一种线偏振光转换元件、制备方法和线偏振光转换系统技术方案

本发明专利技术公开了一种线偏振光转换元件、制备方法和线偏振光转换系统。其中，线偏振光转换元件，其特征在于，包括：衬底；超构表面，位于所述衬底上；其中，所述超构表面包括至少一个光场调控区，每个所述光场调控区包括至少一个超构表面功能单元，所述超构表面功能单元包括各向异性的亚波长结构，在同一所述光场调控区中，各所述亚波长结构的长轴方向一致。本发明专利技术的技术方案基于超构表面实现了对光束偏振方向的调控，从而可便于实现高空间分辨率的液晶分子的均匀取向分布以及非均匀取向分布。

A Linearly Polarized Light Conversion Element, Preparation Method and Linearly Polarized Light Conversion System

The invention discloses a linearly polarized light conversion element, a preparation method and a linearly polarized light conversion system. A linearly polarized light conversion element is characterized by: a substrate; a superstructure surface located on the substrate; wherein the superstructure surface includes at least one light field control region, each of which includes at least one superstructure surface functional unit, and the superstructure surface functional unit comprises an anisotropic sub-wavelength structure in the same light field control region. The long axis direction of each sub-wavelength structure is the same. The technical scheme of the invention realizes the regulation of the polarization direction of the light beam based on the superstructure surface, thereby facilitating the realization of uniform orientation distribution and non-uniform orientation distribution of liquid crystal molecules with high spatial resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种线偏振光转换元件、制备方法和线偏振光转换系统
本专利技术实施例涉及超构表面
，尤其涉及一种线偏振光转换元件、制备方法和线偏振光转换系统。
技术介绍
液晶是兼有液体和晶体两方面性质的独特材料,广泛用于各类液晶显示器。液晶分子在电场作用下，其排列结构会发生转变，同时其光学特性也会发生变化，这也是液晶显示的基础。液晶在显示屏里的有序排列,是通过液晶与基板界面上的预取向来实现的，液晶取向就是为了达到这一目的而发展起来的技术。目前液晶取向技术主要包括摩擦取向法和光控取向法等。液晶光控取向技术是一种通过偏振光照射来实现液晶取向的非接触式方法,不同于摩擦取向法,它具有无污染、无静电和易实现区域多取向等优点。光控取向技术利用光敏材料在紫外线偏光照射下发生定向光交联、异构化或光裂解反应进而诱导液晶分子定向排列。然而，现有液晶光控取向技术大多数仅能实现均匀的取向分布。为实现可控的非均匀取向分布，往往需要复杂的光学系统，体积庞大，成本高。需要经过多次曝光完成，不利于实现大面积及高精度的液晶光子学器件制造。另外，基于空间光调制器和数控微镜阵列的实施方案难以实现高空间分辨率(比如1μm)的液晶分子取向。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种线偏振光转换元件、制备方法和线偏振光转换系统，以实现对光束偏振方向的调控，从而可便于实现高空间分辨率的液晶光控取向。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术实施例提供了一种线偏振光转换元件，包括：衬底；超构表面，位于所述衬底上；其中，所述超构表面包括至少一个光场调控区，每个所述光场调控区包括至少一个超构表面功能单元，所述超构表面功能单元包括各向异性的亚波长结构，在同一所述光场调控区中，各所述亚波长结构的长轴方向一致。第二方面，本专利技术实施例提供了一种线偏振光转换系统，包括激光器、光束整形器、线偏振片和本专利技术任一实施例的线偏振光转换元件；所述激光器用于提供激光光源；所述光束整形器用于对所述激光器出射的激光进行整形；所述线偏振片用于将整形后的激光变换成线偏振入射光，并传播至所述线偏振光转换元件的超构表面。第三方面，本专利技术实施例提供了一种线偏振光转换元件的制备方法，包括：提供衬底；在所述衬底上形成超构表面，其中，所述超构表面包括多个超构表面功能单元，所述超构表面功能单元包括各向异性的亚波长结构，所述亚波长结构基于线偏振入射光的偏振方向以及所需出射光的线偏振状态分布而排布。本专利技术的有益效果是：本专利技术的技术方案利用超构表面设计线偏振光转换元件，通过将超构表面划分为至少一个光场调控区，每个光场调控区包括至少一个超构表面功能单元，每个超构表面功能单元包括一个各向异性的亚波长结构，且在同一光场调控区中，各亚波长结构的长轴方向(排布)一致；由此，同一偏振方向的线偏振入射光经线偏振光转换元件的超构表面反射或透射后，基于各光场调控区的亚波长结构的排布，各光场调控区可将对应入射的线偏振入射光经的偏振方向转换成另一偏振方向的光出射，从而实现了对光束偏振方向的调控。同时，可根据所需的出射光的线偏振状态分布，设计超构表面中亚波长结构的排布，从而得到本专利技术的线偏振光转换元件，进而可利用该线偏振光转换元件，通过该线偏振光转换元件将线偏振入射光转换成至少一束线偏振光，对光控取向层的至少一个曝光场进行一次曝光，便可实现对光控取向层至少一种取向，进而实现对液晶分子相应的取向，工艺流程简单，成本低，且可在亚波长尺度控制液晶分子取向，实现了高空间分辨率的液晶光控取向。附图说明下面将通过参照附图详细描述本专利技术的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本专利技术的上述及其他特征和优点，附图中：图1是本专利技术实施例提供的线偏振光转换元件的平面结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的线偏振光转换元件的剖面结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的线偏振光转换系统的结构及原理示意图；图4是本专利技术实施例提供的涡旋光束和参考光的叉形干涉图样；图5是本专利技术实施例提供的一种亚波长结构的排布示意图；图6是本专利技术实施例提供的线偏振光转换元件的制备方法的流程图；图7是本专利技术实施例提供的线偏振光转换元件具体制备方法的流程图；图8-图12是本专利技术实施例提供的线偏振光转换元件的制备方法中各工艺流程对应的结构示意图。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。目前，一般光控取向法中，首先在衬底上涂敷光敏分子材料(光控取向层),然后用紫外偏振光照射光控取向层进而诱导液晶分子的取向。可通过变换光学掩模版和多次曝光的方法实现非均匀取向分布。而基于空间光调制器(SpatialLightModulator，SLM)的光控取向法可根据需要灵活控制局部偏振光的偏振方向，从而灵活控制液晶分子取向。另外，基于数控微镜阵列(DigitalMicro-mirrorDevice,DMD)的缩微投影系统，通过微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)控制DMD上的单个像素(单个微镜)呈现不同的反转状态来实现动态掩模，来实现对液晶取向结构图案和取向方向的动态控制。但上述光控取向法需要复杂的光学系统，体积庞大，成本高。需要经过多次曝光完成，不利于实现大面积、高精度的液晶光子学器件制造。且基于空间光调制器和数控微镜阵列的实施方案难以实现高空间分辨率(比如1μm)的液晶分子取向。基于上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种线偏振光转换元件，可实现对一线偏振入射光进行至少一种偏振方向的调控，产生具有亚波长空间分辨率的矢量光场分布(至少一种线偏振状态分布)。图1是本专利技术实施例提供的线偏振光转换元件的平面结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的线偏振光转换元件的剖面结构示意图。该线偏振光转换元件适用于液晶光控取向技术，如图1和图2所示，本实施例提供的线偏振光转换元件包括：衬底1；超构表面2，位于衬底1上；其中，超构表面2包括至少一个光场调控区100，每个光场调控区100包括至少一个超构表面功能单元20，超构表面功能单元20包括各向异性的亚波长结构201，在同一光场调控区100中，各亚波长结构201的长轴方向一致。本实施例中，超构表面是由具有空间变化的超构表面功能单元(亚波长超构功能基元)构成的界面，可以有效调控光的偏振、振幅和相位；可用于实现高效率的光学全息成像、高数值孔径透镜和产生光学轨道角动量等。超构表面的二维属性降低了加工难度，并具有体积紧凑，损耗低的优势，与现有的互补金属氧化物半导体技术兼容。上述光场调控区100可以理解为根据亚波长结构201的排布或所需出射光的线偏振状态分布对应划分的区域，在一个光场调控区100中，亚波长结构201的排布一致，经该光场调控区100出射的光的偏振方向一致，该光场调控区100的划分便于理解亚波长结构201的整体排布情况。上述衬底1的材料可以为硅、玻璃、或ITO等透明材料；亚波长结构201的形状为棒状或椭圆形。基于上述技术方案，本实施例提供的线偏振光转换元件设计原理为：由贝里几何相位原理，即圆偏振光与各向异性的亚波长结构相互作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线偏振光转换元件，其特征在于，包括：衬底；超构表面，位于所述衬底上；其中，所述超构表面包括至少一个光场调控区，每个所述光场调控区包括至少一个超构表面功能单元，所述超构表面功能单元包括各向异性的亚波长结构，在同一所述光场调控区中，各所述亚波长结构的长轴方向一致。

【技术特征摘要】
1.一种线偏振光转换元件，其特征在于，包括：衬底；超构表面，位于所述衬底上；其中，所述超构表面包括至少一个光场调控区，每个所述光场调控区包括至少一个超构表面功能单元，所述超构表面功能单元包括各向异性的亚波长结构，在同一所述光场调控区中，各所述亚波长结构的长轴方向一致。2.根据权利要求1所述的线偏振光转换元件，其特征在于，所述至少一个光场调控区包括两个或多个光场调控区，不同的所述光场调控区中的所述亚波长结构的长轴方向不同。3.根据权利要求1所述的线偏振光转换元件，其特征在于，所述超构表面功能单元包括金属反射层、介质层和金属亚波长结构的叠层结构，或者金属反射层和金属亚波长结构的叠层结构，或者金属反射层和介质亚波长结构的叠层结构，或者介质亚波长结构。4.一种线偏振光转换系统，其特征在于，包括激光器、光束整形器、线偏振片和如权利要求1-3任一所述的线偏振光转换元件；所述激光器用于提供激光光源；所述光束整形器用于对所述激光器出射的激光进行整形；所述线偏振片用于将整形后的激光变换成线偏振入射光，并传播至所述线偏振光转换元件的超构表面。5.根据权利要求4所述的线偏振光转换系统，其特征在于，所述线偏振光转换系统为液晶光控取向系统。6.一种线偏振光转换元件的制备方法，其特征在于，包括：提供衬底；在所述衬底上形成超构表面，其中，所述超构表面包括多个超构表面功能单元，所述超构表面功能单元包括各向异性的亚波长结构，所述亚波长结构基于线偏振入射光的偏振方向以及所需出射光的线偏振状态分布而排布。7.根据权利要求6所述的线偏振光转换元件的制备方法，其特征在于，在所述衬底上形成超构表面，包括：根据所需出射光的线偏振状态分布，确定所述超构表面上所述亚波长结构在平面上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李贵新，刘言军，毛宁斌，刘萱，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44