本發(fā)明屬于光束操控整形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)功能化薄膜、其制備方法及光路系統(tǒng)和光束整形方法。

背景技術(shù)：

光路是由一系列光學(xué)元件組成，以實現(xiàn)某種特定的功能，如：成像，光學(xué)測量以及光波前調(diào)控等。在光學(xué)與光子學(xué)領(lǐng)域，無論是用于研究還是用于商業(yè)應(yīng)用，光路都是最基本的需求?，F(xiàn)有的光路主要分為兩種：自由光路和基于硅基光子學(xué)的硅基集成光路。自由光路由一系列獨立的光學(xué)元件組成，每個元件可以獨立調(diào)整。硅基集成光路由一系列集成在硅片上的微小光學(xué)元件組成，用以實現(xiàn)特定功能。但二者均面臨諸多問題：自由光路體積龐大，成本昂貴；硅基集成光路制備工藝復(fù)雜，且只能實現(xiàn)特定功能，其所集成的光學(xué)元件不可替換以及調(diào)整。如果可以結(jié)合兩者的優(yōu)點，光學(xué)系統(tǒng)將更為簡單高效，成本降低，且應(yīng)用范圍可得到大大拓展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)功能化薄膜、其制備方法及光路系統(tǒng)和光束整形方法。本發(fā)明提供的光學(xué)功能化薄膜體積小，質(zhì)量輕，具有良好的柔性和延展性，可重復(fù)使用；其制備工藝簡單；基于該光學(xué)功能化薄膜的光路系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對光束的整形操控，除了具有光學(xué)功能化薄膜本身的優(yōu)點之外，還具有可重構(gòu)的優(yōu)點。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明提供一種光學(xué)功能化薄膜，包括：

光學(xué)透明襯底和設(shè)置在光學(xué)透明襯底一面的液晶聚合物薄膜，液晶聚合物薄膜中液晶聚合物的分子在光學(xué)透明襯底的表面上具有預(yù)設(shè)指向。

液晶聚合物薄膜的分子指向可以根據(jù)光學(xué)功能化薄膜的功能進行預(yù)設(shè)，例如可以是單一指向或中心對稱指向。

優(yōu)選地，液晶聚合物薄膜通過光學(xué)透明膠粘附在光學(xué)透明襯底上。

第二方面，本發(fā)明提供一種上述光學(xué)功能化薄膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)在透明基板的一側(cè)制備得到光控取向膜；

(2)對步驟(1)得到的具有光控取向膜的玻璃基板進行多步重疊曝光，得到具有預(yù)設(shè)取向的光控取向膜；

(3)在步驟(2)得到的具有預(yù)設(shè)取向的光控取向膜上旋涂液晶聚合物前體溶液，退火，形成液晶聚合物前體薄膜；

(4)對液晶聚合物前體薄膜進行紫外光照射，使液晶聚合物前體發(fā)生交聯(lián)，形成液晶聚合物薄膜；

(5)將液晶聚合物薄膜轉(zhuǎn)移至光學(xué)透明襯底上，得到光學(xué)功能化薄膜。

優(yōu)選地，為增加光控取向膜與透明基板的浸潤性和粘附性，在步驟(1)之前，對透明基板進行預(yù)處理：將透明基板用洗液超聲清洗20-40分鐘(例如可以是20分鐘、23分鐘、25分鐘、28分鐘、30分鐘、33分鐘、35分鐘、38分鐘或40分鐘)，再用超純水超聲清洗兩次，每次各8-10分鐘(例如可以是8分鐘、8.3分鐘、8.5分鐘、8.8分鐘、9分鐘、9.3分鐘、9.5分鐘、9.8分鐘或10分鐘)，然后在100-120℃(例如可以是100℃、103℃、105℃、108℃、110℃、113℃、115℃、118℃或120℃)烘箱中烘干40-60分鐘(例如可以是40分鐘、43分鐘、45分鐘、48分鐘、50分鐘、53分鐘、55分鐘、58分鐘或60分鐘)，最后進行紫外光臭氧(UVO)清洗30-45分鐘(例如可以是30分鐘、33分鐘、35分鐘、38分鐘、40分鐘、43分鐘或45分鐘)。

優(yōu)選地，洗液為丙酮和/或酒精。

優(yōu)選地，步驟(1)中制備光控取向膜的方法為：在透明基板的一側(cè)旋涂光控取向劑，退火，得到光控取向膜；

優(yōu)選地，旋涂光控取向劑的方法為：用旋涂儀在500-800轉(zhuǎn)/分鐘(例如可以是500轉(zhuǎn)/分鐘、550轉(zhuǎn)/分鐘、600轉(zhuǎn)/分鐘、650轉(zhuǎn)/分鐘、700轉(zhuǎn)/分鐘、750轉(zhuǎn)/分鐘或800轉(zhuǎn)/分鐘)的轉(zhuǎn)速下旋涂5-10秒(例如可以是5秒、6秒、7秒、8秒、9秒或10秒)，然后在2500-3500轉(zhuǎn)/分鐘(例如可以是2500轉(zhuǎn)/分鐘、2800轉(zhuǎn)/分鐘、3000轉(zhuǎn)/分鐘、3300轉(zhuǎn)/分鐘或3500轉(zhuǎn)/分鐘)的轉(zhuǎn)速下旋涂50-60秒(例如可以是50秒、51秒、52秒、53秒、54秒、55秒、56秒、57秒、58秒、59秒或60秒)。

優(yōu)選地，制備光控取向膜的方法中退火的溫度為100-120℃(例如可以是100℃、103℃、105℃、108℃、110℃、113℃、115℃、118℃或120℃)，退火的時間為10-12分鐘(例如可以是10分鐘、10.3分鐘、10.5分鐘、10.8分鐘、11分鐘、11.3分鐘、11.5分鐘、11.8分鐘或12分鐘)。

優(yōu)選地，步驟(2)中多步重疊曝光包括如下步驟：

采用無掩模動態(tài)投影曝光系統(tǒng)，根據(jù)曝光次序，選擇對應(yīng)的曝光圖形，以及對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向，依次進行曝光：

計算獲得光控取向膜的指向矢方向在一個圓周內(nèi)的分布，指向矢方向在一個圓周內(nèi)0°-180°變化。一個圓周內(nèi)每個0°-180°變化的區(qū)域被平均分成18個子區(qū)域，并被賦予一個單一的方向，從0°到170°，間隔10°。然后，將方向為0°的子區(qū)域與相鄰的4個子區(qū)域(-20°到20°，共5個子區(qū)域)組合成第一曝光圖形。隨后的曝光圖形相對于前一個曝光圖形，5個子區(qū)域沿順時針方向移過一個子區(qū)域。以此類推，獲得第二到第十八曝光圖形。第一次曝光時，采用無掩模動態(tài)投影曝光系統(tǒng)選擇第一曝光圖形。第一次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向為0°。第一次曝光完成后，更換第二曝光圖形。對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向相對于第一次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向順時針轉(zhuǎn)過10°，為10°。以此類推，每次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向相對于前一次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向順時針轉(zhuǎn)過10°。最后，在經(jīng)歷18次曝光過程后，所有區(qū)域均被曝光五次，光控取向膜的指向矢方向介于所經(jīng)歷的多次曝光的偏振角度的中間態(tài)。由于曝光圖形中心對稱，因此，多步重疊曝光后，光控取向膜上會產(chǎn)生形成排布漸變且呈中心對稱的取向。

光控取向膜具體的取向結(jié)構(gòu)由多步重疊曝光的方法控制，光控取向膜的取向決定最終液晶聚合物薄膜中液晶聚合物的分子指向。

優(yōu)選地，液晶聚合物前體溶液的溶劑為有機溶劑，優(yōu)選為甲苯、苯甲醚或丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)。

優(yōu)選地，液晶聚合物前體溶液中液晶聚合物前體的質(zhì)量百分含量為20-30％(例如可以是20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％)。

優(yōu)選地，液晶聚合物前體為大日本油墨(DIC)公司生產(chǎn)的UCL-017。

優(yōu)選地，步驟(3)中旋涂液晶聚合物前體溶液的方法為：用旋涂儀在2500-3500轉(zhuǎn)/分鐘(例如可以是2500轉(zhuǎn)/分鐘、2800轉(zhuǎn)/分鐘、3000轉(zhuǎn)/分鐘、3300轉(zhuǎn)/分鐘或3500轉(zhuǎn)/分鐘)的轉(zhuǎn)速下旋涂40-60秒(例如可以是40秒、43秒、45秒、48秒、50秒、53秒、55秒、58秒或60秒)。

液晶聚合物前體薄膜的厚度可以通過調(diào)整旋涂液晶聚合物前體溶液的轉(zhuǎn)速和液晶聚合物前體溶液的濃度進行控制。

優(yōu)選地，步驟(3)中退火的溫度為80-100℃(例如可以是80℃、83℃、85℃、88℃、90℃、93℃、95℃、98℃或100℃)，退火的時間為1-2分鐘(例如可以是1分鐘、1.1分鐘、1.2分鐘、1.3分鐘、1.4分鐘、1.5分鐘、1.6分鐘、1.7分鐘、1.8分鐘、1.9分鐘或2分鐘)。

優(yōu)選地，步驟(4)中紫外光照射的時間為2-3分鐘(例如可以是2分鐘、2.1分鐘、2.2分鐘、2.3分鐘、2.4分鐘、2.5分鐘、2.6分鐘、2.7分鐘、2.8分鐘、2.9分鐘或3分鐘)，紫外光的功率為12-15mW/cm²(例如可以是12mW/cm²、12.3mW/cm²、12.5mW/cm²、12.8mW/cm²、13mW/cm²、13.3mW/cm²、13.5mW/cm²、13.8mW/cm²、14mW/cm²、14.3mW/cm²、14.5mW/cm²、14.8mW/cm²或15mW/cm²)。

第三方面，本發(fā)明提供一種光路系統(tǒng)，包括依次層疊的至少兩個上述光學(xué)功能化薄膜，相鄰的光學(xué)功能化薄膜依靠靜電力吸附保持相對位置。

第四方面，本發(fā)明提供一種光束整形方法，使用上述光路系統(tǒng)，對光束的波前進行操控，以產(chǎn)生設(shè)定光束。

可根據(jù)入射光的波長、偏振方向和具體的光路系統(tǒng)，產(chǎn)生設(shè)定的出射光，例如可以是矢量渦旋光束或發(fā)生偏折的光束。

進一步地，使用上述光路系統(tǒng)，對光束的波前進行操控，以產(chǎn)生矢量渦旋光束。

進一步地，使用上述光路系統(tǒng)，對光束的波前進行操控，以產(chǎn)生設(shè)定偏折角度的光束。

使用本發(fā)明提供的光路系統(tǒng)，可以獲得偏折角度在-40°～+40°(例如可以是-40°、-30°、-20°、-10°、0°、+10°、+20°、+30°或+40°)范圍內(nèi)的光束。

需要指出的是，這里負(fù)號“-”是相對于正號“+”而言的，表示光偏折的方向相反，而不是代表數(shù)值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的光學(xué)功能化薄膜包括光學(xué)透明襯底和設(shè)置在光學(xué)透明襯底一面的液晶聚合物薄膜。其體積小，質(zhì)量輕，成本低，具有良好的柔性和延展性，可重復(fù)使用，且其制備工藝簡單。

本發(fā)明提供的光路系統(tǒng)包括依次層疊的至少兩個上述光學(xué)功能化薄膜，能夠?qū)崿F(xiàn)對光束的整形操控。相較于自由光路系統(tǒng)，其具有體積小，質(zhì)量輕，成本低的優(yōu)點，且因良好的柔性和延展性而能與任意曲面光學(xué)元件貼合，應(yīng)用范圍廣泛；此外，由于相鄰的光學(xué)功能化薄膜是依靠靜電力這種較弱的力吸附保持相對位置，使得光學(xué)功能化薄膜容易從光路系統(tǒng)中取下，所以本發(fā)明提供的光路系統(tǒng)相較于集成光路系統(tǒng)，還具可重構(gòu)的優(yōu)點。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明實施例1提供的光學(xué)功能化薄膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1b為本發(fā)明實施例1提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖；

圖1c為本發(fā)明實施例1提供的光學(xué)功能化薄膜的正交偏光顯微圖；

圖2為本發(fā)明實施例2提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖；

圖3a為本發(fā)明實施例3提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖；

圖3b為本發(fā)明實施例3提供的光學(xué)功能化薄膜的正交偏光顯微圖；

圖4a為本發(fā)明實施例4提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖；

圖4b為本發(fā)明實施例4提供的光學(xué)功能化薄膜的正交偏光顯微圖；

圖5a為本發(fā)明實施例5提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖；

圖5b為本發(fā)明實施例5提供的光學(xué)功能化薄膜的正交偏光顯微圖；

圖6a為本發(fā)明實施例6提供的光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6b為本發(fā)明實施例6提供的光路系統(tǒng)的正交偏光顯微圖；

圖7a為本發(fā)明實施例7提供的光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7b為本發(fā)明實施例7提供的光路系統(tǒng)的正交偏光顯微圖；

圖8a為本發(fā)明實施例8中入射光經(jīng)過第一光學(xué)功能化薄膜后產(chǎn)生的渦旋光束的光強分布圖，其中圖A為無檢偏器時光束的光強分布圖，圖B為無檢偏器時光束經(jīng)過柱透鏡后的光強分布圖；

圖8b為本發(fā)明實施例8中入射光經(jīng)過第二光學(xué)功能化薄膜后產(chǎn)生的具有線偏振的渦旋光束的光強分布圖，其中圖A為檢偏器為水平方向時光束的光強分布圖，圖B為檢偏器為豎直方向時光束的光強分布圖；

圖8c為本發(fā)明實施例8提供的光束整形方法產(chǎn)生的矢量渦旋光束的光強分布圖，其中圖A為無檢偏器時光束的光強分布圖，圖B為檢偏器為水平方向時光束的光強分布圖，圖C為檢偏器與水平方向呈45°夾角時光束的光強分布圖；

圖9為本發(fā)明實施例9提供的光束整形方法產(chǎn)生的矢量渦旋光束的光強分布圖，其中圖A為無檢偏器時光束的光強分布圖，圖B為檢偏器為水平方向時光束的光強分布圖，圖C為檢偏器與水平方向呈45°夾角時光束的光強分布圖；

圖10a為本發(fā)明實施例10使用的光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10b為本發(fā)明實施例10中光束偏折的原理圖；

圖10c為本發(fā)明實施例10中光束偏折疊加的原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。

實施例1

本實施例提供一種光學(xué)功能化薄膜。

圖1a為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1a所示，本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜包括：光學(xué)透明襯底11和設(shè)置在光學(xué)透明襯底11一面的液晶聚合物薄膜12。需要指出的是，圖1a中并未示出液晶聚合物薄膜的分子指向，包含具有任意分子指向的液晶聚合物薄膜的光學(xué)功能化薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖均可由圖1a表示。

本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜的制備方法如下：

(1)對透明基板進行預(yù)處理：將玻璃基板用酒精和丙酮的混合洗液超聲清洗30分鐘，再用超純水超聲清洗兩次，每次各10分鐘，然后在120℃烘箱中烘干40分鐘，最后進行UVO清洗30分鐘；

(2)在預(yù)處理后透明基板的一側(cè)旋涂光控取向劑，旋涂方法為：用旋涂儀在600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋涂5秒，然后在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋涂60秒，然后在100℃下退火10分鐘，在透明基板上形成光控取向膜；

(3)對步驟(2)得到的透明基板上的光控取向膜進行多步重疊曝光，得到具有預(yù)設(shè)取向的光控取向膜；

其中，多步重疊曝光的步驟為：

光控取向膜的指向矢方向在一個圓周內(nèi)0°-180°的變化次數(shù)為2。計算獲得光控取向膜的指向矢方向在一個圓周內(nèi)的分布。一個圓周內(nèi)每個0°-180°變化的區(qū)域被平均分成18個子區(qū)域，并被賦予一個單一的方向，從0°到170°，間隔10°。然后，將方向為0°的子區(qū)域與相鄰的4個子區(qū)域(-20°到20°，共5個子區(qū)域)組合成第一曝光圖形。隨后的曝光圖形相對于前一個曝光圖形，5個子區(qū)域沿順時針方向移過一個子區(qū)域。以此類推，獲得第二到第十八曝光圖形。第一次曝光時，采用無掩模動態(tài)投影曝光系統(tǒng)選擇第一曝光圖形。第一次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向為0°。第一次曝光完成后，更換第二曝光圖形。對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向相對于第一次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向順時針轉(zhuǎn)過10°，為10°。以此類推，每次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向相對于前一次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向順時針轉(zhuǎn)過10°。最后，在經(jīng)歷18次曝光過程后，所有區(qū)域均被曝光五次，光控取向膜的指向矢方向介于所經(jīng)歷的多次曝光的偏振角度的中間態(tài)。由于曝光圖形中心對稱，因此，多步重疊曝光后，光控取向膜上會產(chǎn)生形成排布漸變且呈中心對稱的取向；

(4)在步驟(3)得到的具有預(yù)設(shè)取向的光控取向膜上旋涂質(zhì)量百分含量為23％的液晶聚合物前體的甲苯溶液，旋涂方法為：用旋涂儀在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋涂40秒，然后在80℃下退火1分鐘，形成液晶聚合物前體薄膜；

(5)將步驟(4)得到的液晶聚合物前體薄膜用紫外光照射2分鐘，紫外光功率為13mW/cm²，使液晶聚合物前體發(fā)生交聯(lián)，形成液晶聚合物薄膜；

(6)將液晶聚合物薄膜轉(zhuǎn)移至光學(xué)透明襯底上，得到光學(xué)功能化薄膜。

圖1b為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖。如圖1b所示，液晶聚合物分子指向在一個圓周內(nèi)連續(xù)變化。

圖1c為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜的正交偏光顯微圖。圖1c中液晶聚合物分子指向與檢偏器平行或垂直的區(qū)域最暗，與檢偏器呈45°夾角的區(qū)域最亮，整體呈亮暗交替漸變。

本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜體積小，質(zhì)量輕，成本低，具有良好的柔性和延展性，可重復(fù)使用，且其制備工藝簡單。

實施例2

本實施例提供一種光學(xué)功能化薄膜，與實施例1的區(qū)別在于，曝光的步驟為：

使用單一偏振方向的誘導(dǎo)光對光控取向膜上所有區(qū)域進行曝光。誘導(dǎo)光強度為10mW/cm²，曝光時間為10分鐘。達(dá)到足夠的曝光劑量使光控取向膜的指向矢方向排布達(dá)到穩(wěn)定排列。

圖2為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖。如圖2所示，液晶聚合物分子具有單一指向。

本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜在正交偏光顯微鏡下呈現(xiàn)均勻一色。

本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜體積小，質(zhì)量輕，成本低，具有良好的柔性和延展性，可重復(fù)使用，且其制備工藝簡單。

實施例3

本實施例提供一種光學(xué)功能化薄膜，與實施例1的區(qū)別在于：

光控取向膜的指向矢方向在一個圓周內(nèi)0°-180°的變化次數(shù)為8。計算獲得光控取向膜的指向矢方向在一個圓周內(nèi)的分布，在實施例1的基礎(chǔ)上重新確定多步重疊曝光圖形。

圖3a為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖。

圖3b為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜的正交偏光顯微圖。圖3b中液晶聚合物分子指向與檢偏器平行或垂直的區(qū)域最暗，與檢偏器呈45°的區(qū)域最亮，整體呈亮暗交替漸變。

本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜體積小，質(zhì)量輕，成本低，具有良好的柔性和延展性，可重復(fù)使用，且其制備工藝簡單。

實施例4

本實施例提供一種光學(xué)功能化薄膜，與實施例1的區(qū)別在于：

光控取向膜的指向矢方向在一個圓周內(nèi)0°-180°的變化次數(shù)為12。計算獲得光控取向膜的指向矢方向在一個圓周內(nèi)的分布，在實施例1的基礎(chǔ)上重新確定多步重疊曝光圖形。

圖4a為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖。

圖4b為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜的正交偏光顯微圖。圖4b中液晶聚合物分子指向與檢偏器平行或垂直的區(qū)域最暗，與檢偏器呈45°的區(qū)域最亮，整體呈亮暗交替漸變。

實施例5

本實施例提供一種光學(xué)功能化薄膜，與實施例1的區(qū)別在于：

光控取向膜的指向矢方向在水平方向上在0°-180°內(nèi)周期變化，在豎直方向上保持不變。計算獲得光控取向膜的指向矢方向在一個平面內(nèi)的分布，在實施例1的基礎(chǔ)上重新確定多步重疊曝光圖形。

圖5a為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜中液晶聚合物的分子指向示意圖，如圖5a所示，液晶聚合物分子指向在x方向上在0°-180°內(nèi)周期變化，在y方向上保持不變。

圖5b為本實施例提供的光學(xué)功能化薄膜的正交偏光顯微圖。圖5b中液晶聚合物分子指向與檢偏器平行或垂直的區(qū)域最暗，與檢偏器呈45°的區(qū)域最亮，整體呈亮暗交替漸變。

實施例6

本實施例提供一種光路系統(tǒng)。

圖6a為本實施例提供的光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6a所示，本實施例提供的光路系統(tǒng)包括依次層疊的第一光學(xué)功能化薄膜61，第二光學(xué)功能化薄膜62和第三光學(xué)功能化薄膜63，第二光學(xué)功能化薄膜62中液晶聚合物分子的指向相對第三光學(xué)功能化薄膜63中液晶聚合物分子指向為0°的方向(圖6a中的水平方向)呈45°夾角，相鄰的光學(xué)功能化薄膜依靠靜電力吸附保持相對位置；

其中第一光學(xué)功能化薄膜61為實施例1提供的光學(xué)功能化薄膜，第二光學(xué)功能化薄膜62為實施例2提供的光學(xué)功能化薄膜，第三光學(xué)功能化薄膜63為實施例3提供的光學(xué)功能化薄膜。

需要說明的是，圖6a中三個光學(xué)功能化薄膜之間是緊密貼合的，圖中所示間距只是為了方便說明本實施例提供的光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖6b為本實施例提供的光路系統(tǒng)的正交偏光顯微圖。

本實施例提供的光路系統(tǒng)相較于自由光路系統(tǒng)，具有體積小，質(zhì)量輕，成本低的優(yōu)點，且因良好的柔性和延展性而能與任意曲面光學(xué)元件貼合，應(yīng)用范圍廣泛；此外，由于相鄰的光學(xué)功能化薄膜是依靠靜電力這種較弱的力吸附保持相對位置，使得光學(xué)功能化薄膜容易從光路系統(tǒng)中取下，所以本實施例提供的光路系統(tǒng)所以其相較于集成光路系統(tǒng)，還具可重構(gòu)的優(yōu)點。

實施例7

本實施例提供一種光路系統(tǒng)。

圖7a為本實施例提供的光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7a所示，本實施例提供的光路系統(tǒng)與實施例6的區(qū)別在于：

在實施例6的基礎(chǔ)上，將第一光學(xué)功能化薄膜61與第三光學(xué)功能化薄膜63從光路系統(tǒng)中取下，在原本第一光學(xué)功能化薄膜61處粘貼第四光學(xué)功能化薄膜71，在原本第三光學(xué)功能化薄膜63處粘貼第一光學(xué)功能化薄膜61；

其中，第四光學(xué)功能化薄膜71為實施例4提供的光學(xué)功能化薄膜。

需要說明的是，圖7a中三個光學(xué)功能化薄膜之間是緊密貼合的，圖中所示間距只是為了方便說明本實施例提供的光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖7b為本實施例提供的光路系統(tǒng)的正交偏光顯微圖。

本實施例提供的光路系統(tǒng)相較于自由光路系統(tǒng)，具有體積小，質(zhì)量輕，成本低的優(yōu)點，且因良好的柔性和延展性而能與任意曲面光學(xué)元件貼合，應(yīng)用范圍廣泛；此外，由于相鄰的光學(xué)功能化薄膜是依靠靜電力這種較弱的力吸附保持相對位置，使得光學(xué)功能化薄膜容易從光路系統(tǒng)中取下，所以本實施例提供的光路系統(tǒng)相較于集成光路系統(tǒng)，還具可重構(gòu)的優(yōu)點。

實施例8

本實施例提供一種光束整形方法。

本實施例以左旋圓偏振作為入射光，光束依次通過實施例6提供的光路系統(tǒng)的第一光學(xué)功能化薄膜61，第二光學(xué)功能化薄膜62和第三光學(xué)功能化薄膜63，出射光為拓?fù)浜藶?，偏振級次為8的矢量渦旋光束。

第一光學(xué)功能化薄膜61中的液晶聚合物分子指向在一個圓周內(nèi)0°-180°變化，變化次數(shù)與矢量渦旋光束的渦旋拓?fù)浜藬?shù)相同；第一光學(xué)功能化薄膜61的位相延遲滿足入射光為633nm的二分之一波長條件。

第二光學(xué)功能化薄膜62中的液晶聚合物分子具有單一指向，第二光學(xué)功能化薄膜62的位相延遲滿足入射光為633nm的四分之一波長條件。

第三光學(xué)功能化薄膜63中的液晶聚合物分子指向在一個圓周內(nèi)0°-180°變化，變化次數(shù)與矢量渦旋光束的偏振級次相同；第三光學(xué)功能化薄膜63的位相延遲滿足入射光為633nm的二分之一波長條件。

本實施例中光束的光強分布通過電荷耦合(CCD)相機拍攝，在CCD相機前設(shè)置檢偏器，可用來檢測光束的偏振狀態(tài)。

當(dāng)入射光經(jīng)過第一光學(xué)功能化薄膜61后，產(chǎn)生拓?fù)浜藶?的渦旋光。圖8a為本實施例中入射光經(jīng)過第一光學(xué)功能化薄膜61后產(chǎn)生的渦旋光束的光強分布圖，其中圖A為無檢偏器時光束的光強分布圖，圖B為無檢偏器時光束經(jīng)過柱透鏡后的光強分布圖。如圖8a中圖A所示，當(dāng)入射光經(jīng)過第一光學(xué)功能化薄膜61后，產(chǎn)生典型的圓環(huán)狀光強分布，表明產(chǎn)生渦旋光束；如圖8a中圖B所示，通過柱透鏡法驗證光束的拓?fù)浜藶?。

當(dāng)渦旋光通過第二光學(xué)功能薄膜62后，圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)榱司€偏振。圖8b為本實施例中入射光經(jīng)過第二光學(xué)功能化薄膜62后產(chǎn)生的具有線偏振的渦旋光束的光強分布圖，其中圖A為檢偏器為水平方向時光束的光強分布圖，圖B為檢偏器為豎直方向時光束的光強分布圖。如圖8b中圖A所示，當(dāng)檢偏器水平時，光束依舊保持典型的圓環(huán)狀光強分布，如圖8b中圖B所示，旋轉(zhuǎn)檢偏器，當(dāng)轉(zhuǎn)過角度為90°時，無透射光，證明圓偏振已完全變?yōu)榱司€偏振。

當(dāng)線偏振的渦旋光通過第三光學(xué)功能薄膜63后，線偏振渦旋光束變?yōu)榱耸噶繙u旋光束。圖8c為本實施例提供的光束整形方法產(chǎn)生的矢量渦旋光束的光強分布圖。其中圖A為無檢偏器時光束的光強分布圖，顯示出典型的圓環(huán)狀光強分布，表明產(chǎn)生矢量渦旋光束；圖B為檢偏器為水平方向時光束的光強分布圖，圖B中亮點為光束中偏振方向與檢偏器平行的部分，數(shù)量為偏振級次的兩倍，表明入射光束完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浜藶?，偏振級次為8的矢量渦旋光束；圖C為檢偏器與水平方向呈45°夾角時光束的光強分布圖，圖C中亮點隨檢偏器的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，表明產(chǎn)生矢量渦旋光束。

實施例9

本實施例提供一種光束整形方法。

本實施例以左旋圓偏振作為入射光，光束依次通過實施例7提供的光路系統(tǒng)的第四光學(xué)功能化薄膜71，第二光學(xué)功能化薄膜62和第一光學(xué)功能化薄膜61，出射光為拓?fù)浜藶?2，偏振級次為2的矢量渦旋光束。

第一光學(xué)功能化薄膜61中的液晶聚合物分子指向在一個圓周內(nèi)0°-180°變化，變化次數(shù)與矢量渦旋光束的偏振級次相同。因此，本發(fā)明提供的光學(xué)功能化薄膜既可以作為矢量渦旋光束的渦旋產(chǎn)生組件，也可以作為矢量渦旋光束的矢量產(chǎn)生組件。

第四光學(xué)功能化薄膜71中的液晶聚合物分子指向在一個圓周內(nèi)0°-180°變化，變化次數(shù)與矢量渦旋光束的渦旋拓?fù)浜藬?shù)相同。

本實施例中光束的光強分布通過電荷耦合(CCD)相機拍攝，在CCD相機前設(shè)置檢偏器，可用來檢測光束的偏振狀態(tài)。

圖9為本實施例提供的光束整形方法產(chǎn)生的矢量渦旋光束的光強分布圖。其中圖A為無檢偏器時光束的光強分布圖，顯示出典型的圓環(huán)狀光強分布，表明產(chǎn)生矢量渦旋光束；圖B為檢偏器為水平方向時光束的光強分布圖，圖B中亮點為光束中偏振方向與檢偏器平行的部分，數(shù)量為偏振級次的兩倍，表明入射光束完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浜藶?2，偏振級次為2的矢量渦旋光束；圖C為檢偏器與水平方向呈45°夾角時光束的光強分布圖，圖C中亮點隨檢偏器的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，表明產(chǎn)生矢量渦旋光束。

實施例10

本實施例提供一種光束整形方法，使用光路系統(tǒng)，對光束的波前進行操控，以產(chǎn)生設(shè)定偏折角度的光束。

本實施例使用的光路系統(tǒng)中光學(xué)功能化薄膜地層疊次序如圖10a所示，包括多個依次層疊的光束偏折功能薄膜組101，光束偏折功能薄膜組101由第五光學(xué)功能化薄膜1011與第六光學(xué)功能化薄膜1012構(gòu)成，第五光學(xué)功能化薄膜1011和第六光學(xué)功能化薄膜1012之間以任意相對角度疊加。

其中，第五光學(xué)功能化薄膜1011為實施例5提供的光學(xué)功能化薄膜。如圖5a所示，液晶聚合物分子指向在x方向上在0°-180°內(nèi)周期變化。變化周期由所需光束偏折角度決定，變化周期滿足公式Λ＝λ/sinθ，其中Λ為變化周期(在數(shù)值上等于光柵周期)，λ為入射光波長，θ為光束偏折角度。第五光學(xué)功能化薄膜1011的位相延遲滿足入射光為633nm的二分之一波長條件。

第六光學(xué)功能化薄膜1012為實施例2提供的光學(xué)功能化薄膜，第六光學(xué)功能化薄膜的位相延遲滿足入射光為633nm的二分之一波長條件。

本實施例以左旋圓偏振作為入射光，入射光依次經(jīng)過第五光學(xué)功能化薄膜1011和第六光學(xué)功能化薄膜1012。光束偏折原理如圖10b所示，當(dāng)入射光經(jīng)過第五光學(xué)功能化薄膜1011后，入射光的偏振態(tài)由左旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振，同時，光束的傳播方向偏折角度θ；當(dāng)光束經(jīng)過第六光學(xué)功能化薄膜1012后，光束的偏振態(tài)由右旋圓偏振轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振，但傳播方向不變。入射光在通過一組光束偏折功能薄膜組101后，轉(zhuǎn)變?yōu)槠穹较虿蛔?，而傳播方向偏折角度θ的出射光?/p>

圖10c為本實施例提供的光束偏折疊加原理圖。如圖10c所示，從左至右，入射光依次經(jīng)過本實施例使用的光路系統(tǒng)中的多個光束偏折功能薄膜組。入射光經(jīng)過第一個光束偏折功能薄膜組后，在不改變偏振態(tài)的同時，光束的傳播方向偏折角度θ₁，出射光通過第二個光束偏折功能薄膜組后，光束的傳播方向偏折角度θ₁+θ₂，以此類推，當(dāng)光束通過第n個光束偏折功能薄膜組后，光束的傳播方向偏折角度θ₁+θ₂……+θ_n。

通過增加或減少層疊的光束偏折功能薄膜組的數(shù)量和/或替換具有不同光柵周期的光束偏折功能薄膜組，可以獲得偏折角度在-40°～+40°范圍內(nèi)的光束。

需要說明的是，圖10b中第五光學(xué)功能化薄膜1011和第六光學(xué)功能化薄膜1012之間，圖10c中多個光束偏折功能薄膜組之間是緊密貼合的，圖中所示間距只是為了方便說明光束的偏折。

申請人聲明，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。