【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于非线性光学，具体涉及一种非线性完美矢量光束产生元件及制备方法和应用。
技术介绍
1、矢量光束是一种具有可编程矢量分布特性的结构化光场，已经在光通信、高分辨成像、微操纵等多个领域展示了其重要应用价值。近期，完美矢量光束的概念被提出，这一光束的环形强度分布与其拓扑荷无直接关联，同时拓扑电荷能够被任意编码。值得注意的是，不同拓扑电荷数的完美矢量光束构成了一系列正交基，确保了它们之间的互补串扰极低。基于这一特性，完美矢量光束在理论上传输时可携带无限数量的拓扑荷，从而为光通信领域的通信容量的显著提升提供了新的可能性，同时也使高密度光信息的储存与传输变得更加高效和可靠。
2、目前，人们已经提出了不同的方法如组合线性衍射元件，使用空间光调制器等来产生这样的完美矢量光束。目前的研究都主要集中在对线性完美矢量光束的产生和控制，在非线性频率转换的同时编码完美矢量光束研究较少，主要原因是难以对电偶极子进行自由取向操控。在非线性频率转换过程中同时编码完美矢量光束的研究具有重要的理论和应用意义，不仅能够高效利用光频率的自由度，提高通信系统的传输容量和灵活性，还能通过其正交基特性减少信号间的串扰，提升系统的鲁棒性和稳定性。此外，这一技术还为设计新型光子器件和开展光与物质相互作用的基础科学研究提供了新的工具和方法，推动了光通信、量子信息处理和超分辨成像等领域的技术创新与发展。对于目前广泛使用的单轴铁电晶体元件，由于相位匹配条件对电矢量的极化方向敏感，直接进行非线性变频时，其矢量特性会被抹去。并且一般需要多元件叠加的复杂光学系统实现。
3、因此，开发一种新的非线性完美矢量光束产生元件具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决目前对非线性完美矢量光束的产生过程需要诸多元件叠加的复杂光学系统和难以对电偶极子进行取向操控等问题，提出一种利用液晶的结构化取向制备的非线性完美矢量光束产生元件，其可以实现非线性完美矢量光束器件集成化和小型化与非线性完美矢量光束的直接产生。
2、本专利技术还要解决的是上述非线性完美矢量光束产生元件的制备方法。
3、为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种非线性完美矢量光束产生元件，所述元件包括第一玻璃基板、第一光控取向层、铁电向列相液晶层、第二光控取向层和第二玻璃基板；所述第一玻璃基板和第二玻璃基板相对设置；所述第一玻璃基板和第二玻璃基板内侧还分别设有第一光控取向层和第二光控取向层；所述第一光控取向层和第二光控取向层中间设有间隔粒子；
4、其中，所述第一光控取向层和第二光控取向层设有非线性完美矢量光束控制图形；所述非线性完美矢量光束控制图形控制所述铁电向列相液晶层中的液晶分子呈若干个周期的同心圆环取向分布。
5、具体的，所述间隔粒子用于控制第一光控取向层和第二光控取向层之间的距离；
6、具体的，所述第一光控取向层、第二光控取向层和间隔粒子在封装后形成液晶盒；所述液晶盒在注入铁电向列相液晶材料后形成铁电向列相液晶层。
7、本专利技术对第一、二光控取向层设置非线性完美矢量光束控制图形可对应不同拓扑荷数的非线性完美矢量光束，但不局限于这些拓扑荷数，包括任意的拓扑荷数对应的非线性完美矢量光束。
8、优选的，所述非线性完美矢量光束控制图形通过控制圆环周期的大小从而控制非线性完美矢量光束的直径。
9、优选的，所述非线性完美矢量光束控制图形，其单个周期内由两个同心圆环取向分布组成，相邻圆环间的取向角度差为90度；所述非线性完美矢量光束控制图形通过控制单周期内两个同心圆环的宽度比控制非线性完美矢量光束的强度。
10、优选的，所述非线性完美矢量光束控制图形，其单个周期内的单个圆环取向旋转角度为任意角度；所述非线性完美矢量光束控制图形通过控制单个圆环取向旋转角度控制非线性完美矢量光束的拓扑荷数；
11、具体的，在本专利技术的一些实施例中，通过控制非线性完美矢量光束控制图形中单个圆环分子取向旋转角度分别为360°、540°、720°和1080°，分别实现了拓扑荷为2、3、4和6的非线性完美矢量光束。
12、本专利技术还提供上述非线性完美矢量光束产生元件的制备方法，具体步骤为：
13、s1.将第一玻璃基板和第二玻璃基板超声清洗干燥后紫外臭氧清洗；
14、s2.在s1清洗后的第一玻璃基板和第二玻璃基板上旋涂光取向剂，固化后形成第一光控取向层和第二光控取向层；
15、s3.在第一光控取向层两侧涂抹间隔粒子，随后将第二光控取向层放置上去封装，形成液晶盒；
16、s4.对所述第一光控取向层和所述第二光控取向层进行偏振紫外曝光取向，形成非线性完美矢量光束控制图形；
17、s5.在液晶盒中注入铁电向列相液晶材料形成铁电向列相液晶层，即得所述非线性完美矢量光束产生元件。
18、具体的，所述光取向剂为偶氮类光控取向材料sd1。
19、具体的，所述铁电向列相液晶材料为含有中间极性相的铁电向列相类的液晶材料；
20、优选的，所述铁电向列相液晶材料为4-((4-nitrophenoxy)carbonyl)-3-(trifluoromethyl)pheny 2-fluoro-4-methoxybenzoate。
21、具体的，s1中，所述超声清洗包括乙醇酒精洗液超声清洗和超纯水超声清洗；
22、优选的，所述乙醇酒精洗液超声清洗时间为20分钟；所述超纯水超声清洗分为两次，每次时间为10分钟。
23、具体的，s1中，所述干燥，其温度为140℃，时间为40分钟。
24、具体的，s1中，所述紫外臭氧清洗，其时间为30分钟。
25、具体的，s2中，所述旋涂，其参数为：第一步旋涂的转速为3000转/分钟，旋涂时间为40秒；第二步旋涂的转速为300转/分钟，旋涂时间为10秒。
26、具体的，s2中，所述固化，其条件为：100摄氏度下固化10分钟。
27、具体的，s3中，所述间隔粒子为二氧化硅微球。
28、进一步的，上述非线性完美矢量光束产生元件在产生非线性完美矢量光束中的应用也在本专利技术的保护范围内。
29、具体的，在本专利技术的实施例中，本专利技术所述的非线性完美矢量光束产生元件可以将入射的基频高斯光同时实现倍频过程与矢量场的同时转化。在非线性频率转换的同时，将原本的基频高斯模式转换为完美矢量光束，并且通过设置不同的非线性完美矢量光束控制图形实现拓扑荷分别为2、3、4和6的非线性完美矢量光束产生。
30、有益效果：本专利技术通过对液晶电偶极子的直接取向，可以实现非线性完美矢量光束器件集成化和小型化与非线性完美矢量光束的一步法直接产生。
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1.一种非线性完美矢量光束产生元件，其特征在于，所述元件包括第一玻璃基板、第一光控取向层、铁电向列相液晶层、第二光控取向层和第二玻璃基板；所述第一玻璃基板和第二玻璃基板相对设置；所述第一玻璃基板和第二玻璃基板内侧还分别设有第一光控取向层和第二光控取向层；所述第一光控取向层和第二光控取向层中间设有间隔粒子；
2.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述非线性完美矢量光束控制图形，其单个周期内由两个同心圆环取向分布组成，相邻圆环间的取向角度差为90度。
3.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述非线性完美矢量光束控制图形，其单个周期内的单个圆环分子取向旋转角度为任意角度。
4.权利要求1～3中任意一项中所述的非线性完美矢量光束产生元件的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述光取向剂为偶氮类光控取向材料SD1。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述铁电向列相液晶材料为含有中间极性相的铁电向列相类的液晶材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述旋涂，其参数为：第一步旋涂的转速为3000转/分钟，旋涂时间为40秒；第二步旋涂的转速为300转/分钟，旋涂时间为10秒。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述固化，其条件为：100摄氏度下固化10分钟。
10.权利要求1～3中任意一项中所述的非线性完美矢量光束产生元件在产生非线性完美矢量光束中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种非线性完美矢量光束产生元件，其特征在于，所述元件包括第一玻璃基板、第一光控取向层、铁电向列相液晶层、第二光控取向层和第二玻璃基板；所述第一玻璃基板和第二玻璃基板相对设置；所述第一玻璃基板和第二玻璃基板内侧还分别设有第一光控取向层和第二光控取向层；所述第一光控取向层和第二光控取向层中间设有间隔粒子；
2.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述非线性完美矢量光束控制图形，其单个周期内由两个同心圆环取向分布组成，相邻圆环间的取向角度差为90度。
3.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述非线性完美矢量光束控制图形，其单个周期内的单个圆环分子取向旋转角度为任意角度。
4.权利要求1～3中任意一项中所述的非线性完美矢量光束产生元件的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述光取向剂为偶氮类光控取向...
【专利技术属性】
技术研发人员：马玲玲，张广阳，叶永，王泽宇，潘锦涛，王瑜，陆延青，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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