液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统，液晶相位板包括：相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层和间隔粒子；第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜，光控取向膜具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从控制图形的中心区域向两边逐渐递减，光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢在每个周期呈0°‑180°渐变分布，以使照射在液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光，简化了艾里涡旋矢量光的产生方式，提高了艾里涡旋矢量光的质量和可调节性能。

Liquid crystal phase plate, preparation method and airy vortex vector light generation test system

The invention discloses a liquid crystal phase plate, a preparation method and an Arie vortex vector light generation test system. The liquid crystal phase plate comprises a first substrate and a second substrate, a liquid crystal layer and spacer particles positioned between the first substrate and the second substrate, and a liquid crystal layer adjacent to the first substrate and the second substrate. A photocontrolled orientation film is arranged on the side, and the photocontrolled orientation film has a cubic helical phase control pattern with periodic gradient distribution in the direction of molecular pointer. The width of each period of the cubic helical phase control pattern decreases gradually from the central area of the control pattern to both sides. The control pattern of the photocontrolled orientation film controls the liquid in the liquid crystal layer. The orientation of crystal molecules varies gradually from 0 to 180 degrees in each cycle, so that the incident light illuminated on the liquid crystal phase plate can be converted into the Ayre vortex vector light, which simplifies the generation of Ayre vortex vector light and improves the quality and adjustability of Ayre vortex vector light.

【技术实现步骤摘要】
液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统
本专利技术涉及液晶取向控制
，尤其涉及液晶相位板和艾里涡旋矢量光产生测试系统。
技术介绍
近年来，空间结构光场作为光学领域的研究热点受到越来越多的关注。如具有无衍射、自加速、自愈等性质的艾里光束，具有螺旋相位结构并携带轨道角动量的涡旋光束，具有偏振奇点且偏振态分布空间变化的矢量光束等，这些奇异的特点使得它们被广泛应用于光学微操控、量子信息、生物医学、天文学等领域。而这些特殊光场的复合，如艾里涡旋光束、艾里涡旋矢量光束等，在诸如多方位的微粒操控、量子通讯的无损传输、更清晰的生物显微观测、更精确的天文探测等方面具有潜在的应用价值。目前，国内外对艾里涡旋矢量光束的高效产生与调控等方面的研究尚在起步阶段。少有的几个产生方法中，或者样品的制备过程繁琐耗时，或者样品固定不可调节，或者产生光路系统较为复杂，降低了艾里涡旋矢量光束的质量，限制了艾里涡旋矢量光束的应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种液晶相位板、制备方法和艾里涡旋矢量光产生测试系统，以使得艾里涡旋矢量光束的产生光路更加集成化，提高艾里涡旋矢量光束的质量和可调节性。第一方面，本专利技术实施例提供了一种液晶相位板，包括：相对设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间的液晶层；其中，所述第一基板与所述第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜，所述光控取向膜具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢在每个周期呈0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光。进一步的，当入射光为左旋圆偏振时，经所述液晶相位板转换为一支右旋圆偏振的艾里涡旋光束；当入射光为右旋圆偏振时，经所述液晶相位板转换为一支左旋圆偏振的艾里涡旋光束；当入射光为线偏振时，入射光经所述液晶相位板转换为两支艾里涡旋矢量光束；两支艾里涡旋矢量光束分别为右旋圆偏振态和左旋圆偏振态，且两支艾里涡旋矢量光束的光强强弱相同。所述立方螺旋相位控制的图形为中心包含一个螺旋相位结构的立方相位图形。第二方面，本专利技术实施例还提供一种艾里涡旋矢量光束产生测试系统，包括：上述各实施例所述的液晶相位板；位于所述液晶相位板入光侧的光源，以产生入射光；位于所述液晶相位板出光侧的透镜和成像装置；其中所述光源、液晶相位板、透镜以及成像装置的光轴位于同一直线上。进一步的，还包括：位于所述光源和所述液晶相位板之间的第一偏振片和波片，所述光源、第一偏振片、波片、液晶相位板、透镜以及成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述波片的快轴方向与所述第一偏振片的起偏方向的夹角，控制所述入射光的偏振状态。所述波片为四分之一波片，所述透镜为球面透镜，调节所述入射光为圆偏振时，所述入射光经所述液晶相位板转换为一支艾里涡旋光束；所述波片为四分之一波片，所述透镜为柱透镜，调节所述入射光为圆偏振时，所述柱透镜对所述液晶相位板产生的单支艾里涡旋光进行像散变换；所述波片为四分之一波片，所述透镜为球面透镜，调节所述入射光为线偏振时，所述入射光经所述液晶相位板转换为圆偏振态相互正交的两支艾里涡旋矢量光束，且涡旋光场部分拓扑荷大小相反。进一步的，还包括：还包括位于所述透镜和成像装置之间的第二偏振片，所述波片为半波片，所述透镜为球面透镜；所述光源、第一偏振片、波片、液晶相位板、透镜、第二偏振片以及成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述波片的快轴方向与第一偏振片的起偏方向的夹角，改变入射线偏振光的偏振方向至水平或竖直状态；调节第二偏振片的检偏方向与水平方向分别成0°、45°、90°、135°，以验证出射光的矢量光场成分，测试艾里涡旋矢量光的空间偏振分布。进一步的，还包括：位于所述光源与所述液晶相位板入光侧之间的第一分束棱镜；位于所述透镜与所述成像装置之间的第二分束棱镜；第一反射镜和第二反射镜；其中，所述第一反射镜所在平面以及所述第二反射镜所在平面分别与所述入射光的传播方向成+45°和-45°夹角；所述光源、第一分束棱镜、液晶相位板、透镜、第二分束棱镜以及成像装置的光轴位于同一直线上；所述透镜为球面透镜。第三方面，本专利技术实施例还提供一种液晶相位板的制备方法，其特征在于，包括：在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜；在第一基板上设置间隔粒子，并与所述第二基板封装，其中所述第一基板的光控取向膜一侧与所述第二基板的光控取向膜一侧相对设置；对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减；在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜的立方螺旋相位控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢在每个周期呈0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。进一步的，对所述光控取向膜进行多步重叠曝光，以形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减，包括：采用数控微镜阵曝光系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；其中，相邻步骤曝光图形的曝光区域部分重叠，所述诱导光偏振方向随曝光次序单调增加或单调减小，以实现形成分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述立方螺旋相位控制图形的中心区域向两边逐渐递减。本专利技术通过在相对设置的第一基板和第二基板上设置光控取向膜，并在所述光控取向膜上设置具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，其中，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光束。本专利技术提供的液晶相位板无需电极结构即可产生艾里涡旋矢量光束，相比于现有的艾里涡旋矢量光产生技术有较高的集成度和较大的可调节性，本专利技术提供的液晶相位板稳定性强，结构简单，成本低。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种液晶相位板的剖面结构示意图；图2为液晶指向矢方向呈周期性0°-180°渐变分布的俯视示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种立方螺旋相位控制图形的示意图；图4为本专利技术实施例提供的又一种立方螺旋相位控制图形的示意图；图5为本专利技术实施例提供的一种液晶相位板的显微图；图6为本专利技术实施例提供的一种艾里涡旋矢量光束产生测试系统的结构示意图；图7为本专利技术实施例提供的又一种艾里涡旋矢量光束测试系统的结构示意图；图8a为入射光为圆偏振时艾里涡旋矢量光束产生测试系统产生的艾里涡旋光束光斑形貌示意图；图8b为入射光为线偏振时艾里涡旋矢量光束产生测试系统产生的艾里涡旋矢量光束光斑形貌示意图；图9a为左旋圆偏振入射光照射液晶相位板时，产生的右旋圆偏振艾里涡旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液晶相位板，包括相对设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间的液晶层；其中，所述第一基板与所述第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；其特征在于：所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜，所述光控取向膜具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢在每个周期呈0°‑180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光。

【技术特征摘要】
1.一种液晶相位板，包括相对设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间的液晶层；其中，所述第一基板与所述第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；其特征在于：所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜，所述光控取向膜具有分子指向矢方向呈周期性渐变分布的立方螺旋相位控制图形，所述立方螺旋相位控制图形每个周期的宽度从所述控制图形的中心区域向两边逐渐递减，所述光控取向膜的控制图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢在每个周期呈0°-180°渐变分布，以使照射在所述液晶相位板的入射光转换为艾里涡旋矢量光。2.根据权利要求1所述的液晶相位板，其特征在于：当入射光为左旋圆偏振时，经所述液晶相位板转换为一支右旋圆偏振的艾里涡旋光束；当入射光为右旋圆偏振时，经所述液晶相位板转换为一支左旋圆偏振的艾里涡旋光束；当入射光为线偏振时，入射光经所述液晶相位板转换为两支艾里涡旋矢量光束；两支艾里涡旋矢量光束分别为右旋圆偏振态和左旋圆偏振态，且两支艾里涡旋矢量光束的光强强弱相同。3.根据权利要求1所述的液晶相位板，其特征在于，所述立方螺旋相位控制的图形为中心包含一个螺旋相位结构的立方相位图形。4.一种艾里涡旋矢量光产生测试系统，其特征在于，包括：权利要求1-3任一所述的液晶相位板；位于所述液晶相位板入光侧的光源，以产生入射光；位于所述液晶相位板出光侧的透镜和成像装置；其中所述光源、液晶相位板、透镜以及成像装置的光轴位于同一直线上。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：位于所述光源和所述液晶相位板之间的第一偏振片和波片，所述光源、第一偏振片、波片、液晶相位板、透镜以及成像装置的光轴位于同一直线上；通过调节所述波片的快轴方向与所述第一偏振片的起偏方向的夹角，控制所述入射光的偏振状态。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述波片为四分之一波片，所述透镜为球面透镜，调节所述入射光为圆偏振时，所述入射光经所述液晶相位板转换为一支艾里涡旋光束；所述波片为四分之一波片，所述透镜为柱透镜，调节所述入射光为圆偏振时，所述柱透镜对所述液晶相位板产生的单支艾里涡旋光进行像散变换；所述波片为四分之一波片，所述透镜为球面透镜，调节所述入射光为线偏振时，所述入射光经所述液晶相位板转换为圆偏振态相互正交的两支艾里涡旋矢量光束，且涡旋光场部分拓扑荷大小相反。7.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏冰妍，刘圣，陈鹏，齐淑霞，章毅，赵建林，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61