亚波长聚焦液晶透镜及其高分辨制备方法与流程

1.本技术涉及液晶透镜制造技术领域，尤其涉及一种亚波长聚焦液晶透镜及其高分辨制备方法。


背景技术：

2.在相关技术中，传统透镜为使用玻璃或塑料等传统材料，并通过注塑、切割和摩擦等接触式机械加工手段获得。传统透镜的表面形成球形曲面，以对光进行折射，从而使入射光场附加上相位差。
3.然而，上述制作方式所制作得到的透镜的直径较长且重量大，且难以满足现代光学系统对于微透镜的要求。


技术实现要素：

4.本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法及液晶透镜。本技术所提供的亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法，可通过掩模对初始光进行转换以得到对应的偏振光场，从而对液晶取向层进行取向。
5.本技术实施例第一方面提供一种亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法，包括：在玻璃基板的表面设置取向层，并得到第一组件、第二组件；将所述第一组件、所述第二组件设有所述取向层的一面相对设置，并通过间隔子固定两者相对位置，得到液晶盒；其中，所述第一组件、所述第二组件之间设有间隙层；通过掩模将初始光转换为偏振光，并利用所述偏振光对所述取向层图案化；对所述间隙层进行液晶填充，以形成液晶层；对所述液晶层进行紫外固化，以使得所述液晶层固化，并形成液晶透镜薄膜。
6.本技术实施例中亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法包括如下技术效果：通过该掩模对紫外初始光进行转换以得到对应的偏振光场，从而对液晶取向层进行取向。即通过掩模对超透镜直接进行曝光成型，以降低制备成本，并提高超透镜的加工效率。此外，通过掩模对初始光进行转换以得到对应的偏振光场，以提高对液晶层进行固化的图案分辨率。
7.在一些实施例中，所述亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法，包括：根据透镜参数、初始环带结构得到目标环带结构；根据所述目标环带结构设计掩模图案；根据所述掩模图案制作所述掩模；使用所述掩模制备液晶透镜。
8.在一些实施例中，所述根据透镜参数、初始环带结构得到目标环带结构，包括：根据所述透镜参数得到目标焦点特征；根据瑞利索末菲衍射理论计算得到所述初始环带的实际焦点特征；根据所述目标焦点特征、所述实际焦点特征进行信赖域迭代，得到优化参量；根据所述优化参量对所述初始环结构进行优化，得到所述目标环带结构。
9.在一些实施例中，所述掩模图案包括多个周期排布的矩形通孔；其中，同行相邻的两个所述矩形通孔等间隔设置，且相邻的两列所述矩形通孔错位设置。
10.在一些实施例中，所述根据所述掩模图案制作所述掩模，还包括：在石英基板表面设置钛层；在所述钛层远离所述石英基板一侧的表面设置铝层；在所述铝层远离所述钛层一侧设置二氧化硅层；在所述二氧化硅层远离所述铝层一侧设置光刻胶层；通过电子束光刻对所述光刻胶层进行图案化摹写，对所述铝层、所述二氧化硅层进行离子刻蚀；在进行离子蚀刻后，去除剩余的所述光刻胶层，得到所述掩模。
11.在一些实施例中，所述通过掩模将初始光转换为偏振光，并利用所述偏振光对所述取向层图案化，包括：利用紫外点光源提供所述初始光，并通过所述掩模对所述初始光进行转换得到所述偏振光；其中，所述偏振光带有偏振图案，所述偏振图案与所述目标环带结构相对应；通过所述偏振光对所述液晶盒曝光，以对所述取向层图案化；其中，图案化后的所述取向层的图案用于取向液晶指向矢。其中，所述偏振图案具有极高的分辨率，能满足精细的环带结构要求。
12.在一些实施例中，所述液晶层包括至少两个环带区域；其中，一个所述环带区域的液晶分子取向为径向排布，另一个所述环带区域的液晶分子取向为角向排布；相邻两个液晶分子为径向排布的所述环带区域以一个液晶分子为角向排布的所述环带区域作为间隔。
13.在一些实施例中，所述对玻璃基板的表面进行设置取向层，并得到第一组件、第二组件，还包括：在所述玻璃基板的表面涂覆液晶取向材料，并对涂覆后的所述玻璃基板进行加热处理，得到所述第一组件、所述第二组件。
14.在一些实施例中，所述径向排布的所述环带区域调制相位为0，所述角向排布的所述环带区域调制相位为π。
15.本技术实施例第二方面提供一种液晶透镜，通过实施上述任一实施例中的亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法制备得到。
16.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。
附图说明
17.下面结合附图和实施例对本技术做进一步的说明，其中：
18.图1为本技术一实施例一种亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法的流程图；
19.图2为本技术又一实施例的亚波长聚焦液晶透镜的俯视图；
20.图3为本技术一实施例的亚波长聚焦液晶透镜的剖视图；
21.图4为本技术再一实施例的亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法的的流程图；
22.图5为本技术再一实施例的超震荡环带结构的示意图；
23.图6a、图6b为本技术再一实施例的亚波长聚焦液晶透镜的性能仿真图；
24.图7为本技术再一实施例的掩模的制备流程图；
25.图8为本技术再一实施例的掩模的立体图。
26.附图标记：
27.100、玻璃基板；200、取向层；300、液晶层；400、间隔子；500、掩模；510、石英基板；520、铝层；530、二氧化硅层530；540、光刻胶层540。
具体实施方式
28.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
29.在本技术的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
30.在本技术的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
31.本技术的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
32.在相关技术中，传统透镜为使用玻璃或塑料等传统材料，并通过注塑、切割和摩擦等接触式机械加工手段获得。传统透镜的表面形成球形曲面，以对光进行折射，从而使入射光场附加上相位差。然而，上述制作方式所制作得到的透镜的直径较长且重量大，且难以满足现代光学系统对于微透镜的要求。
33.进一步地，一般超透镜可通过对金属或是一些特别的电介质材料进行复杂且昂贵的微纳加工得到，例如，电子束刻蚀、离子束刻蚀等手段。然而，该制作方式对加工条件的要求比较苛刻，且加工时间较长，制造成本较高。
34.基于上述问题本技术提供一种亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法，通过预先制备特定的掩模，并通过该掩模对初始光进行转换以得到对应的偏振光场，从而对液晶取向层200进行取向。通过掩模对超透镜直接进行曝光成型，以降低制备成本，并提高超透镜的加工效率。
35.请参照图1至图3，通过所提供的方法本技术提供一种亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法，包括：步骤s100、在玻璃基板的表面设置取向层，并得到第一组件、第二组件；步骤s200、将第一组件、第二组件设有取向层的一面相对设置，通过间隔子国定两者相对位置并得到液晶盒；其中，第一组件、第二组件之间设有间隙层；步骤s300、通过掩模将初始光转换为偏振光，并利用偏振光对取向层图案化；步骤s400、对间隙层进行液晶填充，以形成液晶层；步骤s500、对液晶层进行紫外固化，以使得液晶层固化，并形成液晶透镜膜。
36.通过在两片玻璃基板100的其中一个表面分别设置取向层200，以得到第一组件、第二组件。通过将第一组件、第二组件设有取向层200的一面相对设置，并在两者之间设置间隔子400，以固定两者的相对位置。此外，由于间隔子400本身所具有的厚度，使得两者固定后，两者之间留有间隙层。
37.通过预先制备好的掩模对初始光进行转换，以得到带有特定图案的偏振光，掩模
提供的图案分辨率极高，能实现十分精细的图案。通过偏振光对制备好的液晶盒中的取向层200进行曝光处理，以使得取向层200具有特定的取向图案。通过对该间隙层进行液晶填充，以形成液晶层300。由于取向层200具有特定的取向图案，使得填入后的液晶具有特定的液晶指向矢。通过紫外光对具有特定液晶指向矢的液晶层300进行紫外固化，得到状态稳定的液晶膜，以形成具有稳定调光特性的液晶透镜。
38.在一些实施例中，通过将直径10μm的硅球、uv胶，以质量比1：99配置成胶状溶液。通过将胶状溶液均匀地点在第一组件的四个边角区域的表面上，将第二组件与第一组件相对设置，并通过紫外光对胶状溶液进行紫外固化，以使得胶状溶液固化形成间隔子400并限定间隙层的厚度。其中，间隙层的空隙大小满足液晶半波条件。
39.进一步地，步骤s400、对间隙层进行液晶填充，以形成液晶层，可通过如下操作实现：通过重新升温热台，并将使液晶盒子、液晶材料(hcm020:hcm021:hcm009:光引发剂＝20％：20％：59％：1％)升温到清亮点之上(80℃)。进一步地，将液晶材料均匀的滴定在两块玻璃基板的交界处，通过毛细作用自动填充至液晶盒的间隙层中。
40.此外，步骤s500、对液晶层进行紫外固化，以使得液晶层固化，并形成液晶膜。可通过如下操作实现：当液晶被填充完成后，通过将热台温度降至50℃，并将热台和液晶盒子转移到紫外灯箱内。通过紫外光照射液晶盒，照射时长约为10分钟，以使得液晶层发生紫外聚合。通过将热台再次升温至125℃，持续15分钟，以使得液晶分子发生热聚合。
41.在一些实施例中，亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法，包括：步骤s600、根据透镜参数、初始环带结构得到目标环带结构；步骤s700、根据目标环带结构设计掩模图案；步骤800、根据掩模图案制作掩模。
42.通过对预设的透镜参数、初始环带结构进行迭代推算处理，得到符合透镜参数要求的目标环带结构。通过目标环带结构、初始光的光场设计掩模图案，并根据掩模图案预先制备掩模。通过使用预先制备好的掩模对液晶盒进行曝光，以对取向层200进行图案化。
43.其中，步骤s600、步骤s700、步骤800执行于步骤s100之前，用于预先制备掩模。
44.请参照图4，在一些实施例中，步骤s600、根据透镜参数、初始环带结构得到目标环带结构，包括：步骤s610、根据透镜参数得到目标焦点特征；步骤s620、根据瑞利索末菲衍射理论计算得到初始环带的实际焦点特征；步骤s630、根据目标焦点特征、实际焦点特征进行信赖域迭代，得到优化参量；步骤s640、根据优化参量对初始环结构进行优化，得到目标环带结构。
45.请一并参照图5，例如，初始环带结构为超震荡环带结构，且超震荡环带结构由多个同心圆环组成，同一环带区域对入射光场所调节的相位(pb相位)相同，相邻两个环带区域所调制的相位差为π。
46.其中，环带区域的半径大小、圆环数量，根据透镜参数(微透镜的口径以及焦距)进行信赖域迭代得到。
47.具体地，根据微透镜的口径以及焦距得到目标焦点特征，根据瑞利索末菲衍射理论计算得到初始环带的实际焦点特征，并对目标焦点特征、实际焦点特征进行比较处理，得到焦点误差。将焦点误差与误差阈值进行比较，以得到比较结果。若焦点误差大于误差阈值，则进行信赖域迭代，得到优化参量。通过优化参量对初始环结构进行优化，得到新的环带结构，直至环带结构的实际焦点特征与目标焦点特征相符合。其中，特征相符合的圆环结
构为目标环带结构，且目标环带结构中包括有对应的相位图案。
48.由于液晶是具有双折射效应的材料，例如，向列相棒状液晶(近似与椭圆体)。通过调节液晶分子位于平面内的长轴指向，以在同一平面形成不同朝向的液晶分子，而不同朝向的液晶分子可输入光形成不同的相位差。
49.可以理解地，目标环带结构(液晶层,的相位图案)通过矢量光束的瑞利索末菲算法、信赖域迭代得到。目标环带结构的参数包括半径大小、圆环数量。
50.通过矢量光束的瑞利索末菲算法将光场分解成横向分量(ex，ey)和纵向分量(ez)进行分别的计算。进一步地，通过计算不同的相互垂直方向的强度(ix，iy，iz)进行相加，以计算出径向偏振光的聚焦情况。
51.而信赖域迭代算法是一种求解非线性优化问题的数值方法，通过对预设初始环带的迭代计算，以根据焦点误差对环带的半径数据进行优化，直至得到符合要求的目标环带结构。例如，以聚焦深度作为光场的性能评价标准，通过信赖域迭代算法对环带区域的参数进行优化，使得径向偏振光经过环带衍射后得到的最终聚焦光场的深度在误差范围内。其中，目标环带结构可被表示为一组具有微米尺度的环带数据。
52.如图5所示，将初始环带结构设为超震荡环带结构进行迭代计算，得到液晶透镜中液晶层的相位图案。且与液晶透镜对应的透镜参数如下：工作波长532nm、对径向偏振光进行聚焦、最大环带半径240μm、环带个数140、焦距90μm、聚焦深度10μm以上，且得到的焦点半高宽在0.4λ左右。
53.3.00e 013.17e 013.34e 013.48e 013.60e 013.77e 013.93e 014.09e 014.22e 01437e 014.52e 014.67e 014.83e 014.99e 015.13e 015.25e 015.25e 015.58e 015.78e 015.87e 015.98e 016.19e 016.33e 016.50e 016.65e 016.80e 016.94e 017.10e 017.23e 017.40e 017.54e 017.69e 017.84e 01|8.01e 018.16e 018.29e 018.45e 018.60e 018.75e 018.92e 019.07e 019.22e 019.36e 019.51e 01 54.表1.部分环带半径(单位：μm)
55.其中，如图6a、6b所示，图6a的横轴为x轴位置，左纵轴为z轴位置，右纵轴为光强强度；图6b的横轴为x轴位置，左纵轴为y轴位置，右纵轴为光强强度。
56.当入射光入射至液晶透镜并出射后，出射光沿传播方向(z轴)持续传播，而出射光聚点处焦面(x/y面)有效地聚焦于中心点。
57.由图6a可知，本技术所制作的液晶透镜具有较优的聚焦深度，且由图6b可知，出射光汇聚于中心点位置。
58.请参照图8，在一些实施例中，掩模包括多个周期排布的矩形通孔；其中，同行相邻的两个矩形通孔等间隔设置，且相邻的两列矩形通孔错位设置。
59.可以理解地，掩模中的矩形通孔的长为150nm、宽为70nm、高为100nm，且相邻两个矩形通孔的周期为200nm。
60.在非偏振光的照射下，只有与矩形通孔的孔宽方向相同的偏振光能被出射，而与矩形通孔的孔长方向相同的偏振光将被滤除。通过设定矩形通孔的排布方式，以出射具有相位图案的偏振光，并用于对取向层进行取向。通过将金属超表面作为掩模，以提供液晶取向光场，从而提高取向图案的分辨率，能满足微米尺度的环带设计。
61.在一些实施例中，径向排布的环带区域调制相位为0，角向排布的环带区域调制相
位为π。
62.由于径向偏振的矢量光将以奇点为圆心、沿半径方向做横向偏振。为了使得径向矢量光在液晶透镜的相邻环带上得到0或者π的相位差，因此液晶分子在相邻的环带区域中分别被排布成径向或者角向的角度。在液晶层中，在径向排布的环带区域，光通过后所附加的相位为0；在角向排布的环带区域，光通过后所附加的相位则为π。
63.通过不同的环带带来的衍射效果进行组合，将带来焦点的理想分布。由于掩模板能带来特殊的光场偏振态分布，液晶分子长轴的指向与矩形通孔的长边指向为一一对应。即矩形通孔的角度也由相邻环带的不同而被设计成了径向或者角向。
64.请参照图7、图8，在一些实施例中，根据掩模500图案制作掩模500，还包括：在石英基板510表面设置钛层(因很薄，图未示出)；在钛层远离石英基板510一侧的表面设置铝层520；在铝层520远离钛层一侧设置二氧化硅层；在二氧化硅层远离铝层520一侧设置光刻胶层；通过电子束光刻对光刻胶层进行图案化摹写，对铝层520、二氧化硅层进行离子刻蚀；在进行离子蚀刻后，去除剩余的光刻胶层540，得到掩模500。
65.其中，石英基板510可为熔凝石英基板510。在根据掩模500图案制作掩模500之前，对石英基板510的表面进行清洁。
66.如图所示，通过电子束蒸镀的方式在石英基板510表面设置钛层，其中，钛层的厚度为5nm。钛层用于作为粘附层。在钛层远离石英基板510一侧的表面设置铝层520，其中，铝层520的厚度为100nm。
67.进一步地，通过化学气相沉积的方式，在铝层520远离钛层一侧设置二氧化硅层。其中，二氧化硅层用于作为铝层的保护层。
68.通过旋涂的方式在在二氧化硅层远离铝层520一侧设置光刻胶层，其中，光刻胶层540的类型可为聚甲基丙烯酸甲酯、简称pmma，且光刻胶层厚度为100nm。
69.通过电子束光刻系统对光刻胶层540进行图案化摹写，以对光刻胶层540进行图案化。通过反应离子刻蚀系统对铝层520、二氧化硅层进行蚀刻。通过有机溶液丙酮、水对蚀刻后的掩模500进行清洗，以去除剩余的光刻胶层540，并得到最终的掩模500。
70.通过上述方式制作超金属表面结构的掩模500，并通过该掩模500对取向层200进行曝光。其中，掩模500中的纳米孔(矩形通孔)的具体排布图案用光刻设计商业软件l
‑
edit绘制，且纳米孔(矩形通孔)根据长轴根据pb相位的需要，在同一环带区域内呈径向或角向分布，并与上述相位图案相对应。
71.在一些实施例中，通过掩模500将初始光转换为偏振光，并利用偏振光对取向层200图案化，包括：利用紫外点光源提供初始光，并通过掩模500对初始光进行转换得到偏振光；其中，偏振光带有偏振图案，偏振图案与目标环带结构相对应，且具有亚波长的分辨率；通过偏振光对液晶盒曝光，以对取向层200图案化；其中，图案化后的取向层200的图案用于取向液晶指向矢。
72.可以理解地，通过掩模500对液晶盒进行曝光，具体为：利用点光源(x
‑
cite 120)提供初始光，以提供曝光光路所需要的取向能量。通过掩模500对初始光进行转换得到偏振光，并通过偏振光对液晶盒曝光，以对取向层200图案化。通过将液晶分子填入间隙层中，以通过取向层200对液晶分子进行取向限位，以使得液晶层300具有特定液晶指向矢图案。
73.在一些实施例中，液晶层300包括至少两个环带区域；其中，一个环带区域取向为
径向排布，另一个环带区域取向为角向排布；相邻两个径向排布的环带区域以一个角向排布的环带区域作为间隔。
74.通过实际计算得到，每个环带区域的间距在1～2μm之间，且变化规律是由算法得到。通过以电子束光刻的方式制作掩模500，以将非偏振光转换成带有相位图案的偏振光场，且分辨率能达到200nm。
75.通过为了对径向矢量光能在不同的环带区域上附加上相位差为π的相位，使得相邻两个环带区域之中，一个环带区域取向为角向排布，一个环带区域取向为径向排布。
76.在一些实施例中，对玻璃基板100的表面进行设置取向层200，并得到第一组件、第二组件，还包括：在玻璃基板100的表面涂覆液晶取向材料，并对涂覆后的玻璃基板100进行加热处理，得到第一组件、第二组件。
77.通过离子水对玻璃基板100进行清理，并使用紫外线臭氧清洗机对玻璃基板100作进一步的去除基板杂质清理，改善玻璃基板100的亲水性能，并使用氮气吹净表面灰尘。
78.将玻璃基板100转移到通有氮气的手套箱内，且控制箱内湿度在30％以下。通过旋涂机将配置好的取向材料(sulfuric dye 1的质量分数为0.4的预配置溶液)涂覆在玻璃基板100上，并将玻璃基板100放置在85℃的热台上持续20分钟，然后自然降到室温，以使取向材料在玻璃基板100的表面固化。
79.本技术还提供一种液晶透镜，通过实施上述任一实施例中的亚波长聚焦液晶透镜的高分辨制备方法制备得到。
80.上面结合附图对本技术实施例作了详细说明，但是本技术不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本技术宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。