CN114994964A - 一种平面光学器件及其制备方法、检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面光学器件及其制备方法、检测装置。平面光学器件包括相对设置的第一基板、第二基板及位于第一基板和第二基板之间的倾斜螺旋胆甾相液晶层；第一基板的一侧设置有第一电极层和第一取向层；第二基板的一侧设置有第二电极层和第二取向层；在第一取向层和第二取向层的共同作用下，诱导螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装；第一电极层和第二电极层之间施加交流电场时，倾斜螺旋胆甾相液晶层的指向矢随着电场的增大逐渐向螺旋轴倾斜，并且螺距减小。本发明提供了平面光学的空间相位调制和按需频率选择的自由度，将升级现有的光学系统，并激发其在模式/波长复用光通信、全光网络、高光谱成像和全息显示方面的广泛应用。

Description

一种平面光学器件及其制备方法、检测装置
技术领域
本发明实施例涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种平面光学器件及其制备方法、检测装置。
背景技术
超级计算、卫星通信、5G/6G通信、虚拟/增强现实、全息显示等重要领域对超大容量、低功耗的信息处理、传输和交互的需求越来越大。与依赖于电信号的时序或频率调制的电子信息相比，光子技术展现出天然的并行处理能力和成熟的波分复用技术。光波的频率、波长、偏振态和相位等信息可以代表不同的数据,多维度的关联导致了光子信息学的复杂性。对多维参数进行准确、高效、正交的操作已成为海量信息高速处理和可靠传输的核心挑战。
近年来，具有小型化和可调谐性的平面光学器件在基于波分复用的光通信、基于光束控制的光检测、高光谱成像等领域有广泛的需求和应用。然而，平面光学器件功能通常是静态的，因为它们的结构一旦制造后就固定了，不能实现功能的按需调制。同时，这类器件的效率往往依赖于波长，难以实现宽波段范围的高效率。电场可控的平面光学器件具有紧凑、稳定和可靠的优点，且与现代光电子器件兼容性较好。然而现有的材料体系很难实现低电场驱动下的宽波段可调谐性。因此实现具有任意波前操纵和超宽带波长选择性的平面光学器件仍然是一个值得挑战的难题。
发明内容
本发明实施例提供了一种平面光学器件及其制备方法、检测装置，该平面光学器件提供了平面光学的空间相位调制和按需频率选择的自由度，它将升级现有的光学系统，并激发其在模式/波长复用光通信、全光网络、高光谱成像和全息显示方面的广泛应用。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种平面光学器件，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的倾斜螺旋胆甾相液晶层；
所述第一基板的一侧设置有第一电极层，所述第一基板靠近所述第二基板的一侧设置有第一取向层；
所述第二基板的一侧设置有第二电极层，所述第二基板靠近所述第一基板的一侧设置有第二取向层；
所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢按预设图形分布的控制图形，在所述第一取向层和所述第二取向层的共同作用下，诱导所述倾斜螺旋胆甾相液晶层中的螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装；
所述第一电极层和所述第二电极层之间施加垂直于所述第一基板的交流电场时，所述倾斜螺旋胆甾相液晶层的指向矢随着电场的增大逐渐向螺旋轴倾斜，并且螺距减小。
可选的，所述第一电极层位于所述第一基板远离所述第二基板的一侧或所述第一基板和所述第一取向层之间；
所述第二电极层位于所述第二基板远离所述第一基板的一侧或所述第二基板和所述第二取向层之间。
可选的，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，形成所述倾斜螺旋胆甾相液晶层的填充空间。
可选的，所述间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种，沿垂直于所述第一基板和所述第二基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度大于或者等于所述倾斜螺旋胆甾相液晶层中液晶分子螺距的10倍。
可选的，所述倾斜螺旋胆甾相液晶层包括弯曲型液晶、向列相液晶和手性掺杂剂。
可选的，所述弯曲型液晶包括CB7CB、CB9CB、CB11CB、CB6OCB和CB6OBO6CB中的至少一种，所述向列相液晶包括E7、5CB、SLC-001和SLC-002中的至少一种。
可选的，所述第一取向层和所述第二取向层包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种，所述第一取向层和所述第二取向层的控制图形可擦写。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种平面光学器件的制备方法，用于制备上述的平面光学器件，包括：
提供第一基板和第二基板；
在所述第一基板的一侧形成第一电极层，在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向层，在所述第二基板的一侧形成第二电极层，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向层；
将所述第一基板与所述第二基板封装；
向所述第一基板和所述第二基板之间灌入倾斜螺旋胆甾相液晶层；
其中，所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢按预设图形分布的控制图形，在所述第一取向层和所述第二取向层的共同作用下，诱导所述倾斜螺旋胆甾相液晶层中的螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装，所述第一电极层和所述第二电极层之间施加垂直于所述第一基板的交流电场时，所述倾斜螺旋胆甾相液晶层的指向矢随着电场的增大逐渐向螺旋轴倾斜，并且螺距减小。
可选的，在所述第一基板和所述第二基板之间灌入倾斜螺旋胆甾相液晶层之前，还包括：
在所述第一基板和所述第二基板之间形成间隔粒子；
其中，沿垂直于所述第一基板和所述第二基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度大于或者等于倾斜螺旋胆甾相液晶层中液晶分子螺距的10倍。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种平面光学器件的光学特性的检测装置，包括激光产生单元和检测单元；
所述激光产生单元包括沿第一方向共光轴依次排布的激光器、线偏振片、四分之一波片、分束器以及上述的平面光学器件，所述检测单元包括位于所述分束器的反射光路上的相机；
所述激光器输出的光束依次经过所述线偏振片、所述四分之一波片和所述分束器透射后入射至所述平面光学器件，所述平面光学器件反射的光束经过所述分束器反射后被所述相机接收。
本发明实施例的技术方案，通过在第一基板靠近第二基板一侧设置第一取向层，在第二基板靠近第一基板一侧设置第二取向层，第一取向层和第二取向层具有分子指向矢按预设图形分布的控制图形，以诱导倾斜螺旋胆甾相液晶层中的螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装；通过在第一基板的一侧设置第一电极层，在第二基板的一侧设置第二电极层，通过第一电极层和第二电极层在垂直于液晶盒的方向施加交流电场，形成了具有覆盖近紫外、可见至近红外波段的超宽波长选择性的宽带可调平面光学器件。该平面光学器件提供了平面光学的空间相位调制和按需频率选择的自由度，它将升级现有的光学系统，并激发其在模式/波长复用光通信、全光网络、高光谱成像和全息显示方面的广泛应用。
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平面光学器件的立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种平面光学器件的x-z剖面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种平面光学器件的光学特性的检测装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的宽带可调涡旋光产生器的液晶指向矢方向沿径向分布的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种倾斜螺旋胆甾相液晶层在不同外加电场下的螺旋超结构演变示意图；
图6为本发明实施例提供的一种倾斜螺旋胆甾相液晶层在不同外加电场下的反射率光谱示意图；
图7为本发明实施例提供的一种宽带可调涡旋光产生器的检测结果示意图；
图8为本发明实施例提供的宽带可调偏振光栅中的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种宽带可调偏振光栅的衍射结果示意图；
图10为本发明实施例提供的一种宽带可调偏振光栅的波长相关的衍射效率示意图；
图11为本发明实施例提供的一种宽带可调离轴透镜的液晶指向矢分布示意图；
图12为本发明实施例提供的一种宽带可调离轴透镜的衍射结果示意图；
图13为本发明实施例提供的一种平面光学器件的制备方法的流程示意图；
图14为本发明实施例提供的一种多次重叠曝光的掩膜版图案变化示意图。
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。
图1为本发明实施例提供的一种平面光学器件的立体结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种平面光学器件的x-z剖面结构示意图。参考图1和图2，本发明实施例提供的平面光学器件包括相对设置的第一基板11、第二基板12以及位于第一基板11和第二基板12之间的倾斜螺旋胆甾相液晶层13；第一基板11的一侧设置有第一电极层111，第一基板11靠近第二基板12的一侧设置有第一取向层112；第二基板12的一侧设置有第二电极层121，第二基板12靠近第一基板11的一侧设置有第二取向层122；第一取向层112和第二取向层122具有分子指向矢按预设图形分布的控制图形，在第一取向层112和第二取向层122的共同作用下，诱导倾斜螺旋胆甾相液晶层13中的螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装；第一电极层111和第二电极层121之间施加垂直于第一基板11的交流电场时，倾斜螺旋胆甾相液晶层13的指向矢随着电场的增大逐渐向螺旋轴倾斜，并且螺距减小。
其中，第一基板11和第二基板12可采用光透过率较高(例如大于或等于85％)的柔性基板或刚性基板。示例性的，第一基板11和第二基板12材料可包括石英玻璃或普通玻璃。第一电极层111和第二电极层121可以为透明电极，例如用氧化铟锡ITO形成的电极。图2中示出的第一电极层111和第二电极层121的位置仅是示意性的，在其他实施例中，可选的，第一电极层111可以位于第一基板11远离第二基板12的一侧或第一基板11和第一取向层112之间；第二电极层121可以位于第二基板12远离第一基板11的一侧或第二基板12和第二取向层122之间，具体实施时可以根据实际情况选择。在具体实施时，可选的，还包括位于第一基板11和第二基板12之间的间隔粒子14，间隔粒子14用于支撑第一基板11和第二基板12，形成倾斜螺旋胆甾相液晶层13的填充空间。第一取向层112和第二取向层122的控制图形可以根据实际需求设计，例如可以为周期性渐变分布，以使平面光学器件形成宽带可调涡旋光产生器、宽带可调偏振光栅或宽带可调离轴透镜等器件，本发明对此不作限定。第一电极层111和第二电极层121之间施加垂直于交流电场可以选用方波信号，倾斜螺旋胆甾相液晶层13的指向矢随着电场的增大逐渐向螺旋轴倾斜，并且螺距减小。相应地，反射带逐渐蓝移，覆盖了近紫外、可见光波段直至近红外波段，实现了平面光学器件的电控波段选择性。本发明实施例提供的宽带可调平面光学器件相比于现有技术中的平面光学器件制备工艺简单，成本较低，且工作波段可在低电压实现超宽波段的电控调谐。
综上，本发明实施例的技术方案，通过在第一基板靠近第二基板一侧设置第一取向层，在第二基板靠近第一基板一侧设置第二取向层，第一取向层和第二取向层具有分子指向矢按预设图形分布的控制图形，以诱导倾斜螺旋胆甾相液晶层中的螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装；通过在第一基板的一侧设置第一电极层，在第二基板的一侧设置第二电极层，通过第一电极层和第二电极层在垂直于液晶盒的方向施加交流电场，形成了具有覆盖近紫外、可见至近红外波段的超宽波长选择性的宽带可调平面光学器件。该平面光学器件提供了平面光学的空间相位调制和按需频率选择的自由度，它将升级现有的光学系统，并激发其在模式/波长复用光通信、全光网络、高光谱成像和全息显示方面的广泛应用。
在上述实施例的基础上，可选的，间隔粒子14包括石英微球和石英柱中的至少一种，沿垂直于第一基板11和第二基板12的方向，间隔粒子14的延伸长度大于或者等于倾斜螺旋胆甾相液晶层13中液晶分子螺距的10倍。通过设置间隔粒子14的延伸长度大于或等于液晶分子螺距的10倍，可以保证胆甾相液晶具有较高的反射率，提升器件性能。
可选的，倾斜螺旋胆甾相液晶层13包括弯曲型液晶、向列相液晶和手性掺杂剂。
具体实施时，通过改变手性剂的手性和比例来实现不同手性和中心波长的倾斜螺旋胆甾相液晶层13。可选的，弯曲型液晶包括CB7CB、CB9CB、CB11CB、CB6OCB和CB6OBO6CB中的至少一种，向列相液晶包括E7、5CB、SLC-001和SLC-002中的至少一种，具体实施时可以根据实际情况选择，本发明实施例不作限定。
可选的，第一取向层112和第二取向层122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，第一取向层112和第二取向层122的控制图形可擦写。
其中第一取向层112和第二取向层122为光控取向层，通过控制第一取向层112和第二取向层122的控制图形可擦写，可以通过改变控制图形改变器件性能，提升平面光学器件应用的灵活性。
图3为本发明实施例提供的一种平面光学器件的光学特性的检测装置的结构示意图。参考图3，该检测装置包括激光产生单元30和检测单元36；激光产生单元30包括沿第一方向z共光轴依次排布的激光器31、线偏振片32、四分之一波片33、分束器34以及上述实施例提供的任意一种平面光学器件35，检测单元36包括位于分束器34的反射光路上的相机；激光器31输出的光束依次经过线偏振片32、四分之一波片33和分束器34透射后入射至平面光学器件35，平面光学器件35反射的光束经过分束器35反射后被相机接收。
示例性的，本发明实施例提供的平面光学器件可以为宽带可调涡旋光产生器，第一取向层和第二取向层的控制图形控制倾斜螺旋胆甾相液晶层中的液晶指向矢沿径向方向呈周期性渐变分布，以使照射在液晶涡旋光产生器的入射光转换为涡旋光。对应图3的检测装置，激光器31用于出射超连续谱激光，超连续谱激光通过多通道声光可调谐滤光片(可以集成在激光器内)过滤，产生410nm～1200nm范围内的任意单色波长。然后通过调整线偏振片32和消色差的四分之一波片33将激光的偏振改变为左旋圆偏振。采用非偏振的分束器34，便于检测反射光束。相机用于记录衍射的光斑图。图4为本发明实施例提供的宽带可调涡旋光产生器的液晶指向矢方向沿径向分布的示意图。参考图4，示例性的设置拓朴荷为2，液晶指向矢方向沿径向方向呈渐变分布，变化了360°，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向从0°到180°。在第一取向层和第二取向层的锚定作用下，由于控制图形使取向层的分子指向矢方向沿径向方向渐变变化了360°，因此第一取向层和第二取向层使倾斜螺旋胆甾相液晶层中的液晶的指向矢沿径向方向渐变变化了360°。
本发明实施例通过在垂直于液晶盒方向施加3kHz的方波，得到在不同电场下螺旋超结构的演变，图5为本发明实施例提供的一种倾斜螺旋胆甾相液晶层在不同外加电场下的螺旋超结构演变示意图。参考图5，当场低于阈值电压E1(0.3V/μm)时，液晶分子呈与螺旋轴的夹角θ＝360°的螺旋状态21。当场在E1和E2(2.5V/μm)之间时，液晶指向矢以电场相关角度θ向螺旋轴倾斜。如图5(ii-vi)所示，结构呈现出螺距P随着施加场的增加而减小的倾斜螺旋状态22。图6为本发明实施例提供的一种倾斜螺旋胆甾相液晶层在不同外加电场下的反射率光谱示意图。参考图6，反射带在1550nm至380nm的超宽范围内蓝移，对应于近红外、可见和近紫外波段。此外，由于随着θ的减小，双折射Δn减小，带宽ΔnP不断变窄。当施加超过E2的强电场时，会出现液晶垂直于基板的各向同性态23。为了形成均匀的畴结构，采用非接触光取向技术，电场从3V/μm降低以减少位错线。
本发明实施例提供的宽带可调涡旋光产生器，通过在设置有第一电极层的第一基板和设置有第二电极层的第二基板邻近倾斜螺旋胆甾相液晶层的一侧形成有取向层，第一基板与第二基板封装并控制取向层形成分子指向矢方向沿径向方向呈周期性渐变分布的控制图形，以控制位于第一基板和第二基板中间的胆甾相液晶层形成相应的控制图形，利用胆甾相液晶半透半反的光透过率性质及圆偏振选择性的布拉格反射作用，若入射光波长落在胆甾相液晶的布拉格反射带内，与胆甾相液晶的旋性相同的部分圆偏振入射光会被反射(示例性的，这里是左旋圆偏振光)。由于配备的胆甾相液晶在电场作用下反射带在近红外、可见和近紫外波段可以移动，从而可以实现具有波长选特性的宽带可调涡旋光产生器。
图7为本发明实施例提供的一种宽带可调涡旋光产生器的检测结果示意图。相应的反射涡旋光表现出类似甜甜圈的强度分布，并验证了在458nm至820nm的宽范围内具有出色的波长选择性41。在相机之前放置一个柱面透镜，将相机放在柱面透镜在焦平面上以检测拓扑荷。检测结果42中暗条纹的数量和倾斜方向表示拓朴荷m＝+2，这与原始设计很好地匹配。该宽带可调涡旋光产生器具有低压控制和超宽可调谐工作频带的特征，有望用于基于波分复用和模分复用的光通信和量子信息学。
在另一实施例中，本发明实施例提供的平面光学器件可以为宽带可调偏振光栅。图8为本发明实施例提供的宽带可调偏振光栅中的液晶指向矢方向呈周期性渐变分布的示意图。参考图8，示例性的设置周期为100μm，每个周期内的液晶指向矢方向呈渐变分布，液晶指向矢方向从0°渐变为180°，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向从0°渐变为180°。随着电场驱动的结构演变，反射式的偏转光束的波长连续可调。图9为本发明实施例提供的一种宽带可调偏振光栅的衍射结果示意图。参考图9，偏转角随着所选波长的增加而增加，具体数值可以根据光栅方程得到。由于螺旋手性超结构，衍射图案表现出强烈的圆偏振(自旋)依赖性。具有与胆甾相液晶相同手性且在布拉格反射内的光以高效率选择性地反射。图10为本发明实施例提供的一种宽带可调偏振光栅的波长相关的衍射效率示意图。参考图10，在整个可见波段中，平均一级衍射效率达到72％以上。而具有相反手性以及布拉格带外的光的效率大多被抑制，这部分光会直接透过样品。因此，本发明实施例所提出的光栅的性能不同于传统光栅，不同的频率通道会被选择性地偏转到与波长相关的角度，而传统光栅同时分散所有输入光。此外，本发明实施例所提出的宽带可调偏振光栅是自旋相关的，增加了额外的自由度来实现动态可调的功能。这种宽带可调偏振可用于具有动态波长信道控制能力的光网络和激光通信。
在又一实施例中，本发明实施例提供的平面光学器件可以为宽带可调离轴透镜。具体实施时，可以对上一实施例中的偏振光栅图形进行擦除再重新曝光预设的离轴透镜图形，实现过程包括：第一电极层和第二电极层之间施加足够大的电压，使倾斜螺旋胆甾相液晶层中的液晶分子与基板垂直，液晶相态变成各向同性态；采用线偏振紫外UV光照射第一取向层和第二取向层，擦除控制图形，使得两个取向层变为均一取向；再次对两个取向层进行多步重叠曝光，以形成分子指向矢按新的预设图形取向分布的控制图形。
图11为本发明实施例提供的一种宽带可调离轴透镜的液晶指向矢分布示意图。该离轴透镜53由一个偏振光栅51和透镜52复合而成。示例性的这里制备了一个在488nm处焦距为13.5cm的离轴透镜。物为字母“E”放置在离轴透镜前大于一倍焦距处。波长为488nm、528nm和635nm的光束同时入射到离轴透镜。物“E”的像由检测单元36(相机)捕获。图12为本发明实施例提供的一种宽带可调离轴透镜的衍射结果示意图。参考图12，只有具有选定波长和圆偏振的光才能被聚焦以形成图像，蓝色(488nn)、绿色(528nm)和红色(635nm)字母“E”分别在1.21V/μm、1.17V/μm和1.02V/μm的电场下成像。由于偏振光栅的作用，像被衍射到单个1阶衍射级次。在这种情况下，几乎避免了来自0级反射的串扰，使得像更清晰。根据成像公式1/v+1/u＝1/f，其中v、u和f分别为像距、物距和焦距，波长越大，像尺寸越小。在测试中，u＝20cm是固定的，对于λ＝488nm、528nm、635nm，v＝41cm、34.5cm、23cm。本发明实施例提供的具有宽带波长选择性的可调离轴透镜在高光谱成像和全息显示中很有前景。
图13为本发明实施例提供的一种平面光学器件的制备方法的流程示意图，本实施例提供的制备方法用于制备上述实施例提供的任意一种平面光学器件。参考图13，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，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1mm～2mm。
步骤S120、在第一基板的一侧形成第一电极层，在第一基板靠近第二基板的一侧形成第一取向层，在第二基板的一侧形成第二电极层，在第二基板靠近第一基板的一侧形成第二取向层。
其中，第一电极层可以位于第一基板远离第二基板的一侧或第一基板和第一取向层之间；第二电极层可以位于第二基板远离第一基板的一侧或第二基板和第二取向层之间，具体实施时可以根据实际情况选择，第一电极层和第二电极层可选用氧化铟锡薄膜。可选的，第一取向层和第二取向层的材料为酸性偶氮染料4,4’-二(4-羟基-3-羧基-苯偶氮基)联苯胺-2,2’-二磺酸。在形成第一取向层和第二取向层之前，为增加取向层与基板的浸润性和粘附性，用ITO(氧化铟锡导电膜)洗液进行超声清洗，然后再用超纯水超声清洗两次。在120℃烘箱中烘干，再进行UVO清洗。
可选的，在第一基板靠近第二基板的一侧和第二基板靠近第一基板的一侧形成取向层可以采用下列方式：
将光控取向材料旋涂在设置有第一基板和第二基板的近邻液晶层的一侧；将旋涂有光控取向材料的第一基板和第二基板退火，形成光控取向层。
步骤S130、将第一基板与第二基板封装。
步骤S140、向第一基板和第二基板之间灌入倾斜螺旋胆甾相液晶层。
其中，第一取向层和第二取向层具有分子指向矢按预设图形分布的控制图形，在第一取向层和第二取向层的共同作用下，诱导倾斜螺旋胆甾相液晶层中的螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装，第一电极层和第二电极层之间施加垂直于第一基板的交流电场时，倾斜螺旋胆甾相液晶层的指向矢随着电场的增大逐渐向螺旋轴倾斜，并且螺距减小。
第一取向层和第二取向层的控制图形的形成过程为：对光控取向层进行多步重叠曝光，以形成预设的控制图形。光控取向层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°的曝光图形在光控取向层上。图14为本发明实施例提供的一种多次重叠曝光的掩膜版图案变化示意图。参考图14，将预设的液晶分子指向矢图案按照取向角分图，分成36张分图，则每5°分为一张图，如0°-5°，6°-10°，11°-15°。分别将该区域设置为白色，其他区域设置为黑色。从而得到36张掩膜版，白色为曝光区域，黑色为非曝光区域。每张掩膜版曝光前，相应的偏振片角度变化5°，从而经过多步重叠曝光得到预设的控制图形。本领域技术人员可根据实际情况选用掩膜版的图案以及曝光次数。
可选的，倾斜螺旋胆甾相液晶层包括弯曲型液晶、向列相液晶和手性掺杂剂，弯曲型液晶为CB7CB，CB9CB，CB11CB，CB6OCB，CB6OBO6CB或其他弯曲型液晶中的一种或几种，向列相液晶为E7、5CB、SLC-001、SLC-002或者其他向列相液晶中的一种或几种，可以通过改变手性剂的手性和比例来实现不同手性和中心波长的倾斜螺旋胆甾相液晶层。
在某一具体实施例中，可选的，倾斜螺旋胆甾相液晶层由弯曲型液晶(CB7CB)、向列液晶(E7)和左手手性掺杂剂(S811)按重量比E7：CB7CB：S811＝53.2：43.8：3制备而成。
可选的，在第一基板和第二基板之间制备双手性共存液晶层之前，还包括：
在第一基板和第二基板之间形成间隔粒子。
其中，沿垂直第一基板和第二基板的方向，间隔粒子的延伸长度大于或者等于倾斜螺旋胆甾相液晶层中液晶分子螺距的10倍。可选的，间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种，具体实施时可以根据实际情况设计。
本实施例中，间隔粒子为二氧化硅小球，为避免二氧化硅小球落入液晶盒中心区域而影响胆甾相液晶组装，将二氧化硅小球混入紫外光固化胶中，并少量涂覆于基板内侧边缘，将第一基板与第二基板相对设置封装后，采用紫外光照射光固化胶涂覆区，以实现固化成盒。
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)

1.一种平面光学器件，其特征在于，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的倾斜螺旋胆甾相液晶层；
所述第一基板的一侧设置有第一电极层，所述第一基板靠近所述第二基板的一侧设置有第一取向层；
所述第二基板的一侧设置有第二电极层，所述第二基板靠近所述第一基板的一侧设置有第二取向层；
所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢按预设图形分布的控制图形，在所述第一取向层和所述第二取向层的共同作用下，诱导所述倾斜螺旋胆甾相液晶层中的螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装；
所述第一电极层和所述第二电极层之间施加垂直于所述第一基板的交流电场时，所述倾斜螺旋胆甾相液晶层的指向矢随着电场的增大逐渐向螺旋轴倾斜，并且螺距减小。
2.根据权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一电极层位于所述第一基板远离所述第二基板的一侧或所述第一基板和所述第一取向层之间；
所述第二电极层位于所述第二基板远离所述第一基板的一侧或所述第二基板和所述第二取向层之间。
3.根据权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，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，形成所述倾斜螺旋胆甾相液晶层的填充空间。
4.根据权利要求3所述的平面光学器件，其特征在于，所述间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种，沿垂直于所述第一基板和所述第二基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度大于或者等于所述倾斜螺旋胆甾相液晶层中液晶分子螺距的10倍。
5.根据权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述倾斜螺旋胆甾相液晶层包括弯曲型液晶、向列相液晶和手性掺杂剂。
6.根据权利要求5所述的平面光学器件，其特征在于，所述弯曲型液晶包括CB7CB、CB9CB、CB11CB、CB6OCB和CB6OBO6CB中的至少一种，所述向列相液晶包括E7、5CB、SLC-001和SLC-002中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述第一取向层和所述第二取向层包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种，所述第一取向层和所述第二取向层的控制图形可擦写。
8.一种平面光学器件的制备方法，用于制备权利要求1～7任一所述的平面光学器件，其特征在于，包括：
提供第一基板和第二基板；
在所述第一基板的一侧形成第一电极层，在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向层，在所述第二基板的一侧形成第二电极层，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向层；
将所述第一基板与所述第二基板封装；
向所述第一基板和所述第二基板之间灌入倾斜螺旋胆甾相液晶层；
其中，所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢按预设图形分布的控制图形，在所述第一取向层和所述第二取向层的共同作用下，诱导所述倾斜螺旋胆甾相液晶层中的螺旋结构的液晶按照预设的取向进行组装，所述第一电极层和所述第二电极层之间施加垂直于所述第一基板的交流电场时，所述倾斜螺旋胆甾相液晶层的指向矢随着电场的增大逐渐向螺旋轴倾斜，并且螺距减小。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述第一基板和所述第二基板之间灌入倾斜螺旋胆甾相液晶层之前，还包括：
在所述第一基板和所述第二基板之间形成间隔粒子；
其中，沿垂直于所述第一基板和所述第二基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度大于或者等于倾斜螺旋胆甾相液晶层中液晶分子螺距的10倍。
10.一种平面光学器件的光学特性的检测装置，其特征在于，包括激光产生单元和检测单元；
所述激光产生单元包括沿第一方向共光轴依次排布的激光器、线偏振片、四分之一波片、分束器以及权利要求1～7任一所述的平面光学器件，所述检测单元包括位于所述分束器的反射光路上的相机；
所述激光器输出的光束依次经过所述线偏振片、所述四分之一波片和所述分束器透射后入射至所述平面光学器件，所述平面光学器件反射的光束经过所述分束器反射后被所述相机接收。
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