CN106501986B - 光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法 - Google Patents

光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106501986B
CN106501986B CN201610937447.0A CN201610937447A CN106501986B CN 106501986 B CN106501986 B CN 106501986B CN 201610937447 A CN201610937447 A CN 201610937447A CN 106501986 B CN106501986 B CN 106501986B
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
optical
liquid crystal
crystal polymer
path system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610937447.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106501986A (zh
Inventor
胡伟
唐明劼
陈鹏
陆延青
徐飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University
Original Assignee
Nanjing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University filed Critical Nanjing University
Priority to CN201610937447.0A priority Critical patent/CN106501986B/zh
Publication of CN106501986A publication Critical patent/CN106501986A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106501986B publication Critical patent/CN106501986B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1334—Constructional arrangements; Manufacturing methods based on polymer dispersed liquid crystals, e.g. microencapsulated liquid crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G02F1/13378—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers by treatment of the surface, e.g. embossing, rubbing or light irradiation
    • G02F1/133788—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers by treatment of the surface, e.g. embossing, rubbing or light irradiation by light irradiation, e.g. linearly polarised light photo-polymerisation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

本发明公开了一种光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法。所述光学功能化薄膜包括光学透明衬底(11)和设置在光学透明衬底(11)一面的液晶聚合物薄膜(12)，液晶聚合物薄膜(12)中液晶聚合物的分子具有预设指向；所述光学功能化薄膜的制备方法包括如下步骤：在透明基板上形成光控取向膜并使其取向、旋涂液晶聚合物前体溶液、退火、紫外光照射、转移液晶聚合物薄膜至光学透明衬底上；所述光路系统包括依次层叠的至少两个光学功能化薄膜；所述光束整形方法为使用光路系统，对光束的波前进行操控，以产生设定光束。本发明提供的光路系统体积小，质量轻，应用范围广泛且具有可重构的优点。

Description

光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法
技术领域
本发明属于光束操控整形技术领域，具体涉及一种光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法。
背景技术
光路是由一系列光学元件组成，以实现某种特定的功能，如：成像，光学测量以及光波前调控等。在光学与光子学领域，无论是用于研究还是用于商业应用，光路都是最基本的需求。现有的光路主要分为两种：自由光路和基于硅基光子学的硅基集成光路。自由光路由一系列独立的光学元件组成，每个元件可以独立调整。硅基集成光路由一系列集成在硅片上的微小光学元件组成，用以实现特定功能。但二者均面临诸多问题：自由光路体积庞大，成本昂贵；硅基集成光路制备工艺复杂，且只能实现特定功能，其所集成的光学元件不可替换以及调整。如果可以结合两者的优点，光学系统将更为简单高效，成本降低，且应用范围可得到大大拓展。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法。本发明提供的光学功能化薄膜体积小，质量轻，具有良好的柔性和延展性，可重复使用；其制备工艺简单；基于该光学功能化薄膜的光路系统能够实现对光束的整形操控，除了具有光学功能化薄膜本身的优点之外，还具有可重构的优点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种光学功能化薄膜，包括：
光学透明衬底和设置在光学透明衬底一面的液晶聚合物薄膜，液晶聚合物薄膜中液晶聚合物的分子在光学透明衬底的表面上具有预设指向。
液晶聚合物薄膜的分子指向可以根据光学功能化薄膜的功能进行预设，例如可以是单一指向或中心对称指向。
优选地，液晶聚合物薄膜通过光学透明胶粘附在光学透明衬底上。
第二方面，本发明提供一种上述光学功能化薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)在透明基板的一侧制备得到光控取向膜；
(2)对步骤(1)得到的具有光控取向膜的玻璃基板进行多步重叠曝光，得到具有预设取向的光控取向膜；
(3)在步骤(2)得到的具有预设取向的光控取向膜上旋涂液晶聚合物前体溶液，退火，形成液晶聚合物前体薄膜；
(4)对液晶聚合物前体薄膜进行紫外光照射，使液晶聚合物前体发生交联，形成液晶聚合物薄膜；
(5)将液晶聚合物薄膜转移至光学透明衬底上，得到光学功能化薄膜。
优选地，为增加光控取向膜与透明基板的浸润性和粘附性，在步骤(1)之前，对透明基板进行预处理：将透明基板用洗液超声清洗20-40分钟(例如可以是20分钟、23分钟、25分钟、28分钟、30分钟、33分钟、35分钟、38分钟或40分钟)，再用超纯水超声清洗两次，每次各8-10分钟(例如可以是8分钟、8.3分钟、8.5分钟、8.8分钟、9分钟、9.3分钟、9.5分钟、9.8分钟或10分钟)，然后在100-120℃(例如可以是100℃、103℃、105℃、108℃、110℃、113℃、115℃、118℃或120℃)烘箱中烘干40-60分钟(例如可以是40分钟、43分钟、45分钟、48分钟、50分钟、53分钟、55分钟、58分钟或60分钟)，最后进行紫外光臭氧(UVO)清洗30-45分钟(例如可以是30分钟、33分钟、35分钟、38分钟、40分钟、43分钟或45分钟)。
优选地，洗液为丙酮和/或酒精。
优选地，步骤(1)中制备光控取向膜的方法为：在透明基板的一侧旋涂光控取向剂，退火，得到光控取向膜；
优选地，旋涂光控取向剂的方法为：用旋涂仪在500-800转/分钟(例如可以是500转/分钟、550转/分钟、600转/分钟、650转/分钟、700转/分钟、750转/分钟或800转/分钟)的转速下旋涂5-10秒(例如可以是5秒、6秒、7秒、8秒、9秒或10秒)，然后在2500-3500转/分钟(例如可以是2500转/分钟、2800转/分钟、3000转/分钟、3300转/分钟或3500转/分钟)的转速下旋涂50-60秒(例如可以是50秒、51秒、52秒、53秒、54秒、55秒、56秒、57秒、58秒、59秒或60秒)。
优选地，制备光控取向膜的方法中退火的温度为100-120℃(例如可以是100℃、103℃、105℃、108℃、110℃、113℃、115℃、118℃或120℃)，退火的时间为10-12分钟(例如可以是10分钟、10.3分钟、10.5分钟、10.8分钟、11分钟、11.3分钟、11.5分钟、11.8分钟或12分钟)。
优选地，步骤(2)中多步重叠曝光包括如下步骤：
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：
计算获得光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内的分布，指向矢方向在一个圆周内0°-180°变化。一个圆周内每个0°-180°变化的区域被平均分成18个子区域，并被赋予一个单一的方向，从0°到170°，间隔10°。然后，将方向为0°的子区域与相邻的4个子区域(-20°到20°，共5个子区域)组合成第一曝光图形。随后的曝光图形相对于前一个曝光图形，5个子区域沿顺时针方向移过一个子区域。以此类推，获得第二到第十八曝光图形。第一次曝光时，采用无掩模动态投影曝光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°。第一次曝光完成后，更换第二曝光图形。对应的诱导光偏振方向相对于第一次曝光对应的诱导光偏振方向顺时针转过10°，为10°。以此类推，每次曝光对应的诱导光偏振方向相对于前一次曝光对应的诱导光偏振方向顺时针转过10°。最后，在经历18次曝光过程后，所有区域均被曝光五次，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。由于曝光图形中心对称，因此，多步重叠曝光后，光控取向膜上会产生形成排布渐变且呈中心对称的取向。
光控取向膜具体的取向结构由多步重叠曝光的方法控制，光控取向膜的取向决定最终液晶聚合物薄膜中液晶聚合物的分子指向。
优选地，液晶聚合物前体溶液的溶剂为有机溶剂，优选为甲苯、苯甲醚或丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)。
优选地，液晶聚合物前体溶液中液晶聚合物前体的质量百分含量为20-30％(例如可以是20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％)。
优选地，步骤(3)中旋涂液晶聚合物前体溶液的方法为：用旋涂仪在2500-3500转/分钟(例如可以是2500转/分钟、2800转/分钟、3000转/分钟、3300转/分钟或3500转/分钟)的转速下旋涂40-60秒(例如可以是40秒、43秒、45秒、48秒、50秒、53秒、55秒、58秒或60秒)。
液晶聚合物前体薄膜的厚度可以通过调整旋涂液晶聚合物前体溶液的转速和液晶聚合物前体溶液的浓度进行控制。
优选地，步骤(3)中退火的温度为80-100℃(例如可以是80℃、83℃、85℃、88℃、90℃、93℃、95℃、98℃或100℃)，退火的时间为1-2分钟(例如可以是1分钟、1.1分钟、1.2分钟、1.3分钟、1.4分钟、1.5分钟、1.6分钟、1.7分钟、1.8分钟、1.9分钟或2分钟)。
优选地，步骤(4)中紫外光照射的时间为2-3分钟(例如可以是2分钟、2.1分钟、2.2分钟、2.3分钟、2.4分钟、2.5分钟、2.6分钟、2.7分钟、2.8分钟、2.9分钟或3分钟)，紫外光的功率为12-15mW/cm2(例如可以是12mW/cm2、12.3mW/cm2、12.5mW/cm2、12.8mW/cm2、13mW/cm2、13.3mW/cm2、13.5mW/cm2、13.8mW/cm2、14mW/cm2、14.3mW/cm2、14.5mW/cm2、14.8mW/cm2或15mW/cm2)。
第三方面，本发明提供一种光路系统，包括依次层叠的至少两个上述光学功能化薄膜，相邻的光学功能化薄膜依靠静电力吸附保持相对位置。
第四方面，本发明提供一种光束整形方法，使用上述光路系统，对光束的波前进行操控，以产生设定光束。
可根据入射光的波长、偏振方向和具体的光路系统，产生设定的出射光，例如可以是矢量涡旋光束或发生偏折的光束。
进一步地，使用上述光路系统，对光束的波前进行操控，以产生矢量涡旋光束。
进一步地，使用上述光路系统，对光束的波前进行操控，以产生设定偏折角度的光束。
使用本发明提供的光路系统，可以获得偏折角度在-40°～+40°(例如可以是-40°、-30°、-20°、-10°、0°、+10°、+20°、+30°或+40°)范围内的光束。
需要指出的是，这里负号“-”是相对于正号“+”而言的，表示光偏折的方向相反，而不是代表数值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的光学功能化薄膜包括光学透明衬底和设置在光学透明衬底一面的液晶聚合物薄膜。其体积小，质量轻，成本低，具有良好的柔性和延展性，可重复使用，且其制备工艺简单。
本发明提供的光路系统包括依次层叠的至少两个上述光学功能化薄膜，能够实现对光束的整形操控。相较于自由光路系统，其具有体积小，质量轻，成本低的优点，且因良好的柔性和延展性而能与任意曲面光学元件贴合，应用范围广泛；此外，由于相邻的光学功能化薄膜是依靠静电力这种较弱的力吸附保持相对位置，使得光学功能化薄膜容易从光路系统中取下，所以本发明提供的光路系统相较于集成光路系统，还具可重构的优点。
附图说明
图1a为本发明实施例1提供的光学功能化薄膜的剖面结构示意图；
图1b为本发明实施例1提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图；
图1c为本发明实施例1提供的光学功能化薄膜的正交偏光显微图；
图2为本发明实施例2提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图；
图3a为本发明实施例3提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图；
图3b为本发明实施例3提供的光学功能化薄膜的正交偏光显微图；
图4a为本发明实施例4提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图；
图4b为本发明实施例4提供的光学功能化薄膜的正交偏光显微图；
图5a为本发明实施例5提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图；
图5b为本发明实施例5提供的光学功能化薄膜的正交偏光显微图；
图6a为本发明实施例6提供的光路系统的结构示意图；
图6b为本发明实施例6提供的光路系统的正交偏光显微图；
图7a为本发明实施例7提供的光路系统的结构示意图；
图7b为本发明实施例7提供的光路系统的正交偏光显微图；
图8a为本发明实施例8中入射光经过第一光学功能化薄膜后产生的涡旋光束的光强分布图，其中图A为无检偏器时光束的光强分布图，图B为无检偏器时光束经过柱透镜后的光强分布图；
图8b为本发明实施例8中入射光经过第二光学功能化薄膜后产生的具有线偏振的涡旋光束的光强分布图，其中图A为检偏器为水平方向时光束的光强分布图，图B为检偏器为竖直方向时光束的光强分布图；
图8c为本发明实施例8提供的光束整形方法产生的矢量涡旋光束的光强分布图，其中图A为无检偏器时光束的光强分布图，图B为检偏器为水平方向时光束的光强分布图，图C为检偏器与水平方向呈45°夹角时光束的光强分布图；
图9为本发明实施例9提供的光束整形方法产生的矢量涡旋光束的光强分布图，其中图A为无检偏器时光束的光强分布图，图B为检偏器为水平方向时光束的光强分布图，图C为检偏器与水平方向呈45°夹角时光束的光强分布图；
图10a为本发明实施例10使用的光路系统的结构示意图；
图10b为本发明实施例10中光束偏折的原理图；
图10c为本发明实施例10中光束偏折叠加的原理图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种光学功能化薄膜。
图1a为本实施例提供的光学功能化薄膜的剖面结构示意图。如图1a所示，本实施例提供的光学功能化薄膜包括：光学透明衬底11和设置在光学透明衬底11一面的液晶聚合物薄膜12。需要指出的是，图1a中并未示出液晶聚合物薄膜的分子指向，包含具有任意分子指向的液晶聚合物薄膜的光学功能化薄膜的结构示意图均可由图1a表示。
本实施例提供的光学功能化薄膜的制备方法如下：
(1)对透明基板进行预处理：将玻璃基板用酒精和丙酮的混合洗液超声清洗30分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各10分钟，然后在120℃烘箱中烘干40分钟，最后进行UVO清洗30分钟；
(2)在预处理后透明基板的一侧旋涂光控取向剂，旋涂方法为：用旋涂仪在600转/分钟的转速下旋涂5秒，然后在3000转/分钟的转速下旋涂60秒，然后在100℃下退火10分钟，在透明基板上形成光控取向膜；
(3)对步骤(2)得到的透明基板上的光控取向膜进行多步重叠曝光，得到具有预设取向的光控取向膜；
其中，多步重叠曝光的步骤为：
光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内0°-180°的变化次数为2。计算获得光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内的分布。一个圆周内每个0°-180°变化的区域被平均分成18个子区域，并被赋予一个单一的方向，从0°到170°，间隔10°。然后，将方向为0°的子区域与相邻的4个子区域(-20°到20°，共5个子区域)组合成第一曝光图形。随后的曝光图形相对于前一个曝光图形，5个子区域沿顺时针方向移过一个子区域。以此类推，获得第二到第十八曝光图形。第一次曝光时，采用无掩模动态投影曝光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°。第一次曝光完成后，更换第二曝光图形。对应的诱导光偏振方向相对于第一次曝光对应的诱导光偏振方向顺时针转过10°，为10°。以此类推，每次曝光对应的诱导光偏振方向相对于前一次曝光对应的诱导光偏振方向顺时针转过10°。最后，在经历18次曝光过程后，所有区域均被曝光五次，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。由于曝光图形中心对称，因此，多步重叠曝光后，光控取向膜上会产生形成排布渐变且呈中心对称的取向；
(4)在步骤(3)得到的具有预设取向的光控取向膜上旋涂质量百分含量为23％的液晶聚合物前体的甲苯溶液，旋涂方法为：用旋涂仪在3000转/分钟的转速下旋涂40秒，然后在80℃下退火1分钟，形成液晶聚合物前体薄膜；
(5)将步骤(4)得到的液晶聚合物前体薄膜用紫外光照射2分钟，紫外光功率为13mW/cm2，使液晶聚合物前体发生交联，形成液晶聚合物薄膜；
(6)将液晶聚合物薄膜转移至光学透明衬底上，得到光学功能化薄膜。
图1b为本实施例提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图。如图1b所示，液晶聚合物分子指向在一个圆周内连续变化。
图1c为本实施例提供的光学功能化薄膜的正交偏光显微图。图1c中液晶聚合物分子指向与检偏器平行或垂直的区域最暗，与检偏器呈45°夹角的区域最亮，整体呈亮暗交替渐变。
本实施例提供的光学功能化薄膜体积小，质量轻，成本低，具有良好的柔性和延展性，可重复使用，且其制备工艺简单。
实施例2
本实施例提供一种光学功能化薄膜，与实施例1的区别在于，曝光的步骤为：
使用单一偏振方向的诱导光对光控取向膜上所有区域进行曝光。诱导光强度为10mW/cm2，曝光时间为10分钟。达到足够的曝光剂量使光控取向膜的指向矢方向排布达到稳定排列。
图2为本实施例提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图。如图2所示，液晶聚合物分子具有单一指向。
本实施例提供的光学功能化薄膜在正交偏光显微镜下呈现均匀一色。
本实施例提供的光学功能化薄膜体积小，质量轻，成本低，具有良好的柔性和延展性，可重复使用，且其制备工艺简单。
实施例3
本实施例提供一种光学功能化薄膜，与实施例1的区别在于：
光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内0°-180°的变化次数为8。计算获得光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内的分布，在实施例1的基础上重新确定多步重叠曝光图形。
图3a为本实施例提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图。
图3b为本实施例提供的光学功能化薄膜的正交偏光显微图。图3b中液晶聚合物分子指向与检偏器平行或垂直的区域最暗，与检偏器呈45°的区域最亮，整体呈亮暗交替渐变。
本实施例提供的光学功能化薄膜体积小，质量轻，成本低，具有良好的柔性和延展性，可重复使用，且其制备工艺简单。
实施例4
本实施例提供一种光学功能化薄膜，与实施例1的区别在于：
光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内0°-180°的变化次数为12。计算获得光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内的分布，在实施例1的基础上重新确定多步重叠曝光图形。
图4a为本实施例提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图。
图4b为本实施例提供的光学功能化薄膜的正交偏光显微图。图4b中液晶聚合物分子指向与检偏器平行或垂直的区域最暗，与检偏器呈45°的区域最亮，整体呈亮暗交替渐变。
实施例5
本实施例提供一种光学功能化薄膜，与实施例1的区别在于：
光控取向膜的指向矢方向在水平方向上在0°-180°内周期变化，在竖直方向上保持不变。计算获得光控取向膜的指向矢方向在一个平面内的分布，在实施例1的基础上重新确定多步重叠曝光图形。
图5a为本实施例提供的光学功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意图，如图5a所示，液晶聚合物分子指向在x方向上在0°-180°内周期变化，在y方向上保持不变。
图5b为本实施例提供的光学功能化薄膜的正交偏光显微图。图5b中液晶聚合物分子指向与检偏器平行或垂直的区域最暗，与检偏器呈45°的区域最亮，整体呈亮暗交替渐变。
实施例6
本实施例提供一种光路系统。
图6a为本实施例提供的光路系统的结构示意图，如图6a所示，本实施例提供的光路系统包括依次层叠的第一光学功能化薄膜61，第二光学功能化薄膜62和第三光学功能化薄膜63，第二光学功能化薄膜62中液晶聚合物分子的指向相对第三光学功能化薄膜63中液晶聚合物分子指向为0°的方向(图6a中的水平方向)呈45°夹角，相邻的光学功能化薄膜依靠静电力吸附保持相对位置；
其中第一光学功能化薄膜61为实施例1提供的光学功能化薄膜，第二光学功能化薄膜62为实施例2提供的光学功能化薄膜，第三光学功能化薄膜63为实施例3提供的光学功能化薄膜。
需要说明的是，图6a中三个光学功能化薄膜之间是紧密贴合的，图中所示间距只是为了方便说明本实施例提供的光路系统的结构。
图6b为本实施例提供的光路系统的正交偏光显微图。
本实施例提供的光路系统相较于自由光路系统，具有体积小，质量轻，成本低的优点，且因良好的柔性和延展性而能与任意曲面光学元件贴合，应用范围广泛；此外，由于相邻的光学功能化薄膜是依靠静电力这种较弱的力吸附保持相对位置，使得光学功能化薄膜容易从光路系统中取下，所以本实施例提供的光路系统所以其相较于集成光路系统，还具可重构的优点。
实施例7
本实施例提供一种光路系统。
图7a为本实施例提供的光路系统的结构示意图。如图7a所示，本实施例提供的光路系统与实施例6的区别在于：
在实施例6的基础上，将第一光学功能化薄膜61与第三光学功能化薄膜63从光路系统中取下，在原本第一光学功能化薄膜61处粘贴第四光学功能化薄膜71，在原本第三光学功能化薄膜63处粘贴第一光学功能化薄膜61；
其中，第四光学功能化薄膜71为实施例4提供的光学功能化薄膜。
需要说明的是，图7a中三个光学功能化薄膜之间是紧密贴合的，图中所示间距只是为了方便说明本实施例提供的光路系统的结构。
图7b为本实施例提供的光路系统的正交偏光显微图。
本实施例提供的光路系统相较于自由光路系统，具有体积小，质量轻，成本低的优点，且因良好的柔性和延展性而能与任意曲面光学元件贴合，应用范围广泛；此外，由于相邻的光学功能化薄膜是依靠静电力这种较弱的力吸附保持相对位置，使得光学功能化薄膜容易从光路系统中取下，所以本实施例提供的光路系统相较于集成光路系统，还具可重构的优点。
实施例8
本实施例提供一种光束整形方法。
本实施例以左旋圆偏振作为入射光，光束依次通过实施例6提供的光路系统的第一光学功能化薄膜61，第二光学功能化薄膜62和第三光学功能化薄膜63，出射光为拓扑核为2，偏振级次为8的矢量涡旋光束。
第一光学功能化薄膜61中的液晶聚合物分子指向在一个圆周内0°-180°变化，变化次数与矢量涡旋光束的涡旋拓扑核数相同；第一光学功能化薄膜61的位相延迟满足入射光为633nm的二分之一波长条件。
第二光学功能化薄膜62中的液晶聚合物分子具有单一指向，第二光学功能化薄膜62的位相延迟满足入射光为633nm的四分之一波长条件。
第三光学功能化薄膜63中的液晶聚合物分子指向在一个圆周内0°-180°变化，变化次数与矢量涡旋光束的偏振级次相同；第三光学功能化薄膜63的位相延迟满足入射光为633nm的二分之一波长条件。
本实施例中光束的光强分布通过电荷耦合(CCD)相机拍摄，在CCD相机前设置检偏器，可用来检测光束的偏振状态。
当入射光经过第一光学功能化薄膜61后，产生拓扑核为2的涡旋光。图8a为本实施例中入射光经过第一光学功能化薄膜61后产生的涡旋光束的光强分布图，其中图A为无检偏器时光束的光强分布图，图B为无检偏器时光束经过柱透镜后的光强分布图。如图8a中图A所示，当入射光经过第一光学功能化薄膜61后，产生典型的圆环状光强分布，表明产生涡旋光束；如图8a中图B所示，通过柱透镜法验证光束的拓扑核为2。
当涡旋光通过第二光学功能薄膜62后，圆偏振转变为了线偏振。图8b为本实施例中入射光经过第二光学功能化薄膜62后产生的具有线偏振的涡旋光束的光强分布图，其中图A为检偏器为水平方向时光束的光强分布图，图B为检偏器为竖直方向时光束的光强分布图。如图8b中图A所示，当检偏器水平时，光束依旧保持典型的圆环状光强分布，如图8b中图B所示，旋转检偏器，当转过角度为90°时，无透射光，证明圆偏振已完全变为了线偏振。
当线偏振的涡旋光通过第三光学功能薄膜63后，线偏振涡旋光束变为了矢量涡旋光束。图8c为本实施例提供的光束整形方法产生的矢量涡旋光束的光强分布图。其中图A为无检偏器时光束的光强分布图，显示出典型的圆环状光强分布，表明产生矢量涡旋光束；图B为检偏器为水平方向时光束的光强分布图，图B中亮点为光束中偏振方向与检偏器平行的部分，数量为偏振级次的两倍，表明入射光束完全转变为拓扑核为2，偏振级次为8的矢量涡旋光束；图C为检偏器与水平方向呈45°夹角时光束的光强分布图，图C中亮点随检偏器的转动而转动，表明产生矢量涡旋光束。
实施例9
本实施例提供一种光束整形方法。
本实施例以左旋圆偏振作为入射光，光束依次通过实施例7提供的光路系统的第四光学功能化薄膜71，第二光学功能化薄膜62和第一光学功能化薄膜61，出射光为拓扑核为12，偏振级次为2的矢量涡旋光束。
第一光学功能化薄膜61中的液晶聚合物分子指向在一个圆周内0°-180°变化，变化次数与矢量涡旋光束的偏振级次相同。因此，本发明提供的光学功能化薄膜既可以作为矢量涡旋光束的涡旋产生组件，也可以作为矢量涡旋光束的矢量产生组件。
第四光学功能化薄膜71中的液晶聚合物分子指向在一个圆周内0°-180°变化，变化次数与矢量涡旋光束的涡旋拓扑核数相同。
本实施例中光束的光强分布通过电荷耦合(CCD)相机拍摄，在CCD相机前设置检偏器，可用来检测光束的偏振状态。
图9为本实施例提供的光束整形方法产生的矢量涡旋光束的光强分布图。其中图A为无检偏器时光束的光强分布图，显示出典型的圆环状光强分布，表明产生矢量涡旋光束；图B为检偏器为水平方向时光束的光强分布图，图B中亮点为光束中偏振方向与检偏器平行的部分，数量为偏振级次的两倍，表明入射光束完全转变为拓扑核为12，偏振级次为2的矢量涡旋光束；图C为检偏器与水平方向呈45°夹角时光束的光强分布图，图C中亮点随检偏器的转动而转动，表明产生矢量涡旋光束。
实施例10
本实施例提供一种光束整形方法，使用光路系统，对光束的波前进行操控，以产生设定偏折角度的光束。
本实施例使用的光路系统中光学功能化薄膜地层叠次序如图10a所示，包括多个依次层叠的光束偏折功能薄膜组101，光束偏折功能薄膜组101由第五光学功能化薄膜1011与第六光学功能化薄膜1012构成，第五光学功能化薄膜1011和第六光学功能化薄膜1012之间以任意相对角度叠加。
其中，第五光学功能化薄膜1011为实施例5提供的光学功能化薄膜。如图5a所示，液晶聚合物分子指向在x方向上在0°-180°内周期变化。变化周期由所需光束偏折角度决定，变化周期满足公式Λ＝λ/sinθ，其中Λ为变化周期(在数值上等于光栅周期)，λ为入射光波长，θ为光束偏折角度。第五光学功能化薄膜1011的位相延迟满足入射光为633nm的二分之一波长条件。
第六光学功能化薄膜1012为实施例2提供的光学功能化薄膜，第六光学功能化薄膜的位相延迟满足入射光为633nm的二分之一波长条件。
本实施例以左旋圆偏振作为入射光，入射光依次经过第五光学功能化薄膜1011和第六光学功能化薄膜1012。光束偏折原理如图10b所示，当入射光经过第五光学功能化薄膜1011后，入射光的偏振态由左旋圆偏振转变为右旋圆偏振，同时，光束的传播方向偏折角度θ；当光束经过第六光学功能化薄膜1012后，光束的偏振态由右旋圆偏振转变为左旋圆偏振，但传播方向不变。入射光在通过一组光束偏折功能薄膜组101后，转变为偏振方向不变，而传播方向偏折角度θ的出射光。
图10c为本实施例提供的光束偏折叠加原理图。如图10c所示，从左至右，入射光依次经过本实施例使用的光路系统中的多个光束偏折功能薄膜组。入射光经过第一个光束偏折功能薄膜组后，在不改变偏振态的同时，光束的传播方向偏折角度θ1，出射光通过第二个光束偏折功能薄膜组后，光束的传播方向偏折角度θ1+θ2，以此类推，当光束通过第n个光束偏折功能薄膜组后，光束的传播方向偏折角度θ1+θ2……+θn。
通过增加或减少层叠的光束偏折功能薄膜组的数量和/或替换具有不同光栅周期的光束偏折功能薄膜组，可以获得偏折角度在-40°～+40°范围内的光束。
需要说明的是，图10b中第五光学功能化薄膜1011和第六光学功能化薄膜1012之间，图10c中多个光束偏折功能薄膜组之间是紧密贴合的，图中所示间距只是为了方便说明光束的偏折。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (16)

1.一种用于光束整形的光路系统，其特征在于，包括依次层叠的至少两个光学功能化薄膜，相邻的所述光学功能化薄膜依靠静电力吸附保持相对位置；
所述光学功能化薄膜包括：光学透明衬底和设置在所述光学透明衬底一面的液晶聚合物薄膜，所述液晶聚合物薄膜中液晶聚合物的分子在所述光学透明衬底的表面上具有预设指向；
所述光学功能化薄膜的制备方法包括如下步骤：
(1)在透明基板的一侧制备得到光控取向膜；
(2)对步骤(1)得到的透明基板上的光控取向膜进行多步重叠曝光，得到具有预设取向的光控取向膜；
步骤(2)中多步重叠曝光包括如下步骤：
计算获得光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内的分布，所述指向矢方向在一个圆周内0°-180°变化；或者计算获得光控取向膜的指向矢方向在一个平面内的分布，所述指向矢方向在水平方向上在0°-180°内周期变化，在竖直方向上保持不变；
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；
相邻曝光步骤的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顺时针或逆时针旋转；
(3)在步骤(2)得到的具有预设取向的光控取向膜上旋涂液晶聚合物前体溶液，退火，形成液晶聚合物前体薄膜；
(4)对所述液晶聚合物前体薄膜进行紫外光照射，在所述透明基板上形成所述液晶聚合物薄膜；
(5)将所述液晶聚合物薄膜转移至所述光学透明衬底上，得到所述光学功能化薄膜；
所述光路系统包括依次层叠的第一光学功能化薄膜、第二光学功能化薄膜和第三光学功能化薄膜；
或者包括依次层叠的第四光学功能化薄膜、第二光学功能化薄膜和第一光学功能化薄膜；
所述第一光学功能化薄膜由所述制备方法制备得到，且光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内0°-180°的变化次数为2；
所述第二光学功能化薄膜的液晶聚合物分子具有单一指向；
所述第三光学功能化薄膜由所述制备方法制备得到，且光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内0°-180°的变化次数为8；
所述第四光学功能化薄膜由所述制备方法制备得到，且光控取向膜的指向矢方向在一个圆周内0°-180°的变化次数为12。
2.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述液晶聚合物薄膜通过光学透明胶粘附在所述光学透明衬底上。
3.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，在所述步骤(1)之前，对所述透明基板进行预处理，所述预处理为：将所述透明基板用洗液超声清洗20-40分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各8-10分钟，然后在100-120℃烘箱中烘干40-60分钟，最后进行紫外光臭氧清洗30-45分钟。
4.如权利要求3所述的光路系统，其特征在于，所述洗液为丙酮和/或酒精。
5.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，步骤(1)中制备光控取向膜的方法为：在所述透明基板的一侧旋涂光控取向剂，退火，得到所述光控取向膜。
6.如权利要求5所述的光路系统，其特征在于，旋涂所述光控取向剂的方法为：用旋涂仪在500-800转/分钟的转速下旋涂5-10秒，然后在2500-3500转/分钟的转速下旋涂50-60秒。
7.如权利要求5所述的光路系统，其特征在于，所述制备光控取向膜的方法中退火的温度为100-120℃，退火的时间为10-12分钟。
8.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述液晶聚合物前体溶液的溶剂为有机溶剂。
9.如权利要求8所述的光路系统，其特征在于，所述有机溶剂为甲苯、苯甲醚或丙二醇甲醚醋酸酯。
10.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述液晶聚合物前体溶液中液晶聚合物前体的质量百分含量为20-30％。
11.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，步骤(3)中旋涂所述液晶聚合物前体溶液的方法为：用旋涂仪在2500-3500转/分钟的转速下旋涂40-60秒。
12.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，步骤(3)中退火的温度为80-100℃，退火的时间为1-2分钟。
13.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，步骤(4)中紫外光照射的时间为2-3分钟，紫外光的功率为12-15mW/cm2。
14.一种光束整形方法，其特征在于，使用如权利要求1-13任一项所述的光路系统，对光束的波前进行操控，以产生设定光束。
15.如权利要求14所述的光束整形方法，其特征在于，使用如权利要求1-13任一项所述的光路系统，对光束的波前进行操控，以产生矢量涡旋光束。
16.如权利要求14所述的光束整形方法，其特征在于，使用如权利要求1-13任一项所述的光路系统，对光束的波前进行操控，以产生设定偏折角度的光束。
CN201610937447.0A 2016-10-25 2016-10-25 光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法 Active CN106501986B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610937447.0A CN106501986B (zh) 2016-10-25 2016-10-25 光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610937447.0A CN106501986B (zh) 2016-10-25 2016-10-25 光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106501986A CN106501986A (zh) 2017-03-15
CN106501986B true CN106501986B (zh) 2020-06-16

Family

ID=58318992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610937447.0A Active CN106501986B (zh) 2016-10-25 2016-10-25 光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106501986B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110196462A (zh) * 2019-06-28 2019-09-03 苏州晶萃光学科技有限公司 一种太赫兹透镜、其制备方法及包含其的太赫兹光学系统
CN110346981B (zh) * 2019-07-08 2022-06-28 南京晶萃光学科技有限公司 一种柔性集成光子器件、制备方法及光束调制系统
CN110346949B (zh) * 2019-07-08 2022-10-11 南京晶萃光学科技有限公司 一种集成光子器件、制备方法及光束调制系统
CN111239882B (zh) * 2020-01-15 2021-09-28 南京大学 一种太赫兹贝塞尔光束产生器、制备方法及产生系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1367401A (zh) * 2001-01-23 2002-09-04 日东电工株式会社 液晶显示用广视场角偏光薄膜及该广视场角偏光粘接薄膜
CN1507478A (zh) * 2001-05-08 2004-06-23 二色性混合物
CN1650197A (zh) * 2002-04-23 2005-08-03 日东电工株式会社 偏振部件,偏振光源及使用其的图像显示装置
CN1853120A (zh) * 2003-09-16 2006-10-25 雷恩哈德库兹两合公司 用于制造个性化光学可变元件的方法及薄膜系统
CN101266364A (zh) * 2007-03-16 2008-09-17 新日石液晶薄膜株式会社 液晶薄膜的制造方法以及用于该方法的摩擦装置
CN101790429A (zh) * 2007-08-31 2010-07-28 旭硝子株式会社 液晶聚合物层压体的制造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1367401A (zh) * 2001-01-23 2002-09-04 日东电工株式会社 液晶显示用广视场角偏光薄膜及该广视场角偏光粘接薄膜
CN1507478A (zh) * 2001-05-08 2004-06-23 二色性混合物
CN1650197A (zh) * 2002-04-23 2005-08-03 日东电工株式会社 偏振部件,偏振光源及使用其的图像显示装置
CN1853120A (zh) * 2003-09-16 2006-10-25 雷恩哈德库兹两合公司 用于制造个性化光学可变元件的方法及薄膜系统
CN101266364A (zh) * 2007-03-16 2008-09-17 新日石液晶薄膜株式会社 液晶薄膜的制造方法以及用于该方法的摩擦装置
CN101790429A (zh) * 2007-08-31 2010-07-28 旭硝子株式会社 液晶聚合物层压体的制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106501986A (zh) 2017-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106501986B (zh) 光学功能化薄膜、其制备方法及光路系统和光束整形方法
CN109164643B (zh) 一种完美涡旋光产生器及其制备方法
Guo et al. Highâ Resolution and Highâ Throughput Plasmonic Photopatterning of Complex Molecular Orientations in Liquid Crystals
CN101266313B (zh) 空变液晶波片
KR100693024B1 (ko) 미세 구조체의 제조 방법, 노광 장치, 전자 기기
CN108535931B (zh) 液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统
CN107193160A (zh) 一种胆甾相液晶装置、制备方法和光束控制系统
KR20110033025A (ko) 광배향막 제조용 자외선 고투과 이중 선 격자 편광판 및 이의 제조방법
CN102768472A (zh) 一种数控微镜阵光刻实现液晶任意取向控制的方法与装置
US20180052367A1 (en) Vertical photo alignment method and manufacture method of liquid crystal display panel
KR20140001093A (ko) 위상차 필름의 제조 방법
CN111399261A (zh) 一种焦距可调的太赫兹超构透镜及其制备方法和应用
CN111999933B (zh) 一种液晶红外偏振光栅及其制备方法
CN109116635A (zh) 一种液晶偏振光栅制备方法
US20160342032A1 (en) Optical Alignment Film and Method for Preparing the Same, Display Substrate and Display Apparatus
CN104428715B (zh) 衬底处理装置及器件制造方法
CN110412808A (zh) 一种光束偏折器件、制备方法及光束偏折检测装置
CN108051884A (zh) 一种涡旋光束探测器及其制备方法
CN103748489B (zh) 图案相位差膜的制造方法、图案相位差膜及图像显示装置
CN101995598A (zh) 具有空间上变化的倾角的液晶层
CN107703714A (zh) 一种显示器的基板的制造方法及光罩
KR101839461B1 (ko) 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법
CN105404056B (zh) 一种液晶退偏器、制备方法和退偏测试系统
CN110346981B (zh) 一种柔性集成光子器件、制备方法及光束调制系统
CN106054464A (zh) 一种彩膜基板以及显示面板

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant