一种基于有机分子二向色球晶产生涡旋光的方法技术

本发明专利技术提供一种基于有机分子二向色球晶产生涡旋光的方法。本发明专利技术解决了无法通过自然材料直接获取涡旋光的问题，并基于该技术成功赋予涡旋光场特定偏振特性。将具有二向色特征的有机分子材料放置在两玻璃材质的透明片材中间，形成“三明治”结构；采用适当的加热/冷却处理，二向色有机分子材料发生熔融/结晶，并在结晶后的材料中获得球晶结构。将一定波长的单色光或多色光作为入射光，通过特定光学元件后使其转变为圆偏光。将该具有圆偏振特性的入射光入射至球晶结构，入射光斑中心与二向色球晶中心重合，所获得的出射光为涡旋光。本发明专利技术所提出的产生涡旋光的方法，具有如下优势：材料来源丰富、普遍适用性强、宽带可用、方便高效、成本低廉等。成本低廉等。成本低廉等。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有机分子二向色球晶产生涡旋光的方法


[0001]本专利技术涉及一种螺旋相位光场的产生技术，尤其是关于基于有机分子二向色球晶产生具有特定偏振状态矢量涡旋光的技术，更具体涉及一种基于有机分子二向色球晶产生涡旋光的方法。

技术介绍

[0002]涡旋光属于结构光场领域，其等相位面为螺旋形。涡旋光的相位因子包含一个方位角项e
in
φ，其中φ为方位角大小，n表示拓扑荷数，即沿波矢方向的垂直截面内相位变化2πn。由于光束中心相位不确定，所以涡旋光的中心强度为零。涡旋光中螺旋的相位分布引入轨道角动量。利用涡旋光的轨道角动量，可以制备光镊；利用轨道角动量复用，可以大幅提升光通信的传输容量。此外，涡旋光在量子计算领域和超分辨成像领域也显示出极大的应用价值。
[0003]目前，研究者已经探索了多种产生矢量涡旋光的方法。利用厚度具有螺旋变化的螺旋相位片，可以对高斯光进行相位整形，使透射光/反射光的相位改变与方位角成正比，从而获得螺旋形波前。不过，该方法对加工精度的要求很高。利用计算全息技术，获得目标涡旋光与参考平面波的倾斜干涉图案，并将该干涉图案记录下来形成“叉形光栅”结构。将高斯光照射到该“叉形光栅”后，便能够获得一系列螺旋方向相反的涡旋光，且不同衍射级的拓扑荷数不同。此外，空间光调制器可以利用液晶的电光效应对入射光的波前进行调控，来获得所需的涡旋光。但是空间光调制器的像素点较大，导致光束的转换效率低，且价格昂贵。除了上述方法，通过设计超表面也可以对波前相位进行调控，获得不同拓扑荷的涡旋光。此外，还可以通过环形谐振腔，直接产生涡旋光。尽管上述方法能够用于涡旋光的产生，但是这些方法多涉及到复杂的微纳加工工艺，且难以兼顾带宽、成本、可靠性与效率等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种涡旋光场的产生方法，该方法具有广泛适用性、成本低廉、工艺简单、可靠性高、宽带可用等优点。
[0005]本专利技术所提供的涡旋光场的产生方法，为：基于自然有机分子球晶结构产生涡旋光场。
[0006]具体地，本专利技术的涡旋光场的产生方法，包括如下步骤：
[0007]1)选用二向色有机分子纯材料或含有二向色有机分子的混合材料或由多种有机分子单体组成的二向色材料为原材料；
[0008]2)将上述原材料放置在玻璃片(载玻片)上，升温处理，待温度达到一设置值后，有机分子熔融；
[0009]3)将另一玻璃片(盖玻片)覆盖至熔融的样品表面，形成“三明治”结构；
[0010]4)将上述“三明治”结构进行降温处理，有机分子在降温过程中发生结晶，从而在结晶后的有机分子薄膜中引入球晶结构，得到含有二向色球晶结构的有机薄膜；
[0011]5)用一定波长的单色或多色圆偏光照射上述二向色球晶，且保证光斑中心与球晶中心重合，得到的透射光即为含有轨道角动量的涡旋光。
[0012]上述方法步骤1)中，所述原材料显示出强的二向色性，即该原材料结晶后对某一对正交偏振光显示强各向异性吸收，某一偏振方向为强吸收，而另一偏振方向为相对较弱吸收；
[0013]所述二向色有机分子包括但不限于：偶氮型二向色分子、蒽醌类、萘酰亚胺类二向色分子。
[0014]依据这些二向色分子的吸收率
‑
波长关系，可以选择一种或多种的组合作为染料，加入到有机分子主体(包括各种可以在室温结晶的有机小分子、有机大分子、高分子聚合物等，这里的有机分子主体的特点在于室温条件下可以形成球晶结构)中，结晶后获得二向色球晶。
[0015]通过将各种杂环和官能团(如：吡啶环、噻二唑环、哌嗪环、酯键、酰胺键、咪唑环等)引入到染料分子，可以获得不同二向色比、不同颜色的二向色分子。
[0016]由两种单体组成的二向色材料，主要基于两单体之间的电荷转移作用，电荷转移作用会强烈吸收入射电磁波。由于电荷转移作用发生在两个单体分子的堆叠方向，所以电荷转移导致的强吸收作用对入射电磁波的偏振敏感，进而显示出二向色性。
[0017]两种单体中，其中一种单体作为电荷的给体，一种单体作为电荷的受体。电荷给体包括但不限于：烷氧基蒽型分子、二己基萘型分子、神经递质褪黑素、二烷氧基萘、寡聚噻吩类分子、苯并二噻吩分子等；电荷受体包括但不限于：萘二酰亚胺型分子、联吡啶衍生物、萘四羧酸二亚胺、稠环分子、卟啉分子等。
[0018]所述原材料中二向色有机分子的选择不限于分子量的大小、不限于单一一种二向色分子、不限于多种单体分子混合诱发的二向色性、不限于将二向色分子作为染料掺杂剂引入到其他有机分子(与上面的有机分子主体相同)中；
[0019]步骤2)中，所述设置值显著大于原材料的熔点，以保证原材料充分熔融及其成分充分均匀；
[0020]步骤3)中，“三明治”结构上下玻璃片材有高的透明度，但不限某一材质或厚度；
[0021]步骤4)中，通过设置一定的降温制度，将上述“三明治”结构进行降温处理，降温制度的设置是为了在结晶后的有机分子薄膜中引入球晶结构；
[0022]具体的降温制度由所采用的原材料的成分组成、原材料的质量、“三明治”结构上玻璃片所引入的压力大小、“三明治”结构上玻璃片的大小决定；
[0023]上述方法步骤4)和5)之间还可进一步包括如下操作：使用偏光显微镜观察上述升降温处理后的“三明治”结构，确认冷却后的有机分子薄膜内部出现了球晶结构，并观察记录球晶的大小、位置、数目等形态特征；
[0024]球晶的大小、数目等形态特征主要与所选用的原材料成分组成、冷却速率有关；
[0025]可通过温度制度和/或球晶形核剂调控二向色有机分子球晶结构的大小；
[0026]冷却后形成的有机分子薄膜的厚度主要与称取的原材料的质量、“三明治”结构中上玻璃片所引入的压应力大小、“三明治”结构中上玻璃片的表面积有关；
[0027]通过控制原材料的称取质量和在升降温过程中对“三明治”结构上下玻璃表面施加压力的大小，来调节升降温处理后形成膜的厚度，膜厚可以在几百纳米至几个毫米范围
内变化；
[0028]最终形成的有机分子薄膜中，不限于是否加入球晶形核剂、金属微纳米颗粒、无机微纳米颗粒等；
[0029]不限于是否在最终获得的有机分子薄膜中引入聚合反应；
[0030]上述球晶结构边缘微区对某对正交偏振入射光显示强的各向异性吸收；某一偏振方向为强吸收，吸收率约为100％；另一偏振方向为相对较弱吸收；吸收率差值越大，产生涡旋光的效率越高，理论最高效率为50％；
[0031]由于球晶的球对称关系，球晶的任意边缘微区都呈现上述二向色吸收关系。
[0032]步骤5)中，所述单色或多色圆偏光通过如下操作制得：选择一定波长的单色光或多色光为光源，在光学平台上搭建光路，使入射光分别通过线偏振片、1/4波片后，转变为圆偏光；
[0033]所选用的单色或多色光对应的波长范围由二向色球晶微区对偏振光的吸收谱特性决定；
[0034]根据球晶吸收谱，确认能够满足本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡旋光场的产生方法，为：基于自然有机分子球晶结构产生涡旋光场。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述涡旋光场的产生方法，包括如下步骤：1)选用二向色有机分子纯材料或含有二向色有机分子的混合材料或由多种有机分子单体组成的二向色材料为原材料；2)将上述原材料放置在玻璃片上，升温处理，待温度达到一设置值后，有机分子熔融；3)将另一玻璃片覆盖至熔融的样品表面，形成“三明治”结构；4)将上述“三明治”结构进行降温处理，有机分子在降温过程中发生结晶，从而在结晶后的有机分子薄膜中引入球晶结构，得到含有二向色球晶结构的有机薄膜；5)用一定波长的单色或多色圆偏光照射上述二向色球晶，且保证光斑中心与球晶中心重合，得到的透射光即为含有轨道角动量的涡旋光。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述原材料显示出强的二向色性，即该原材料结晶后对某一对正交偏振光显示强各向异性吸收，某一偏振方向为强吸收，而另一偏振方向为相对较弱吸收；所述原材料为一种二向色分子、多种单体分子混合后得到的具有二向色性的混合物、或将二向色分子作为染料掺杂剂引入到其他有机分子中得到的混合物。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述设置值显著大于原材料的熔点，步骤3)中，“三明治”结构上下玻璃片材有高的透明度。5.根据权利要求2
‑
4中任一项所述的方法，其特征在于：步骤4)中，降温制度由所采用的原材料的成分组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙竞博，刘元锋，周济，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：