[发明专利]叉形液晶光栅的制备及其在生成涡旋光束中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及微光刻系统、液晶取向控制、电光可调元器件制备等技术领域，具体涉及一种基于液晶光控、摩擦取向与数控微镜阵DMD光刻系统的可电调节及光重写的液晶叉形光栅的制备及其在生成光涡旋中的应用。

背景技术

近年来,由于涡旋光束在光学诱捕、操纵微小粒子、新型超分辨光学显微镜及天文学等方面的应用，人们对涡旋光束的研究越来越关注。产生涡旋光束的方法很多,可通过激光器的谐振腔和抽运方式、螺旋相位板以及计算全息术等方法产生带有角向相位因子Ψ₁=exp(imθ)光涡旋，其中m为拓扑荷数，θ为以光束传播方向为z轴的柱坐标体系中的方位角。其中计算全息术的方法，因其方法简单而被越来越多的研究者使用。它通过电脑计算产生叉形光栅的图案，具体方法为：因为入射光是高斯光束，其相位因子为Ψ₂=exp(ikx)，k为空间波矢，所以可以通过电脑把目标光束Ψ₁与入射光束Ψ₂这两束光的干涉图案计算出来，便可得到可产生涡旋光束的模板，即为叉形光栅的图案。目前的研究方法里，或者把图案曝光冲洗到透明胶片上，或者转移到空间光调制器上，但前者步骤繁琐，不可电调；后者成本较高，分辨率低。也有人把计算全息术和聚合物混合型液晶相结合，通过空间光调制器把图案曝光到上述液晶上，在光化学反应下实现图案化。但这种方法产生的叉形光栅其衍射效率较低，而且对入射光有偏振依赖性。

本发明提出基于液晶的取向控制，通过自行设计的DMD微投影式光刻系统制备出的叉形光栅，完全克服了上述技术的缺陷。本发明可以通过改变DMD系统中的物镜倍数来改变图案大小与叉形光栅的尺寸，从而可以实现高分辨叉形光栅的制备。制备出的样品体积小，结构简单，成本低，稳定性和重复性都满足实用要求，为产生涡旋光束提供了一种全新的便捷简单的方法。

发明内容

本发明目的是：提出一种液晶叉形光栅的制备及其在生成光涡旋中的应用，制备简单可电调及光重写的叉形光栅来实现涡旋光束的产生、控制与重构。

本发明的技术方案：液晶叉形光栅，液晶光栅中相邻液晶区域的液晶取向有不同的控制：一是TN/PA型，即液晶的90°扭曲相微区与液晶平行取向的微区交替构成叉形光栅；二是正交PA型，即由液晶的光轴方向为同一区域内均匀平行微区且相邻区域互为正交的微区域交替构成叉形光栅；三是正交HAN型，即由液晶一侧微区取向方向与相互正交的混合取向微区交替构成叉形光栅。其中二与三对正入射激光呈现偏振无依赖特性。

利用光控取向方法控制液晶微区取向，进而控制液晶的指向矢分布制备叉形光栅；图形化对液晶微区曝光并取向由一套基于数控微镜阵DMD的微投影式光刻系统实现，基于数控微镜阵DMD的微投影式光刻系统由光源、光路准直装置、数控微镜阵DMD、分束棱镜、物镜、CCD、偏振片、精密调节载物台等组成。经光路准直装置后的紫外或蓝光束经分束棱镜分束的光束、均匀照射到DMD表面，数控装置输出液晶微区的叉形光栅图形信号控制DMD各像素反射光实现叉形光栅图形的成像；所述光束通过显微物镜缩微后，经偏振片投射至置于载物台上的表面涂有光控取向材料剂导电玻璃片上，控制曝光剂量完成曝光；光控取向材料的取向方向由诱导取向光的偏振决定，便于取向方向的精确控制；按导电玻璃片上叉形光栅图形对液晶微区曝光后对液晶取向；光控取向材料的取向方向由曝光即诱导取向光的偏振决定。光控取向材料有可擦写特性，取向由最后一次曝光的偏振方向决定，利于图案的重构及涡旋光束的改写。所用液晶材料可为向列相液晶、双频液晶或铁电液晶。

光源尤其是高压汞弧灯等构成的紫外或蓝光束。

液晶盒厚要与液晶性质和取向模式匹配使得相邻区域对e光和o光的相移之差大于π，盒厚通过选取间隔子或mylar控制，以获得最佳开关比、衍射效率和响应速度。

液晶盒为平板电极上下驱动，通过施加电场的调节实现衍射效率的控制，从而控制涡旋光束开关态的。

用激光器照射液晶叉形光栅产生衍射斑图案，非0衍射级即呈现涡旋光束，其轨道角动量m=nl，为衍射级次n与叉形光栅拓扑荷l的乘积，单位为如图5所示。

本发明叉形液晶光栅能够将普通高斯激光光束转换为涡旋光束，且由于液晶的电光特性和光控取向材料的可擦写性，产生的涡旋光可电控开关及进行轨道角动量的实时变更；产生的涡旋光束在量子通讯、量子计算、微粒捕获、光镊、光马达、天文观测领域的应用。