CN108535931B - 液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统 - Google Patents

液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统，液晶相位板包括：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和间隔粒子；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，光控取向膜具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从控制图形的中心区域向两边逐渐递减，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在每个周期呈0°‑180°渐变分布，以使照射在液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光，简化了艾里涡旋矢量光的产生方式，提高了艾里涡旋矢量光的质量和可调节性能。

Description

液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统
技术领域
本发明涉及液晶取向控制技术领域，尤其涉及液晶相位板和艾里涡旋矢量光产生测试系统。
背景技术
近年来，空间结构光场作为光学领域的研究热点受到越来越多的关注。如具有无衍射、自加速、自愈等性质的艾里光束，具有螺旋相位结构并携带轨道角动量的涡旋光束，具有偏振奇点且偏振态分布空间变化的矢量光束等，这些奇异的特点使得它们被广泛应用于光学微操控、量子信息、生物医学、天文学等领域。而这些特殊光场的复合，如艾里涡旋光束、艾里涡旋矢量光束等，在诸如多方位的微粒操控、量子通讯的无损传输、更清晰的生物显微观测、更精确的天文探测等方面具有潜在的应用价值。
目前，国内外对艾里涡旋矢量光束的高效产生与调控等方面的研究尚在起步阶段。少有的几个产生方法中，或者样品的制备过程繁琐耗时，或者样品固定不可调节，或者产生光路系统较为复杂，降低了艾里涡旋矢量光束的质量，限制了艾里涡旋矢量光束的应用。
发明内容
本发明提供一种液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统，以使得艾里涡旋矢量光束的产生光路更加集成化，提高艾里涡旋矢量光束的质量和可调节性。
第一方面，本发明实施例提供了一种液晶相位板，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方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，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在每个周期呈0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光。
进一步的，当入射光为左旋圆偏振时，经所述液晶相位板转换为一支右旋圆偏振的艾里涡旋光束；
当入射光为右旋圆偏振时，经所述液晶相位板转换为一支左旋圆偏振的艾里涡旋光束；
当入射光为线偏振时，入射光经所述液晶相位板转换为两支艾里涡旋矢量光束；两支艾里涡旋矢量光束分别为右旋圆偏振态和左旋圆偏振态，且两支艾里涡旋矢量光束的光强强弱相同。
所述立方螺旋相位控制的图形为中心包含一个螺旋相位结构的立方相位图形。
第二方面，本发明实施例还提供一种艾里涡旋矢量光束产生测试系统，包括：
上述各实施例所述的液晶相位板；
位于所述液晶相位板入光侧的光源，以产生入射光；
位于所述液晶相位板出光侧的透镜和成像装置；
其中所述光源、液晶相位板、透镜以及成像装置的光轴位于同一直线上。
进一步的，还包括：
位于所述光源和所述液晶相位板之间的第一偏振片和波片，所述光源、第一偏振片、波片、液晶相位板、透镜以及成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述波片的快轴方向与所述第一偏振片的起偏方向的夹角，控制所述入射光的偏振状态。
所述波片为四分之一波片，所述透镜为球面透镜，调节所述入射光为圆偏振时，所述入射光经所述液晶相位板转换为一支艾里涡旋光束；
所述波片为四分之一波片，所述透镜为柱透镜，调节所述入射光为圆偏振时，所述柱透镜对所述液晶相位板产生的单支艾里涡旋光进行像散变换；
所述波片为四分之一波片，所述透镜为球面透镜，调节所述入射光为线偏振时，所述入射光经所述液晶相位板转换为圆偏振态相互正交的两支艾里涡旋矢量光束，且涡旋光场部分拓扑荷大小相反。
进一步的，还包括：
还包括位于所述透镜和成像装置之间的第二偏振片，所述波片为半波片，所述透镜为球面透镜；
所述光源、第一偏振片、波片、液晶相位板、透镜、第二偏振片以及成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述波片的快轴方向与第一偏振片的起偏方向的夹角，改变入射线偏振光的偏振方向至水平或竖直状态；调节第二偏振片的检偏方向与水平方向分别成0°、45°、90°、135°，以验证出射光的矢量光场成分，测试艾里涡旋矢量光的空间偏振分布。
进一步的，还包括：
位于所述光源与所述液晶相位板入光侧之间的第一分束棱镜；
位于所述透镜与所述成像装置之间的第二分束棱镜；
第一反射镜和第二反射镜；
其中，所述第一反射镜所在平面以及所述第二反射镜所在平面分别与所述入射光的传播方向成+45°和-45°夹角；所述光源、第一分束棱镜、液晶相位板、透镜、第二分束棱镜以及成像装置的光轴位于同一直线上；所述透镜为球面透镜。
第三方面，本发明实施例还提供一种液晶相位板的制备方法，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，以形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减；
在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜的立方螺旋相位控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢在每个周期呈0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。
进一步的，对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减，包括：
采用数控微镜阵曝光系统，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，以实现形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减。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，并在所述光控取向膜上设置具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，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0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。本发明提供的液晶相位板无需电极结构即可产生艾里涡旋矢量光束，相比于现有的艾里涡旋矢量光产生技术有较高的集成度和较大的可调节性，本发明提供的液晶相位板稳定性强，结构简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种液晶相位板的剖面结构示意图；
图2为液晶指向矢方向呈周期性0°-180°渐变分布的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的一种立方螺旋相位控制图形的示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种立方螺旋相位控制图形的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种液晶相位板的显微图；
图6为本发明实施例提供的一种艾里涡旋矢量光束产生测试系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种艾里涡旋矢量光束测试系统的结构示意图；
图8a为入射光为圆偏振时艾里涡旋矢量光束产生测试系统产生的艾里涡旋光束光斑形貌示意图；
图8b为入射光为线偏振时艾里涡旋矢量光束产生测试系统产生的艾里涡旋矢量光束光斑形貌示意图；
图9a为左旋圆偏振入射光照射液晶相位板时，产生的右旋圆偏振艾里涡旋光束经柱透镜进行像散变换后得到的光斑形貌图；
图9b为解析干涉图案后获得的两支艾里涡旋矢量光束中心部分的相位分布示意图；
图10a为入射光为水平方向偏振时，本发明实施例提供的艾里涡旋矢量光束产生测试系统经第二偏振片在不同检偏方向下获得的艾里涡旋矢量光束的强度分布示意图；
图10b为为入射光为竖直方向偏振时，本发明实施例提供的艾里涡旋矢量光束产生测试系统经第二偏振片在不同检偏方向下获得的艾里涡旋矢量光束的强度分布示意图；
图11为本发明实施例提供的一种液晶相位板的制备方法的流程示意图；
图12为本发明实施例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。
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。
本发明实施例提供一种液晶相位板，图1为本发明实施例提供的一种液晶相位板的剖面结构示意图，如图1所示，所述液晶相位板包括：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具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，所述光控取向膜的立方螺旋相位控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。图2为液晶指向矢方向呈周期性0°-180°渐变分布的俯视示意图，如图2所示，在光控取向膜的锚定作用下，由于立方螺旋相位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0°-180°渐变分布(图1和图2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分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，所述光控取向膜的立方螺旋相位控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。
在上述实施例的基础上，所述立方螺旋相位控制图形为中心包含一个螺旋相位结构的立方相位图形。可选的，所述立方螺旋相位控制图形的每个周期可以包括一个弧形结构，图3为本发明实施例提供的一种立方螺旋相位控制图形的示意图，如图3所示，立方螺旋相位控制图形的中心包含一个螺旋相位结构，立方螺旋相位控制图形的每个周期包括一个弧形结构，当立方螺旋相位控制图形的每个周期包括一个弧形结构时，经液晶相位板的入射光可转换为二维艾里涡旋矢量光束。图3亦可视为液晶指向矢方向呈周期性0°-180°渐变分布的模拟示意图，如图3所示，每个周期内的液晶指向矢方向呈0°-180°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°。
可选的，所述立方螺旋相位控制图形的每个周期可以为近直线形结构，图4为本发明实施例提供的又一种立方螺旋相位控制图形的示意图，如图4所示，所述立方螺旋相位控制图形，除中心区域的螺旋相位结构外，其余每个周期为近直线形结构，且越远离中心区域，直线形结构越明显，当所述立方螺旋相位控制图形的每个周期为近直线形结构时，经所述液晶立方螺旋相位模板的入射光可转换为一维艾里涡旋矢量光束。
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相位板中的寻常光和非寻常光的相位差等于π。图5为满足入射光在所述液晶相位板中的寻常光和非寻常光的相位差等于π条件下的液晶相位板样品的显微图，图中的标尺为100μm。这样设置的好处是，当入射光在所述液晶相位板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相位板后出射的光束只有艾里涡旋矢量光束，艾里涡旋矢量光束的产生效率为100％，避免了电极的使用，即无需在液晶相位板的第一基板以及第二基板上设置电极。
进一步的，在上述实施例基础上，可选的，所述的液晶相位板中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，具体可根据实际需求选择相应的液晶层的材料，本发明实施例对此不作限制。
进一步的，所述光控取向膜的立方螺旋相位控制图形可擦写，所述光控取向膜的材料为偶氮染料，使该液晶相位板可重复利用，通过擦写光控取向膜上的立方螺旋相位控制图形，可实时变更液晶相位板的结构，实现产生多种模式的艾里涡旋矢量光束。
本发明实施例还提供一种艾里涡旋矢量光束产生测试系统，图6为本发明实施例提供的一种艾里涡旋矢量光束产生测试系统的结构示意图，如图6所示，所述艾里涡旋矢量光束产生测试系统包括：上述各实施例所述的液晶相位板81，位于所述液晶相位板81入光侧的光源82以产生入射光，位于所述液晶相位板81出光侧的透镜83以及成像装置84，其中所述光源82、液晶相位板81、透镜83以及成像装置84的光轴位于同一直线上。打开光源82发出入射光，照射到所述液晶相位板81的入光测，所述液晶相位板81将入射光转换为艾里涡旋矢量光束出射，经透镜83后呈现在成像装置84上。
可选的，透镜83可以选用球面透镜，所述液晶相位板81将入射光转换为艾里涡旋矢量光束出射，经球面透镜进行傅里叶变换后呈现在成像装置84上。可选的，透镜83还可以选用柱透镜，所述液晶相位板81将入射光转换为艾里涡旋光束出射，经柱透镜进行像散变换后呈现在成像装置84上，可得到艾里涡旋光束的像散变换形貌。
在上述实施例的基础上，优选的，光源为激光光源，这样设置的好处是激光光源的准直性好，经所述液晶相位板转换的艾里涡旋矢量光束的质量高。此外，所述光源的波长范围优选大于500nm，避免光源发出的入射光对液晶相位板中的立方螺旋相位控制图形的影响。例如用671nm的激光照射液晶相位板，经焦距为125mm的球面透镜进行傅里叶变换后，便可得到艾里涡旋矢量光束。本发明实施例对透镜的焦距不作限制。所述成像装置例如可以是图像传感器CCD等。
在上述各实施例的基础上，优选的，所述艾里涡旋矢量光束产生测试系统还包括：位于所述光源82和所述液晶相位板81之间的第一偏振片85和波片86，所述光源82、第一偏振片85、波片86、液晶相位板81、透镜83以及成像装置84的光轴位于同一直线上，通过调节所述波片86的快轴方向与第一偏振片85的起偏方向的夹角，可以控制光源82发出的入射光的偏振状态，从而通过液晶相位板转换为不同数量以及偏振状态的艾里涡旋矢量光束。
若波片86为四分之一波片，透镜83为球面透镜，调节入射光为圆偏振时，入射光经液晶相位板81转换为一支艾里涡旋光束；
若波片86为四分之一波片，透镜83为柱透镜，调节入射光为圆偏振时，柱透镜对液晶相位板81产生的单支艾里涡旋光进行像散变换；
若波片86为四分之一波片，透镜83为球面透镜，调节入射光为线偏振时，入射光经液晶相位板81转换为圆偏振态相互正交的两支艾里涡旋矢量光束，且涡旋光场部分拓扑荷大小相反。
在波片86为半波片、透镜83为球面透镜的前提下，在上述各实施例的基础上，可选的，艾里涡旋矢量光束产生测试系统还包括：位于所述透镜83和成像装置84之间的第二偏振片87；所述光源82、第一偏振片85、波片86、液晶相位板81、透镜83、第二偏振片87以及成像装置84的光轴位于同一直线上，通过调节波片86的快轴方向与第一偏振片85的起偏方向的夹角，改变入射光的偏振方向至水平或竖直状态，调节第二偏振片87的检偏方向，使第二偏振片87的检偏方向与水平方向分别成0°、45°、90°、135°，以验证出射光的矢量光场成分，测试艾里涡旋矢量光的空间偏振分布。
图7为本发明实施例提供的又一种艾里涡旋矢量光束产生测试系统的结构示意图，如图7所示，所述艾里涡旋矢量光束测试系统包括：上述各实施例所述的液晶相位板81，位于所述液晶相位板81入光侧的光源82以产生入射光，位于液晶相位板81出光侧的透镜83和成像装置84；其中光源82、液晶相位板81、透镜83以及成像装置84的光轴位于同一直线上。此外，本发明实施例提供的艾里涡旋矢量光束产生测试系统还包括位于光源82与液晶相位板81入光侧之间的第一分束棱镜88、位于透镜83与成像装置84之间的第二分束棱镜89、第一反射镜90和第二反射镜91。
其中，第一反射镜90所在平面以及第二反射镜91所在平面分别与入射光的传播方向成+45°和-45°夹角；所述光源82、第一分束棱镜88、液晶相位板81、透镜83、第二分束棱镜90以及成像装置84的光轴位于同一直线上。透镜83为球面透镜。
打开光源82发出入射光，经过第一分束棱镜88后，一半的能量沿原方向传输，经所述液晶相位板81和透镜83产生艾里涡旋矢量光束；另一半的能量被90°反射至第一反射镜90和第二反射镜91后，与艾里涡旋矢量光束在第二分束棱镜89中心处干涉，经由成像装置84探测到的干涉条纹可以解析艾里涡旋矢量光束的相位分布。
在上述实施例的基础上，优选的，光源为激光光源，除了上述提及的好处之外，激光光源的偏振态为线偏振，照射到液晶相位板后可以产生两支艾里涡旋矢量光束，通过成像装置的干涉图案可同时解析出此两支艾里涡旋矢量光束的相位分布，进而验证其中涡旋光场部分的相位奇点特性。例如用671nm的激光照射液晶相位板，经焦距为125mm的球面透镜进行傅里叶变换后，便可得到两支艾里涡旋矢量光束，在成像装置上便可获得它们的干涉光斑形貌分布。
图8a为入射光为圆偏振时艾里涡旋矢量光束产生测试系统产生的艾里涡旋光束光斑形貌示意图；图8b为入射光为线偏振时艾里涡旋矢量光束产生测试系统产生的艾里涡旋矢量光束光斑形貌示意图。本发明实施例提供的液晶相位板对于不同偏振状态的入射光，可以产生不同偏振模式的艾里涡旋矢量光束。如图8a所示，入射光为圆偏振时，入射光经液晶相位板转换为一支艾里涡旋光束。其中，入射光为左旋圆偏振时，经液晶相位板转换为一支右旋圆偏振的艾里涡旋光束；入射光为右旋圆偏振时，经液晶相位板转换为相对的另一支左旋圆偏振的艾里涡旋光束。如图8b所示，当入射光为线偏振时，入射光经液晶相位板转换为两支艾里涡旋矢量光束，其中，左上支艾里光场部分为右旋圆偏振态，右下支艾里光场部分为左旋圆偏振态，且两支艾里涡旋矢量光束的光强强弱相同。
图9a为左旋圆偏振入射光照射液晶相位板时，产生的右旋圆偏振艾里涡旋光束经柱透镜进行像散变换后得到的光斑形貌图。如图9a所示，艾里涡旋光束的主瓣，即具有不对称环形光斑分布的涡旋光场部分，被变换成两个向左上方倾斜的条纹，说明了涡旋光场的拓扑荷为正值；此两个条纹之间的暗条纹数量为1，说明了涡旋光场的拓扑荷大小为1。综合此两点信息，可以判断此右旋圆偏振的艾里涡旋光束中，涡旋光束的拓扑荷为+1。图9b为解析干涉图案后获得的两支艾里涡旋矢量光束中心部分的相位分布示意图。如图9b所示，上下两支的艾里涡旋矢量光束中，涡旋光场的相位从0开始，分别呈逆时针和顺时针旋转变化至2π，从而验证了此两支艾里涡旋矢量光束携带的轨道角动量大小相等，方向相反，其拓扑荷大小分别为+1、-1。
图10a为入射光为水平方向偏振时，本发明实施例提供的艾里涡旋矢量光束产生测试系统经第二偏振片在不同检偏方向下获得的艾里涡旋矢量光束的强度分布示意图；图10b为入射光为竖直方向偏振时，本发明实施例提供的艾里涡旋矢量光束产生测试系统经第二偏振片在不同检偏方向下获得的艾里涡旋矢量光束的强度分布示意图。本发明实施例提供的液晶相位板对于不同方向的线偏振入射光，可以产生不同空间偏振分布的矢量光场部分。入射光为水平方向偏振时，产生的艾里涡旋矢量光束中的矢量光场为径向矢量光，当第二偏振片87的检偏方向与水平方向分别成0°、45°、90°、135°时，检测到的艾里涡旋矢量光场的分布如图10a从左至右依次所示，其中矢量光场部分的光斑形貌分布符合径向矢量光束的偏振态空间径向分布特性。入射光为竖直方向偏振时，产生的艾里涡旋矢量光束中的矢量光场为角向矢量光，图10b从左至右依次为当第二偏振片87的检偏方向与水平方向分别成0°、45°、90°、135°时检测到的艾里涡旋矢量光场的分布，其中的矢量光场的光斑形貌分布符合角向矢量光束的偏振态空间垂直径向分布特性。这些结果验证了出射光的矢量光场成分，同时说明了通过调节入射光的线偏振方向，可以得到艾里涡旋径向矢量光或艾里涡旋角向矢量光。
本发明实施例还提供一种液晶相位板的制备方法，图11为本发明实施例提供的一种液晶相位板的制备方法的流程示意图，如图11所示。所述方法包括：
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，在第一基板和第二基板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；
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相位板中的寻常光和非寻常光的相位差等于π；这样设置的好处是，当入射光在所述液晶相位板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相位板后出射的光束只有艾里涡旋矢量光束，艾里涡旋矢量光束的产生效率为100％。
步骤130、对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减；
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分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减。
步骤140、在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜的立方螺旋相位控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。
光控取向膜具有锚定作用，在步骤130形成的立方螺旋相位控制图形的控制作用下，所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性0°-180°渐变分布，照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。
本发明实施例还提供一种对光控取向膜进行多步重叠曝光的方法，本实施例提供的方法制备的立方螺旋相位控制图形是通过对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，且所述立方螺旋相位控制图形使光控取向膜的分子指向矢方向呈周期性渐变分布，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减。具体的，采用数控微镜阵曝光系统，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，以实现形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减。
图12为本发明实施例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12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，示例性的设置每个曝光图形具有3个周期T1，T2，T3，每个周期的宽度从曝光图形的中心区域向两边逐渐递减，示例性的T1＝T3<T2。第一次曝光时，采用数控微镜阵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°，每个周期分为3等份Tn1、Tn2和Tn3，n＝1，2，3，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。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。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。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(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，可以选择曝光剂量为1J/cm2)，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分子指向矢方向呈周期性渐变分布的控制图形，且所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减。
需要说明的是，图12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，最终获得的艾里涡旋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。
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 (10)

1.一种液晶相位板，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；
其特征在于：
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方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，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在每个周期呈0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光。
2.根据权利要求1所述的液晶相位板，其特征在于：
当入射光为左旋圆偏振时，经所述液晶相位板转换为一支右旋圆偏振的艾里涡旋光束；
当入射光为右旋圆偏振时，经所述液晶相位板转换为一支左旋圆偏振的艾里涡旋光束；
当入射光为线偏振时，入射光经所述液晶相位板转换为两支艾里涡旋矢量光束；两支艾里涡旋矢量光束分别为右旋圆偏振态和左旋圆偏振态，且两支艾里涡旋矢量光束的光强强弱相同。
3.根据权利要求1所述的液晶相位板，其特征在于，所述立方螺旋相位控制的图形为中心包含一个螺旋相位结构的立方相位图形。
4.一种艾里涡旋矢量光产生测试系统，其特征在于，包括：
权利要求1-3任一所述的液晶相位板；
位于所述液晶相位板入光侧的光源，以产生入射光；
位于所述液晶相位板出光侧的透镜和成像装置；
其中所述光源、液晶相位板、透镜以及成像装置的光轴位于同一直线上。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：
位于所述光源和所述液晶相位板之间的第一偏振片和波片，所述光源、第一偏振片、波片、液晶相位板、透镜以及成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述波片的快轴方向与所述第一偏振片的起偏方向的夹角，控制所述入射光的偏振状态。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述波片为四分之一波片，所述透镜为球面透镜，调节所述入射光为圆偏振时，所述入射光经所述液晶相位板转换为一支艾里涡旋光束；
所述波片为四分之一波片，所述透镜为柱透镜，调节所述入射光为圆偏振时，所述柱透镜对所述液晶相位板产生的单支艾里涡旋光进行像散变换；
所述波片为四分之一波片，所述透镜为球面透镜，调节所述入射光为线偏振时，所述入射光经所述液晶相位板转换为圆偏振态相互正交的两支艾里涡旋矢量光束，且涡旋光场部分拓扑荷大小相反。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括位于所述透镜和成像装置之间的第二偏振片，所述波片为半波片，所述透镜为球面透镜；
所述光源、第一偏振片、波片、液晶相位板、透镜、第二偏振片以及成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述波片的快轴方向与第一偏振片的起偏方向的夹角，改变入射线偏振光的偏振方向至水平或竖直状态；调节第二偏振片的检偏方向与水平方向分别成0°、45°、90°、135°，以验证出射光的矢量光场成分，测试艾里涡旋矢量光的空间偏振分布。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：
位于所述光源与所述液晶相位板入光侧之间的第一分束棱镜；
位于所述透镜与所述成像装置之间的第二分束棱镜；
第一反射镜和第二反射镜；
其中，所述第一反射镜所在平面以及所述第二反射镜所在平面分别与所述入射光的传播方向成+45°和-45°夹角；所述光源、第一分束棱镜、液晶相位板、透镜、第二分束棱镜以及成像装置的光轴位于同一直线上；所述透镜为球面透镜。
9.一种液晶相位板的制备方法，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，以形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减；
在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜的立方螺旋相位控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢在每个周期呈0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。
10.根据权利要求9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，以形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减，包括：
采用数控微镜阵曝光系统，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，以实现形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109489835B (zh) * 2018-12-06 2020-10-16 深圳大学 基于gs迭代算法的奇点光的相位与偏振检测系统与方法
CN109709708B (zh) * 2019-03-11 2021-05-25 西北工业大学 一种液晶达曼立方相位板、制备方法及产生系统
CN110320672B (zh) * 2019-07-08 2022-05-17 南京晶萃光学科技有限公司 一种太赫兹涡旋光产生器、制备方法及产生系统
CN111399309A (zh) * 2020-04-14 2020-07-10 华南师范大学 一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法
CN111812893B (zh) * 2020-07-13 2021-04-16 西北工业大学 一种圆艾里光束的液晶分束器、制备方法及产生系统
CN112558375A (zh) * 2020-12-08 2021-03-26 华南师范大学 液晶透镜及其制作方法、光学器件
CN113138505A (zh) * 2021-02-23 2021-07-20 西北工业大学 一种铁电液晶几何相位器件及其制备系统和制备方法
CN113504597A (zh) * 2021-07-16 2021-10-15 西北工业大学 一种基于一次性曝光的液晶光控取向消偏器及其制备方法
CN115236786B (zh) * 2022-08-02 2024-02-02 西北工业大学 一种液晶相位板、制备方法及双面涡旋光束产生系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01304423A (ja) * 1988-06-02 1989-12-08 Seiko Instr Inc 液晶装置
US5262889A (en) * 1992-04-21 1993-11-16 Hughes Aircraft Company Optical frequency shifter
CN102566055A (zh) * 2012-02-10 2012-07-11 上海理工大学 一种相位板多焦点产生装置及方法
CN106199981A (zh) * 2016-06-28 2016-12-07 浙江师范大学 一种产生携带轨道角动量的无衍射艾里光束的方法及装置

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