叠曝光0°-180°的曝光图形，在所述光控取向膜上形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。需要说明的是，所述叉形具有至少一个分支，叉形分支数量与所述涡旋光的拓扑荷数相同，具体可根据需要选择叉形分支数量以获得不同模式的涡旋光。
步骤154、在所述设置有第一电极的第一基板和所述设置有第二电极的第二基板之间灌注液晶层，所述控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光。
光控取向膜具有锚定作用，在步骤153中形成的中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形的控制下，所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，相当于引入偏振光栅的特性，使液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光，由于液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，高级次的涡旋光被抑制，因此提高了液晶叉形偏振光栅的衍射效率。
在上述实施例的基础上，所述对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，还包括：
可以在所述控制图形的中心区域中引入至少一个90°液晶取向位错环，和/或，在所述控制图形的中心区域中引入一条液晶取向径向线位错；
其中，所述叉形位于90°液晶取向位错环内，所述90°液晶取向位错环内的控制图形与所述90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期；
当所述控制图形的中心区域包括一条液晶取向径向线位错时，所述叉形分支数量具有小数部分，所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧，且一端与所述叉形相连，所述液晶取向径向线位错两侧的控制图形相对移动小数部分个周期。通过在所述光控取向膜上设置不同的控制图形，可以获得不同模式的涡旋光，以满足不同的应用需求。涡旋光是一种拉盖尔高斯模式(Laguerre-Gaussian mode)，有两个关键参数，分别是拓扑荷数(也称为角向指数)和径向指数。其中，叉形分支数量与所述涡旋光的拓扑荷数相同，90°液晶取向位错环数量与所述涡旋光的径向指数相同。通过在所述控制图形的中心区域引入90°液晶取向位错环，可以获得不同径向指数的的涡旋光。当所述控制图形的中心区域没有液晶取向径向线位错时，涡旋光的衍射斑为闭环，当所述控制图形的中心区域有液晶取向径向线位错时，涡旋光的衍射斑变为开环。
实施例六
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种对所述光控取向膜进行多步重叠曝光的方法，具体的：采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；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，以实现形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
举例而言，对所述光控取向膜进行三步重叠曝光形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，图16为本发明实施例六提供的一种对光控取向膜进行多步重叠曝光的方法示意图，如图16所示，共有三次曝光，依次为第一次曝光、第二次曝光和第三次曝光。三次曝光的曝光图形具有相同的周期，例如具有n个周期T1，T2，T3…Tn，n为大于1的正整数(图16示例性的仅示出T1-T3)。第一次曝光时，采用数控微镜阵光刻系统选择第一曝光图形，第一次曝光对应的诱导光偏振方向为0°，每个周期分为3等份Tn1、Tn2和Tn3，第一曝光图形的曝光区域为T1的T11和T12、T2的T21和T22、T3的T31和T32，…Tn的Tn1和Tn2。第一次曝光完成后，更换第二曝光图形，选择对应的诱导光偏振方向为60°，每个周期分为3等份，第二曝光图形的曝光区域为T1的T12和T13、T2的T22和T23、T3的T32和T33，…Tn的Tn2和Tn3。第二次曝光完成后更换第三曝光图像，选择对应的诱导光偏振方向为120°，每个周期分为3等份，第三曝光图形的曝光区域为T1的T11和T13、T2的T21和T23、T3的T31和T33，…Tn的Tn1和Tn3。因此，第一曝光图形的曝光区域与第二曝光图形的曝光区域部分重叠，重叠部分为T12，T22，T32；第二曝光图形的曝光区域与第三曝光图形的曝光区域部分重叠，重叠部分为T13，T23，T33。T11、T12、T13、T21、T22、T23、T31、T32和T33均被曝光两次，每次曝光的诱导光偏振方向不同，由于每次曝光的剂量不足以使得光控取向膜的分子指向矢方向排布达到稳定排列，多次曝光剂量的总和使得其处于稳定状态，并且光控取向膜的分子指向矢方向介于所经历的多次曝光的偏振角度的中间态，例如T12在第一次曝光时，偏振角度为0°，T12在第二次曝光时，偏振角度为60°，那么T12区域的光控取向膜的分子指向矢方向介于0°-60°之间。因此，多步重叠曝光后，光控取向膜上会产生中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
需要说明的是，图16示例性的选择三步重叠曝光，并非对本发明实施例的限制，一般来说曝光次数越多(即0°～180°均分的偏振角度越多)，曝光图形中的每个周期均分的数量越多，液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的越均匀，衍射效率越接近理论值100％，在其他实施方式中，可根据实际需求选择曝光次数，以及每个周期均分的数量。
实施例七
在上述各实施例的基础上，所述光控取向膜的材料为偶氮染料，所述光控取向膜的控制图形可擦写，因此可实现不同液晶叉形偏振光栅的实时重构。图17为本发明实施例七提供一种液晶叉形偏振光栅的实时重构方法的流程图，如图17所示，所述方法包括如下步骤：
步骤171、在所述第一电极和所述第二电极之间形成预设电压差，使所述液晶层中的液晶分子垂直于所述第一基板所在平面；
为避免液晶层中的液晶分子的折射影响，首先通过在第一电极和第二电极之间形成预设电压差，例如20V，使液晶层中的液晶分子垂直于所述第一基板所在平面排布。
步骤172、采用线偏振光照射所述光控取向膜预设时间，以擦除所述控制图形；
采用一束线偏振光照射所述光控取向膜预设时间，使光控取向膜上的分子指向矢由原来的周期性渐变分布，变为均一取向，擦除原控制图形。
步骤173、再次对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
再次对所述光控取向膜进行多步曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形的实现流程与实施例六类似，在此不作赘述。图18为产生拓扑荷数为2的液晶叉形偏振光栅重构为拓扑荷数为10的液晶叉形偏振光栅的显微图，如图18所示，在正交偏光显微镜下拍摄的实际样品显微图显示本发明实施例提供的液晶叉形偏振光栅可以通过对光控取向膜擦写实现重构，其中m为拓扑荷数。
需要说明的是，所述液晶层的材料为向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的任意一种。
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。

Claims (8)

1.一种液晶叉形偏振光栅，其特征在于，包括：
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的液晶层；
其中，所述第一基板上设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；
所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧分别设置有第一电极和第二电极；
所述第一电极和第二电极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方向呈周期性渐变分布且中心区域呈叉形的控制图形，所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光；
所述控制图形的中心区域还包括至少一个90°液晶取向位错环，和/或，一条液晶取向径向线位错；
其中，所述叉形位于90°液晶取向位错环内，所述90°液晶取向位错环内的控制图形与所述90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期；
当所述控制图形的中心区域包括一条液晶取向径向线位错时，所述叉形分支数量具有小数部分，所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧，且一端与所述叉形相连，所述液晶取向径向线位错两侧的控制图形相对移动小数部分个周期。
2.根据权利要求1所述的液晶叉形偏振光栅，其特征在于，所述叉形具有至少一个分支，叉形分支数量与所述涡旋光的拓扑荷数相同。
3.根据权利要求1所述的液晶叉形偏振光栅，其特征在于，所述液晶层的材料为向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的任意一种；
所述光控取向膜的控制图形可擦写，所述光控取向膜的材料为偶氮染料。
4.根据权利要求1所述的液晶叉形偏振光栅，其特征在于，入射光在所述液晶叉形偏振光栅中的寻常光和非寻常光的相位差大于或者等于π；
当入射光为线偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有正负一级衍射光斑；
当入射光为圆偏振时，经所述液晶叉形偏振光栅转换的涡旋光具有正一级或负一级衍射光斑。
5.一种液晶叉形偏振光栅的制备方法，其特征在于，包括：
在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧形成光控取向膜；
在设置有第一电极的第一基板上设置间隔粒子，并与所述设置有第二电极的第二基板封装；
对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形；
在所述设置有第一电极的第一基板和所述设置有第二电极的第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光栅的入射光转换为涡旋光；
所述对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，还包括：
在所述控制图形的中心区域中引入至少一个90°液晶取向位错环，和/或，在所述控制图形的中心区域中引入一条液晶取向径向线位错；
其中，所述叉形位于90°液晶取向位错环内，所述90°液晶取向位错环内的控制图形与所述90°液晶取向位错环外的控制图形相对移动半个周期；
当所述控制图形的中心区域包括一条液晶取向径向线位错时，所述叉形分支数量具有小数部分，所述液晶取向径向线位错位于所述叉形的一侧，且一端与所述叉形相连，所述液晶取向径向线位错两侧的控制图形相对移动小数部分个周期。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧旋涂光控取向膜，包括：
将光控取向材料旋涂在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧，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；
将旋涂有光控取向材料的第一基板和第二基板退火10分钟，退火温度为100℃，形成光控取向膜。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，包括：
采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；
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，以实现形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一电极和所述第二电极之间形成预设电压差，使所述液晶层中的液晶分子垂直于所述第一基板所在平面；
采用线偏振光照射所述光控取向膜预设时间，以擦除所述控制图形；
再次对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成中心区域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形。
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