一种液晶几何相位器件及其制备方法、检测装置

1.本发明实施例涉及液晶微结构和平面光学技术领域，尤其涉及一种液晶几何相位器件及其制备方法、检测装置。


背景技术：

2.胆甾相液晶的反射光中包含有几何相位调制效果，这为平面光学领域的发展提供了一个新平台。
3.但是传统胆甾相液晶受限于单手性的螺旋结构，只能调制单手性的圆偏振光，无法实现双手性圆偏振光的同时调制，也就无法实现相应共轭几何相位的叠加。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种液晶几何相位器件及其制备方法、检测装置，该液晶几何相位器件利用第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶形成均一分布的双手性共存体系，以突破传统胆甾相液晶的自选选择性几何相位调控，实现双手性圆偏振光的同时反射及几何相位调制，具体表现为产生宽波段反射式涡旋光和矢量光的产生。
5.第一方面，本发明实施例提供一种液晶几何相位器件，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的双手性共存液晶层，所述双手性共存液晶层包括第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶共存的液晶层，所述第一旋向胆甾相液晶和所述第二旋向胆甾相液晶组成交错的液晶微区域；
6.所述第一基板朝向所述第二基板的一侧设置有第一取向层，所述第二基板朝向所述第一基板的一侧设置有第二取向层；
7.其中，所述第一旋向胆甾相液晶和所述第二旋向胆甾相液晶的旋向不同，所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢呈周期性渐变分布的控制图形。
8.可选的，所述液晶几何相位器件为液晶涡旋光产生器，所述第一取向层和所述第二取向层的分子指向矢具有角向渐变分布的控制图形，以使液晶分子指向矢呈0
°‑
180
°
渐变分布，液晶分子指向矢分布满足：α＝qθ α0；α表示所述液晶分子指向矢的方位角，q是涡旋光拓扑荷的一半数值，θ是方位角度，α0是初始方位角。
9.可选的，所述第一旋向胆甾相液晶为左旋胆甾相液晶，所述第二旋向胆甾相液晶为右旋胆甾相液晶，或者所述第一旋向胆甾相液晶为右旋胆甾相液晶，所述第二旋向胆甾相液晶为左旋胆甾相液晶。
10.可选的，还包括位于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板，形成所述双手性共存液晶层的填充空间。
11.可选的，沿垂直所述第一基板和所述第二基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度大于或者等于所述第一旋向胆甾相液晶中液晶分子螺距的10倍。
12.可选的，所述间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种。
13.第二方面，本发明实施例还提供一种液晶几何相位器件的制备方法，用于制备上述的液晶几何相位器件，包括：
14.提供第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板相对设置；
15.在所述第一基板朝向所述第二基板的一侧形成第一取向层，在所述第二基板朝向所述第一基板的一侧形成第二取向层；
16.在所述第一基板和所述第二基板之间制备双手性共存液晶层，形成液晶几何相位器件；
17.其中，所述双手性共存液晶层包括第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶共存的液晶层，所述第一旋向胆甾相液晶和所述第二旋向胆甾相液晶组成交错的液晶微区域，所述第一旋向胆甾相液晶和所述第二旋向胆甾相液晶的旋向不同，所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，所述第一取向层和所述第二取向层具有分子指向矢呈周期性渐变分布的控制图形。
18.可选的，在所述第一基板和所述第二基板之间制备双手性共存液晶层，包括：
19.向填充区域填入第一旋向胆甾相液晶及聚合单体混合物，待取向层锚定完成后，将液晶盒置于紫外光源下完成聚合形成聚合物网络；
20.将聚合结束的液晶盒浸泡在丙酮中，洗去未发生聚合反应的分子；
21.将洗好的带有聚合物网络的液晶盒置于热台，加热挥发丙酮分子；
22.向丙酮分子挥发完全的带有聚合物网络的液晶盒中填入第二旋性胆甾相液晶。
23.可选的，在所述第一基板和所述第二基板之间制备双手性共存液晶层之前，还包括：
24.在所述第一基板和所述第二基板之间形成间隔粒子；
25.其中，沿垂直所述第一基板和所述第二基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度大于或者等于第一旋向胆甾相液晶中液晶分子螺距的10倍。
26.第三方面，本发明实施例还提供一种液晶几何相位器件的光学特性的检测装置，包括涡旋光和矢量光的产生单元和检测单元；
27.所述产生单元包括沿第一方向共光轴依次排布的激光器、半波片、四分之一波片、分束器、光阑以及上述的液晶几何相位器件，所述检测单元包括沿第二方向依次排布的调制器和接收屏，所述调制器包括线偏振片或柱透镜，所述第一方向和所述第二方向交叉；
28.所述激光器输出的光束依次经过所述半波片、所述四分之一波片、所述分束器和所述光阑透射后入射至所述液晶几何相位器件，所述液晶几何相位器件对入射光束进行几何相位调制并反射，反射的光束经过所述光阑透射、所述分束器反射和所述调制器透射后被所述接收屏接收。
29.本发明实施例提供的液晶几何相位器件，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间的双手性共存液晶层，双手性共存液晶层包括第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶共存的液晶层，第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶组成交错的液晶微区域；第一基板朝向第二基板的一侧设置有第一取向层，第二基板朝向第一基板的一侧设置有第二取向层；其中，第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶的旋向不同，第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，第一取向层和第二取向层具有分子指向矢呈周期性渐变分布的控制图形。双手性共存液晶层包括第一旋向胆甾相和第
二旋向胆甾相共存的液晶层，在亚波长尺度上第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶组成纵横交错的液晶微区域，从而在盒内形成均一分布的双手性共存体系；第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶都经过上下表面取向层锚定以及手性剂作用呈现胆甾相液晶的螺旋结构，第一旋向胆甾相液晶为胆甾相液晶聚合物网络形态，经过紫外光聚合过程形成稳定的聚合物网络；第二旋向胆甾相液晶为胆甾相液晶形态，通过手性剂组成螺旋结构，以突破传统胆甾相液晶的自旋选择性几何相位调控，实现双手性圆偏振光的同时反射及几何相位调制，具体表现为宽波段反射式涡旋光和矢量光的产生。
附图说明
30.图1为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件的y-z侧面结构示意图；
31.图2为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件的光学特性的检测装置的结构示意图；
32.图3为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件的衍射光路表征光斑图；
33.图4为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件的制备方法的流程示意图；
34.图5为本发明实施例提供的一种制备液晶几何相位器件的对应的结构示意图；
35.图6为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件在聚合前和重填后的光谱表征结果示意图；
36.图7为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件在聚合前和重填后的显微照片示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
38.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.图1为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件的y-z侧面结构示意图，参考图1，本实施例提供的液晶几何相位器件包括相对设置的第一基板10、第二基板20以及位于第一基板10和第二基板20之间的双手性共存液晶层30，双手性共存液晶层30包括第一旋向胆甾相液晶31和第二旋向胆甾相液晶32共存的液晶层，第一旋向胆甾相液晶31和第二旋向胆甾相液晶32组成交错的液晶微区域；第一基板10朝向第二基板20的一侧设置有第一取向层40，第二基板30朝向第一基板10的一侧设置有第二取向层50；其中，第一旋向胆甾相液晶31和第二旋向胆甾相液晶32的旋向不同，第一取向层40和第二取向层50具备相同的取向方
向，第一取向层40和第二取向层50具有分子指向矢呈周期性渐变分布的控制图形。
40.其中，双手性共存的材料体系具有较为成熟的“洗去-重填”制备工艺，为胆甾相液晶实现百分之百反射提供材料基础，材料体系稳定且可重复。通过光控取向技术可以实现对第一取向层40和第二取向层50的取向，锚定第一基板10和第二基板20之间的液晶分子，实现任意的几何相位调控。第一旋向胆甾相液晶31和第二旋向胆甾相液晶32都经过上下表面取向层锚定以及手性剂作用呈现胆甾相液晶的螺旋结构。具体的，第一旋向胆甾相液晶31为胆甾相液晶聚合物网络形态，经过紫外光聚合过程形成稳定的聚合物网络；第二旋向胆甾相液晶32为胆甾相液晶形态，通过手性剂组成螺旋结构。第一旋向可以为左旋或右旋，第二旋向可以为右旋或左旋，可选的，第一旋向胆甾相液晶31可以为左旋胆甾相液晶，第二旋向胆甾相液晶32可以为右旋胆甾相液晶，或者第一旋向胆甾相液晶31可以为右旋胆甾相液晶，第二旋向胆甾相液晶32可以为左旋胆甾相液晶，具体实施时可以根据实际情况选择。第一取向层40和第二取向层50可以包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种。这些材料为光控取向材料，可以在紫外线偏振光照射下发生物理或化学反应，产生各向异性的表面作用力，进而诱导液晶分子定向排列。在某一实施例中，可选的，液晶几何相位器件为液晶涡旋光产生器，第一取向层40和第二取向层50的分子指向矢具有角向渐变分布的控制图形，以使液晶分子指向矢呈0
°‑
180
°
渐变分布，液晶分子指向矢分布满足：α＝qθ α0；α表示液晶分子指向矢的方位角，q是涡旋光拓扑荷的一半数值，θ是方位角度，α0是初始方位角，以实现宽波段反射式涡旋光和矢量光的产生。在其他实施例中，第一取向层40和第二取向层50的分子指向矢可以设计为其他控制图形，具体实施时可以根据实际情况设计。
41.继续参考图1，可选的，该液晶几何相位器件还包括位于第一基板10和第二基板20之间的间隔粒子60，间隔粒子60用于支撑第一基板10和第二基板20，形成双手性共存液晶层30的填充空间。
42.可以理解的是，图1中仅是示例性示出间隔粒子60用于支撑第一基板10和第二基板20的位置关系而非实际尺寸及比例。可选的，沿垂直第一基板10和第二基板20的方向，间隔粒子60的延伸长度大于或者等于第一旋向胆甾相液晶31中液晶分子螺距的10倍。具体实施时，可选的，间隔粒子60包括石英微球和石英柱中的至少一种，具体实施时可以根据实际情况设计。
43.本实施例的技术方案，双手性共存液晶层包括第一旋向胆甾相和第二旋向胆甾相共存的液晶层，在亚波长尺度上第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶组成纵横交错的液晶微区域，从而在盒内形成均一分布的双手性共存体系；第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶都经过上下表面取向层锚定以及手性剂作用呈现胆甾相液晶的螺旋结构，第一旋向胆甾相液晶为胆甾相液晶聚合物网络形态，经过紫外光聚合过程形成稳定的聚合物网络；第二旋向胆甾相液晶为胆甾相液晶形态，通过手性剂组成螺旋结构，以突破传统胆甾相液晶的自选选择性几何相位调控，实现双手性圆偏振光的同时反射及几何相位调制，具体表现为产生宽波段反射式涡旋光和矢量光的产生。
44.图2为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件的光学特性的检测装置的结构示意图。参考图2，本实施例提供的检测装置包括涡旋光和矢量光的产生单元100和检测单元200。涡旋光和矢量光的产生单元100包括沿第一方向共光轴依次排布的激光器101、半波
片102、四分之一波片103、分束器104、光阑105和上述实施例提供的任意一种液晶几何相位器件106，检测单元200包括沿第二方向依次排布的调制器201和接收屏202，调制器201包括线偏振片或柱透镜，第一方向和第二方向交叉；激光器101输出的光束依次经过半波片102、四分之一波片103、分束器104和光阑105透射后入射至液晶几何相位器件106，液晶几何相位器件106对入射光束进行几何相位调制并反射，反射的光束经过光阑105透射、分束器104反射和调制器201透射后被接收屏202接收。
45.示例性的，参考图2，产生单元100包括沿z轴负方向(z轴与图1中z轴同向，垂直于第一基板所在平面的方向，即第一方向)依次设置的激光器101、半波片102、四分之一波片103、分束器104、光阑105和液晶几何相位器件106；以及位于与z方向的垂直方向(图1中y轴负方向，与图1中方向相同，即第二方向)调制器201和接收屏202。其中，各光学器件的排列方式仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限定。当入射光为圆偏振光时，调制器201使用柱透镜检测涡旋光拓扑荷；当入射光为线偏振光时，调制器201使用线偏振片检测矢量光偏振分布。
46.示例性的，图3为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件的衍射光路表征光斑图。参考图3，当入射光为右旋圆偏振光(rcp)时，可以得到涡旋光光斑，使用柱透镜检测涡旋光拓扑荷为正一(m＝ 1)，对应图3中左上方两幅图；当入射光为左旋圆偏振光(lcp)时，可以得到涡旋光光斑，使用柱透镜检测涡旋光拓扑荷为负一(m＝-1)，对应图3中左下方两幅图；当入射光为线偏振光(lp)时，可以得到矢量光光斑图，在水平线偏振入射条件下使用不同角度的线偏振片检测矢量光偏振分布，得到平行于检偏片方向分布的检测光斑，所以该矢量光是径向矢量光，对应图3中右上方五幅图；在垂直线偏振入射条件下使用不同角度的线偏振片检测矢量光偏振分布，得到垂直于检偏片方向分布的检测光斑，所以该矢量光是角向矢量光，对应图3中右下方五幅图。这是共轭圆偏振几何相位叠加的效果。
47.需要说明的是，本发明实施例仅示例性的示出了一种液晶几何相位器件的光斑检测，但并非对本发明提供的液晶几何相位器件的限定，在其他实施方式中，根据实际需求，制备其他性能的液晶几何相位器件，可以对光束进行对应的几何相位调制。
48.图4为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件的制备方法的流程示意图，图5为本发明实施例提供的一种制备液晶几何相位器件的对应的结构示意图。本实施例可适用于制备上述实施例提供的任意一种液晶几何相位器件，参考图4和图5，该制备方法包括：
49.步骤s110、提供第一基板和第二基板，第一基板和第二基板相对设置。
50.其中，第一基板和第二基板可采用光透过率较高(大于或等于85％)的柔性基板或刚性基板。示例性的，第一基板和第二基板材料可包括石英玻璃、ito玻璃或普通玻璃，基板的厚度可为1-2mm。
51.步骤s120、在第一基板朝向第二基板的一侧形成第一取向层，在第二基板朝向第一基板的一侧形成第二取向层。
52.可选的，在第一基板朝向第二基板的一侧形成第一取向层，在第二基板朝向第一基板的一侧形成第二取向层包括：
53.将取向材料旋涂在第一基板朝向第二基板的一侧以及第二基板朝向第一基板的一侧；
54.对旋涂有取向材料的第一基板和第二基板进行退火，形成具有相同取向方向的第
一取向层和第二取向层。
55.示例性的，旋涂工艺可包括：首先调节转速为600-900转/分钟，控制第一旋涂时间为5-10秒，使取向材料在被旋涂的基板表面分布均匀；而后调节转速至2500-3500转/分钟，控制第二旋涂时间为30-50秒，使取向材料涂开。
56.退火工艺可包括：退火氛围为空气中，退火温度为80-120℃，退火时间为8-12分钟。
57.需要说明的是，上述转速及旋涂时间仅为示例性的说明，在其他实施方式中，可根据实际需求调节转速及旋涂时间，使得取向膜可控制胆甾相液晶分子取向即可。
58.步骤s130、在第一基板和第二基板之间制备双手性共存液晶层，形成液晶几何相位器件。
59.其中，双手性共存液晶层包括第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶共存的液晶层，第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶组成交错的液晶微区域，第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶的旋向不同，第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，第一取向层和第二取向层具有分子指向矢呈周期性渐变分布的控制图形。
60.可选的，在第一基板和第二基板之间制备双手性共存液晶层，包括：
61.向填充区域填入第一旋向胆甾相液晶及聚合单体混合物，其中聚合单体混合物包括聚合单体和光引发剂，待取向层锚定完成后，将液晶盒置于紫外光源下完成聚合形成聚合物网络；将聚合结束的液晶盒浸泡在丙酮中，洗去未发生聚合反应的分子；将洗好的带有聚合物网络的液晶盒置于热台，加热挥发丙酮分子；向丙酮分子挥发完全的带有聚合物网络的液晶盒中填入第二旋性胆甾相液晶。
62.可选的，在第一基板和第二基板之间制备双手性共存液晶层之前，还包括：
63.在第一基板和第二基板之间形成间隔粒子。
64.其中，沿垂直第一基板和第二基板的方向，间隔粒子的延伸长度大于或者等于第一旋向胆甾相液晶中液晶分子螺距的10倍。可选的，间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种具体实施时可以根据实际情况设计。
65.图6为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件在聚合前和重填后的光谱表征结果示意图。参考图6，该液晶几何相位器件同时具有左旋圆偏振反射和右旋圆偏振反射特性，可以实现在575-630nm范围内的极高反射，这区别于聚合前的自旋选择性反射，即仅反射右旋圆偏振，左旋圆偏振透射。同时，由于表面层的几何相位图案设计，该双手性共存的液晶几何相位器件可以分别对反射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光进行几何相位调制，产生涡旋光束和矢量光束。其中，左旋圆偏振光对应的光谱用实线a表示，右旋圆偏振光对应的光谱用虚线b表示，线偏振光对应的光谱用点划线c表示。图7为本发明实施例提供的一种液晶几何相位器件在聚合前和重填后的显微照片示意图。参考图7，聚合前和重填后都是良好的平面态结构，基本没有位错线，因此“洗去-重填”工艺并不影响胆甾相液晶平面态结构。
66.本发明实施例的技术方案，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间的双手性共存液晶层，双手性共存液晶层包括第一旋向胆甾相和第二旋向胆甾相共存的液晶层，在亚波长尺度上第一旋向胆甾相液晶和第二旋向胆甾相液晶组成纵横交错的液晶微区域，从而在盒内形成均一分布的双手性共存体系。第一基板朝向第二
基板的一侧设置有第一取向层，第二基板朝向第一基板的一侧设置有第二取向层，赋予这种双手性共存的液晶材料特殊设计的微纳光子结构；本发明实施例的技术方案，突破了传统胆甾相液晶的单手性圆偏振选择调制特性，为同时调制共轭圆偏振从而实现反射式几何相位的叠加提供思路，包括但不限于产生反射式矢量光。
67.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。