CN114740651A - 一种透-反式光学器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种透‑反式光学器件及其制备方法。光学器件包括一基于分段扭曲的各向异性膜，各向异性膜包括依次层叠的第一液晶聚合物层、取向层和第二液晶聚合物层；第一液晶聚合物层包括多个周期的液晶螺旋；取向层用于阻断第一液晶聚合物层中的液晶分子指向矢对第二液晶聚合物层的影响，并控制第二液晶聚合物层中的初始液晶分子指向矢；第二液晶聚合物层包括液晶分子指向矢镜像对称的第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层。本发明实施例的技术方案，实现宽带可定制、高光利用率和功能丰富的几何相位光学元器件，有望在光学计算、通讯、成像、信息显示和传感等领域得到应用，并推进现代光学元器件升级改造。

Description

一种透-反式光学器件及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种透-反式光学器件及其制备方法。
背景技术
波前控制是现代光学科学研究的核心，一直在朝着小型化、集成化和多功能化方向发展。超表面技术很好地解决了传统光学元件体积大、笨重等问题，推动了现代光学的发展。
传统的光场调控器件通常利用了透射和反射空间之一，另一半空间却没有得到充分利用，阻碍了信息容量的提高和器件功能的丰富化。最近有关超表面的一些工作，分别将不同相位编码到两个正交偏振分量上，但衍射效率会严重依赖波长，此外，复杂制造和有限的尺寸也限制了超表面器件的应用。因此，具有自旋解耦功能的平面光学元件具有很高的需求，全空间的光场调控有望释放现代光学元器件的多功能性。
液晶在可见光、近红外甚至微波波段依然具有显著的双折射特性，且具有可多元外场调谐的特点，是实现平面光学器件的另一种优秀材料。胆甾相液晶也可以用于制备几何相位光学元件，极大丰富了胆甾相液晶应用前景。除了宽带反射式几何相位光学元件，通过手性材料的自取向多层扭曲结构，可以有效补偿双折射色散，所制备的光学元器件相比于传统光学元器件，可以在更宽的波长范围内满足半波条件，实现宽带的偏振光转化。但是，传统基于胆甾相液晶的光学器件多以两块玻璃基板中间夹层胆甾相液晶为主，较为笨重，且几何相位只能加载于反射光而无法操控透射光，限制了液晶光学器件的推广应用。
发明内容
本发明实施例提供了一种透-反式光学器件及其制备方法，该透-反式光学器件包括一基于分段扭曲的各向异性膜，能够对入射光偏振解耦，反射光和透射光的相位可以分别通过预编程周期螺旋的第一液晶聚合物层和镜像对称双扭曲配置的第二液晶聚合物层的初始方向来独立定制，实现加载任意设计的光场，实现宽带可定制、高光利用率和功能丰富的几何相位光学元器件，有望在光学计算、通讯、成像、信息显示和传感等领域得到应用，并推进现代光学元器件升级改造。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种透-反式光学器件，包括一基于分段扭曲的各向异性膜，所述各向异性膜包括依次层叠的第一液晶聚合物层、取向层和第二液晶聚合物层；
所述第一液晶聚合物层包括多个周期的液晶螺旋，用于对入射光偏振解耦，同时使反射光加载预设相位；
所述取向层用于阻断所述第一液晶聚合物层中的液晶分子指向矢对所述第二液晶聚合物层的影响，并控制所述第二液晶聚合物层中的初始液晶分子指向矢；
所述第二液晶聚合物层包括液晶分子指向矢镜像对称的第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层，所述第二液晶聚合物层用于通过相位补偿的方式实现光束的偏振转化。
可选的，沿所述第一液晶聚合物层指向所述第二液晶聚合物层的方向，液晶分子指向矢的角度φ满足：
Figure BDA0003624220490000021
其中，P为所述液晶螺旋的螺距，a为所述第一液晶聚合物层的厚度，b-a为所述第一液晶聚合物子层的厚度，c-b为所述第二液晶聚合物子层的厚度，α为所述第一液晶聚合物层远离所述取向层一侧表面的液晶分子指向矢的初始取向角度，β为所述第一液晶聚合物子层靠近所述取向层一侧表面的液晶分子指向矢的初始取向角度，δ为所述第一液晶聚合物子层和所述第二液晶聚合物子层的液晶分子指向矢扭曲角。
可选的，57°≤δ≤90°。
可选的，所述液晶螺旋的周期数的取值范围为5～100，所述液晶螺旋的周期定义为液晶分子指向矢旋转360°时沿光传播方向走过的距离。
可选的，所述液晶螺旋的旋向为左旋或右旋。
可选的，所述取向层的厚度范围为30nm～50nm。
可选的，所述第一液晶聚合物子层的厚度范围为1μm～20μm，所述第二液晶聚合物子层的厚度范围为1μm～20μm，所述第一液晶聚合物子层和所述第二液晶聚合物子层的厚度偏差小于两层厚度均值的10％。
可选的，所述第一液晶聚合物子层中的液晶呈左旋分布，所述第二液晶聚合物子层中的液晶呈右旋分布，或者所述第一液晶聚合物子层中的液晶呈右旋分布，所述第一液晶聚合物子层中的液晶呈左旋分布。
可选的，所述第一液晶聚合物层与所述第二液晶聚合物层采用相同或者不同的母体液晶材料，并掺入不同浓度手性剂实现螺旋周期以及旋性的不同，掺入手性剂浓度与手性剂螺旋扭曲力负相关。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种透-反式光学器件的制备方法，包括：
提供第一基板和第二基板；
在所述第一基板靠近所述第二基板一侧形成第一取向层，在所述第二基板靠近所述第一基板一侧形成第二取向层，所述第一取向层和所述第二取向层包括预设的图案化取向；
将所述第一基板和所述第二基板对准成盒，在所述第一基板和所述第二基板之间形成包括多个周期的液晶螺旋的第一液晶聚合物层；
剥离所述第二基板，在所述第一液晶聚合物层远离所述第一基板的一侧形成取向层；
在所述取向层远离所述第一液晶聚合物层一侧依次形成第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层，所述第一液晶聚合物子层和所述第二液晶聚合物子层的液晶分子指向矢镜像对称；
将所述第一基板剥离，形成基于分段扭曲的各向异性膜的透-反式光学器件。
本发明实施例的技术方案，通过第一液晶聚合物层对入射光偏振解耦，同时使反射光加载预设相位；通过取向层阻断第一液晶聚合物层中的液晶分子指向矢对第二液晶聚合物层的影响，并控制第二液晶聚合物层中的初始液晶分子指向矢；通过第二液晶聚合物层实现光束的偏振转化，将胆甾相液晶的手性超结构及镜像对称扭曲的结构相结合，利用一基于分段扭曲的各向异性膜实现了自旋解耦的同时，充分利用了全空间，实现宽带可定制、高光利用率和功能丰富的几何相位光学元器件，有望在光学计算、通讯、成像、信息显示和传感等领域得到应用，并推进现代光学元器件升级改造。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种透-反式光学器件的原理说明结构示意图；
图2为本发明实施例中第一液晶聚合物层的反射谱特性示意图；
图3为本发明实施例提供的透-反式光学器件的反射和透射对入射偏振光的依赖特性示意图；
图4为本发明实施例提供的透-反式光学器件在透射模式下的宽带偏振转换特性示意图；
图5为本发明实施例的第一液晶聚合物层提供的偏振光栅指向矢取向图以及对应的显微图和衍射图；
图6为本发明实施例的第二液晶聚合物层提供的圆形偏振光栅指向矢取向图和对应的显微图和衍射图；
图7为本发明实施例的第一液晶聚合物层提供的复用相位全息板和对应的显微图；
图8为本发明实施例中反射光的衍射图案和拓扑荷检测结果示意图；
图9为本发明实施例的第二液晶聚合物层提供的二维Dammann涡旋光栅指向矢取向图和对应的显微图；
图10为本发明实施例提供的透射光的衍射图案和拓扑荷检测结果示意图；
图11为本发明实施例提供的第一个用于产生混合涡旋光的指向矢取向图和对应的显微图；
图12为本发明实施例提供的第二个用于产生混合涡旋光的指向矢取向图和对应的显微图；
图13为本发明实施例提供的用于涡旋光轨道角动量检测的仿真图和实验结果示意图；
图14为本发明实施例提供的一种透-反式光学器件的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
由于液晶在可见光、近红外甚至微波波段依然具有显著的双折射特性，且具有可多元外场调谐的特点，因此成为制作平面光学器件的一种优秀材料。螺旋结构在自组装系统中很容易形成，而在人工微结构中却很难实现。胆甾相液晶具有手性超结构，且具有显著的布拉格反射特性。当入射光在布拉格反射带内时，入射光中与胆甾相液晶具有相同旋性的圆偏振光将会被近乎100％的反射，而与胆甾相液晶旋性相反的部分将被完全透射。此外，胆甾相液晶的布拉格反射带可以通过手性掺杂和液晶材料的选取定制波带范围，且基于胆甾相液晶的光学元器件不需要满足特定的半波条件。胆甾相液晶也可以用于制备几何相位光学元件，极大丰富了胆甾相液晶应用前景。除了宽带反射式几何相位光学元件，通过手性材料的自取向多层扭曲结构，可以有效补偿双折射色散，所制备的光学元器件相比于传统光学元器件，可以在更宽的波长范围内满足半波条件，实现宽带的偏振光转化。由于传统基于胆甾相液晶的光学器件的几何相位只能加载于反射光而无法操控透射光，相反的，多层扭曲结构只能在宽波段范围内将几何相位加载于透射光。本发明实施例结合胆甾相液晶的周期螺旋结构和多层扭曲结构，实现一种宽带可定制、高光利用率和功能丰富的几何相位光学元器件，有望在光学计算、通讯、成像、信息显示和传感等领域得到应用，并推进现代光学元器件升级改造。
图1为本发明实施例提供的一种透-反式光学器件的原理说明结构示意图。如图1所示，该透-反式光学器件包括一基于分段扭曲的各向异性膜，各向异性膜包括依次层叠的第一液晶聚合物层1、取向层2和第二液晶聚合物层3；第一液晶聚合物层1包括多个周期的液晶螺旋，用于对入射光偏振解耦，同时使反射光加载预设相位；取向层2用于阻断第一液晶聚合物层1中的液晶分子指向矢对第二液晶聚合物层3的影响，并控制第二液晶聚合物层3中的初始液晶分子指向矢；第二液晶聚合物层3包括液晶分子指向矢镜像对称的第一液晶聚合物子层31和第二液晶聚合物子层32，第二液晶聚合物层3用于通过相位补偿的方式实现光束的偏振转化。
其中，第一液晶聚合物层1利用胆甾相液晶和手性剂掺杂并经过聚合反应形成多个周期的螺旋结构，螺旋结构的旋性由手性剂的旋性决定，具体实施时，可选的，螺旋结构的旋向为左旋或右旋。螺旋的螺距通过调节手性剂掺杂浓度改变，螺旋的周期数的取值范围为5～100，液晶螺旋的周期定义为液晶分子指向矢旋转360°时沿光传播方向走过的距离。优选的，设置周期数大于10来获得最大的光反射效率。取向层2位于第一液晶聚合物层1和第二液晶聚合物层3之间，可选的，取向层的厚度范围为30nm～50nm。具体实施时可以包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种，本发明实施例对此不作限定。第二液晶聚合物层3与第一液晶聚合物层1可以采用相同或者不同的母体液晶材料，并掺入不同浓度手性剂实现螺旋周期以及旋性的不同，掺入手性剂浓度与手性剂螺旋扭曲力负相关。其中第一液晶聚合物子层31和第二液晶聚合物子层32的旋向相反，可选的，第一液晶聚合物子层31中的液晶呈左旋分布，第二液晶聚合物子层32中的液晶呈右旋分布，或者第一液晶聚合物子层31中的液晶呈右旋分布，第一液晶聚合物子层32中的液晶呈左旋分布，具体实施时可以根据实际情况选择。
可选的，沿第一液晶聚合物层1指向第二液晶聚合物层3的方向z，液晶分子指向矢的角度φ满足：
Figure BDA0003624220490000081
其中，P为液晶螺旋的螺距，a为第一液晶聚合物层1的厚度，b-a为第一液晶聚合物子层31的厚度，c-b为第二液晶聚合物子层32的厚度，α为第一液晶聚合物层1远离取向层2一侧表面的液晶分子指向矢的初始取向角度，β为第一液晶聚合物子层31靠近取向层一侧表面的液晶分子指向矢的初始取向角度，δ为第一液晶聚合物子层31和第二液晶聚合物子层32的液晶分子指向矢扭曲角。
当入射光波长λ在布拉格反射带noP<λ<neP时，入射光中与第一液晶聚合物层1旋性相同的偏振分量将被完全反射，与第一液晶聚合物层1旋性相反的偏振分量将被完全透射，其中ne和no分别是液晶材料的非寻常和寻常折射率。
液晶分子指向矢为局域内液晶分子取向的统计平均，指向矢方向不区分正负即取向角度范围0～180°。第一液晶聚合物层1中的液晶分子指向矢的初始取向角度α和β可以依据设计需要分别定制。第二液晶聚合物层3中的液晶分子指向矢扭曲角δ取值范围57°≤δ≤90°，优选的，指向矢扭曲角为70°。
可选的，第一液晶聚合物子层31的厚度范围为1μm～20μm，第二液晶聚合物子层32的厚度范围为1μm～20μm，第一液晶聚合物子层31和第二液晶聚合物子层32的厚度偏差小于两层厚度均值的10％，具体实施时可以根据实际情况设计。
综上，本发明实施例的技术方案，通过第一液晶聚合物层对入射光偏振解耦，同时使反射光加载预设相位；通过取向层阻断第一液晶聚合物层中的液晶分子指向矢对第二液晶聚合物层的影响，并控制第二液晶聚合物层中的初始液晶分子指向矢；通过第二液晶聚合物层实现光束的偏振转化，将胆甾相液晶的手性超结构及镜像对称扭曲的结构相结合，利用一基于分段扭曲的各向异性膜实现了自旋解耦的同时，充分利用了全空间，实现宽带可定制、高光利用率和功能丰富的几何相位光学元器件，有望在光学计算、通讯、成像、信息显示和传感等领域得到应用，并推进现代光学元器件升级改造。
在本发明某一实施例中，反射和透射相位通过取向角度α和β来测试表征基于分段扭曲的各向异性膜的光学特性。图2为本发明实施例中第一液晶聚合物层的反射谱特性示意图。采用Berreman 4×4矩阵的计算方式，仿真只考虑周期性螺旋的液晶，设置参数如下α＝0°，P＝410nm，a＝17P，no＝1.55，ne＝1.67，仿真结果如图2所示。对于右旋圆偏振(RCP)，与周期性螺旋的旋性相同，因此，将会产生反射带，对应的中心波长为580nm。对于左旋圆偏振(LCP)，由于与周期螺旋段的旋性相反，因此，入射的左旋圆偏振将透过。对于均一取向的第一液晶聚合物层，即α＝0°，测量的实验结果如图2中实线所示，与模拟结果基本一致。在560nm～600nm波长范围内，大约95％的右旋圆偏振光被反射，而左旋圆偏振光的反射率小于10％。
图3为本发明实施例提供的透-反式光学器件的反射和透射对入射偏振光的依赖特性示意图。以反射带的中心波长580nm为例，在线偏振光入射透-反式光学器件之前，插入一片消色差的四分之一波片，通过旋转消色差四分之一波片光轴与入射线偏振光的偏振方向之间的夹角，实现线偏振-右旋圆偏振-线偏振-左旋圆偏振-线偏振之间的周期性连续变化。如图3所示，极角表示消色差四分之一波片光轴与入射线偏振光偏振方向之间的夹角，径向示数表示对应的反射和透射率。在45°和225°时，对应右旋圆偏振光，入射光几乎全反射；而在135°和315°时，对应左旋圆偏振光，入射光几乎全透射。实验结果与理论模拟结果基本一致，很好地展示了本发明实施例的透-反式光学器件对自旋解耦的特性。
图4为本发明实施例提供的透-反式光学器件在透射模式下的宽带偏振转换特性示意图。宽带偏振转换特性主要由第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层提供，镜像对称的配置是为了实现宽带的半波相位延迟，对应的偏振转换效率可以表示为：
Figure BDA0003624220490000101
其中Δn是液晶材料的双折射，d是第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层厚度大小，即d＝b-a＝c-b。设置δ＝65°，d＝1542nm，由于波带较宽，为了模拟的准确性，考虑液晶材料的色散，根据柯西色散公式得到Δn＝0.134+8832/λ2+1.337×108/λ4。如图4所示，第二液晶聚合物层在整个可见光波段具有很高的偏振转换效率。偏振转换效率定义为右旋圆偏振分量占总出射光强的比率，实验结果表明在450nm～800nm范围内，偏振转换效率大于95％，与理论模拟结果很一致。
在本发明另一实施例中，通过取向角度α和β来演示基于分段扭曲的各向异性膜的功能化定制。图5为本发明实施例的第一液晶聚合物层提供的偏振光栅指向矢取向图以及对应的显微图和衍射图。如图5(a)所示是第一液晶聚合物层指向矢的初始方向配置曝光图，也就是α＝πx/Λ1的偏振光栅结构，其中光栅周期Λ1＝39μm，从白到黑代表液晶分子指向矢从0到π连续变化。通过光控取向技术，结合光控取向材料，实现结构曝光图的写入记录。如图5(b)所示是从正交偏光显微镜反射模式下看到的偏振光栅薄膜示意图。比例尺是100μm。由于反射光强对α敏感，所以可以看到周期性的亮度改变，与偏振光栅结构一致。采用一个消色差四分之一波片，将超连续激光器同时发出的红、黄、绿线偏振光，对应波长分别为610nm、580nm和550nm，转换成右旋圆偏振光，由于偏振光栅衍射满足光栅方程，所以激光波长越长，衍射角越大。如图5(c)所示，实验结果与理论分析一致，且虚线圆里的零级衍射点相较于红、黄、绿三个衍射点光强很弱，验证了本实施例的高效相位调制。
图6为本发明实施例的第二液晶聚合物层提供的圆形偏振光栅指向矢取向图和对应的显微图和衍射图。如图6(a)所示是第二液晶聚合物子层的前表面(靠近取向层的表面)指向矢的初始方向配置曝光图，也就是β＝πr/Λ2的圆形偏振光栅结构，其中
Figure BDA0003624220490000111
光栅周期Λ2＝39μm，从白到黑代表液晶分子指向矢从0到π连续变化。通过光控取向技术，结合光控取向材料，实现结构曝光图的写入记录。如图6(b)所示是从正交偏光显微镜透射模式下看到的圆形偏振光栅薄膜示意图。比例尺是100μm。由透射率与液晶分子指向矢β的依赖特性，可以看到同心圆环的数量是设计的圆形偏振光栅结构图的两倍。注意到，在透射模式下，偏振光栅也被隐约观测到。采用一个消色差四分之一波片，将超连续激光器同时发出的红、绿、蓝线偏振光，对应波长分别为633nm、532nm和473nm，转换成左旋圆偏振光，圆形偏振光栅会将入射光衍射成不同半径的同心圆环，波长越长，圆环半径越大。如图6(c)所示，实验结果与分析一致，红光对应的圆环半径最大，蓝光对应的圆环半径最小。
在本发明的又一实施例中，以涡旋光为例，实现涡旋光的编码和解码。涡旋光具有螺旋相位波前，并携带m
Figure BDA0003624220490000123
的轨道角动量，其中m是拓扑荷，
Figure BDA0003624220490000122
是约化的普朗克常数。由于理论上m的取值无限多，因此，轨道角动量复用即模分复用在增加信息通道和提升信息容量等方面具有很好的应用前景，且可以与现有的偏振复用、波分复用结合，有效地提升信息容量。以复用相位全息和二维达曼Dammann涡旋光栅为例。
复用相位全息板是纯相位板，所以这里不考虑振幅的影响，设计的复用相位全息板由多个不同方向的一维涡旋光栅叠加产生。图7为本发明实施例的第一液晶聚合物层提供的复用相位全息板和对应的显微图。对应的指向矢取向如图7(a)所示，白色代表指向矢取向方向为0°，黑色代表指向矢取向为90°。通过光控取向技术，结合光控取向材料，实现结构图的写入记录。如图7(b)所示，从正交偏光显微镜反射模式下看到的复用相位全息板显微图。比例尺是100μm，显微图与设计图一致。由于相邻区域液晶分子指向矢取向方向的不同，导致相邻区域出现位错线，但并不影响其功能。
图8为本发明实施例中反射光的衍射图案和拓扑荷检测结果示意图。如图8(a)所示，从左到右依次为550nm、580nm和610nm波长的激光入射全息相位板产生的八角形涡旋光阵列，涡旋光环形图案的直径正比于|m|。此外，不同波长对应的八角形涡旋光阵列的尺寸不同，长波对应的八角状环形尺寸更大，这一特点可用于波分复用。由于不同波长对对应的涡旋光拓扑荷大小和正负无影响，所以在580nm波长处，采用像散变换的方法，在涡旋光与衍射屏之间插入焦距100mm的柱透镜，涡旋光拓扑荷大小的检测结果如图8(b)所示。明暗相间的条纹中，暗条纹数量对应拓扑荷的数值大小，倾斜方向对应拓扑荷的正负，检测结果与初始设计一致。
二维Dammann涡旋光栅由水平和垂直方向的两个一维Dammann涡旋光栅组成。图9为本发明实施例的第二液晶聚合物层提供的二维Dammann涡旋光栅指向矢取向图和对应的显微图。对应的指向矢取向如图9(a)所示，白色代表指向矢取向方向为0°，黑色代表指向矢取向为90°。通过光控取向技术，结合光控取向材料，实现结构图的写入记录。如图9(b)所示，从正交偏光显微镜透射模式下看到的所述二维Dammann涡旋光栅显微图。比例尺是100μm，显微图与设计图一致。
图10为本发明实施例提供的透射光的衍射图案和拓扑荷检测结果示意图。如图10(a)所示，从左到右依次为473nm、532nm和633nm波长的激光入射二维Dammann涡旋光栅产生的3×3涡旋光阵列，不同波长对应的四边形涡旋光阵列的尺寸不同，长波对应的边长更长，这一特点也表现出波分复用的可能性。在532nm波长处，采用像散变换的方法，涡旋光拓扑荷大小的检测结果如图10(b)所示。检测结果与理论设计一致。
一束涡旋光衍射到某一衍射级次，当该级次的涡旋光拓扑荷与入射涡旋光的拓扑荷数值大小相等且符号相反时，该衍射级次的涡旋光将被还原成高斯光，也就是该衍射级次呈现出一个亮斑。对于混合的涡旋光，也就是一束光中具有多个不同m值的涡旋光，当光束衍射到目标级次，且拓扑荷与目标级次的拓扑荷数值大小相同符号相反时，目标级次也会变成高斯光斑。所以，本发明实施例可以用于轨道角动量检测即解码。对于实施例反射对应的自旋和拓扑荷检测为
Figure BDA0003624220490000131
透射对应的自旋和拓扑荷检测为
Figure BDA0003624220490000132
其中
Figure BDA0003624220490000133
代表右旋圆偏振，
Figure BDA0003624220490000134
代表左旋圆偏振。图11为本发明实施例提供的第一个用于产生混合涡旋光的指向矢取向图和对应的显微图。指向矢的初始方向配置如图11(a)所示，从白到黑代表液晶分子指向矢从0到180°连续变化。如图11(b)所示，从正交偏光显微镜透射模式下看到的第一个用于产生混合涡旋光样品的显微图，透射光亮暗变化与液晶分子指向矢的变化密切相关，指向矢从0到180°连续变化过程中，亮暗交替变化两次。对应可以产生的涡旋光拓扑荷在右旋圆偏振光入射时m＝{+1，-5}，左旋圆偏振光入射时m＝{-1，+5}。样品液晶膜层厚度满足580nm半波条件以实现在580nm测试波长下具有最大的衍射效率。比例尺是100μm，显微图与设计图一致。
图12为本发明实施例提供的第二个用于产生混合涡旋光的指向矢取向图和对应的显微图。指向矢的初始方向配置如图12(a)所示，从白到黑代表液晶分子指向矢从0到180°连续变化。如图12(b)所示，从正交偏光显微镜透射模式下看到的所述第二个用于产生混合涡旋光样品的显微图。对应可以产生的涡旋光拓扑荷在右旋圆偏振光入射时m＝{+2，-3，+6}，左旋圆偏振光入射时m＝{-2，+3，-6}。样品液晶膜层厚度满足580nm半波条件以实现在580nm测试波长下具有最大的衍射效率。比例尺是100μm，显微图与设计图一致。
图13为本发明实施例提供的用于涡旋光轨道角动量检测的仿真图和实验结果示意图。如图13所示，第一行为仿真结果，第二行对应的是实验结果，图片顶部对应的是入射光携带的轨道角动量数值和相应的圆偏振光旋性，涡旋光
Figure BDA0003624220490000141
Figure BDA0003624220490000142
分别被检测，实验结果与仿真结果一致，相应的检测结果已经在实验图中用虚线圆标出。同时，可以发现涡旋光
Figure BDA0003624220490000143
Figure BDA0003624220490000144
和
Figure BDA0003624220490000145
不包括在检测范围，因此不能被检测。
本发明实施例还提供一种透-反式光学器件的制备方法，用于制备上述实施例提供的任意一种透-反式光学器件。图14为本发明实施例提供的一种透-反式光学器件的制备方法的流程示意图。如图14所示，该制备方法包括：
步骤S110、提供第一基板和第二基板。
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，基板材料可包括石英玻璃或普通玻璃。
步骤S120、在第一基板靠近第二基板一侧形成第一取向层，在第二基板靠近第一基板一侧形成第二取向层，第一取向层和第二取向层包括预设的图案化取向。
其中，第一取向层和第二取向层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。在第一基板靠近第二基板一侧形成第一取向层包括：将光控取向材料旋涂在第一基板的一侧，旋涂参数为：低速5秒，转速800转/分钟，高速旋涂40秒，转速3000转/分钟；将旋涂光控取向材料的第一基板退火10分钟，温度为90℃，形成光控取向膜，厚度为30nm～50nm。第二取向层的形成方式与第一取向层方式相同。预设的图案化取向可以根据实际情况设计，图案化取向可以采用激光直写、基于数字微镜阵列或空间光调制器的动态无掩膜曝光系统和干涉全息曝光系统的其中一种，对第一取向层和第二取向层写入图案化取向信息。优选的，基于数字微镜阵列的动态无掩膜曝光系统。
步骤S130、将第一基板和第二基板对准成盒，在第一基板和第二基板之间形成包括多个周期的液晶螺旋的第一液晶聚合物层。
其中，将第一基板和第二基板对准成盒可以包括：在第一基板四个角点上制作混有间隔粒子的框胶，间隔粒子用于使第一基板和第二基板间产生间隙。框胶指封框胶，用于粘接第一基板和第二基板。
可选的，间隔粒子为球状或者棒状，粒径或者直径通常>1μm，优选的，针对可见光范围的应用，粒径或直径>6μm。可选的，框胶为紫外固化胶(UV胶)或环氧树脂胶。可选的，固化UV胶采用的参数：365nm LED光源，光照功率密度20mW/cm2，固化时间5分钟。
在第一基板和第二基板之间形成包括多个周期的液晶螺旋的第一液晶聚合物层包括：以RM257为母体液晶，加入右旋手性剂R5011(或左旋手性剂)和光引发剂Irgacure651，形成第一种液晶聚合物，灌注到加热至90℃的空盒中；然后利用紫外光照射，聚合成第一液晶聚合物层。
可选的，紫外光照聚合参数为：365nm LED光源，光照功率密度0.6mW/cm2，固化时间30分钟。
步骤S140、剥离第二基板，在第一液晶聚合物层远离第一基板的一侧形成取向层。
其中，取向层的形成方式以及图案化与前述步骤中第一取向层和第二取向层的步骤相同。
步骤S150、在取向层远离第一液晶聚合物层一侧依次形成第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层，第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层的液晶分子指向矢镜像对称。
其中，第一液晶聚合物子层的形成方式为：以OCM-A1为母体液晶，加入右旋手性剂R811(或左旋手性剂S811，与第二液晶聚合物子层的手性剂旋性不同即可)形成第二种液晶聚合物，然后溶解于丙二醇甲醚乙酸酯溶剂中，并均匀搅拌30分钟。在取向层远离第一液晶聚合物层一侧涂第二种液晶聚合物，然后利用紫外光照射，聚合成第一液晶聚合物子层。
可选的，涂第二种液晶聚合物，可采用下列方式：将第二种液晶聚合物旋涂在取向膜上，旋涂参数为：旋涂80秒，转速1450转/分钟；将旋涂第二种液晶聚合物的基板放置于温度为68℃的热板上1分钟，之后将基板取下冷却1分钟。
可选的，紫外光照聚合参数为：365nm LED光源，光照功率密度20mW/cm2，固化时间2分钟。
第二液晶聚合物子层的形成方式为：以OCM-A1为母体液晶，加入左旋手性剂S811(或右旋手性剂R811，与第一液晶聚合物子层的手性剂旋性不同即可)形成第三种液晶聚合物，然后溶解于丙二醇甲醚乙酸酯溶剂中，并均匀搅拌30分钟。在第一液晶聚合物子层远离取向层一侧涂第三种液晶聚合物，然后利用紫外光照射，聚合成第二液晶聚合物子层。
可选的，涂第三种液晶聚合物，可采用下列方式：将第三种液晶聚合物旋涂在第一液晶聚合物子层上，旋涂参数为：旋涂80秒，转速2100转/分钟；将旋涂第三种液晶聚合物的基板放置于温度为68℃的热板上1分钟，之后将基板取下冷却1分钟。
如果选用上述参数涂第三种液晶聚合物，则需要重复一次旋涂和紫外光照步骤。
可选的，紫外光照聚合参数为：365nm LED光源，光照功率密度20mW/cm2，固化时间2分钟。
步骤S160、将第一基板剥离，形成基于分段扭曲的各向异性膜的透-反式光学器件。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透-反式光学器件，其特征在于，包括一基于分段扭曲的各向异性膜，所述各向异性膜包括依次层叠的第一液晶聚合物层、取向层和第二液晶聚合物层；
所述第一液晶聚合物层包括多个周期的液晶螺旋，用于对入射光偏振解耦，同时使反射光加载预设相位；
所述取向层用于阻断所述第一液晶聚合物层中的液晶分子指向矢对所述第二液晶聚合物层的影响，并控制所述第二液晶聚合物层中的初始液晶分子指向矢；
所述第二液晶聚合物层包括液晶分子指向矢镜像对称的第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层，所述第二液晶聚合物层用于通过相位补偿的方式实现光束的偏振转化。
2.根据权利要求1所述的透-反式光学器件，其特征在于，沿所述第一液晶聚合物层指向所述第二液晶聚合物层的方向，液晶分子指向矢的角度φ满足：
Figure FDA0003624220480000011
其中，P为所述液晶螺旋的螺距，a为所述第一液晶聚合物层的厚度，b-a为所述第一液晶聚合物子层的厚度，c-b为所述第二液晶聚合物子层的厚度，α为所述第一液晶聚合物层远离所述取向层一侧表面的液晶分子指向矢的初始取向角度，β为所述第一液晶聚合物子层靠近所述取向层一侧表面的液晶分子指向矢的初始取向角度，δ为所述第一液晶聚合物子层和所述第二液晶聚合物子层的液晶分子指向矢扭曲角。
3.根据权利要求2所述的透-反式光学器件，其特征在于，57°≤δ≤90°。
4.根据权利要求1所述的透-反式光学器件，其特征在于，所述液晶螺旋的周期数的取值范围为5～100，所述液晶螺旋的周期定义为液晶分子指向矢旋转360°时沿光传播方向走过的距离。
5.根据权利要求1所述的透-反式光学器件，其特征在于，所述液晶螺旋的旋向为左旋或右旋。
6.根据权利要求1所述的透-反式光学器件，其特征在于，所述取向层的厚度范围为30nm～50nm。
7.根据权利要求1所述的透-反式光学器件，其特征在于，所述第一液晶聚合物子层的厚度范围为1μm～20μm，所述第二液晶聚合物子层的厚度范围为1μm～20μm，所述第一液晶聚合物子层和所述第二液晶聚合物子层的厚度偏差小于两层厚度均值的10％。
8.根据权利要求1所述的透-反式光学器件，其特征在于，所述第一液晶聚合物子层中的液晶呈左旋分布，所述第二液晶聚合物子层中的液晶呈右旋分布，或者所述第一液晶聚合物子层中的液晶呈右旋分布，所述第一液晶聚合物子层中的液晶呈左旋分布。
9.根据权利要求1所述的透-反式光学器件，其特征在于，所述第一液晶聚合物层与所述第二液晶聚合物层采用相同或者不同的母体液晶材料，并掺入不同浓度手性剂实现螺旋周期以及旋性的不同，掺入手性剂浓度与手性剂螺旋扭曲力负相关。
10.一种透-反式光学器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一基板和第二基板；
在所述第一基板靠近所述第二基板一侧形成第一取向层，在所述第二基板靠近所述第一基板一侧形成第二取向层，所述第一取向层和所述第二取向层包括预设的图案化取向；
将所述第一基板和所述第二基板对准成盒，在所述第一基板和所述第二基板之间形成包括多个周期的液晶螺旋的第一液晶聚合物层；
剥离所述第二基板，在所述第一液晶聚合物层远离所述第一基板的一侧形成取向层；
在所述取向层远离所述第一液晶聚合物层一侧依次形成第一液晶聚合物子层和第二液晶聚合物子层，所述第一液晶聚合物子层和所述第二液晶聚合物子层的液晶分子指向矢镜像对称；
将所述第一基板剥离，形成基于分段扭曲的各向异性膜的透-反式光学器件。
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