一種液晶偏振轉(zhuǎn)換器、制備方法和矢量光控取向系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及矢量光束技術領域，尤其涉及一種液晶偏振轉(zhuǎn)換器、制備方法和光控取向系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]近年來，由于矢量光束在超分辨顯微成像、焦場工程、光學操控、表面等離激元的激發(fā)以及激光加工等方面的應用，對于矢量光束的研究越來越引起人們的關注。矢量光束相較于普通偏振光而言，其偏振方向隨空間位置的不同而發(fā)生變換，且呈中心對稱分布。這種高對稱性的偏振分布使得矢量光束具有一系列特殊的性質(zhì)和應用。
[0003]現(xiàn)有技術中，產(chǎn)生矢量光束的方法有很多，主要可分為主動型與被動型。其中，主動型產(chǎn)生矢量光束是通過激光器的諧振腔或腔內(nèi)器件的偏振模式選擇來實現(xiàn)的；而被動型產(chǎn)生矢量光束所需要的儀器主要包括空間漸變位相延遲器、基于電腦計算全息的偏振干涉和空間漸變的偏振轉(zhuǎn)換器。這兩種產(chǎn)生矢量光束的方法存在以下問題:一方面，只能產(chǎn)生簡單模式的矢量光束；另一方面，只適用于單波長。
[0004]此外，現(xiàn)有技術中，還有一種基于扭曲向列相液晶(TNLC)的偏振轉(zhuǎn)換器，但是這類偏振轉(zhuǎn)換器的設計和制備方法也仍局限于產(chǎn)生簡單模式的矢量光束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種液晶偏振轉(zhuǎn)換器、制備方法和矢量光控取向系統(tǒng)，以實現(xiàn)產(chǎn)生多種模式的矢量光束，且可適用于寬波段。
[0006]第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種液晶偏振轉(zhuǎn)換器，包括:
[0007]相對設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間的液晶層；
[0008]其中，所述第一基板與第二基板之間設置有間隔粒子，以支撐所述液晶層；
[0009]所述第一基板和第二基板近鄰所述液晶層的一側(cè)設置有光控取向膜，所述第一基板的光控取向膜的分子指向矢方向均一排布，所述第二基板的光控取向膜中至少一個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱；
[0010]所述第一基板光控取向膜和第二基板光控取向膜控制所述液晶層中的液晶分子由第一基板至第二基板呈漸變扭曲排布，且線偏振入射光在所述液晶偏振轉(zhuǎn)換器中的非尋常光與尋常光的相位差，大于或者等于所述液晶層中的液晶分子在第一基板和第二基板中扭曲角度的10倍，以使照射在液晶偏振轉(zhuǎn)換器的線偏振入射光轉(zhuǎn)換為矢量光束。
[0011]進一步的，所述第二基板光控取向膜的至少一個設定區(qū)域的分子指向矢方向具有2η個漸變周期，所述漸變周期為取向膜分子指向矢方向從0°漸變到180°，所述矢量光束的偏振級數(shù)為η，其中η為正整數(shù)。
[0012]進一步的，當所述第二基板的光控取向膜中多個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱時，所述多個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變周期數(shù)量不同。
[0013]進一步的，所述第二基板光控取向膜設定區(qū)域的初始位置分子指向矢方向控制所述矢量光束的偏振狀態(tài)分布。
[0014]進一步的，當所述第二基板的光控取向膜中多個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱時，所述多個設定區(qū)域的初始位置分子指向矢方向不同。
[0015]進一步的，所述第二基板的光控取向膜中至少一個設定區(qū)域還包括至少一個環(huán)形位錯線，所述環(huán)形位錯線兩側(cè)的光控取向膜分子指向矢方向不同。
[0016]進一步的，當所述第二基板的光控取向膜中多個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱時，所述多個設定區(qū)域包含的環(huán)形位錯線的數(shù)量不同。
[0017]第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種液晶偏振轉(zhuǎn)換器的制備方法，包括:
[0018]在第一基板和第二基板的近鄰所述液晶層的一側(cè)形成光控取向膜；
[0019]對所述第一基板的光控取向膜均勻曝光，以使所述第一基板的光控取向膜的分子指向矢方向均一排布；
[0020]對所述第二基板的光控取向膜進行多步重疊曝光，以使所述第二基板的光控取向膜中至少一個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱；
[0021]在所述第一基板上設置間隔粒子，并與所述第二基板封裝，其中所述第一基板的光控取向膜一側(cè)與所述第二基板的光控取向膜一側(cè)相對設置；
[0022]在所述第一基板和所述第二基板之間灌注液晶層，所述第一基板光控取向膜和第二基板光控取向膜控制所述液晶層中的液晶分子指向矢呈漸變扭曲排布，且線偏振入射光在所述液晶偏振轉(zhuǎn)換器中的非尋常光與尋常光的相位差，大于或者等于所述液晶層中的液晶分子在第一基板和第二基板中扭曲角度的10倍，以使照射在液晶偏振轉(zhuǎn)換器的線偏振入射光轉(zhuǎn)換為矢量光束。
[0023]進一步的，還包括:
[0024]對所述第二基板光控取向膜進行多步重疊曝光，以使所述第二基板的光控取向膜中至少一個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱，包括:
[0025]采用無掩模動態(tài)投影曝光系統(tǒng)，根據(jù)曝光次序，選擇對應的曝光圖形，以及對應的誘導光偏振方向，依次進行曝光；
[0026]其中，相鄰步驟曝光圖形的曝光區(qū)域部分重疊，所述誘導光偏振方向隨曝光次序單調(diào)增加或單調(diào)減小，以使所述第二基板的光控取向膜中至少一個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱。
[0027]第三方面，本發(fā)明實施例還提供了矢量光控取向系統(tǒng)，包括:
[0028]光源裝置、權利要求1-7任一所述的液晶偏振轉(zhuǎn)換器和設置有光控取向膜的基板，其中:
[0029]所述光源裝置，用于產(chǎn)生線偏振入射光；
[0030]所述液晶偏振轉(zhuǎn)換器，用于將照射在液晶偏振轉(zhuǎn)換器上的線偏振入射光轉(zhuǎn)換為矢量光束，其中，所述線偏振入射光的偏振方向垂直于所述液晶偏振轉(zhuǎn)換器第一基板光控取向膜分子指向矢方向；
[0031]所述基板，用于經(jīng)過所述矢量光束照射，使所述光控取向膜的至少一個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱。
[0032]本發(fā)明通過在相對設置的第一基板和第二基板上設置光控取向膜，并對第一基板的光控取向膜均勻曝光以使得分子指向矢方向均一排布；對第二基板的光控取向膜多步重疊曝光使得至少一個設定區(qū)域的分子指向矢方向漸變分布且呈中心對稱。曝光后將第一基板和第二基板組成液晶盒并灌入液晶分子形成液晶偏振轉(zhuǎn)換器，使得照射在該液晶偏振轉(zhuǎn)換器上的線偏振光轉(zhuǎn)換為矢量光束。本發(fā)明實施例提供的液晶偏振轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生多種模式的矢量光束，并且該液晶偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構簡單，可適用于寬波段。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明實施例一提供的一種液晶偏振轉(zhuǎn)換器的剖面結(jié)構示意圖；
[0034]圖2a為在設定圓周上近鄰第一基板的液晶分子排布的俯視不意圖；
[0035]圖2b為在設定圓周上近鄰第一■基板的液晶分子排布的俯視不意圖；
[0036]圖2c為在設定圓周上近鄰第一基板的液晶分子和近鄰第二基板的液晶分子排布的立體圖；
[0037]圖3a為本發(fā)明實施例一提供的一種第二基板光控取向膜的一個設定區(qū)域分子指向矢方向排布的模擬示意圖；
[0038]圖3b為本發(fā)明實施例一提供的采用圖3a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的矢量光束的正交偏光顯微圖；
[0039]圖4a為本發(fā)明實施例一提供的又一種第二基板光控取向膜設定區(qū)域分子指向矢方向排布的模擬示意圖；
[0040]圖4b為本發(fā)明實施例一提供的采用圖4a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的矢量光束正交偏光顯微圖；
[0041]圖5a為本發(fā)明實施例一提供的又一種第二基板光控取向膜分子指向矢方向排布的豐旲擬不意圖；
[0042]圖5b為本發(fā)明實施例一采用圖5a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的矢量光束的正交偏光顯微圖；
[0043]圖6為本發(fā)明實施例一提供的第二基板光控取向膜設定區(qū)域的初始位置分子指向矢方向Θ與矢量光束偏振狀態(tài)分布的對照圖；
[0044]圖7a為本發(fā)明實施例一提供的又一種第二基板光控取向膜設定區(qū)域分子指向矢方向排布的模擬示意圖；
[0045]圖7b為本發(fā)明實施例采用圖7a提供的第二基板光控取向膜制作的液晶偏振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的矢量光束的正交偏光顯微圖；
[0046]圖8為本發(fā)明實施例二提供的一種液晶偏振轉(zhuǎn)換器的制備方法的流程示意圖；
[0047]圖9a_圖9d為本發(fā)明實施例三提供的一種對第二基板光控取向膜進行多步重疊曝光的方法示意圖；
[0048]圖10為本發(fā)明實施例四提供的一種基于矢量光束的光控取向系統(tǒng)的結(jié)構示意圖；
[0049]圖1la為本發(fā)明實施例四提供的一種q波片的正交偏光顯微圖；
[0050]圖1lb為本發(fā)明實施例四提供的利用q波片產(chǎn)生的渦旋光的光斑圖。
【具體實施方式】
[0051]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關的部分而非全部結(jié)