一种线偏振光转换元件、制备方法和线偏振光转换系统与流程
本发明实施例涉及超构表面技术领域，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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明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，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明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，本发明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、线偏振片和本发明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，本发明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。
本发明的有益效果是：本发明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，从而得到本发明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发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：
图1是本发明实施例提供的线偏振光转换元件的平面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的线偏振光转换元件的剖面结构示意图；
图3是本发明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是本发明实施例提供的涡旋光束和参考光的叉形干涉图样；
图5是本发明实施例提供的一种亚波长结构的排布示意图；
图6是本发明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是本发明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是本发明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发明的技术方案。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。
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，本发明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是本发明实施例提供的线偏振光转换元件的平面结构示意图；图2是本发明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，可以使入射圆偏振光的圆偏振态发生反转同时引入几何相位因子
示例性的，针对液晶光控取向技术，可根据所需液晶分子取向分布，确定用于曝光光控取向层的出射光的线偏振状态分布，其中，液晶分子的取向方向与出射光的线偏振方向一致。从而基于该出射光的线偏振状态分布确定亚波长结构的排布，进行制备具有该排布的亚波长结构的超构表面得到线偏振光转换元件。由此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。
本实施例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，且可稳定多次重复使用。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，从而得到本发明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。
可选的，继续参考图1，至少一个光场调控区100包括两个或多个光场调控区100(图中示出了4个光场调控区100)，不同的光场调控区100中的亚波长结构201的长轴方向不同。
由此，同一线偏振入射光同时经过超构表面不同的光场调控区100后，可输出不同于线偏振入射光偏振方向的出射光，且对应不同光场调控区100的出射光的偏振方向不同，进而可同时产生多束矢量光场，增加单次曝光样品的数量，提高生产效率。进一步的，在利用该线偏振光转换元件对液晶分子进行光控取向时，仅通过一次曝光便可实现液晶分子的非均匀取向分布，减少了曝光次数，简化了光控取向的工艺流程。同时，基于上述贝里几何相位原理还可以看出，通过简单改变各向异性的亚波长结构的方位角可实现对入射光相位从0-2π的连续调控，而入射光不同的相位可以引起反射光不同角度的偏转，进而可以通过设置亚波长结构的方位角来调节反射光的偏转角度。针对本实施例，在亚波长结构的方位角一定的情况下，在确定投影到光控取向层的曝光场的出射光的出射角度后，可结合射线光学及广义的反射定律确定入射至线偏振光转换元件(超构表面)的线偏振入射光的入射角。由此可通过调整线偏振入射光的入射角实现对出射光出射角的调节，以实现对光控取向层的曝光场的曝光及对应液晶分子的取向。
需要说明的是，图1仅用于示例性的说明亚波长结构的排布情况，具体排布视实际情况而定。
另外，上述线偏振光转换元件可以通过对线偏振入射光的反射或透射实现对线偏振入射光偏振方向的调控，相应的，线偏振光转换元件中的超构表面可以为反射式超构表面或透射式超构表面。示例性的，针对反射式超构表面，超构表面/超构表面功能单元可包括金属反射层202、介质层203和金属亚波长结构201的叠层结构(参考图2)，或者超构表面功能单元可包括金属反射层和金属亚波长结构的叠层结构，或者超构表面功能单元可包括金属反射层和介质亚波长结构的叠层结构；针对透射式超构表面，超构表面功能单元可包括介质亚波长结构。本发明实施例对超构表面/超构表面功能单元的具体膜层结构不作限制，具体可视实际情况而定。
基于上述实施例，本发明的另一实施例提供了一种线偏振光转换系统，如图3所示，该线偏振光转换系统10包括激光器101、光束整形器102、线偏振片103和上述实施例提供的线偏振光转换元件104。
其中，激光器101用于提供激光光源；光束整形器102用于对激光器101出射的激光进行整形；线偏振片103用于将整形后的激光变换成线偏振入射光，并传播至线偏振光转换元件104的超构表面。
上述光束整形器102可以为高斯平顶光束转换器或者空间滤波准直系统。
示例性的，线偏振光转换系统10可以为液晶光控取向系统。此时，参考图3，由激光器101发射的激光经光束整形器102和线偏振片103后形成线偏振入射光入射至线偏振光转换元件104的超构表面，参考上述任一实施例提供的线偏振光转换元件104的作用，线偏振光转换元件104可将线偏振入射光转换成满足需求的线偏振分布状态的出射光，并将出射光投影至预先旋涂到导电玻璃衬底30上的光控取向层31，完成对光控取向层31的取向，从而实现对光控取向层31之间的液晶分子32的高分辨率空间排列分布。
本实施例所提供的线偏振光转换系统，包括本发明实施例所提供的线偏振光转换元件，具备相应的功能和有益效果。
另外，利用上述线偏振光转换系统制备的特殊的液晶光子学器件(如分束器)，也可通过制备的液晶光子学器件产生与调控特殊光场(如涡旋光束、贝塞尔光束和艾里光束等)。
示例性的，以通过本发明的线偏振光转换系统制备可产生与调控涡旋光束的液晶光子学器件为例进行说明。涡旋光束具有螺旋形的等相位面，每个光子具有mh的轨道角动量，其中m为拓扑量子数，可以是任意的整数，表示轨道角动量指数，不同的值对应相互正交的角动量状态，
基于全息的原理，涡旋光束和参考光(如高斯光束，理想的平面波)有角度的干涉时会得到叉形干涉图样(如图4所示)。此时，待制备的液晶光子学器件中的液晶分子的取向分布应呈图4所示的叉形干涉图样进行排布，进而可基于该叉形干涉图样设计亚波长结构的排布图案(如图5所示)，然后利用具有图5所示的亚波长结构的超构表面定向液晶分子，可使液晶分子取向分布呈图4所示的叉形干涉图样，再用参考光照射即可产生涡旋光。
基于上述实施例，本发明又一实施例提供了一种线偏振光转换元件的制备方法，如图6所示，该线偏振光转换元件的制备方法包括：
步骤110、提供衬底。
其中，衬底1的材料可以为硅、玻璃、或ito等透明材料。
步骤120、在衬底上形成超构表面。
其中，超构表面包括多个超构表面功能单元，超构表面功能单元包括各向异性的亚波长结构，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。
可选的，在衬底上形成超构表面可包括：根据所需出射光的线偏振状态分布，确定超构表面上亚波长结构在平面上的方位角分布，其中，方位角为亚波长结构的长轴方向与入射至线偏振光转换元件的线偏振入射光的偏振方向之间的夹角；根据线偏振入射光的偏振方向及方位角分布，确定亚波长结构的排布图案；基于亚波长结构的排布图案，在衬底上至少形成亚波长结构。
可选的，基于亚波长结构的排布图案，在衬底上至少形成亚波长结构可包括：在衬底上蒸镀形成依次层叠的金属反射层和介质层；在介质层远离衬底一侧的表面旋涂光刻胶或电子束胶；光刻光刻胶或电子束胶，以去除部分光刻胶或电子束胶，并在去除的光刻胶或电子束胶处形成亚波长结构的排布图案；整面蒸镀一层金属；溶解剩余光刻胶或电子束胶，去除蒸镀于光刻胶或电子束胶上的金属，以使剩余金属形成亚波长结构。
基于上述技术方案，在本发明的一具体实施例中，如图7所示，线偏振光转换元件的制备方法包括：
步骤210、提供衬底。
步骤220、根据所需出射光的线偏振状态分布，确定超构表面上亚波长结构在平面上的方位角分布。
其中，方位角为亚波长结构的长轴方向与入射至线偏振光转换元件的线偏振入射光的偏振方向之间的夹角。
根据所需出射光的线偏振状态分布，可确定超构表面上各区域所出射光的偏振方向，由上述实施例中的贝里几何相位原理可知，出射光的偏振方向为亚波长结构的方位角的2倍，因此可确定超构表面上亚波长结构在平面上的方位角分布。
步骤230、根据线偏振入射光的偏振方向及方位角分布，确定亚波长结构的排布图案。
由于方位角为亚波长结构的长轴方向与入射至线偏振光转换元件的线偏振入射光的偏振方向之间的夹角，因此，在线偏振入射光的偏振方向一定的条件下，根据步骤220得到的方位角分布可确定超构表面上各区域亚波长结构的长轴方向，进而确定亚波长结构的排布图案。
步骤240、在衬底上蒸镀形成依次层叠的金属反射层和介质层。
参考图8，在衬底1上蒸镀形成依次层叠的金属反射层202和介质层203。其中，金属反射层202的材料可以为铝或金，介质层203的材料可以为二氧化硅。示例性的，可采用热蒸镀或电子束蒸镀技术在衬底1上依次蒸镀金属反射层202和介质层203。
步骤250、在介质层远离衬底一侧的表面旋涂光刻胶或电子束胶。
如图9所示，在介质层203远离衬底1一侧的表面旋涂光刻胶40或电子束胶。
步骤260、光刻光刻胶或电子束胶，以去除部分光刻胶或电子束胶，并在去除的光刻胶或电子束胶处形成亚波长结构的排布图案。
示例性的，如图10所示，采用紫外光刻曝光光刻胶40，或者采用电子束光刻曝光电子束胶，再使用相应的显影液去除曝光的光刻胶40或电子束胶，以在去除的光刻胶40或电子束胶处形成亚波长结构的排布图案200，最后对剩余光刻胶40或电子束胶进行清洗。
步骤270、整面蒸镀一层金属。
示例性的，如图11所示，采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在介质层203表面和剩余光刻胶40或电子束胶表面蒸镀一层金属50
步骤280、溶解剩余光刻胶或电子束胶，去除蒸镀于光刻胶或电子束胶上的金属，以使剩余金属形成亚波长结构。
示例性的，如图12所示，利用相应的去胶液去除剩余光刻胶40或电子束胶，使位于剩余光刻胶40或电子束胶上的金属随之脱落，进而保留介质层203表面的金属层，形成亚波长结构201。
通过上述线偏振光转换元件的制备方法，可制备具有反射式超构表面的线偏振光转换元件，上述实施例仅示例性的描述了具有金属反射层202、介质层203和金属亚波长结构201的反射式超构表面的制备方法，需要说明的是，本发明中线偏振光转换元件的反射式超构表面还可包括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，其具体制备方法可基于本实施例的线偏振光转换元件的制备方法合理性推出，此处不再赘述。
另外，本发明实施例还提供了一种具有透射式超构表面的线偏振光转换元件的制备方法，具体可包括如下步骤：
步骤310、提供透明的衬底。
步骤320、根据所需出射光的线偏振状态分布，确定超构表面上亚波长结构在平面上的方位角分布。
步骤330、根据线偏振入射光的偏振方向及方位角分布，确定亚波长结构的排布图案。
步骤340、在透明的衬底上蒸镀或沉积介质层。
其中，介质层的材料可以为硅、氮化硅或二氧化钛。
步骤350、在介质层远离衬底一侧的表面旋涂光刻胶或电子束胶。
步骤360、光刻光刻胶或电子束胶，以去除部分光刻胶或电子束胶，并在去除的光刻胶或电子束胶处形成亚波长结构的排布图案。
步骤370、整面蒸镀一层保护层。
其中，保护层的材料可以为铬。
步骤380、溶解剩余光刻胶或电子束胶，去除蒸镀于光刻胶或电子束胶上的保护层。
步骤390、以剩余保护层为掩膜，对没有覆盖保护层的介质层进行刻蚀，并去除剩余保护层，以使剩余介质层形成亚波长结构。
可选的，所需出射光的线偏振状态分布由待取向液晶的取向方向确定。由此，可基于待取向液晶的取向方向确定所需出射光的线偏振状态分布，进而制备用于液晶光控取向的液晶光控取向系统，可在亚波长尺度控制液晶分子取向，实现高空间分辨率的液晶光控取向。
另外，本发明还可基于表面等离激元共振原理，通过调整亚波长结构的参数(如长和宽)来提高超构表面的光学反射效率，进而提高线偏振入射光的利用率，减少线偏振入射光的损失。
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、相互结合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。
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