具有用于制造几何相位光学元件的应用的旋转几何相位全息图制造技术

旋转几何相位全息图具有几何相位光学元件(GPOE)，这些GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联，该GPOE级联用于接收线性偏振光束并且在最后GPOE的出射面处生成输出光束。发生在输出光束中的干涉在出射面上产生偏振干涉图案。光对齐基板在被定位为紧密接近出射面时记录图案。有利地，各GPOE围绕公共光轴可旋转。GPOE的各旋转角根据被选择为对于偏振干涉图案生成的空间变化线性偏振方位分布来确定。具体地，各旋转角可重新配置为在保持各GPOE的空间变化光轴方位分布的周期性固定的同时提供一系列所允许周期性上的、空间变化线性偏振方位分布所需的周期性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有用于制造几何相位光学元件的应用的旋转几何相位全息图缩写列表1D一维的2D二维的CP圆偏振的GP几何相位GPH几何相位全息图GPL几何相位透镜GPOE几何相位光学元件LC液晶LHCP左旋圆偏振的LP线性偏振的PG偏振光栅QWP四分之一波片RHCP右旋圆偏振的UV紫外的
本专利技术涉及一种用于生成偏振干涉图案的几何相位全息图。具体地，本专利技术涉及一种用于借助于相位掩模的旋转提供可选择空间变化偏振方位分布的旋转几何相位全息图。
技术介绍
诸如PG和GPL的GPOE是修改光传播方向的平面圆偏振敏感衍射光学元件。GPOE的唯一圆偏振敏感衍射特性暗示衍射并且因此光传播的方向可以借助于改变CP入射波的旋向性来调制。作为一个应用示例，PG用作虚拟或增强现实显示器中用于眼睛跟踪的可重构束转向器(如由HaiweiCHEN、YishiWENG、DamingXU、NelsonV.TABIRYAN以及Shin-TsonWU在“Beamsteeringforvirtual/augmentedrealitydisplayswithacycloidaldiffractivewaveplate,”Opt.Express，第24卷，第7287-7298页，2016年中公开的，此处以引证的方式将本公开并入)。GPOE以具有预定的空间变化光轴方位分布为特征。该预定分布通常由图1所描绘的制造工艺引入(或写)到GPOE。第一步骤101是将具有光对齐分子的光对齐层115涂布到基板110上。在第二步骤102中，通过用具有预定空间变化偏振方位分布的UV光束132照耀光对齐层115来在光对齐层115上形成空间对齐图案。该UV光束132通过将已偏振UV光束穿过固定或计算机生成振幅或相位掩模131来获得，该掩模调制已偏振UV光束的偏振方位。对于关于固定掩模的信息，参见：J.KIM等人，“Fabricationofidealgeometric-phasehologramswitharbitrarywavefronts,”Optica，第2卷，第958-964页(2015年)，此处以引证的方式将本公开并入。对于关于计算机生成的掩模的信息，参见：B.WEI等人，“GeneratingSwitchableandReconfigurableOpticalVorticesviaPhotopatterningofLiquidCrystals,”Adv.Mater.,第26卷，第1590-1595页(2014年)，doi:10.1002/adma.201305198，此处以引证的方式将本公开并入。(如以下将提及的，掩模131的一个示例是GPOE掩模。)它使得期望的对齐图案记录在光对齐层115上。在第三步骤103中，将LC分子145喷射到光对齐层115上。光对齐层115上的对齐图案引导LC分子145对齐，使得获得由LC分子145形成的LC层140上的期望空间变化光轴方位分布。从而，形成GPOE120。然后，制造GPOE中的主要步骤是通过生成具有期望空间变化偏振方位分布的已偏振UV光束并且然后用已偏振UV光束照射光对齐基板来将期望的对齐分布记录到光对齐基板上，该光对齐基板是上面具有光对齐层的基板。对齐分布可以由各种方法写到光对齐基板上，诸如偏振干涉、直接偏振书写、使用数字微镜装置、以及使用GPH。使用GPH具有快速制造时间、低光学设置复杂度以及优良制造质量的明显优点。经由GPH进行的GPOE制造具有三个基本元素：(i)具有互相正交偏振且处于同一功率水平的两个CP光束；(ii)作为用于修改两个CP光束的相位差的掩模的GPOE；以及(iii)用于记录光束的偏振干涉图案的光对齐基板。关于将GPH用于制造GPOE中的之前著作包括US5602661和US9383607。在US5602661中，GPH包括满足关于被使用的入射LP光束的半波条件的构图缓凝剂或GPOE掩模。入射LP光束根据图案缓凝剂或GPOE掩模旋转。出射LP光束的空间分布记录在光对齐基板上。旋转是由于主一阶衍射波和共轭一阶衍射波之间的干涉而引起。然而，所制造GPOE的周期性总是是原始GPOE掩模的一半。在实际情况下，经常需要制造具有不同周期性的GPOE。US5602661所公开的GPHE不灵活适于GPOE的大规模制造。在US9383607中，GPH包括QWP和四分之一波GPOE掩模。入射LP光束被旋转与GPOE掩模的空间对齐分布对齐的角度。旋转是由于作为空间GP调制的结果的、零阶非衍射束与一阶衍射束之间的干涉而引起。然而，结果GPOE的制造周期性与原始GPOE掩模相同。与US5602661类似，US9383607所公开的GPH导致GPOE的大规模制造的缺乏灵活性。在US5602661和US9383607这两者中，GPOE掩模的周期确定所制造GPOE的周期性。因为制造具有不同周期性的GPOE需要具有特定掩模周期的不同GPOE掩模，所以由这两个参考文献所公开的GPH制造具有不同周期性的GPOE的成本高。领域中需要在使用具有固定周期的同一组一个或更多个GPOE掩模的同时制造具有不同周期性的GPOE的基于GPH的技术。除了GPOE制造之外，该技术还用于生成具有不同周期性的偏振干涉图案的其他应用。
技术实现思路
在本专利技术的第一方面中，提供了一种用于生成用于偏振干涉图案的空间变化线性偏振方位分布的设备。设备被提供为旋转GPH的形式。设备包括多个GPOE，该多个GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联。GPOE级联具有第一和最后GPOE，该第一和最后GPOE用于在第一GPOE处接收LP光束(等效于相等强度的RHCP和LHCP光束的叠加)并且理想地生成从最后GPOE的出射面离开的、具有相对于彼此正交的圆偏振的两个衍射的一阶输出光束。设备的专利技术特征是GPOE级联中的各GPOE围绕公共光轴可旋转，借此，各GPOE具有从与公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角。发生在多个输出光束中的偏振干涉在出射面上产生偏振干涉图案。有利地，GPOE级联中的GPOE的各旋转角可重配置并且根据所选的空间变化的线性偏振方位分布来确定。设备中通常包括光源，该光源用于向第一GPOE提供LP光束。光源可以被设置为使得LP光源的偏振方位与公共光轴和参考轴线这两者正交。在LP光束为单色时，GPOE级联中的各GPOE通常满足关于LP光束的波长的半波条件。设备中通常包括处理器，该处理器用于确定实现高准确度的各旋转角。在设备中，光对齐基板可以被定位为紧密接近出射面(通常为1mm或更少)，用于接收偏振干涉图案。光对齐基板被构造为在被多个输出光束照射时记录空间变化的线性偏振方位分布。各GPOE具有可以随着周期性一维变化的空间变化的光轴方位分布。GPOE的各空间变化的光轴方位分布可以相同或可以不相同。有利且优选地，设备还包括空间滤波系统，该空间滤波系统用于对从最后GPOE接收的多个输出光束滤波，以形成多个已滤波光束，该多个已滤波光束用于产生具有空间变化的线性偏振方位分布的第二偏振干涉图案。空间滤波系统被构造为：(1)从多个输出光束阻止在产生第二偏振干涉图案时使空间变化的线性偏振方位分布失真的不想要光束；并且(2)允许有助于建立偏振干涉图案的两个一阶正交CP衍射光束通过。在设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备，该设备包括：多个几何相位光学元件(GPOE)，该多个GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联，所述GPOE级联具有第一和最后GPOE，该第一和最后GPOE用于在所述第一GPOE处接收线性偏振(LP)的光束并且生成从所述最后GPOE的出射面出射的多个输出光束，所述GPOE级联中的各GPOE围绕所述公共光轴可旋转，并且具有从与所述公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角，其中，发生在所述多个输出光束中的干涉在所述出射面上产生偏振干涉图案，并且所述GPOE级联中的所述GPOE的各旋转角可重配置并且根据空间变化的线性偏振方位分布来确定，该分布被选择为对于所述偏振干涉图案生成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2018.09.20 US 16/136,3711.一种设备，该设备包括：多个几何相位光学元件(GPOE)，该多个GPOE沿着公共光轴串行级联，以形成GPOE级联，所述GPOE级联具有第一和最后GPOE，该第一和最后GPOE用于在所述第一GPOE处接收线性偏振(LP)的光束并且生成从所述最后GPOE的出射面出射的多个输出光束，所述GPOE级联中的各GPOE围绕所述公共光轴可旋转，并且具有从与所述公共光轴正交的参考轴线测量的旋转角，其中，发生在所述多个输出光束中的干涉在所述出射面上产生偏振干涉图案，并且所述GPOE级联中的所述GPOE的各旋转角可重配置并且根据空间变化的线性偏振方位分布来确定，该分布被选择为对于所述偏振干涉图案生成。2.根据权利要求1所述的设备，还包括：光源，该光源用于向所述第一GPOE提供所述LP光束。3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光源被构造为使得所述LP光束为紫外(UV)光。4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光源被构造为使得所述LP光束为可见光。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述LP光束是单色的。6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述GPOE级联中的各GPOE满足关于所述LP光束的波长的半波条件。7.根据权利要求1所述的设备，还包括：处理器，该处理器用于确定所述各旋转角。8.根据权利要求1所述的设备，还包括：光对齐基板，该光对齐基板紧密接近所述出射面，用于接收所述偏振干涉图案，其中，所述光对齐基板被构造为在被所述多个输出光束照射时记录所述空间变化的线性偏振方位分布。9.根据权利要求1所述的设备，其中，各GPOE具有随着周期性一维变化并且展示奇对称的空间变化的光轴方位分布。10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述GPOE的各空间变化的光轴方位分布相同。11.根据权利要求1所述的设备，其中，各GPOE具有随着周期性一维变化并且展示偶对称的空间变化的光轴方位分布。12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述GPOE的各空间变化的光轴方位分布相同。13.根据权利要求1所述的设备，还包括：空间滤波系统，该空间滤波系统用于对从所述最后GPOE接收的所述多个输出光束滤波，以形成多个已滤波光束，该多个已滤波光束用于产生具有空间变化的线性偏振方位分布的第二偏振干涉图案，其中，所述空间滤波系统被构造为：从所述多个输出光束阻止在产生所述第二偏振干涉图案时使所述空间变化的线性偏振方位分布失真的不想要光束；并且允许有助于产生所述偏振干涉图案的两个一阶衍射光束通过。14.根据权利要求13所述的设备，还包括：光对齐基板，该光对齐基板被定位为并且被设置为接收所述第二偏振干涉图案，其中，所述光对齐基板被构造为在被所述多个已滤波光束照射时记录所述空间变化的线性偏振方位分布。15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述空间滤波系统包括第一透镜、第一孔径光阑、第二孔径光阑以及第二透镜，所述第一和第二透镜具有由第一距离给出的相同焦距；所述第一透镜被定位为离所述最后GPOE所述第一距离，用于接收所述多个输出光束并且将其引导到所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈铭威，朱秀玲，陈建龙，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81