CN105137659B - 一种液晶q波片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种液晶q波片及其制备方法。该液晶q波片包括：相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层；其中，第一基板与第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑液晶层；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，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，环绕奇点，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，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。本发明实施例的技术方案实现了波片结构更为复杂，光束整形效果更为多样的效果。

Description

一种液晶q波片及其制备方法
技术领域
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
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。
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满足其中r为极半径，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，α0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。
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
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。
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:
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，所述第一基板与所述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。
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|。
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：
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。
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。
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。
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°。
进一步的，所述液晶层的材料为向列相液晶；
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。
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：
在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜；
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；
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；
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。
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：
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；
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。
进一步的，所述方法还包括：
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。
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
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；
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；
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；
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；
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；
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示意图；
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；
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；
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示意图；
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；
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；
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示意图；
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；
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；
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示意图；
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；
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；
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；
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；
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；
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波片产生的具有两个亮环的涡旋光束的示意图；
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
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
本实施例提供了一种液晶q波片，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，如图1所示，所述波片包括：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和第二基板之间的液晶层13；其中，所述第一基板11与所述第二基板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的一侧设置有光控取向膜15，所述光控取向膜15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。
其中，q为拓扑荷，在极坐标系中，反映的是分子指向矢方向随着方位角变化的快慢，q值可以是正值也可以是负值。初始分子指向矢角度是极轴上液晶分子指向矢的方向，也被称为初始角度。所述光控取向膜可以分为多个区域，每个区域具有不同的控制图形，每个区域对应的液晶分子按照相应的控制图形排布。所述控制图形的中心存在一中心奇点，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，即同一控制图形在所述极轴上的初始分子指向矢角度和/或q值可以沿径向变化，也可以沿角向变化，也可以同时沿径向和角向变化，所述改变的次数及大小可以任意设定。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，即所述控制图形使光控取向膜15的分子指向矢呈周期性渐变分布，在光控取向膜15的锚定作用下，液晶层13中的液晶分子的指向矢按照相同的规律呈周期性渐变分布。
进一步的，所述液晶层的材料为向列相液晶；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。
本实施例通过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，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，以产生具有涡旋光等复杂波前的光束，解决了现有的波片所具有的q值单一或只能沿着角向变化,光束整形效果单一的问题，实现了波片结构更为复杂，光束整形效果更为多样的效果。
下面详细介绍液晶q波片中液晶分子指向矢的排布情况。控制图形的中心奇点在液晶层中任一层都存在投影点，且所述投影点为所述控制图形对应的相应层液晶分子的中心奇点，因此在描述控制图形时，中心奇点指的是控制图形的中心奇点，在描述液晶分子时，中心奇点指的是液晶层的中心奇点。
以q值为0.5，极轴上初始指向矢角度为0°的波片为例，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，如图2a所示，图中o为中心奇点，环绕所述中心奇点，以任一数值为半径，画一设定圆周，图中r轴为极轴。环绕所述中心奇点，在所述设定圆周上，所述控制图形控制所述液晶分子指向矢由与r轴平行，变化到与r轴垂直，再到与r轴平行，即在方位角由0°变化到360°时，液晶分子指向矢由0°变化到180°，变化了一个周期T。
另外，需要说明的是，图2a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，在该设定圆周以外的其他区域的液晶分子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。并且，图2a仅示出了液晶分子指向矢变化一个周期的示意图。
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，如图2b所示，图中亮度由暗到亮表示液晶分子指向矢方向由0°到180°，即变化一个周期T。
实施例二
在上述实施例的基础上，环绕中心奇点，液晶分子指向矢变化的周期数为2|q|。
示例性的，本实施例提供了一种液晶q波片，所述波片平均分为四个区域，每个区域分别具有不同的控制图形，每个控制图形具有单一的q值，所述控制图形控制对应区域的液晶分子呈相应的规律排布。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，如图3a所示，A、B、C、D四个区域的q值分别0.5、1.0、1.5、2.0。图中亮度由暗到亮表示液晶指向矢方向由0°到180°，即变化一个周期T。在q＝0.5的A区域，液晶指分子向矢变化一个周期；在q＝1.0的B区域，液晶分子指向矢变化两个周期；在q＝1.5的C区域，液晶分子指向矢变化三个周期；在q＝2.0的D区域，液晶指向矢变化四个周期；相应的，对任意q值，液晶指向矢变化对2|q|个周期。
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。图中亮暗的分布是由于液晶分子的长轴和起偏器/检偏器的夹角不同，其中最亮对应于液晶分子与起偏器夹角为45°，最暗对应于液晶分子与起偏器平行或者是垂直，也就是在一个周期内液晶分子指向矢由0°变化为180°时，最亮或最暗出现两次。亮度的连续变化对应于液晶分子指向矢的连续分布，对应于任意q值，亮暗的变化会出现4|q|次。在q＝0.5的A区域，最亮或最暗出现两次，液晶分子指向矢变化一个周期；在q＝1的B区域，最亮或最暗出现四次，液晶分子指向矢变化两个周期；在q＝1.5的C区域，最亮或最暗出现六次，液晶分子指向矢变化三个周期；在q＝2的D区域，最亮或最暗出现八次，液晶分子指向矢变化四个周期。
进一步的，调节入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差为π，此时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。
其中，当入射光束为左旋圆偏振时，出射的右旋圆偏振光束携带有2q个拓扑荷数，当入射光束为右旋圆偏振时，出射的左旋圆偏振光束携带有-2q个拓扑荷数。所述波片具体单一的q值，即在光束入射区域具有单一的q值。同一波片可以具有一个控制图形，所述控制图形具有单一的q值，所述波片可以分为不同的区域，每个区域具有不同的控制图形，只要光束入射的波片区域的控制图形具有单一q值即可。
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示意图。本发明实施例提供的液晶q波片对入射光束的波长没有限制，当入射任意波长的光束时，可以通过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或电压调节，使得入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差为π。所述第一基板以及第二基板与光控取向膜之间，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为氧化锡铟薄膜，电压调节即利用液晶的电控双折射特性，调节第一电极与第二电极之间的电压差。如图3c所示，当一束左旋圆偏振的高斯光束入射到阵列中q＝0.5区域时，产生右旋圆偏振的涡旋光，携带的拓扑荷数为1。相应地，如图3d-3f所示，当一束左旋圆偏振的高斯光束分别入射到q＝1.0，1.5和2.0区域时，产生右旋圆偏振的涡旋光，携带的拓扑荷数分别为2,3,4。如果当该波片与快速光束控制技术相结合时，即可实现不同拓扑荷数涡旋光束间的快速转换。
需要说明的是，所述液晶q波片中区域的大小和数量以及不同区域的q值可以根据需要任意设定，在其它实施方式中，所述的区域的个数还可以更多且各区域的q值可任意选择，以获得携带更多或者更大拓扑荷数的涡旋光束。
本实施例提供了一种液晶q波片，环绕中心奇点，液晶分子指向矢变化的周期数为2|q|，并且当调节入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差为π时，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，解决现有的波片所具有的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的效果。
实施例三
在上述实施例的基础上，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值可以在角向和/或径向按照预设的规律变化。
示例性的，本实施例提供了一种控制图形q值在角向变化时的液晶q波片，所述波片具有单一的控制图形，在方位角从0°变化到360°的范围内，所述控制图形均分为四个部分，所述控制图形控制液晶分子呈相应的规律排布。
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。如图4a所示，在方位角从0°变化到360°的范围内，在控制图形的作用下，所述波片均分为四个区域，A、B、C、D四个区域的q值分别为1，3，1，3。其中，图中亮度由暗到亮表示液晶指向矢方向由0°变化到180°，即变化一个周期。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。在A区域，图中最亮出现一次，在此区域中，方位角由180°变化到270°，液晶分子指向矢变化0.5个周期；在B区域，图中最亮出三次，在此区域中，方位角由270°变化到360°，液晶分子指向矢变化1.5个周期；相应的C区域变化规律与A区域相同，D区域与B区域相同。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示意图。如图4c所示，利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差为π时，当一束左旋/右旋偏振的高斯光束入射所述液晶q波片时，产生一束右旋/左旋的椭圆形光束。
需要说明的是，本实施例示例性的展示了控制图形q值在角向变化了三次时，液晶分子指向矢排布的变化，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不同的q值大小、角向区域的大小、变化量及变化次数。
在上述实施例的基础上，本实施例提供了又一种控制图形的q值在角向变化时的液晶q波片，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。如图5a所示，围绕中心奇点，在角向方向，液晶指向矢呈周期性排布，在角向范围内具有两个q值：在方位角从0°变化到180°的范围内，q值为10；在方位角从180°变化到360°的范围内，q值为2。在方位角从0°变化到180°的范围内，液晶分子指向矢变化十个周期，在方位角从180°变化到360°的范围内，液晶分子指向矢变化两个周期。相应的，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，在方位角从0°变化到180°的范围内，最亮或最暗出现二十次，液晶分子指向矢变化十个周期，在方位角从180°变化到360°的范围内，最亮或最暗出现四次，液晶分子指向矢变化两个周期。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示意图，如图5c所示，利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差为π时，当一束左旋圆偏振的高斯光束入射所述液晶q波片时，产生了一右旋的非对称形光束。
在上述实施例的基础上，本实施例提供了又一种液晶q波片，与上述实施例不同的是，所述液晶q波片控制图形的q值沿着径向发生变化。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。图中亮度由暗到亮表示液晶指向矢方向由0°到180°。如图6a所示，所述液晶q波片沿径向被分为十份，以所述径向上的分界点到中心奇点的距离为半径将所述控制图形分割为若干个同心圆和圆环，在最内层的圆形1范围内q值为2，每向外一个圆环q值增加0.5，圆环最外层区域10的q值为6.5。如图6a所示，在圆形1范围内，液晶分子指向矢变化两个周期，由区域1到区域10，每个区域的液晶分子指向矢变化周期数为相应的|q|值的2倍。
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；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示意图。利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差为π时，如图6c左侧图形所示，当一束左旋圆偏振的高斯光束入射所述液晶q波片时，出射光束转换为右旋圆偏振，且具有类台风状的光强分布。进一步的，如图6c右侧图形所示，如果入射高斯光束的偏振发生反转即变为右旋圆偏振，则出射光束偏振方向变为左旋圆偏振，且光强分布的台风旋向也进行了反转。由于同一束光束通过了不同q值的区域，出射光束中会夹杂有不同的拓扑荷值，这类光束在基于轨道角动量的波分复用中应用前景广阔。该类光束具有台风状的光强分布，在粒子操纵等领域也会有重要应用。
需要说明的是，本实施例示例性的展示控制图形中q值的大小沿着径向变化时，液晶分子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，q值的大小和径向区域大小以及变化的次数和变化量的大小都可以任意设定，由此产生的具有特殊光强分布的光束在粒子操控等领域具有巨大的潜力。
另外本实施例示例性的给出了控制图形的q值在角向或在径向变化时，液晶分子指向矢的渐变排布情况，按照上述实施例的方法，所述q值也可以在角向和径向同时变化，其产生的光束更为复杂。
本实施例提供了一种液晶q波片，在以中心奇点为原点的极坐标系中，环绕所述奇点，所述波片的控制图形的q值在角向和/或径向按照预设的规律变化，解决现有的波片所具有的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的效果。
实施例四
在上述实施例的基础上，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。
示例性的，本实施例提供了一种控制图形在极轴上的初始分子指向矢角度在变化时的液晶q波片。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。如图7a所示，所述波片沿径向方向，被分为十份，以所述径向上的分界点到中心奇点的距离为半径将所述控制图形分割为若干个同心圆和圆环，每个圆环内液晶分子在极轴上的初始分子指向矢角度相较于相邻同心圆环内液晶分子指向矢变化10°，即1/18个周期，因此，所述波片每个圆环内液晶分子指向矢角度相较于相邻同心圆环内液晶分子指向矢变化10°，即1/18个周期。所述液晶q波片的q值为1.5，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向由0°到180°。
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。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，如图7c所示，利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差为π时，当一束左旋圆偏振的高斯光束入射进所述波片时，出射光束转换为具有一个亮环的涡旋光，并转换为右旋圆偏振。
需要说明的是，本实施例示例性的展示控制图形中极轴上初始分子指向矢角度沿着径向变化时，液晶分子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，所述极轴上初始分子指向矢角度的大小和径向区域大小以及变化的次数和变化量的大小都可以任意设定。
另外，本实施例示例性的展示控制图形中极轴上初始分子指向矢角度沿着径向变化时，液晶分子指向矢的周期性渐变排布的情况以及出射光束的情况，与q值变化的规律类似，所述控制图形中极轴上初始分子指向矢角度还可以沿角向变化。
本实施例提供了一种液晶q波片，在以中心奇点为原点的极坐标系中，环绕所述奇点，所述波片的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，解决现有的波片所具有的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的效果。
进一步的，在上述实施例的基础上，本实施例提供了又一种液晶q波片，所述波片的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°。
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，所述液晶q波片的q值为1.5，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向由0°到180°，在方位角由0°到360°变化时，液晶指向矢变化三个周期。此外，波片的中心区域还包括一个90°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°，即相差半个周期。
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。在显微图中液晶位错环表现明显。这是因为在正交显微镜下，液晶分子指向矢正交时表现为亮度相同，而位错环两边液晶指向矢恰好相差90°，表现为位错环两边显微织构相同，位错环上液晶分子指向矢处于两正交状态的过渡区域，在显微镜下呈现出亮度的变化。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波片产生的具有两个亮环的涡旋光束的示意图，利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节入射光在所述液晶q波片中的寻常光和非寻常光的相位差为π时，当一束左旋圆偏振的高斯光束入射进所述波片时，出射光束转换为具有两个亮环的涡旋光，并转换为右旋圆偏振。涡旋光是一种拉盖尔高斯模式(Laguerre-Gaussian mode)，有两个关键参数，分别是拓扑荷数和径向指数。其中，拓扑荷数对应于所述q值的两倍2q，90°液晶取向位错环数量与所述涡旋光的径向指数相同。实施例二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。图7所对应的实施例的液晶q波片，液晶分子初始指向矢角度只是给整个涡旋光的波前增加了一个整体的相移，横截面上光强的分布并不会受到影响，因此出射的光束依然为具有一个亮环的涡旋光束。
需要说明的是，本实施例示例性的展示控制图形中控制图形具有一个90°液晶取向位错环时，液晶分子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，且取向环的位置也可以任意设定。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。
实施例五
本实施例提供了一种液晶q波片的制备方法,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。如图9所示，所述方法具体包括如下步骤：
步骤110、在第一基板和第二基板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。
优选的，将光控取向材料旋涂在设置有电极的两基板近邻所述液晶层一侧，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两基板退火10分钟，退火温度为100℃，形成光控取向薄膜。
步骤120、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。
步骤130、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。
优选的，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：
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；
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，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。
步骤140、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，以产生具有涡旋光等复杂波前的光束。
进一步的，所述方法还包括：
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。
这样设置的好处是以使照射在波片的入射光转换为具有涡旋光等复杂波前的光束。
本实施例通过在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜；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；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；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，以产生具有涡旋光等复杂波前的光束，解决现有的波片所具有的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。
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q波片，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，所述第一基板与所述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；
其中，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；
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。
2.根据权利要求1所述的液晶q波片，其特征在于，环绕中心奇点，液晶分子指向矢变化的周期数为2|q|。
3.根据权利要求1所述的液晶q波片，其特征在于，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：
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，出射光束携带有±2q个拓扑荷数。
4.根据权利要求1所述的液晶q波片，其特征在于，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°。
5.根据权利要求1所述的液晶q波片，其特征在于，所述液晶层的材料为向列相液晶；
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。
6.一种液晶q波片的制备方法,其特征在于，包括：
在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜；
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；
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；
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；
其中，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；
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。
7.根据权利要求6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：
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；
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。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
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。
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