CN109164643A - 一种完美涡旋光产生器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种完美涡旋光产生器及其制备方法，所述完美涡旋光产生器包括：相对设置的第一基板和第二基板、第一取向层、第二取向层以及设置于所述第一取向层与所述第二取向层之间的液晶层；其中，所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，所述控制图形用于控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布，以使照射在所述完美涡旋光产生器的入射光转换为完美涡旋光，本发明提供的完美涡旋光产生器相比于现有技术中的完美涡旋光产生器，光束质量和器件集成度显著提高。

Description

一种完美涡旋光产生器及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及完美涡旋光技术领域，尤其涉及一种完美涡旋光产生器及其制备方法。

背景技术

完美涡旋光具有光斑大小不随拓扑荷变化而变化的显著特征，即不同拓扑荷的涡旋光具有相同的光斑强度分布，这对涡旋光的实际应用是极具意义的。

现有技术中完美涡旋光器主要包括空间光调制器和超材料器件，但是，这两种方法面临着诸多问题。前者设备复杂、价格昂贵，产生的光束质量和效率受限，后者制备加工难度极高、光束转化效率较低。

发明内容

本发明提供一种完美涡旋光产生器及其制备方法，以提高完美涡旋光产生器的光束质量和器件集成度。

第一方面，本发明实施例提供了一种完美涡旋光产生器，包括：

相对设置的第一基板和第二基板、第一取向层、第二取向层以及设置于所述第一取向层与所述第二取向层之间的液晶层；

其中，所述第一取向层设置于所述第一基板朝向所述第二基板的一侧，所述第二取向层设置于所述第二基板朝向所述第一基板的一侧；所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，所述控制图形用于控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布，以使照射在所述完美涡旋光产生器的入射光转换为完美涡旋光；

所述控制图形包括多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°。

进一步的，入射光在所述完美涡旋光产生器中的寻常光和非寻常光的相位差等于(2n-1)π，其中，n为大于或者等于1的正整数；

当入射光为圆偏振时，入射光经所述完美涡旋光产生器产生完美涡旋光；

当入射光为线偏振时，入射光经所述完美涡旋光产生器产生完美矢量光。

进一步的，所述液晶分子指向矢从0°到180°变化的次数与所述完美涡旋光的拓扑荷数相同。

进一步的，所述第一取向层和所述第二取向层均为光控取向层。

进一步的，所述光控取向层的材料包括光交联材料、光降解材料或光致顺反异构材料中的至少一种。

进一步的，所述光控取向层的厚度为L1，其中，30nm≤L1≤50nm。

进一步的，所述液晶层的材料包括向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的至少一种。

进一步的，所述完美涡旋光产生器还包括位于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板形成所述液晶层的填充空间。

第二方面，本发明实施例还提供了一种完美涡旋光产生器的制备方法，该方法包括：

提供第一基板和第二基板；

在所述第一基板朝向所述第二基板的一侧以及所述第二基板朝向所述第一基板的一侧涂覆取向材料，形成取向膜；

对所述取向膜进行处理，形成第一取向层和第二取向层，所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，所述控制图形包括多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°；

在所述第一取向层和所述第二取向层之间制备液晶层。

本发明实施例提供的完美涡旋光产生器及其制备方法，通过在相对设置的第一基板和第二基板上设置第一取向层和第二取向层，并为所述第一取向层和第二取向层设置具有分子指向矢方向呈周期性环形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环形渐变分布，使照射在所述完美涡旋光产生器的入射光转换为完美涡旋光，所述控制图形具有多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°，通过所述控制图形控制液晶层中液晶的初始偏转方向，解决了现有技术中完美涡旋光产生器产生的光束质量受限和设备复杂等技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的模拟示意图；

图3为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的俯视示意图；

图4为本发明实施例提供的一种液晶完美涡旋光产生器在正交偏光显微镜下观察的显微图；

图5是本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器的实验装置图；

图6为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器所产生的完美涡旋光和完美矢量光；

图7为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的模拟示意图；

图8为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器在正交偏光显微镜下观察的显微图；

图9为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器所产生的完美涡旋光和完美矢量光；

图10为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的模拟示意图；

图11为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器在正交偏光显微镜下观察的显微图；

图12为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器所产生的完美涡旋光和完美矢量光；

图13为本发明实施例提供的拓扑荷数从1到6的完美涡旋光产生器产生的完美涡旋光及其光斑直径测量结果图；

图14为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的模拟示意图；

图15为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器在正交偏光显微镜下观察的显微图；

图16为本实施例提供的完美涡旋光产生器所产生的完美涡旋光和完美矢量光；

图17为本发明实施例提供的完美涡旋光产生器的制备方法的流程示意图。

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。

近年来，由于涡旋光在光学微操控、超分辨光学显微成像、激光加工、光通讯及量子信息等方面的广泛应用，人们对涡旋光的研究越来越关注。然而，对于普通的涡旋光，其光斑形貌与拓扑荷数紧密相关。环状光斑的大小通常随着拓扑荷的增大而急剧变化，快速增大，这对涡旋光的实际应用造成了较大限制。例如，在光镊领域，人们通常希望得到兼具较小的光斑直径与较大轨道角动量的涡旋光束，轨道角动量就对应拓扑荷的大小，这与涡旋光的性质是矛盾的；再比如，在光通讯领域，不同拓扑荷的涡旋光可以分别作为单独的信息通道，承载不同的信息，这有利于大大增加现有光通讯的通信容量和带宽，然而不同拓扑荷的涡旋光光斑大小差别迥异，会给多束涡旋光在光纤耦入和同向传输的过程带来不小的麻烦。

最近，完美涡旋光的概念被提出以克服这一问题。完美涡旋光具有光斑大小不随拓扑荷变化而变化的显著特征，即，不同拓扑荷的涡旋光具有相同的光斑强度分布。这对涡旋光的实际应用是极具意义的。现有的完美涡旋光的产生方法主要包括空间光调制器和超材料器件，但是，这两种方法面临着诸多问题。前者设备复杂、价格昂贵，产生的光束质量和效率受限，后者制备加工难度极高、光束转化效率较低。兼具高转化效率、高光束质量、高器件集成度、制备简单、使用简便灵活的可调完美涡旋光产生器亟待研发。

基于上述技术问题，本发明实施例提供了一种完美涡旋光产生器，包括相对设置的第一基板和第二基板、第一取向层、第二取向层以及设置于所述第一取向层与所述第二取向层之间的液晶层；其中，所述第一取向层设置于所述第一基板朝向所述第二基板的一侧，所述第二取向层设置于所述第二基板朝向所述第一基板的一侧；所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，所述控制图形用于控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布，以使照射在所述完美涡旋光产生器的入射光转换为完美涡旋光；所述控制图形包括多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°。采用上述技术方案，通过在第一取向层和第二取向层上设置分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布，保证照射在所述完美涡旋光产生器的入射光转换为完美涡旋光，所述控制图形具有多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°，通过所述控制图形控制液晶层中液晶的初始偏转方向，解决现有技术中完美涡旋光产生器产生的光束质量受限和设备复杂等技术问题。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种完美涡旋光产生器，图1为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器的剖面结构示意图，如图1所示，所述完美涡旋光产生器包括：相对设置的第一基板11和第二基板12、第一取向层13、第二取向层14以及设置于所述第一取向层13与所述第二取向层14之间的液晶层15；其中，第一取向层13设置于第一基板11朝向第二基板12的一侧，第二取向层14设置于第二基板12朝向第一基板11的一侧；第一取向层13和第二取向层14具备相同的取向方向，且第一取向层13和第二取向层14具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，控制图形用于控制液晶层15中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布，以使照射在完美涡旋光产生器的入射光转换为完美涡旋光；第一取向层13和第二取向层14上的控制图形还包括多个同心分布的取向位错环，取向位错环内的分子指向矢与取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°，因此在第一取向层13和第二取向层14的锚定作用下，液晶层15中的液晶分子指向矢按照与控制图形相同的规律呈周期性环形渐变分布。示例性的，图2为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的模拟示意图，如图2所示，液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布，图中由暗到亮表示液晶分子指向矢方向从0°渐变为180°，图中包括多个同心分布的取向位错环21，取向位错环21内的分子指向矢与所述取向位错环21外的分子指向矢之间的角度差为90°。示例性的，图3为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的俯视示意图，如图3所示，在第一取向层13和第二取向层14的锚定作用下，由于控制图形使第一取向层13和第二取向层14的分子指向矢方向从0°渐变为180°，因此第一取向层13和第二取向层14使液晶层15中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布。示例性的，图4为本发明实施例提供的一种液晶完美涡旋光产生器在正交偏光显微镜下观察的显微图，如图4所示，亮暗变化对应液晶分子指向矢连续渐变的分布情况，多个同心分布的取向位错环21对应液晶分子指向矢两侧角度差为90°的位置。

本发明实施例通过在所述第一基板和第二基板上设置第一取向层和第二取向层，且通过在第一取向层和第二取向层上设置分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布，保证照射在所述完美涡旋光产生器的入射光转换为完美涡旋光，所述控制图形具有多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°，通过所述控制图形控制液晶层中液晶的初始偏转方向，解决现有技术中完美涡旋光产生器产生的光束质量受限和设备复杂等技术问题。

在上述实施例的基础上，继续参考图1所示，本发明实施例提供的完美涡旋光产生器还包括间隔粒子16，用于支撑述液晶层15，优选的，控制间隔粒16的尺寸调整第一基板11和第二基板12之间的距离，以实现入射光在完美涡旋光产生器中的寻常光和非寻常光的相位差等于(2n-1)π，其中，n为大于或者等于1的正整数，从而达到最大转化效率。本发明实施例提供的完美涡旋光产生器光束转化效率为78.6％，接近理论值81％，与现有技术中完美涡旋光产生器相比，转化效率得到了大幅提升。

图5是本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器的实验装置图，如图5所示，本发明实施例提供的完美涡旋光产生器的实验装置包括：激光光源31、半波片32、四分之一波片33、完美涡旋光产生器34、偏振片35和黑屏36。采用图5所示的实验装置，可以产生和检测完美涡旋光和完美矢量光。通过旋转激光光源31后紧接着的半波片32和四分之一波片33，可以将入射线偏振的激光光束转变成任意偏振状态的入射光，再经过完美涡旋光产生器34后，所产生的光束经过偏振片35，可以检测其偏振的空间分布情况，使用相机记录用黑屏36所截取的光场分布。图6为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器所产生的完美涡旋光和完美矢量光。如图6所示，当入射光为圆偏振时，产生完美涡旋光，光斑呈细环状，左右旋圆偏振对应的拓扑荷分别为+1和-1。当入射光为线偏振时，产生完美矢量光，光斑仍为细环状，与完美涡旋光无区别，但当加入偏振片35后，只有与该偏振片35偏振方向平行的区域透过，垂直的区域完全阻碍，因此呈现出瓣状分布，分瓣的数量等于所产生的完美矢量光偏振级数的2倍。图6所示，入射光为水平线偏振时，产生的是径向完美矢量光，经过偏振片35后，光斑瓣状数量为2，且随偏振片35的旋转而旋转。本发明实施例提供的完美涡旋光产生器具有偏振选择性，通过选择不同偏振性的入射光，可以获得相反拓扑荷的完美涡旋光以及不同偏振空间分布的完美矢量光，以满足不同模式完美涡旋光产生器的需要，并且具有高度的集成性，使用简便，可满足其在光通讯、微粒操控、量子信息等领域的应用需求。

继续参考图2所示，可选的，液晶分子指向矢沿角向绕中心旋转一圈，液晶分子指向矢从0°到180°变化的次数与所产生的完美涡旋光的拓扑荷数相同，与所产生的完美矢量光偏振级数相同。图2和图3示例性的展示所述液晶分子指向矢从0°到180°的变化次数为1，继续参考图6所示，通过该完美涡旋光产生器34的入射光转换的完美涡旋光的拓扑荷数为1。

可选的，示例性的设置所述液晶分子指向矢从0°到180°的变化次数为C1，其中，C1≥1，用于获得拓扑荷数大于等于1的完美涡旋光。示例性的，图7为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的模拟示意图，如图7所示，液晶分子指向矢沿角向绕中心旋转一圈，液晶分子指向矢从0°到180°变化的次数为2次，即C1＝2。图8为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器在正交偏光显微镜下观察的显微图，如图8所示，亮暗变化对应液晶分子指向矢连续渐变的分布情况，亮暗变化的次数为4次。通过改变入射光的偏振状态，可使照射在完美涡旋光产生器34上的入射光转换为拓扑荷数为2的完美涡旋光或偏振级数为2的完美矢量光。图9为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器所产生的完美涡旋光和完美矢量光，如图9所示，当入射光为圆偏振时，产生完美涡旋光，光斑呈细环状，圆偏振对应的拓扑荷数为2。当入射光为线偏振时，产生完美矢量光，光斑仍为细环状，与完美涡旋光无区别，当加入偏振片35后，只有与该偏振片35偏振方向平行的区域透过，垂直的区域完全阻碍，因此呈现出瓣状分布。如图9所示，入射光为水平线偏振时，产生的是径向完美矢量光，经过偏振片35后，光斑瓣状数量为4，与其偏振级数的2倍相符合，且随偏振片35的旋转而旋转。

示例性的，图10为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的模拟示意图，如图10所示，液晶分子指向矢沿角向绕中心旋转一圈，液晶分子指向矢从0°到180°变化的次数为4次，即C1＝4。图11为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器在正交偏光显微镜下观察的显微图，如图11所示，亮暗变化对应液晶分子指向矢连续渐变的分布情况，亮暗变化的次数为8次。通过改变入射光的偏振状态，可使照射在完美涡旋光产生器上的入射光转换为拓扑荷数为4的完美涡旋光或偏振级数为4的完美矢量光。图12为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器所产生的完美涡旋光和完美矢量光，如图12所示，当入射光为圆偏振时，产生完美涡旋光，光斑呈细环状，圆偏振对应的拓扑荷数为4。当入射光为线偏振时，产生完美矢量光，光斑仍为细环状，与完美涡旋光无区别，当加入偏振片35后，只有与该偏振片35偏振方向平行的区域透过，垂直的区域完全阻碍，因此呈现出瓣状分布。如图12所示，入射光为水平线偏振时，产生的是径向完美矢量光，经过偏振片35后，光斑瓣状数量为8，与其偏振级数的2倍相符合，且随偏振片35的旋转而旋转。

在上述实施例的基础上，进一步的，为了验证所产生的完美涡旋光和/或完美矢量光的光斑直径是否随拓扑荷数而变化，更多不同拓扑荷数的完美涡旋光产生器被制备并表征。图13为本发明实施例提供的拓扑荷数从1到6的完美涡旋光产生器产生的完美涡旋光及其光斑直径测量结果图，如图13所示，光束直径随着拓扑荷数的增大没有明显增大，几乎保持不变，验证了所产生的涡旋光即为完美涡旋光。

可选的，所述取向位错环21具有圆形达曼光栅特征并且呈周期性分布，示例性的设置一个周期内取向位错环21的数量为C2，其中，C2≥1。上述实施例中提供的完美涡旋光产生器34，一个周期内取向位错环21的数量C2均为1，产生的完美涡旋光均呈现一个环状的强度分布。本发明实施例提供了又一种液晶完美涡旋光产生器，与上述实施例不同的是，所述控制图形具有圆形达曼光栅特征的周期性重复取向位错环21，一个周期内的取向位错环21的数量C2＞1。可选的，沿控制图形的径向方向与取向位错环21的交点为取向位错点，通过圆形达曼光栅结构参数的设计，一个周期内取向位错点为至少一个，通过计算取向位错点的数量和位置可以确定取向位错环21的数量和位置。通过选取不同数量和位置的取向位错环21，可使完美涡旋光产生器34所产生的完美涡旋光或完美矢量光呈现多个环状的强度分布。

示例性的，图14为本发明实施例提供的液晶分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的模拟示意图，如图14所示，每个周期内具有5个取向位错点，对应5个取向位错环21，对应3阶圆形达曼光栅的结构参数。液晶分子指向矢沿角向绕中心旋转一圈从0°到180°的变化次数为2，对应所产生的完美涡旋光的拓扑荷数为2。与上述实施例中相同拓扑荷数的1阶圆形达曼光栅参数(图7)相比，图14呈现更密集的粗细不均匀的周期性环形分布。图15为本发明实施例提供的一种完美涡旋光产生器在正交偏光显微镜下观察的显微图，亮暗分布与图8相同，但取向位错环21的密集程度提高，与图14相一致。图16为本实施例提供的完美涡旋光产生器所产生的完美涡旋光和完美矢量光，如图16所示，当入射光为圆偏振时，产生完美涡旋光，光斑呈三个强度均匀的细环状。当入射光为线偏振时，产生完美矢量光，光斑仍为三个强度均匀的细环状，与完美涡旋光无区别，当加入偏振片35后，只有与该偏振片35偏振方向平行的区域透过，垂直的区域完全阻碍，因此呈现出瓣状分布。如图16所示，入射光为水平线偏振时，产生的是径向完美矢量光，经过偏振片35后，形成三重的重瓣状光斑分布。

图14示例性的展示每个周期内具有5个取向位错点的情况，并非对本发明实施例的限定，在其他实施方式中，通过圆形达曼光栅结构参数的设计，一个周期内可以具有多个取向位错点，对应多个取向位错环21。通过选取不同数量和位置的取向位错环21，可使所产生的完美涡旋光或完美矢量光呈现更多环状的强度分布。这类多环的完美涡旋光和完美矢量光，是首次被提出和产生的，与现有技术中完美涡旋光产生的单环的完美涡旋光和完美矢量光相比，多环的完美涡旋光和完美矢量光更为复杂新颖，在粒子的阵列操控、模式复用结合空间复用的大容量光通讯、微结构阵列的激光加工等方面有着广阔的应用前景。

优选地，继续参考图1所示，第一取向层13和第二取向层14为光控取向层，通过光控取向技术实现了均匀有效取向，即取向方向和对准方向的精确控制，并且不会对第一取向层13和第二取向层14造成损伤；

可选的，继续参考图1所示，所述第一取向层13和第二取向层14的厚度为L1，其中，30nm≤L1≤50nm，合理设置第一取向层13和第二取向层14的厚度，可以保证第一取向层13和第二取向层14上的控制图形对液晶的锚定作用，使液晶层15中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布，以提高完美涡旋光产生器的光束质量。

可选的，所述液晶层15的材料包括向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的至少一种，优选的，所述液晶层15的材料为向列相液晶，采用向列相液晶可以提高完美涡旋光产生器的光束质量，并且可以通过施加垂直于基板的电场实现器件的开关态调节。

可选的，所述第一基板11和第二基板12包括柔性基板或刚性基板，优选的，所述第一基板11和第二基板12的材料为石英玻璃或普通玻璃。

可选的，所述第一基板11和第二基板12的厚度为1mm-2mm，合理设置第一基板11和第二基板12的厚度，不仅与现有基板的制备工艺匹配，还有益于实现完美涡旋光产生器薄型化设计。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种完美涡旋光产生器的制备方法，用于制备上述实施例中提供的完美涡旋光产生器，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述，图17为本发明实施例提供的完美涡旋光产生器的制备方法的流程示意图，如图17所示，包括如下步骤：

步骤170、提供第一基板和第二基板。

步骤171、在所述第一基板朝向所述第二基板的一侧以及所述第二基板朝向所述第一基板的一侧涂覆取向材料，形成取向膜。

步骤172、对所述取向膜进行处理，形成第一取向层和第二取向层，所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，所述控制图形包括多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°。

步骤173、在所述第一取向层和所述第二取向层之间制备液晶层。

其中，第一基板和第二基板可采用光透过率较高(大于或等于85％)的柔性基板或刚性基板；示例性的，第一基板和第二基板材料可包括石英玻璃或普通玻璃，基板的厚度可为1-2毫米(mm)。

优选的，取向膜为光控取向膜。可选的，光控取向膜的材料包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种。

可选的，在所述第一基板朝向所述第二基板的一侧以及所述第二基板朝向所述第一基板的一侧涂覆取向材料，形成取向膜之前，还包括：为增加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)对第一基板和第二基板进行超声清洗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，利用UVO(紫外臭氧)清洗30分钟。

可选的，在所述第一基板朝向所述第二基板的一侧以及所述第二基板朝向所述第一基板的一侧涂覆取向材料，形成取向膜，还包括；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℃，形成光控取向膜，可选的，光控取向膜厚度可为30nm-50nm。

可选的，对所述取向膜进行处理，还包括：对所述取向膜进行多步重叠曝光，以形成具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形；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。

可选的，对所述取向膜进行处理，还包括：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，以实现呈周期性环形渐变分布的控制图形。

可选的，在所述第一取向层和所述第二取向层之间制备液晶层，还包括：在第一基板和第二基板间设置间隔粒子，其中间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种；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完美涡旋光产生器中的寻常光和非寻常光的相位差等于(2n-1)π，其中，n为大于或者等于1的正整数。

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 (9)

1.一种完美涡旋光产生器，其特征在于，包括相对设置的第一基板和第二基板、第一取向层、第二取向层以及设置于所述第一取向层与所述第二取向层之间的液晶层；

其中，所述第一取向层设置于所述第一基板朝向所述第二基板的一侧，所述第二取向层设置于所述第二基板朝向所述第一基板的一侧；所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，所述控制图形用于控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性环形渐变分布，以使照射在所述完美涡旋光产生器的入射光转换为完美涡旋光；

所述控制图形包括多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°。

2.根据权利要求1所述的完美涡旋光产生器，其特征在于，入射光在所述完美涡旋光产生器中的寻常光和非寻常光的相位差等于(2n-1)π，其中，n为大于或者等于1的正整数；

当入射光为圆偏振时，入射光经所述完美涡旋光产生器产生完美涡旋光；

当入射光为线偏振时，入射光经所述完美涡旋光产生器产生完美矢量光。

3.根据权利要求1所述的完美涡旋光产生器，其特征在于，所述液晶分子指向矢从0°到180°变化的次数与所述完美涡旋光的拓扑荷数相同。

4.根据权利要求1所述的完美涡旋光产生器，其特征在于，所述第一取向层和所述第二取向层均为光控取向层。

5.根据权利要求4所述的完美涡旋光产生器，其特征在于，所述光控取向层的材料包括光交联材料、光降解材料或光致顺反异构材料中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的完美涡旋光产生器，其特征在于，所述光控取向层的厚度为L1，其中，30nm≤L1≤50nm。

7.根据权利要求1所述的完美涡旋光产生器，其特征在于，所述液晶层的材料包括向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的完美涡旋光产生器，其特征在于，所述完美涡旋光产生器还包括位于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板形成所述液晶层的填充空间。

9.一种完美涡旋光产生器的制备方法，用于制备权利要求1-8任一项所述的完美涡旋光产生器，其特征在于，包括：

提供第一基板和第二基板；

在所述第一基板朝向所述第二基板的一侧以及所述第二基板朝向所述第一基板的一侧涂覆取向材料，形成取向膜；

对所述取向膜进行处理，形成第一取向层和第二取向层，所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢方向呈周期性环形渐变分布的控制图形，所述控制图形包括多个同心分布的取向位错环，所述取向位错环内的分子指向矢与所述取向位错环外的分子指向矢之间的角度差为90°；

在所述第一取向层和所述第二取向层之间制备液晶层。