一種液晶叉形偏振光柵以及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及偏振光柵技術領域，尤其涉及一種液晶叉形偏振光柵以及制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，由于渦旋光束在光學誘捕、操縱微小粒子、新型超分辨光學顯微鏡及天文學等方面的應用，人們對渦旋光束的研宄越來越關注。產生渦旋光束的方法很多，可通過激光器的諧振腔和抽運方式、模式轉換、螺旋相位片、超構材料以及計算全息術等方法產生帶有角向相位因子Ψ1 = eXp(im0)的光渦旋，其中m為拓撲荷數，Θ為以光束傳播方向為z軸的柱坐標體系中的方位角。其中計算全息術的方法，因其方法簡單而被越來越多的研宄者使用。它通過電腦計算產生叉形光柵的圖案，具體方法為:因為入射光是高斯光束，其相位因子為Ψ2 = exp(ikx)，k為空間波矢，所以可以通過電腦把目標光束Ψ1與入射光束Ψ2這兩束光的干涉圖案計算出來，便可得到可產生渦旋光束的模板，即為叉形光柵的圖案。目前的研宄方法里，或者把圖案曝光沖洗到透明膠片上，或者轉移到空間光調制器上，但前者步驟繁瑣，不可電調；后者成本較高，分辨率低，產生效率很低。也有人把計算全息術和聚合物混合型液晶相結合，通過空間光調制器把圖案曝光到上述液晶上，在光化學反應下實現圖案化；但這種方法產生的叉形光柵其衍射效率較低，而且對入射光有偏振依賴性。渦旋光在具體應用時，一般選用某一單一模式(即單一衍射級次)，但由于現有技術中的叉形光柵產生的渦旋光具有多個級次，最大衍射效率的正負一級理論上也只能分別達到40.5%，因此衍射效率低成為現有技術的叉形光柵的最大難題。
【發明內容】
[0003]本發明提供一種液晶叉形偏振光柵以及制備方法，以提高液晶叉形偏振光柵的衍射效率。
[0004]第一方面，本發明實施例提供了一種液晶叉形偏振光柵，包括:
[0005]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的液晶層；
[0006]其中，所述第一基板上設置有間隔粒子，以支撐所述液晶層；
[0007]所述第一基板和第二基板近鄰所述液晶層的一側分別設置有第一電極和第二電極；
[0008]所述第一電極和第二電極近鄰所述液晶層的一側設置有光控取向膜，所述光控取向膜具有分子指向矢方向呈周期性漸變分布且中心區域呈叉形的控制圖形，所述光控取向膜的控制圖形控制所述液晶層中的液晶分子指向矢呈周期性漸變分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光柵的入射光轉換為渦旋光。
[0009]進一步的，所述叉形具有至少一個分支，叉形分支數量與所述渦旋光的拓撲荷數相同。
[0010]進一步的，所述控制圖形的中心區域還包括至少一個90°液晶取向位錯環，和/或，一條液晶取向徑向線位錯；
[0011]其中，所述叉形位于90°液晶取向位錯環內，所述90°液晶取向位錯環內的控制圖形與所述90°液晶取向位錯環外的控制圖形相對移動半個周期；
[0012]當所述控制圖形的中心區域包括一條液晶取向徑向線位錯時，所述叉形分支數量具有小數部分，所述液晶取向徑向線位錯位于所述叉形的一側，且一端與所述叉形相連，所述液晶取向徑向線位錯兩側的控制圖形相對移動小數部分個周期。
[0013]進一步的，其特征在于，所述液晶層的材料為向列相液晶、雙頻液晶或鐵電液晶中的任意一種；
[0014]所述光控取向膜的控制圖形可擦寫，所述光控取向膜的材料為偶氮染料。
[0015]進一步的，入射光在所述液晶叉形偏振光柵中的尋常光和非尋常光的相位差大于或者等于π ;
[0016]當入射光為線偏振時，經所述液晶叉形偏振光柵轉換的渦旋光具有正負一級衍射光斑;
[0017]當入射光為圓偏振時，經所述液晶叉形偏振光柵轉換的渦旋光具有正一級或負一級衍射光斑。
[0018]第二方面，本發明實施例還提供一種液晶叉形偏振光柵的制備方法，包括:
[0019]在設置有第一電極的第一基板和設置有第二電極的第二基板的近鄰所述液晶層的一側形成光控取向膜；
[0020]在設置有第一電極的第一基板上設置間隔粒子，并與所述設置有第二電極的第二基板封裝；
[0021]對所述光控取向膜進行多步重疊曝光，以形成中心區域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性漸變分布的控制圖形；在所述設置有第一電極的第一基板和所述設置有第二電極的第二基板之間灌注液晶層，所述光控取向膜的控制圖形控制所述液晶層中的液晶分子指向矢呈周期性漸變分布，以使照射在所述液晶叉形偏振光柵的入射光轉換為渦旋光。
[0022]進一步的，所述對所述光控取向膜進行多步重疊曝光，以形成中心區域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性漸變分布的控制圖形，還包括:
[0023]在所述控制圖形的中心區域中引入至少一個90°液晶取向位錯環，和/或，在所述控制圖形的中心區域中引入一條液晶取向徑向線位錯；
[0024]其中，所述叉形位于90°液晶取向位錯環內，所述90°液晶取向位錯環內的控制圖形與所述90°液晶取向位錯環外的控制圖形相對移動半個周期；
[0025]當所述控制圖形的中心區域包括一條液晶取向徑向線位錯時，所述叉形分支數量具有小數部分，所述液晶取向徑向線位錯位于所述叉形的一側，且一端與所述叉形相連，所述液晶取向徑向線位錯兩側的控制圖形相對移動小數部分個周期。
[0026]進一步的，在設置有第一電極的第一基板和設置有第二電極的第二基板的近鄰所述液晶層的一側旋涂光控取向膜，包括:
[0027]將光控取向材料旋涂在設置有第一電極的第一基板和設置有第二電極的第二基板的近鄰所述液晶層的一側，旋涂參數為:低速旋涂5秒，轉速800轉/分鐘，高速旋涂40秒，轉速3000轉/分鐘；
[0028]將旋涂有光控取向材料的第一基板和第二基板退火10分鐘，退火溫度為100°C，形成光控取向膜。
[0029]進一步的，對所述光控取向膜進行多步重疊曝光，以形成中心區域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性漸變分布的控制圖形，包括:
[0030]采用數控微鏡陣光刻系統，根據曝光次序，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；
[0031]其中，相鄰步驟曝光圖形的曝光區域部分重疊，所述誘導光偏振方向隨曝光次序單調增加或單調減小，以實現形成中心區域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性漸變分布的控制圖形。
[0032]進一步的，還包括:
[0033]在所述第一電極和所述第二電極之間形成預設電壓差，使所述液晶層中的液晶分子垂直于所述第一基板所在平面；
[0034]采用線偏振光照射所述光控取向膜預設時間，以擦除所述控制圖形；
[0035]再次對所述光控取向膜進行多步重疊曝光，以形成中心區域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性漸變分布的控制圖形。
[0036]本發明通過在相對設置的第一基板的第一電極和第二基板的第二電極上設置光控取向膜，并為所述光控取向膜設置具有中心區域呈叉形且分子指向矢方向呈周期性漸變分布的控制圖形，以控制所述液晶層中的液晶分子指向矢呈周期性漸變分布，使照射在所述液晶叉形偏振光柵的入射光轉換為渦旋光，由于液晶層中的液晶分子指向矢呈周期性漸變分布，相當于引入偏振光柵的概念，可以抑制高級次的渦旋光的產生，只產生零級和正負一級的渦旋光，同時通過為所述液晶叉形偏振光柵施加不同電壓，從而可完全抑制零級，通過改變入射光的偏振態可實現單一級次的渦旋光產生，因此通過該液晶叉形偏振光柵產生的渦旋光的衍射效率可以達到接近100 %，相比于現有技術中的叉形光柵，衍射效率顯著提尚O
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明實施例一提供的一種液晶叉形偏振光柵的剖面結構示意圖；
[0038]圖2為本發明實施例一提供的液晶指向矢方向呈周期性漸變分布的模擬示意圖；
[0039]圖3為本發明實施例一提供的液晶指向矢方向呈周期性漸變分布的俯視示意圖；
[0040]圖4a-圖4