CN111812893A - 一种圆艾里光束的液晶分束器、制备方法及产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种圆艾里光束的液晶分束器、制备方法及产生系统。液晶分束器包括相对设置的第一基板和第二基板，及位于第一基板和第二基板之间的液晶层；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，光控取向膜的分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，光控取向膜控制液晶分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，以使高斯光转化为在空间分离的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束；圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成。本发明实施例的技术方案，可以产生偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束，并实现两者在空间上的分离。
Description
技术领域
本发明实施例涉及液晶分束器的设计及取向控制技术，尤其涉及一种圆艾里光束的液晶分束器、制备方法及产生系统。
背景技术
光分束器是可将一束光分成两束或多束光的光学元件，它是光通信系统的重要组成部分之一，其性能在很大程度上影响着光通信的传输质量。此外，光分束器在干涉系统、自相关仪、3D显示、量子纠缠和鬼成像等应用和科学研究中亦发挥着重要的作用。因此，性能优异的光分束器的设计及制备具有举足轻重的意义。
另一方面，圆艾里光束因为其突然自聚焦的特性已被用于产生光子弹、操控光学微粒等，另外在激光医学、生物治疗等方面具有重要的应用前景。若可设计并制备出一种可产生和分离自聚集与散焦圆艾里光束的光分束器，则可结合光分束器与圆艾里光束的优势，拓展圆艾里光束的在光镊、生物医学、3D成像及其他未知领域的应用。
发明内容
本发明实施例提供一种圆艾里光束的液晶分束器、制备方法及产生系统，以产生偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束，并实现两者在空间上的分离。
第一方面，本发明实施例提供一种圆艾里光束的液晶分束器，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所述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；
所述第一基板和所述第二基板近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜，所述光控取向膜的分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，所述光控取向膜控制所述液晶层中的液晶分子指向矢按照所述圆立方相位控制图形排列，以使照射在所述液晶分束器的高斯光转化为在空间分离的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束；
所述圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成。
可选的，所述光控取向膜的分子指向矢满足：
其中，
表示所述圆立方相位图形中的圆立方相位，其表达式满足：
其中，x、y表示以所述液晶分束器中心为原点的直角坐标系的坐标，β为一个控制圆立方相位调制量的参数，ΛL表示所述圆线性相位的周期，ΛG表示所述一维偏振光栅的周期。
可选的，所述圆立方相位图形包括多个圆环立方相位图形，每个所述圆环立方相位图形的相位周期调制量为2π，所述圆立方相位图形的相位调制范围为-16π～16π；
每个所述圆环立方相位图形的宽度从所述圆立方相位图形的中心区域向外逐渐递减；
所述圆线性相位图形包括多个圆环线性相位图形，每个所述圆环线性相位图形的相位周期调制量为2π，所述圆线性相位图形的相位调制范围为-8.8π～8.8π，以1080×1080分辨率作图，相应ΛL为245.7像素；
每个所述圆环线性相位图形的宽度从所述圆线性相位图形的中心区域向外保持不变；
所述一维偏振光栅图形包括多个一维线性相位图形，每个所述一维线性相位图形的相位周期调制量为2π，所述一维偏振光栅图形的相位调制范围为-27π～27π，以1080×1080分辨率作图，相应ΛG为40像素；
每个所述一维线性相位图形的宽度均相同。
可选的，所述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；
所述光控取向膜的圆立方相位控制图形可擦写，所述光控取向膜的材料为偶氮染料。
可选的，所述液晶分束器中的寻常光和非寻常光的相位差满足：
其中，Δn为液晶分子的双折射率差，d为液晶层厚度，λ为入射高斯光波长，k为自然数。
第二方面，本发明实施例还提供一种偏振可控的圆艾里光束的产生系统，包括：
上述任一所述的圆艾里光束的液晶分束器；
位于所述液晶分束器入光侧的光源，以产生入射高斯光；
位于所述光源和所述液晶分束器之间的偏振片和四分之一波片；
位于所述液晶分束器出光侧的透镜和成像装置。
可选的，所述光源、所述偏振片、所述四分之一波片、所述液晶分束器、所述透镜和所述成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述四分之一波片的快轴方向与所述偏振片的起偏方向的夹角，控制所述入射高斯光的强度和偏振态。
可选的，当所述入射高斯光为左旋圆偏振高斯光束时，所述液晶分束器将所述左旋圆偏振高斯光束转换为一支右旋圆偏振的自聚焦圆艾里光束；
当所述入射高斯光为右旋圆偏振高斯光束时，所述液晶分束器将所述右旋圆偏振高斯光束转换为一支左旋圆偏振的自散焦圆艾里光束；
当所述入射高斯光为线偏振高斯光束时，所述液晶分束器将所述线偏振高斯光束转换为两支分离的等能量分布的自聚焦和散焦圆艾里光束。
第三方面，本发明实施例还提供一种圆艾里光束的液晶分束器的制备方法，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；
对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以使所述光控取向膜的分子指向矢方向按照圆立方相位控制图形的灰度值来排列，其中所述圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成；
在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜的圆立方相位控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢按照所述圆立方相位控制图形排列。
可选的，对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以使所述光控取向膜的分子指向矢方向按照圆立方相位控制图形的灰度值来排列，其中所述圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成，包括：
采用基于数控微镜阵的微缩投影曝光系统，根据曝光次序，选择对应相位值的曝光图形，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，以形成由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成的圆立方相位控制图形。
本发明实施例提供的圆艾里光束的液晶分束器，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，光控取向膜的分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，光控取向膜控制液晶层中的液晶分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，以使照射在液晶分束器的高斯光转化为在空间分离的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束；圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成。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，并使光控取向膜的分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，光控取向膜的控制图形控制液晶层中的液晶分子指向矢按照圆立方相位控制图形呈0°-180°渐变分布，以使照射在液晶分束器的高斯光转换为在空间分离的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束。本发明实施例产生的自聚焦与散焦圆艾里光束具有偏振可控、空间分离的特点，且初始平面圆艾里光束的直径大小、自聚焦圆艾里光束的自聚焦焦距、自聚焦与散焦圆艾里光束之间的分离间距可根据需求通过改变圆立方相位控制图形中三种相位图形的相位分布实现定制化设计。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种圆艾里光束的液晶分束器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种圆立方相位控制图形的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种圆立方相位控制图形的形成过程示意图；
图4是对应于图1结构中液晶分子指向矢分布的俯视示意图；
图5是寻常光和非寻常光的相位差等于π的奇数倍时液晶分束器样品的显微示意图；
图6是本发明实施例提供的一种偏振可控的圆艾里光束的产生系统的结构示意图；
图7是经图5所示的液晶分束器调制产生的自聚焦与散焦圆艾里光束光斑形貌示意图；
图8是经图5所示的液晶分束器调制后产生的自聚焦和散焦圆艾里光束的传输动态示意图；
图9是本发明实施例提供的一种圆艾里光束的液晶分束器的制备方法的流程示意图；
图10是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。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为本发明实施例提供的一种圆艾里光束的液晶分束器的结构示意图。参考图1，本实施例提供的圆艾里光束的液晶分束器，可以产生与分离圆艾里光束，包括相对设置的第一基板11和第二基板12，以及位于第一基板11和第二基板12之间的液晶层13；其中，第一基板11与第二基板12之间设置有间隔粒子14，以支撑液晶层13；第一基板11和第二基板12近邻液晶层13的一侧设置有光控取向膜15和16，光控取向膜15和16的分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，光控取向膜15和16控制液晶层13中的液晶分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，以使照射在液晶分束器的高斯光转化为在空间分离的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束；圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成。
图2所示为本发明实施例提供的一种圆立方相位控制图形的示意图，图3所示为本发明实施例提供的一种圆立方相位控制图形的形成过程示意图。参考图2和图3，图中所示的图形中的0-255灰度值表示分子指向矢从0°到180°空间渐变分布的模拟示意图，图中由暗到亮表示分子指向矢从0°渐变为180°。图3中(a)、(b)、(c)分别为圆立方相位图形、圆线性相位图形和一维偏振光栅图形，圆立方相位图形指的是每个相位变化周期中的相位在径向沿立方规律变化，圆线性相位图形指的是每个相位变化周期中的相位在径向沿线性规律变化，一维偏振光栅图形指的是每个相位变化周期中的相位沿水平方向线性规律变化。图3中(a)、(b)、(c)三个图形叠加，就可以得到图2所示的包括圆径向线性相位和一维水平线性相位叠加的圆立方相位控制图形。
图4所示为对应于图1结构中液晶分子指向矢分布的俯视示意图。参考图4，在光控取向膜的锚定作用下，由于光控取向膜的分子指向矢方向按照圆立方相位控制图形排列，即按照0-255的灰度值从0°渐变为180°，因此光控取向膜使液晶层中的液晶分子的指向矢亦按照0°到180°相应排列，从而实现对圆艾里光束的调制作用。
本实施例的技术方案，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，并使光控取向膜的分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，光控取向膜的控制图形控制液晶层中的液晶分子指向矢按照圆立方相位控制图形呈0°-180°渐变分布，以使照射在液晶分束器的高斯光转换为在空间分离的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束。本发明实施例产生的自聚焦与散焦圆艾里光束具有偏振可控、空间分离的特点，且初始平面圆艾里光束的直径大小、自聚焦圆艾里光束的自聚焦焦距、自聚焦与散焦圆艾里光束之间的分离间距可根据需求通过改变圆立方相位控制图形中三种相位图形的相位分布实现定制化设计。
在上述技术方案的基础上，可选的，光控取向膜的分子指向矢满足：
其中，
表示圆立方相位图形中的圆立方相位，其表达式满足：
其中，x、y表示以液晶分束器中心为原点的直角坐标系的坐标，β为一个控制圆立方相位调制量的参数，ΛL表示圆线性相位的周期，ΛG表示一维偏振光栅的周期。
示意性的，图3中(a)、(b)、(c)和(d)分别为一种通过公式(2)、(3)、(4)和(1)得出的相位图形。可以理解的是，通过改变圆立方相位调制量、圆线性相位的周期、一维偏振光栅的周期等，可以根据需求设计出不同的圆立方相位控制图形，从而产生不同的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束，可满足其在光学微粒操控、军事光子弹、生物医疗科学等众多研究领域的应用需求。
可选的，参考图3(a)，圆立方相位图形包括多个圆环立方相位图形，每个圆环立方相位图形的相位周期调制量为2π，圆立方相位图形的相位调制范围为-16π～16π；每个圆环立方相位图形的宽度从圆立方相位图形的中心区域向外逐渐递减；参考图3(b)，圆线性相位图形包括多个圆环线性相位图形，每个圆环线性相位图形的相位周期调制量为2π，圆线性相位图形的相位调制范围为-8.8π～8.8π，以1080×1080分辨率作图，相应ΛL为245.7像素；每个圆环线性相位图形的宽度从圆线性相位图形的中心区域向外保持不变；参考图3(c)，一维偏振光栅图形包括多个一维线性相位图形，每个一维线性相位图形的相位周期调制量为2π，一维偏振光栅图形的相位调制范围为-27π～27π，以1080×1080分辨率作图，相应ΛG为40像素；每个一维线性相位图形的宽度均相同。
可以理解的是，圆立方相位调制范围越大，圆立方相位图形的周期数越多，相应产生的圆艾里光束自聚焦的焦距越大，在本实施例中设置圆立方相位范围为-16π～16π。圆线性相位调制范围越大，周期越小，圆线性相位图形的周期数越多，相应产生的圆艾里光束在初始平面的半径越大，在本实施例中设置圆立方相位范围为-8.8π～8.8π。一维线性相位调制范围越大，周期越小，一维性相位图形的周期数越多，相应产生的自聚焦和散焦圆艾里光束在空间分离的距离越远，在本实施例中设置圆立方相位范围为-27π～27π。具体实施时可以根据实际需求设置圆立方相位、圆线性相位和一维线性相位的范围，本发明实施例对此不作限定。
可选的，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；光控取向膜的圆立方相位控制图形可擦写，光控取向膜的材料为偶氮染料。
可以理解的是，液晶层的材料可以选用向列相液晶、双频液晶或铁电液晶中的任意一种，具体实施时可以根据实际条件进行选择，光控取向膜的材料为偶氮染料，使该液晶分束器可重复利用，通过擦写光控取向膜上的圆立方相位控制图形，可实时变更液晶分束器的结构，实现产生多种模式的自聚焦与散焦圆艾里光束。
可选的，液晶分束器中的寻常光和非寻常光的相位差满足：
其中，Δn为液晶分子的双折射率差，d为液晶层厚度，λ为入射高斯光波长，k为自然数。
可以理解的是，通过调整间隔粒子的尺寸调整第一基板和第二基板之间的距离，可以控制液晶层的厚度使入射高斯光在液晶分束器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π的奇数倍。图5所示为寻常光和非寻常光的相位差等于π的奇数倍时液晶分束器样品的显微示意图，图中标尺为100μm。这样设置的好处是，当入射高斯光在液晶分束器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π的奇数倍时，入射高斯光照射到液晶分束器后出射的光束为偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束，避免了电极的使用。
图6所示为本发明实施例提供的一种偏振可控的圆艾里光束的产生系统的结构示意图。参考图6，本实施例提供的偏振可控的圆艾里光束的产生系统包括：上述实施例提供的任意一种圆艾里光束的液晶分束器21；位于液晶分束器21入光侧的光源22，以产生入射高斯光；位于光源22和液晶分束器21之间的偏振片25和四分之一波片26；位于液晶分束器21出光侧的透镜23和成像装置24。
其中，光源22可以为激光光源，激光光源的准直性好，经液晶分束器21转换的自聚焦与散焦圆艾里光束的质量高。此外，光源22的波长范围不作限定，可实现任意波长入射高斯光的自聚焦与散焦圆艾里光束的转换。示例性的，可以设置波长大于500nm，避免光源22发出的入射高斯光对液晶分束器21中的圆立方相位控制图形的影响。例如用671nm的激光照射液晶分束器21，经焦距为125mm的透镜23进行傅里叶变换后，便可得到自聚焦与散焦圆艾里光束。本发明实施例对透镜23的焦距不作限制。成像装置24可以是电荷耦合器件CCD等。
可选的，光源22、偏振片25、四分之一波片26、液晶分束器21、透镜23和成像装置24的光轴位于同一直线上；通过调节四分之一波片26的快轴方向与偏振片25的起偏方向的夹角，控制入射高斯光的强度和偏振态。
本发明实施例提供的偏振可控的艾里光束产生系统，通过光源产生预设的入射高斯光，通过液晶分束器将入射高斯光转换为自聚焦与散焦圆艾里光束。本发明实施例产生的自聚焦与散焦圆艾里光束具有偏振可控、分离的特点，且初始平面自聚焦圆艾里光束的直径大小、自聚焦圆艾里光束的自聚焦焦距、自聚焦与散焦圆艾里光束之间的分离间隔可根据需求通过改变圆立方相位控制图形实现定制化设计。
在上述实施例的基础上，可选的，当入射高斯光为左旋圆偏振高斯光束时，液晶分束器将左旋圆偏振高斯光束转换为一支右旋圆偏振的自聚焦圆艾里光束；当入射高斯光为右旋圆偏振高斯光束时，液晶分束器将右旋圆偏振高斯光束转换为一支左旋圆偏振的自散焦圆艾里光束；当入射高斯光为线偏振高斯光束时，液晶分束器将线偏振高斯光束转换为两支分离的等能量分布的自聚焦和散焦圆艾里光束。
示例性的，图7所示为经图5所示的液晶分束器调制产生的自聚焦与散焦圆艾里光束光斑形貌示意图。当光源产生的入射高斯光为线偏振时，入射高斯光经液晶分束器转换为两支分离的等能量分布的自聚焦和散焦圆艾里光束，分别为右旋圆偏振态(RCP)和左旋圆偏振态(LCP)。图7(a)-(e)分别对应传输距离z＝0cm，10cm，20cm，30cm和40cm。从图中可以看出，虽然在初始传输平面上，两个衍射级次的艾里光束光强分布相同，能量相当(实验测得每个级次衍射效率均为46％，即总转换率为92％)，但随着传输距离的增加，右旋圆偏振态的圆艾里光束主环半径逐渐减小，能量逐渐增加，表征了其自聚焦的过程；相反，左旋圆偏振态的圆艾里光束主环逐渐扩散，能量逐渐减弱，说明其自散焦的状态。这里，为了使得焦距处最大光强能量不超过CCD探测最大范围，具体实施时控制了入射光的功率，所以越接近焦平面位置，探测的自散焦圆艾里光束的光强分布对比度越弱。左栏(a1)-(e1)和右栏(a2)-(e2)分别为控制入射光为左旋和右旋圆偏振态时，经液晶分束器调制后产生的右旋和左旋圆偏振自聚焦和散焦圆艾里光束的光强分布放大图。于此，同样控制初始平面光强与(a)图中的一致。从放大的图中可以看出虽然在初始平面处由于入射光功率的控制，艾里光束的次环不明显，但随着传输距离的增加，光场能量被自聚焦，次环也逐渐显现出来。如图(d1)中从水平和竖直方向上的光束轮廓分布曲线可以看出，光场强度从主环到次环按照e指数衰减的趋势分布，与艾里函数一致。特别指出的是，在焦距处，光场能量有一个突然的增加，如图(e1)中的光束轮廓分布曲线所示，这点也很符合自聚焦圆艾里光束的特性。比较而言，从(a2)-(e2)中可以看出自散焦圆艾里光束只可在传输距离较小时可探测出光强分布曲线，随着距离的增加光强的减弱，CCD很难再测绘出自散焦圆艾里光束的光路轮廓分布曲线。值得一提的是，这个传输过程中，自聚焦和散焦圆艾里光束的光场没有重叠，在空间上实现了很好的分离，这得益于圆立方相位控制图形相位结构优良的设计。
图8所示为经图5所示的液晶分束器调制后产生的自聚焦和散焦圆艾里光束的传输动态示意图。其中(a)图为二维模拟图，从图中可以看出，对于上面的圆艾里光束，其向轴心方向的自加速传输导致了其自聚焦的过程；对于下面的圆艾里光束，其背离轴心方向的自加速运动导致了其自散焦的传输过程。同样地，对于自聚焦圆艾里光束，其在焦平面位置有光强的突然增加，为了可以更好地显示此特性，(b)图绘出了自聚焦圆艾里光束传输过程的三维模拟图，这点从焦平面附近的明显的光强对比可得到很好地论证。(c)图为实验结果，其中空心圆圈为测得的在不同传输距离处的自聚焦圆艾里光束主环的半径大小，曲线为抛物线拟合，表征了自聚焦圆艾里光束的传输轨迹，实验结果与(a)图和(b)图中的模拟结果一致。另外，对于自聚焦圆艾里光束，测得的焦距为40cm，考虑到实验误差，这较好地吻合了理论计算和模拟结果的41.8cm。
可以理解的是，通过改变圆立方相位调制量、圆线性相位的周期、一维偏振光栅的周期等，可以根据需求设计出不同的圆立方相位控制图形，从而产生不同的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束，可满足其在光学微粒操控、军事光子弹、生物医疗科学等众多研究领域的应用需求。
可选的，通过擦写光控取向膜上的圆立方相位控制图形，可实时变更液晶分束器的结构，实现产生多种模式的自聚焦与散焦圆艾里光束。
图9所示为本发明实施例提供的一种圆艾里光束的液晶分束器的制备方法的流程示意图。参考图9，本实施例提供的制备方法包括：
步骤S110、在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜。
可选的，第一基板和第二基板都可以选用玻璃基板，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)对玻璃基板进行超声清洗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，进行UVO(紫外臭氧)清洗30分钟。
可选的，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S120、在第一基板上设置间隔粒子，并与第二基板封装，其中第一基板的光控取向膜一侧与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，以实现入射高斯光在液晶分束器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π的奇数倍；这样设置的好处是，当入射高斯光在液晶分束器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π的奇数倍时，入射高斯光照射到液晶分束器后出射的光束为设定的自聚焦与散焦圆艾里光束，且自聚焦与散焦圆艾里光束具有偏振可控特性。
步骤S130、对光控取向膜进行多步重叠曝光，以使光控取向膜的分子指向矢方向按照圆立方相位控制图形的灰度值来排列，其中圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成。
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部分重叠曝光0°至180°的曝光图形，在光控取向膜上形成分子指向矢方向呈空间渐变分布的圆立方相位控制图形，其中，圆立方相位控制图形的圆立方相位图形包括多个周期的圆形弧形结构，圆形弧形结构的周期从中心区域向外逐渐递减，圆线性相位图形也包括多个周期的圆形弧线结构，但圆形弧形结构的周期从中心区域向外保持不变。
步骤S140、在第一基板和第二基板之间灌注液晶层，光控取向膜的圆立方相位控制图形控制液晶层中的液晶分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列。
光控取向膜具有锚定作用，在步骤S130形成的圆立方相位控制图形的控制作用下，液晶层中的液晶分子指向矢呈空间0°到180°渐变分布，照射在液晶分束器的入射高斯光转换为自聚焦与散焦圆艾里光束。
在上述技术方案的基础上，可选的，对光控取向膜进行多步重叠曝光，以使光控取向膜的分子指向矢方向按照圆立方相位控制图形的灰度值来排列，其中圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成，包括：
采用基于数控微镜阵的微缩投影曝光系统，根据曝光次序，选择对应相位值的曝光图形，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，诱导光偏振方向随曝光次序单调增加或单调减小，以形成由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成的圆立方相位控制图形。
图10所示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流程示意图。参考图10，示例性的，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空间渐变分布的控制图形，且圆立方相位控制图形每个周期包括一个周期从中心区域向两边逐渐递减的圆形弧形结构，周期从中心区域向两边保持不变的圆形弧形结构和周期在水平方向相同的一维光栅结构。
需要说明的是，图10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°到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，液晶指向矢方向呈空间渐变分布得越精细，最终获得的自聚焦与散焦圆艾里光束的质量越好。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)
1.一种圆艾里光束的液晶分束器，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所述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；
所述第一基板和所述第二基板近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜，所述光控取向膜的分子指向矢按照圆立方相位控制图形排列，所述光控取向膜控制所述液晶层中的液晶分子指向矢按照所述圆立方相位控制图形排列，以使照射在所述液晶分束器的高斯光转化为在空间分离的偏振可控的自聚焦与散焦圆艾里光束；
所述圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成。
2.根据权利要求1所述的液晶分束器，其特征在于，所述光控取向膜的分子指向矢满足：
其中，
表示所述圆立方相位图形中的圆立方相位，其表达式满足：
其中，x、y表示以所述液晶分束器中心为原点的直角坐标系的坐标，β为一个控制圆立方相位调制量的参数，ΛL表示所述圆线性相位的周期，ΛG表示所述一维偏振光栅的周期。
3.根据权利要求2所述的液晶分束器，其特征在于，所述圆立方相位图形包括多个圆环立方相位图形，每个所述圆环立方相位图形的相位周期调制量为2π，所述圆立方相位图形的相位调制范围为-16π～16π；
每个所述圆环立方相位图形的宽度从所述圆立方相位图形的中心区域向外逐渐递减；
所述圆线性相位图形包括多个圆环线性相位图形，每个所述圆环线性相位图形的相位周期调制量为2π，所述圆线性相位图形的相位调制范围为-8.8π～8.8π，以1080×1080分辨率作图，相应ΛL为245.7像素；
每个所述圆环线性相位图形的宽度从所述圆线性相位图形的中心区域向外保持不变；
所述一维偏振光栅图形包括多个一维线性相位图形，每个所述一维线性相位图形的相位周期调制量为2π，所述一维偏振光栅图形的相位调制范围为-27π～27π，以1080×1080分辨率作图，相应ΛG为40像素；
每个所述一维线性相位图形的宽度均相同。
4.根据权利要求1所述的液晶分束器，其特征在于，所述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；
所述光控取向膜的圆立方相位控制图形可擦写，所述光控取向膜的材料为偶氮染料。
5.根据权利要求1所述的液晶分束器，其特征在于，所述液晶分束器中的寻常光和非寻常光的相位差满足：
其中，Δn为液晶分子的双折射率差，d为液晶层厚度，λ为入射高斯光波长，k为自然数。
6.一种偏振可控的圆艾里光束的产生系统，其特征在于，包括：
权利要求1-5任一所述的圆艾里光束的液晶分束器；
位于所述液晶分束器入光侧的光源，以产生入射高斯光；
位于所述光源和所述液晶分束器之间的偏振片和四分之一波片；
位于所述液晶分束器出光侧的透镜和成像装置。
7.根据权利要求6所述的偏振可控的圆艾里光束的产生系统，其特征在于，所述光源、所述偏振片、所述四分之一波片、所述液晶分束器、所述透镜和所述成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述四分之一波片的快轴方向与所述偏振片的起偏方向的夹角，控制所述入射高斯光的强度和偏振态。
8.根据权利要求7所述的偏振可控的圆艾里光束的产生系统，其特征在于，当所述入射高斯光为左旋圆偏振高斯光束时，所述液晶分束器将所述左旋圆偏振高斯光束转换为一支右旋圆偏振的自聚焦圆艾里光束；
当所述入射高斯光为右旋圆偏振高斯光束时，所述液晶分束器将所述右旋圆偏振高斯光束转换为一支左旋圆偏振的自散焦圆艾里光束；
当所述入射高斯光为线偏振高斯光束时，所述液晶分束器将所述线偏振高斯光束转换为两支分离的等能量分布的自聚焦和散焦圆艾里光束。
9.一种圆艾里光束的液晶分束器的制备方法，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；
对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以使所述光控取向膜的分子指向矢方向按照圆立方相位控制图形的灰度值来排列，其中所述圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成；
在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜的圆立方相位控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢按照所述圆立方相位控制图形排列。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以使所述光控取向膜的分子指向矢方向按照圆立方相位控制图形的灰度值来排列，其中所述圆立方相位控制图形由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成，包括：
采用基于数控微镜阵的微缩投影曝光系统，根据曝光次序，选择对应相位值的曝光图形，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，以形成由圆立方相位图形、圆径向线性相位图形和一维偏振光栅图形叠加而成的圆立方相位控制图形。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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