CN105044988B - 一种液晶偏振转换器、制备方法和矢量光控取向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶偏振转换器、制备方法和矢量光控取向系统，所述液晶偏振转换器包括：相对设置的第一基板和第二基板，位于第一基板和第二基板之间的液晶层；支撑液晶层的间隔粒子；第一基板和第二基板近邻液晶层的一侧设置有光控取向膜，第一基板的光控取向膜的分子指向矢方向均一排布，第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，以使照射在液晶偏振转换器的线偏振入射光转换为矢量光束。本发明提供的液晶偏振转换器，可以产生多种模式的矢量光束，并且该液晶偏振转换器的结构简单，可适用于宽波段。

Description

一种液晶偏振转换器、制备方法和矢量光控取向系统

技术领域

本发明涉及矢量光束技术领域，尤其涉及一种液晶偏振转换器、制备方法和光控取向系统。

背景技术

近年来,由于矢量光束在超分辨显微成像、焦场工程、光学操控、表面等离激元的激发以及激光加工等方面的应用，对于矢量光束的研究越来越引起人们的关注。矢量光束相较于普通偏振光而言，其偏振方向随空间位置的不同而发生变换，且呈中心对称分布。这种高对称性的偏振分布使得矢量光束具有一系列特殊的性质和应用。

现有技术中，产生矢量光束的方法有很多,主要可分为主动型与被动型。其中，主动型产生矢量光束是通过激光器的谐振腔或腔内器件的偏振模式选择来实现的；而被动型产生矢量光束所需要的仪器主要包括空间渐变位相延迟器、基于电脑计算全息的偏振干涉和空间渐变的偏振转换器。这两种产生矢量光束的方法存在以下问题：一方面，只能产生简单模式的矢量光束；另一方面，只适用于单波长。

此外，现有技术中，还有一种基于扭曲向列相液晶(TNLC)的偏振转换器，但是这类偏振转换器的设计和制备方法也仍局限于产生简单模式的矢量光束。

发明内容

本发明提供一种液晶偏振转换器、制备方法和矢量光控取向系统，以实现产生多种模式的矢量光束，且可适用于宽波段。

第一方面，本发明实施例提供了一种液晶偏振转换器，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之间的液晶层；

其中，所述第一基板与第二基板之间设置有间隔粒子，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设置有光控取向膜，所述第一基板的光控取向膜的分子指向矢方向均一排布，所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称；

所述第一基板光控取向膜和第二基板光控取向膜控制所述液晶层中的液晶分子由第一基板至第二基板呈渐变扭曲排布，且线偏振入射光在所述液晶偏振转换器中的非寻常光与寻常光的相位差，大于或者等于所述液晶层中的液晶分子在第一基板和第二基板中扭曲角度的10倍，以使照射在液晶偏振转换器的线偏振入射光转换为矢量光束。

进一步的，所述第二基板光控取向膜的至少一个设定区域的分子指向矢方向具有2n个渐变周期，所述渐变周期为取向膜分子指向矢方向从0°渐变到180°，所述矢量光束的偏振级数为n，其中n为正整数。

进一步的，当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域的分子指向矢方向渐变周期数量不同。

进一步的，所述第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向控制所述矢量光束的偏振状态分布。

进一步的，当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域的初始位置分子指向矢方向不同。

进一步的，所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域还包括至少一个环形位错线，所述环形位错线两侧的光控取向膜分子指向矢方向不同。

进一步的，当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域包含的环形位错线的数量不同。

第二方面，本发明实施例还提供了一种液晶偏振转换器的制备方法，包括：

在第一基板和第二基板的近邻所述液晶层的一侧形成光控取向膜；

对所述第一基板的光控取向膜均匀曝光，以使所述第一基板的光控取向膜的分子指向矢方向均一排布；

对所述第二基板的光控取向膜进行多步重叠曝光，以使所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称；

在所述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；

在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述第一基板光控取向膜和第二基板光控取向膜控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈渐变扭曲排布，且线偏振入射光在所述液晶偏振转换器中的非寻常光与寻常光的相位差，大于或者等于所述液晶层中的液晶分子在第一基板和第二基板中扭曲角度的10倍，以使照射在液晶偏振转换器的线偏振入射光转换为矢量光束。

进一步的，还包括：

对所述第二基板光控取向膜进行多步重叠曝光，以使所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，包括：

采用无掩模动态投影曝光系统，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，以使所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称。

第三方面，本发明实施例还提供了矢量光控取向系统，包括：

光源装置、权利要求1-7任一所述的液晶偏振转换器和设置有光控取向膜的基板，其中：

所述光源装置，用于产生线偏振入射光；

所述液晶偏振转换器，用于将照射在液晶偏振转换器上的线偏振入射光转换为矢量光束，其中，所述线偏振入射光的偏振方向垂直于所述液晶偏振转换器第一基板光控取向膜分子指向矢方向；

所述基板，用于经过所述矢量光束照射，使所述光控取向膜的至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称。

本发明通过在相对设置的第一基板和第二基板上设置光控取向膜，并对第一基板的光控取向膜均匀曝光以使得分子指向矢方向均一排布；对第二基板的光控取向膜多步重叠曝光使得至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称。曝光后将第一基板和第二基板组成液晶盒并灌入液晶分子形成液晶偏振转换器，使得照射在该液晶偏振转换器上的线偏振光转换为矢量光束。本发明实施例提供的液晶偏振转换器可以产生多种模式的矢量光束，并且该液晶偏振转换器的结构简单，可适用于宽波段。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种液晶偏振转换器的剖面结构示意图；

图2a为在设定圆周上近邻第一基板的液晶分子排布的俯视示意图；

图2b为在设定圆周上近邻第二基板的液晶分子排布的俯视示意图；

图2c为在设定圆周上近邻第一基板的液晶分子和近邻第二基板的液晶分子排布的立体图；

图3a为本发明实施例一提供的一种第二基板光控取向膜的一个设定区域分子指向矢方向排布的模拟示意图；

图3b为本发明实施例一提供的采用图3a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束的正交偏光显微图；

图4a为本发明实施例一提供的又一种第二基板光控取向膜设定区域分子指向矢方向排布的模拟示意图；

图4b为本发明实施例一提供的采用图4a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束正交偏光显微图；

图5a为本发明实施例一提供的又一种第二基板光控取向膜分子指向矢方向排布的模拟示意图；

图5b为本发明实施例一采用图5a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束的正交偏光显微图；

图6为本发明实施例一提供的第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向θ与矢量光束偏振状态分布的对照图；

图7a为本发明实施例一提供的又一种第二基板光控取向膜设定区域分子指向矢方向排布的模拟示意图；

图7b为本发明实施例采用图7a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束的正交偏光显微图；

图8为本发明实施例二提供的一种液晶偏振转换器的制备方法的流程示意图；

图9a-图9d为本发明实施例三提供的一种对第二基板光控取向膜进行多步重叠曝光的方法示意图；

图10为本发明实施例四提供的一种基于矢量光束的光控取向系统的结构示意图；

图11a为本发明实施例四提供的一种q波片的正交偏光显微图；

图11b为本发明实施例四提供的利用q波片产生的涡旋光的光斑图。

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

本发明实施例提供了一种液晶偏振转换器，图1为本发明实施例一提供的一种液晶偏振转换器的剖面结构示意图，如图1所示，所述液晶偏振转换器包括：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之间的液晶层13；其中，所述第一基板11与第二基板12之间设置有间隔粒子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的一侧分别设置有光控取向膜15a和光控取向膜15b，所述第一基板11的光控取向膜15a的分子指向矢方向均一排布，所述第二基板12的光控取向膜15b中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称；所述第一基板11光控取向膜15a和第二基板12光控取向膜15b控制所述液晶层13中的液晶分子由第一基板至第二基板呈渐变扭曲排布，且线偏振入射光在所述液晶偏振转换器中的非寻常光和寻常光的相位差，大于或着等于所述液晶层13中的液晶分子在第一基板11和第二基板12中扭曲角度的10倍，以使照射在液晶偏振转换器上的线偏振入射光转换为矢量光束。

在此，需要说明的是，可以通过改变间隔粒子14的尺寸来改变第一基板和第二基板之间的间距，改变偏振入射光在液晶偏振转换器中的非寻常光和寻常光之间的相位差，从而实现线偏振入射光在液晶偏振转换器中的非寻常光和寻常光之间的相位差大于或者等于液晶从第一基板到第二基板的扭曲角度的10倍。此时的液晶偏振转换器可适用于宽波段，即液晶偏振转换器对线偏振入射光的波长没有限定，任何波长的线偏振入射光经过该液晶偏振转换器后均可得到矢量光束。与现有技术的偏振转换器只适用于单波长相比，本发明实施例的液晶偏振转换器打破了这一局限，可适用于宽波段。

本发明实施例提供的液晶偏振转换器能够产生多种模式的矢量光束，当线偏振入射光的偏振方向平行于第一基板光控取向膜的分子指向矢方向时，经所述液晶偏振转换器转换后，产生的矢量光束的偏振分布与第二基板光控取向膜设定区域的分子指向矢方向分布一致；当线偏振入射光的偏振方向垂直于第一基板光控取向膜的分子指向矢方向时，经所述液晶偏振转换器转换后，产生的矢量光束的偏振分布与第二基板光控取向膜设定区域的分子指向矢方向分布处处垂直。因此，通过改变线偏振入射光的偏振方向可以获得不同模式的矢量光束。此外，改变第二基板光控取向膜的设定区域的分子指向矢方向分布，还可以获得其他任意模式的矢量光束。

下面详细介绍液晶偏振转换器的液晶层中液晶分子的排布情况。以第二基板光控取向膜设定区域的中心对称点O为圆心，以任一数值为半径，画一设定圆周。图2a为近邻第一基板的液晶分子排布的俯视示意图，如图2a所示，在第一基板光控取向膜的锚定作用下，由于第一基板光控取向膜的分子指向矢方向均一排布，使得在设定圆周上近邻第一基板光控取向膜的液晶分子也均一排布；图2b为在设定圆周上近邻第二基板的液晶分子排布的俯视示意图，如图2b所示，在第二基板光控取向膜的锚定作用下，由于第二基板光控取向膜设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，近邻第二基板光控取向膜的液晶分子也呈渐变分布且呈中心对称排布。若将图2b的中心对称点0作为坐标原点建立直角坐标系，取平行于第二基板平面的两条互相垂直的方向为X轴和Y轴，如图2b所示，定义水平向右为X轴正方向，竖直向上为Y轴正方向。图2c为在设定圆周上近邻第一基板的液晶分子和近邻第二基板的液晶分子排布的立体图，如图2c所示，Z1方向上的液晶层中的液晶分子由第一基板至第二基板没有发生扭曲，均为水平排布，Z2方向上的液晶层中的液晶分子由第一基板至第二基板发生了左旋(即逆时针扭曲)45°，Z3方向上的液晶层中的液晶分子由第一基板至第二基板发生了右旋(即顺时针扭曲)45°；同理，Z4方向上的液晶层中的液晶分子由第一基板至第二基板发生了左旋45°，Z5方向上的液晶层中的液晶分子由第一基板至第二基板发生了右旋45°。Y轴所在方向为液晶分子左旋和右旋的交界处。在此，需要说明的是，图2c中仅示例出近邻第一基板和第二基板的液晶分子的排布状态，在各个方向上液晶层中的液晶分子的扭曲是一个连续渐变的过程。

另外，需要说明的是，图2a、图2b仅示例出在一个设定圆周上的液晶分子的排布情况，该设定圆周的选取是任意的，将该圆周上液晶分子的排布状态示例性的展示出来，是为了更加清楚地表达近邻第一基板和第二基板的液晶分子随光控取向膜的排布状态，在该设定圆周以外的其他区域，近邻第一基板和第二基板的液晶分子随光控取向膜的排布状态可由该设定圆周上的液晶分子的排布状态类推得到。另外，图2b所示为第二基板的光控取向膜中只具有一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，此时设定圆周上近邻第二基板光控取向膜的液晶分子也渐变排布且呈中心对称。当第二基板光控取向膜具有多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，每个设定区域上液晶分子的排布状态也可以由对应设定区域上的设定圆周上的液晶分子的排布状态类推得到。

在本实施例基础上，可选的，所述第二基板光控取向膜的至少一个设定区域的分子指向矢方向具有2n个渐变周期，所述渐变周期为0°-180°，所述矢量光束的偏振级数为n，其中n为正整数。图3a为本发明实施例一提供的一种第二基板光控取向膜的一个设定区域分子指向矢方向排布的模拟示意图，如图3a所示，图中由暗到亮表示第二基板光控取向膜的分子指向矢方向从0°渐变至180°，因此，图3a提供的第二基板光控取向膜的一个设定区域分子指向矢具有2个渐变周期T，每个渐变周期T为0°-180°，如图3a所示，第二基板光控取向膜的一个设定区域的分子指向矢发生了2次由暗到亮的变化，也即第二基板光控取向膜具有2个渐变周期(此时n＝1)。图3b为采用图3a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器所产生的矢量光束正交偏光显微图，该矢量光束的偏振级数为1，如图3b所示，该矢量光束的偏振级数为1。在此，需要说明的是，图中右下角的白色色条为该正交偏光显微图的标尺，示例性的，白色标尺长度为200μm，本发明实施例的其他矢量光束的正交偏光显微图中的白色色条均表示相应的正交偏光显微图的标尺，白色标尺长度为200μm。

图4a为本发明实施例一提供的又一种第二基板光控取向膜设定区域分子指向矢方向排布的模拟示意图，如图4a所示，第二基板光控取向膜的设定区域发生了16次由暗到亮的变化即第二基板光控取向膜具有16个渐变周期(此时n＝8)；图4b为采用图4a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束正交偏振显微图，该矢量光束的偏振级数为8。在此，需要说明的是，液晶偏振转换器在相对应液晶分子从第一基板到第二基板呈左旋和右旋扭曲的交界处均会附带产生一条螺旋位错线H(如图3b中的虚线所示)，该螺旋位错线对矢量光束的特性没有负面影响。

在本实施例基础上，可选的，当所述第二基板光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域的分子指向矢方向渐变周期数量不同。在第二基板光控取向膜的不同设定区域，可以形成分子指向矢方向渐变周期数量不同。图5a为本发明实施例一提供的又一种第二基板光控取向膜分子指向矢方向排布的模拟示意图，如图5a所示，所述第二基板光控取向膜设置有4个设定区域A、B、C和D，4个设定区域A、B、C和D的面积相同，但设定区域A、B、C和D的分子指向矢的渐变周期数量不同，区域A的分子指向矢有2个渐变周期，区域B的分子指向矢有4个渐变周期，区域C的分子指向矢有6个渐变周期，区域D的分子指向矢有8个渐变周期。图5b为采用图5a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束正交偏光显微图，如图5b所示，区域A’内的矢量光束的偏振级数为1，区域B’内的矢量光束的偏振级数为2，区域C’内的矢量光束的偏振级数为3，区域D’内的矢量光束的偏振级数为4。

需要说明的是，当所述第二基板光控取向膜中设置有多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，各设定区域的尺寸可以相同或者不同，当各设定区域的尺寸相同时，优选的，设置各设定区域类似于图5a的阵列式排布。图5a是示例性的展示所述液晶偏振转化器具有4个设定区域的情况，而并非对本发明实施例的限定，在其他实施例方式中，可根据实际应用场景设置不同数量的设定区域，以使不同设定区域对应不同偏振级数的矢量光束。

在本实施例基础上，可选的，通过设置所述第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向，控制所述矢量光束的偏振状态分布。当所述第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向改变时，该液晶偏振转换器产生的矢量光束的偏振状态分布也将发生改变。其中，若以第二基板光控取向膜设定区域的中心对称点为坐标原点构成直角坐标系，则所述第二基板光控取向膜设定区域的初始位置与直角坐标系的x轴正方向重合，所述初始位置的分子指向矢方向指的是设定区域中位于x轴正方向上的光控取向膜分子指向矢的方向。

图6为本发明实施例一提供的第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向θ与矢量光束偏振状态分布的对照图。其中，图6中的6A1为第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向θ＝0°的模拟示意图；6A2为采用6A1提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束偏振分布示意图，如6A2所示，黑色箭头表示设定圆周上矢量光束的偏振状态分布；6A3为采用6A1提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束正交偏光显微图，所述矢量光束是偏振方向在空间呈一定渐变对称分布的光，所述正交偏光显微图是将采用6A1形式的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束通过一检偏器后得到的显微图，如6A3所示，矢量光束的偏振分布中偏振方向与检偏器的偏振方向平行的区域最亮，矢量光束中偏振方向与检偏器的偏振方向垂直的区域最暗，此时的矢量光束称为径向偏振光。

6B1为第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向θ＝45°的模拟示意图，如6B1所示，与6A1相较可知，第二基板光控取向膜初始位置分子指向矢方向θ从0°变化到45°；6B2为采用6B1提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束偏振分布示意图，如6B2所示，与6A2相较，当第二基板光控取向膜初始位置分子指向矢方向从0°变化到45°时，矢量光束的偏振分布也随之发生了变化；6B3为采用6B1提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束正交偏光显微图，如6B3所示，此时的矢量光束又称为旋涡偏振光。

6C1为第二基板光控取向膜初始位置分子指向矢方向θ＝90°的模拟示意图，如6C1所示，与6A1相较可知，第二基板光控取向膜初始位置分子指向矢方向θ从0°变化到90°；6C2为采用6C1提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束偏振分布示意图；如6C2所示，与6A2相较，当第二基板光控取向膜初始位置分子指向矢方向从0°变化到90°时，矢量光束的偏振分布也随之发生了变化；6C3为采用6C1提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束正交偏光显微图，如6C3所示，此时的矢量光束又称为角向偏振光。所述径向偏振光和角向偏振光为两种特殊偏振方向的矢量光束，由于这两种矢量光束具有区别于其他矢量光束的独特的聚焦特性，使得这两种矢量光束在超分辨显微成像、激光加工和表面等离激元激发等方面应用非常广泛。

在本实施例基础上，可选的，当所述第二基板光控取向膜中设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域的初始位置分子指向矢指向矢方向不同。在此，需要说明的是，当光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，多个设定区域的初始位置分子指向矢方向可以相同也可以不同，例如，当多个设定区域的渐变周期数量相同且初始位置分子指向矢方向也相同时，采用该第二基板产生的多束矢量光束的偏振级数和偏振状态均相同；或者，当多个设定区域的渐变周期数量相同但初始位置分子指向矢方向不同时，采用该第二基板产生的多束矢量光束的偏振级数相同，但偏振状态不相同；或者，当多个设定区域的渐变周期数量不同且初始位置分子指向矢方向也不同时，采用该第二基板产生的多束矢量光束的偏振级数和偏振状态均不相同。

在本实施例基础上，可选的，所述第二基板光控取向膜中至少一个设定区域还包括至少一个环形位错线，所述位错线两侧的光控取向膜分子指向矢方向不同。图7a为本发明实施例一提供的又一种第二基板光控取向膜设定区域分子指向矢方向排布的模拟示意图，如图7a所示，在第二基板光控取向膜设定区域包括3条环形位错线，以设定区域的中心从里向外依次为位错线L1，位错线L2和位错线L3，其中，以中心对称点为圆心，沿半径方向，位错线L1、L2和L3两侧的光控取向膜分子指向矢方向均不同。位于位错线L1内侧区域的光控取向膜初始位置分子指向矢方向θ＝0°，位于位错线L1外侧且位于位错线L2内侧区域光控取向膜初始位置分子指向矢方向θ＝90°，位于位错线L2外侧且位于位错线L3内侧区域光控取向膜初始位置分子指向矢方向θ＝0°，即每条位错线两侧区域的光控取向膜初始位置分子指向矢方向各相差90°，且每条位错线两侧区域均包含2个渐变周期；图7b为采用图7a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振转换器产生的矢量光束正交偏光显微图，当线偏振入射光的偏振方向平行于第一基板光控取向膜的分子指向矢方向时，经过采用图7a形式的第二基板制作的液晶偏振转换器后，产生的矢量光束的偏振分布与第二基板光控取向膜设定区域的分子指向矢的分布一致，如图7b所示，产生的多环矢量光束的偏振级数均为1，位错线L1内侧区域的矢量光束为径向偏振光，位错线L1外侧且位错线L2内侧区域的矢量光束为角向偏振光，位错线L2外侧且位错线L3内侧区域的矢量光束为径向偏振光，即图7b产生的多环矢量光束为径向偏振光和角向偏振光的交替出现，该多环矢量光束在焦场工程等方面的应用前景广阔。

在本实施例基础上，可选的，当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域包含的环形位错线的数量不同。在此，需要说明的是，当第二基板光控取向膜多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域包含的环形位错线的数量可以相同也可以不同。

在其他实施方式中通过设置所述液晶偏振转换器的第二基板光控取向膜设定区域的数量、设定区域分子指向矢的渐变周期数量、所述多个设定区域包含的环形位错线的数量以及初始位置分子指向矢取向方向，通过上述设置的任意组合，获得不同模式的矢量光束。

在此，需要进一步说明的是，优选的，本发明实施例中的液晶层采用的材料为向列相液晶，当线偏振入射光照射在液晶偏振转换器上时，由于扭曲的向列相液晶的偏振旋转效应，将该线偏振入射光转换为矢量光束。

进一步的，当线偏振入射光的偏振方向平行于第一基板光控取向膜分子指向矢方向时，经过相应的液晶分子转换器的转换后，产生的矢量光束的偏振方向与第二基板光控取向膜分子的指向矢方向一致；当线偏振入射光的偏振方向垂直于第一基板光控取向膜分子指向矢方向时，经过相应的液晶分子转换器的转换后，产生的矢量光束的偏振方向与第二基板光控取向膜分子的指向矢方向处处垂直。需要说明的是，本发明实施例中的附图均是在线偏振入射光的偏振方向平行于第一基板光控取向膜分子的指向矢方向的情况下产生的矢量光束，而并非对本发明实施例的限定，当线偏振入射光的偏振方向垂直于第一基板光控取向膜分子指向矢方向时，经过相应的液晶分子转换器的转换后，产生的矢量光束的偏振方向与第二基板光控取向膜分子的指向矢方向处处垂直，相应的附图的变化可由根据上述类推得到，本发明实施例不再赘述。

实施例二

本发明实施例还提供了一种液晶偏振转换器的制备方法，图8为本发明实施例二提供的一种液晶偏振转换器的制备方法的流程示意图。

如图8所示，所述方法包括如下操作：

S110、在第一基板和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，在第一基板和第二基板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第一基板和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℃，以形成光控取向膜。

S120、对所述第一基板的光控取向膜均匀曝光，以使所述第一基板的分子指向矢方向均一排布。

光控取向膜的分子指向矢可通过诱导光的偏振方向进行设定，通过线偏振诱导光对第一基板的光控取向膜进行均匀曝光，以使得第一基板的光控取向膜的分子指向矢方向均一排布。

S130、对所述第二基板的光控取向膜进行多步重叠曝光，以使所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称。

具体的，可以通过采用多步重叠曝光0°-180°的曝光图形，在第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称。其中，通过多步重叠曝光之后，在第二基板的光控取向膜中可以形成一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，也可以形成多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，此时第二基板的光控取向膜的多个设定区域组成一个阵列，采用该第二基板制作的液晶偏振转换器可以产生一系列的矢量光束。

S140、在所述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。

S150、在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述第一基板光控取向膜和第二基板光控取向膜控制所述液晶层中的液晶分子由第一基板至第二基板呈渐变扭曲排列，且线偏振入射光在所述液晶偏振转换器中的非寻常光与寻常光的相位差，大于或者等于所述液晶层中的液晶分子在第一基板和第二基板中渐变扭曲角度的10倍，以使照射在液晶偏振转换器的线偏振入射光转换为矢量光束。

光控取向膜对近邻的液晶层中的液晶分子具有锚定作用，因此，第一基板的分子指向矢呈均一排布的光控取向膜锚定液晶层中近邻第一基板的液晶分子，使得所述近邻第一基板的液晶分子也均一排布，第二基板的分子指向矢渐变分布且呈中心对称的光控取向膜锚定液晶层中近邻第二基板的液晶分子，使得所述近邻第二基板的液晶分子形成渐变分布且呈中心对称，位于液晶层中的其他液晶分子根据液晶的连续弹性体理论发生不同程度的扭曲；并且，可以通过改变间隔粒子的尺寸，调整第一基板和第二基板之间的间距，以实现线偏振入射光在液晶偏振转换器中的非寻常光和寻常光的相位差不小于液晶层中的液晶分子从第一基板到第二基板之间的扭曲角度的10倍，以使得照射在液晶偏振转换器的线偏振入射光转换为矢量光束。这样设置的好处是，当线偏振入射光在所述液晶偏振转换器中的非寻常光和寻常光的相位差不小于液晶层中的液晶分子从第一基板到第二基板之间的扭曲角度的10倍时，该液晶偏振转换器可适用于宽波段，克服了现有技术中偏振转换器只适用于单波长的线偏振入射光的缺陷。

在此，需要说明的是，当线偏振入射光的偏振方向平行于第一基板光控取向膜分子指向矢方向时，经过相应的液晶分子转换器的转换后，产生的矢量光束的偏振状态与第二基板光控取向膜的分子指向矢方向排布一致；当线偏振入射光的偏振方向垂直于第一基板光控取向膜分子指向矢方向时，经过相应的液晶分子转换器的转换后，产生的矢量光束的偏振状态与第二基板光控取向膜的分子指向矢排布处处垂直。

本发明实施例通过在第一基板和第二基板上旋涂形成光控取向膜，并利用不同偏振方向的诱导光改变第一基板和第二基板上的光控取向膜的分子指向矢方向，以形成第一基板光控取向膜的分子指向矢方向均一排布，和第二基板光控取向膜至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，将所述第一基板和第二基板封装并灌注液晶形成液晶偏振转换器，在该液晶偏振转换器中的液晶分子呈渐变扭曲排布，以使得照射在该液晶偏振转换器上的线偏振入射光转换为矢量光束，且通过改变设置在第二基板光控取向膜的分子指向矢方向排布，该液晶偏振转换器可以产生任一模式的矢量光束；另外利用所述第一基板和第二基板制作的液晶偏振转换器结构简单，制作成本低，并且可适用于宽波段。

在本实施例基础上，可选的，所述第二基板光控取向膜的取向控制图形具有至少一个设定区域的分子指向矢方向具有2n个渐变周期，所述渐变周期为0°-180°，所述矢量光束的偏振级数为n，其中n为正整数。

在本实施例基础上，可选的，当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域的分子指向矢方向渐变周期数量不同。

在本实施例基础上，可选的，所述第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向控制所述矢量光束的偏振状态分布。

在本实施例基础上，可选的，当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域的初始位置分子指向矢方向不同。

在本实施例基础上，可选的，所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域还包括至少一个环形位错线，所述环形位错线两侧的光控取向膜分子指向矢方向不同。

在本实施例基础上，可选的，当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域包含的环形位错线的数量不同。

实施例三

在上述各实施例基础上，本发明实施例还提供了一种对所述第二基板光控取向膜进行多步重叠曝光的方法，具体的，该方法包括：采用无掩模动态投影曝光系统，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，以形成至少一个分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称的取向控制图形。

图9a-图9d为本发明实施例三提供的一种对第二基板光控取向膜进行多步重叠曝光的方法示意图，为便于描述，示例性的，如图9a所示，共进行了三次曝光，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，示例性的设置每个曝光图形具有两个周期T1和T2，每个周期分为3等分TN1、TN2、TN3(N＝1，2)。图9b所示为第一次曝光时采用的曝光图形，如图9b所示，第一次曝光时，采用无掩膜动态投影曝光系统选择第一曝光图形，其中第一曝光图形对应的诱导光的偏振方向为0°，曝光区域为T1中的T11和T12，以及T2中的T21和T22。图9c所示为第二次曝光时采用的曝光图形，如图9c所示，第一次曝光完成后，更换第二曝光图形，第二曝光图形对应的诱导光的偏振方向为60°，曝光区域为T1中的T12和T13，以及T2中的T22和T23。图9d所示为第三次曝光时采用的曝光图形，如图9d所示，第二次曝光完成后，更换第三曝光图形，第三曝光图形对应的诱导光的偏振方向为120°，曝光区域为T1中的T11和T13，以及T2中的T21和T23进行曝光。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，重叠的部分为T12和T22；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，重叠的部分为T13和T23；第三曝光图形的曝光区域与第一曝光图形的曝光区域部分重叠，重叠的部分为T11和T21，即区域T11、T12、T13、T21、T22和T23均被曝光两次，且每次曝光的诱导光偏振方向不同。

优选的，每次曝光的剂量不足以使得光控取向膜的指向矢方向排布达到稳定排列(例如当曝光剂量为5J/cm²时，可以使得光控取向膜的分子指向矢方向排布达到稳定排列，分步重叠曝光时，示例性的，如图9a-图9d所示，每个区域被曝光了2次，此时可以选择曝光剂量为5/2J/cm²，即随着曝光图形曝光次数的增多，曝光剂量减小了)，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，第二基板光控取向膜上或产生分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称的取向控制图形。

在此，需要说明的是，图9a-图9d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(即一个渐变周期内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，液晶分子指向矢方向渐变且中心对称排布的越均匀，最终获得的矢量光束的质量越好。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。另外，经过图9a-图9d的三步重叠曝光后，得到的第二基板光控取向膜具有一个设定区域分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，且第二基板光控取向膜具有2个渐变周期，初始位置分子指向矢方向为θ＝0°，此并非对本发明实施例的限制。还可以根据第二基板光控取向膜的至少一个设定区域分子指向矢方向排布的模拟示意图，改变曝光图形，或者，改变每次曝光图形对应的诱导光的偏振方向，得到光控取向膜设定区域的渐变周期数量不同的第二基板，或者，光控取向膜具有多个设定区域分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称的第二基板，或者，光控取向膜初始位置分子指向矢方向改变某一角度θ的第二基板，或者，光控取向膜中至少一个设定区域还包括至少一个环形位错线的第二基板。

实施例四

在上述各实施例的基础上，本发明还提供了一种矢量光控取向系统。图10为本发明实施例四提供的一种矢量光控取向系统的结构示意图，该系统包括光源装置10a、权利要求1-7中任一所述液晶偏振转换器10b和设置有光控取向膜的基板10c，其中所述光源装置10a用于产生线偏振入射光；所述液晶偏振转换器10b用于将照射在液晶偏振转换器上的线偏振入射光转换为矢量光束，其中，所述线偏振入射光的偏振方向垂直于所述液晶偏振转换器第一基板光控取向膜分子指向矢方向；所述基板10c用于经过所述矢量光束的照射，使得所述光控取向膜的至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称。

所述系统的工作过程为：光源装置10a产生的线偏振入射光的偏振方向垂直于所述液晶偏振转换器10b的第一基板光控取向膜的分子指向矢方向；入射偏振方向垂直于第一基板均一取向方向，由扭曲向列相液晶的偏振旋转效应，出射光偏振分布与第二基板光控取向膜取向分布处处垂直，因而避免诱导光对液晶偏振转换器的第一和第二基板光控取向膜的影响；通过所述液晶偏振转换器的转换，线偏振入射光转换为矢量光束，将所述产生的矢量光束照射在所述设置有光控取向膜的基板10c上，以对该基板光控取向膜的分子指向矢的取向进行设定。其中，所述基板10c可以为设置有光控取向膜的单一基板，也可以为由分别设置有光控取向膜的第一基板和第二基板组成的未灌注液晶的液晶盒。示例性的，如图10所示，液晶偏振转换器10b产生的是角向偏振光，在此，需要说明的是，通过改变该液晶偏振转换10b的第二基板光控取向膜的分子指向矢的排布，可以产生任一模式的矢量光束，此处仅以液晶偏振转换器10b产生的角向偏振光为例，而非对本发明实施例的限定。

当矢量光束照射在设置有光控取向膜的单一基板上时，矢量光束作为诱导光对单一基板的光控取向膜的分子指向矢进行设定，则使单一基板光控取向膜的至少一个设定区域的的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称。这样设置的好处是，将矢量光束作为诱导光对基板光控取向膜的分子指向矢进行设定，可以一次性形成分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称的光控取向膜，简化了多步重叠曝光的工艺过程。并且将该基板与一光控取向膜分子指向矢均一取向的基板组成液晶盒，并给所述液晶盒灌注液晶便可形成液晶偏振转换器，进一步简化了液晶偏振转换器的制作过程，降低了制作成本，适用于其批量制备，提高了产生矢量光束的效率。当矢量光束照射在由分别设置有光控取向膜的第一基板和第二基板组成的未灌注液晶的液晶盒上时，矢量光束作为诱导光同时对第一基板和第二基板的光控取向膜分子指向矢进行设定，则使第一基板和第二基板光控取向膜的至少一个设定区域的分子指向矢方向均为渐变分布且呈中心对称。这样设置的好处是，将矢量光束作为诱导光同时对第一基板和第二基板光控取向膜的分子指向矢进行设定，可以一次性形成第一基板和第二基板的光控取向膜的至少一个设定区域分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称，简化了多次重叠曝光的工艺过程。将经过曝光的液晶盒灌注液晶后，液晶分子将在第一基板和第二基板的光控取向膜的控制下形成渐变排布，并且在第一基板和第二基板的对应位置上液晶分子的排布相同。此时形成的器件为q波片，利用所述q波片可以产生涡旋光束。图11a为本发明实施例四提供的一种采用图10提供的系统产生的q波片的正交偏光显微图，图11b为利用图11a所述q波片产生的涡旋光(涡旋光的拓扑荷数m＝2)的光斑图。

在此，需要说明的是，当光源装置10a产生的线偏振入射光的偏振方向垂直于液晶偏振转换器10b的第一基板光控取向膜分子指向矢方向时，经过该液晶偏振转换器10b的转换后，产生的矢量光束的偏振方向与液晶偏振转换器10b的第二基板光控取向膜分子指向矢方向处处垂直，从而避免诱导光对液晶偏振转换器10b的第一和第二基板光控取向膜的影响；若利用该矢量光束作为诱导光对基板10c的光控取向膜进行设定，由于光控取向膜分子趋向于垂直诱导光偏振方向排列，因此设定后形成的基板的光控取向膜分子指向矢方向与液晶偏振转换器10b的第二基板光控取向膜分子指向矢方向完全一致，相当于液晶偏振转换器10b的第二基板的直接复制。

需要说明的是，本发明实施例提供的光源装置只要能够产生线偏振入射紫外光即可。为保证光源装置产生线偏振入射光以及控制线偏振入射光的偏振方向，所述光源装置还可以包括偏振片等器件。

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 (7)

1.一种液晶偏振转换器，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之间的液晶层；

其中，所述第一基板与第二基板之间设置有间隔粒子，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设置有光控取向膜，所述第一基板的光控取向膜的分子指向矢方向均一排布，所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称；

所述第一基板光控取向膜和第二基板光控取向膜控制所述液晶层中的液晶分子由第一基板至第二基板呈渐变扭曲排布，且线偏振入射光在所述液晶偏振转换器中的非寻常光与寻常光的相位差，大于或者等于所述液晶层中的液晶分子在第一基板和第二基板中扭曲角度的10倍，以使照射在液晶偏振转换器的线偏振入射光转换为矢量光束；

所述第二基板光控取向膜的至少一个设定区域的分子指向矢方向具有2n个渐变周期，每个所述渐变周期为取向膜分子指向方向从0°渐变到180°，所述矢量光束的偏振级数为n，其中n为正整数；

当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域的分子指向矢方向渐变周期数量不同。

2.根据权利要求1所述的液晶偏振转换器，其特征在于，所述第二基板光控取向膜设定区域的初始位置分子指向矢方向控制所述矢量光束的偏振状态分布。

3.根据权利要求2所述的液晶偏振转换器，其特征在于，当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域的初始位置分子指向矢方向不同。

4.根据权利要求1所述的液晶偏振转换器，其特征在于，所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域还包括至少一个环形位错线，所述环形位错线两侧的光控取向膜分子指向矢方向不同。

5.根据权利要求4所述的液晶偏振转换器，其特征在于,当所述第二基板的光控取向膜中多个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称时，所述多个设定区域包含的环形位错线的数量不同。

6.一种液晶偏振转换器的制备方法，其特征在于，包括：

在第一基板和第二基板的近邻液晶层的一侧形成光控取向膜；

对所述第一基板的光控取向膜均匀曝光，以使所述第一基板的光控取向膜的分子指向矢方向均一排布；

对所述第二基板的光控取向膜进行多步重叠曝光，采用无掩模动态投影曝光系统，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，以使所述第二基板的光控取向膜中至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称；

在所述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；

在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述第一基板光控取向膜和第二基板光控取向膜控制所述液晶层中的液晶分子呈渐变扭曲排布，且线偏振入射光在所述液晶偏振转换器中的非寻常光与寻常光的相位差，大于或者等于所述液晶层中的液晶分子在第一基板和第二基板中扭曲角度的10倍，以使照射在液晶偏振转换器的线偏振入射光转换为矢量光束。

7.一种矢量光控取向系统，其特征在于，包括：

光源装置、权利要求1-5任一所述的液晶偏振转换器和设置有光控取向膜的基板，其中：

所述光源装置，用于产生线偏振入射光；

所述液晶偏振转换器，用于将照射在液晶偏振转换器上的线偏振入射光转换为矢量光束，其中，所述线偏振入射光的偏振方向垂直于所述液晶偏振转换器第一基板光控取向膜分子指向矢方向；

所述基板，用于经过所述矢量光束照射，使所述光控取向膜的至少一个设定区域的分子指向矢方向渐变分布且呈中心对称。