具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的一种温度控制的矢量涡旋光束探测器的Y-Z侧面结构示意图，参考图1，本实施例提供的矢量涡旋光束探测器包括级联的第一液晶盒10和第二液晶盒20；第一液晶盒10包括相对设置的第一基板101、第二基板102以及位于第一基板101和第二基板102之间的温度控制的第一旋向胆甾相液晶层103，第一基板101朝向第二基板102的一侧设置有第一取向层104，第二基板102朝向第一基板101的一侧设置有第二取向层105；第二液晶盒20包括相对设置的第三基板201、第四基板202以及位于第三基板201和第四基板202之间的温度控制的第二旋向胆甾相液晶层203，第三基板201朝向第四基板202的一侧设置有第三取向层204，第四基板202朝向第三基板201的一侧设置有第四取向层205；其中，第一取向层104、第二取向层105、第三取向层204、第四取向层205具备相同的取向方向，第一取向层104、第二取向层105、第三取向层204、第四取向层205具有分子指向矢呈周期性渐变分布的控制图形，控制图形形成多个同心圆环的部分区域，沿同心圆环的半径方向，液晶分子指向矢呈0°-180°周期性渐变分布，以形成基于胆甾相液晶的弯曲渐变光栅。

其中，第一旋向胆甾相液晶层103在第一取向层104和第二取向层105的控制下形成螺旋结构，第二旋向胆甾相液晶层203在第三取向层204和第四取向层205的控制下形成螺旋结构，第一旋向可以为左旋或右旋，第二旋向可以为右旋或左旋，可选的，第一旋向胆甾相液晶层103可以为左旋胆甾相液晶层，第二旋向胆甾相液晶层203可以为右旋胆甾相液晶层，或者第一旋向胆甾相液晶层103可以为右旋胆甾相液晶层，第二旋向胆甾相液晶层203可以为左旋胆甾相液晶层，具体实施时可以根据实际情况选择。第一取向层104、第二取向层105、第三取向层204、第四取向层205可以包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种。这些材料为光控取向材料，可以在紫外线偏振光照射下发生物理或化学反应，产生各向异性的表面作用力，进而诱导液晶分子定向排列。图2为本发明实施例提供的一种弯曲渐变光栅的液晶分子指向矢方向示意图，参考图2，控制图形形成多个同心圆环的部分区域，沿同心圆环的半径方向，液晶分子指向矢呈0°-180°周期性渐变分布，可选的，液晶分子指向矢的分布满足：

α表示液晶分子指向矢的方位角，Λ表示光栅周期，y₀表示控制图形中心(图2所示的图形中心)到同心圆环圆心的相对位移。

继续参考图1，可选的，第一液晶盒10还包括位于第一基板101和第二基板102之间的第一间隔粒子106，第一间隔粒子106用于支撑第一基板101和第二基板102，形成第一旋向胆甾相液晶层103的填充空间；第二液晶盒20还包括位于第三基板201和第四基板202之间的第二间隔粒子206，第二间隔粒子206用于支撑第三基板201和第四基板202，形成第二旋向胆甾相液晶层203的填充空间；其中，沿垂直第一基板101和第二基板102的方向，第一间隔粒子106的延伸长度大于或者等于第一旋向胆甾相液晶层103中液晶分子螺距的10倍，沿垂直第三基板201和第四基板202的方向，第二间隔粒子206的延伸长度大于或者等于第二旋向胆甾相液晶层203中液晶分子螺距的10倍，以形成具有足够反射率的弯曲渐变光栅。

可以理解的是，图1中仅是示例性示出第一间隔粒子106用于支撑第一基板101和第二基板102、第二间隔粒子206用于支撑第三基板201和第四基板202的位置关系而非实际尺寸及比例。可选的，第一间隔粒子106包括石英微球和石英柱中的至少一种，第二间隔粒子206包括石英微球和石英柱中的至少一种，具体实施时可以根据实际情况设计。

示例性的，图3为本发明实施例提供的一种左旋胆甾相液晶的反射带中心波长受温度控制的关系图，图4为本发明实施例提供的一种左旋胆甾相液晶在35.5℃下的反射光谱示意图。参考图3，横坐标代表胆甾相液晶层的温度，单位为摄氏度(℃)；纵坐标代表布拉格反射带的中心波长，单位为纳米(nm)。从图3可以看出，将液晶层从26.7℃升温到35.5℃，中心波长从663nm蓝移到546nm；降温过程可重复该对应关系。参考图4，横坐标代表波长，单位为纳米；纵坐标代表胆甾相液晶层的反射率曲线。从图4可以看出，在528nm-568nm范围内，液晶层反射率接近50％。本发明实施例提供的矢量涡旋光束探测器的温度控制性能，基于上述胆甾相液晶布拉格反射带受温度控制的性质，以及对波长在布拉格反射带内的光束的圆偏振选择性反射。

需要说明的是，图3中仅示例性的示出了一种胆甾相液晶的反射带中心波长受温度控制的关系图，图4中仅示例性的示出了一种胆甾相液晶在一定温度下的反射光谱示意图，但并非对本发明所采用的胆甾相液晶材料的限制。在其他实施方式中，可根据实际需求选择具有其他光学性能的胆甾相液晶材料。

本实施例的技术方案，通过第一基板和第二基板的取向层控制第一液晶盒中的温度控制的第一旋向胆甾相液晶层，通过第三基板和第四基板的取向层控制第二液晶盒中的温度控制的第二旋向胆甾相液晶层，构成一个基于第一旋向胆甾相液晶的弯曲渐变光栅和一个基于第二旋向胆甾相液晶的弯曲渐变光栅。胆甾相液晶具有布拉格反射带：对于波长位于反射带内的光束，胆甾相液晶层反射旋向与液晶层相同的圆偏振分量，透射旋向相反的圆偏振分量；波长位于反射带外的光束，均透射通过胆甾相液晶层。反射的部分经弯曲渐变光栅衍射，形成有若干暗条纹的光斑，其中暗条纹的数目和方向指示涡旋的拓扑荷，由此探测矢量涡旋光相应圆偏振分量；透射的部分通过液晶层，不改变矢量涡旋的性质。通过控制第一液晶盒和第二液晶盒的温度，可以控制第一旋向胆甾相液晶层和第二胆甾相液晶层的反射带。当入射矢量涡旋光束波长位于反射带之内，相应的分量被探测；当矢量涡旋光束波长位于反射带之外，相应的分量无损透过。由此实现探测波段的可调性以及圆偏振分量的选择性探测。

在上述技术方案的基础上，可选的，第一旋向为左旋，第二旋向为右旋时，第一旋向胆甾相液晶层103包括温度控制的左旋胆甾相液晶材料，第二旋向胆甾相液晶层203包括温度控制的右旋胆甾相液晶材料，示例性的，第一旋向胆甾相液晶层103可以包括向列相液晶E7混配左旋手性剂S811，第二旋向胆甾相液晶层203可以包括向列相液晶E7混配右旋手性剂R811，或者第一旋向为右旋，第二旋向为左旋时，第一旋向胆甾相液晶层103包括温度控制的右旋胆甾相液晶材料，第二旋向胆甾相液晶层203包括温度控制的左旋胆甾相液晶材料，示例性的，第一旋向胆甾相液晶层103可以包括向列相液晶E7混配右旋手性剂R811，第二旋向胆甾相液晶层203可以包括向列相液晶E7混配左旋手性剂S811。

图5为本发明实施例提供的一种温度控制的矢量涡旋光束探测装置的结构示意图，参考图5，本实施例包括矢量涡旋光束产生单元1、第一分束单元2、第二分束单元3、第一温度控制单元4、第二温度控制单元5、第一接收屏6、第二接收屏7以及上述实施例提供的任意一种矢量涡旋光束探测器8；矢量涡旋光束产生单元1用于输出待测量的矢量涡旋光束；第一分束单元2设置于矢量涡旋光束产生单元1的输出端，矢量涡旋光束探测器8的第一液晶盒10位于第一分束单元2的第一输出端，第一接收屏6位于第一分束单元2的第二输出端，第一液晶盒10反射的光束经过第一分束单元2后被第一接收屏6接收；第二分束单元3设置于第一液晶盒10和矢量涡旋光束探测器8的第二液晶盒20之间，第二液晶盒20位于第二分束单元3的第一输出端，第二接收屏7位于第二分束单元3的第二输出端，第二液晶盒20反射的光束经过第二分束单元3后被第二接收屏7接收；第一温度控制单元4用于控制第一液晶盒10的温度，以调制第一液晶盒10的布拉格反射带，第二温度控制单元5用于控制第二液晶盒20的温度，以调制第二液晶盒20的布拉格反射带。

示例性的，参考图5，矢量涡旋光束产生单元1包括沿Z轴负方向(Z轴与图1中Z轴同向，垂直于第一基板所在平面的方向)依次设置的激光光源11、偏振片12、第一四分之一波片13、第一q波片14、第二四分之一波片15和第二q波片16，第一分束单元2和第二分束单元3均为分束棱镜；以及位于与Z方向的垂直方向(图5中X方向，与图1中X方向相同)且平行于第一分束单元2的的第一接收屏6、平行于第二分束单元3的第二接收屏7。其中，各光学器件的排列方式仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限定。为了减少杂光，光路中还可以设置第一光阑91和第二光阑92。

其中，激光光源11用于产生激光光束，图5中示例性的以箭头代表光束的传播方向。偏振片12用于将激光光束变成线偏振光，第一四分之一波片13用于将线偏振光变为左旋圆偏振光，经过第一q波片14产生圆偏振的涡旋光束，再经过第二四分之一波片15变为线偏振的涡旋光束，经过第二q波片16变为矢量涡旋光束。该矢量涡旋光束两圆偏振分量的拓扑荷数值，由第一q波片15和第二q波片16的拓扑参数共同决定。矢量涡旋光束一半透过第一分束单元2，照射到第一液晶盒10。当照射在第一液晶盒10上的入射光的波长在第一旋向胆甾相液晶层(本实施例以右旋为例)的布拉格反射带内时，由于胆甾相液晶的圆偏振选择性的布拉格反射作用，其中的右旋圆偏振分量被反射并发生衍射，经第一分束单元2照射到第一接收屏6上，形成第一衍射光斑；透过第一液晶盒10的矢量涡旋光束，一半透过第二分束单元3，照射到第二液晶盒20。同样地，当波长在第二旋向胆甾相液晶层(本实施例以左旋为例)的反射带内时，其中的左旋圆偏振分量被反射并发生衍射，经第二分束单元3照射到第二接收屏7上，形成第二衍射光斑。未被第二液晶盒20反射的部分光束，透射通过探测器。

示例性的，图6为本发明实施例提供的一种矢量涡旋光束的波段可调探测结果示意图。同步控制第一液晶盒10和第二液晶盒20的温度，使其中的右旋胆甾相液晶层和左旋胆甾相液晶层具有相同范围的布拉格反射带，并使反射带包含待探测光束的波长，实现对矢量涡旋光束的波段可调的检测。结合图5和图6，图6中abcd代表图5的第一接收屏上的衍射光斑，图6中efgh代表图5第二接收屏上的衍射光斑。改变入射矢量涡旋光束的波长，依次为633nm(红)、600nm(橙)、580nm(黄)和550nm(绿)，同步控制第一液晶盒10和第二液晶盒20的温度，使左旋胆甾相液晶层和右旋胆甾相液晶层的布拉格反射带均包含对应波长，完整探测对应波长矢量涡旋光束的拓扑荷信息。根据衍射光斑暗条纹的方向和数目，该矢量涡旋光束右旋圆偏振分量的拓扑荷是+2，左旋圆偏振分量的拓扑荷是-2。

需要说明的是，本发明实施例仅示例性的示出了可见光波长范围的波长可调检测，但并非对本发明提供的矢量涡旋光束探测器的限定，在其他实施方式中，根据实际需求，制备合适的胆甾相材料，使本发明提供的矢量涡旋光束探测器适用于不同的波长范围、具备不同的温度调节性。

示例性的，图7为本发明实施例提供的一种矢量涡旋光束的圆偏振分量选择探测结果示意图。参考图7，入射633nm的矢量涡旋光束，其右旋圆偏振分量拓扑荷是-3，左旋圆偏振分量的拓扑荷是+1。第一方面，控制第一液晶盒10为27.7℃，第二液晶盒为35.5℃，使右旋胆甾相液晶层的反射带包含633nm，而左旋胆甾相液晶层的反射带不包含633nm，选择性检测矢量涡旋光右旋圆偏振分量的拓扑荷。图7中a代表图5的第一接收屏上的衍射光斑，可见拓扑荷为-3；图7中b代表图5的第二接收屏上的现象，理想状态下无衍射。此时，右旋圆偏振的分量被检测，左旋圆偏振的分量透射通过探测器，即拓扑荷为+1的涡旋光束。第二方面，控制第一液晶盒10为35.5℃，第二液晶盒20为27.7℃，使左旋胆甾相液晶层的反射带包含633nm，而右旋胆甾相液晶层的反射带不包含633nm，选择性检测矢量涡旋光左旋圆偏振分量的拓扑荷。图7中c代表图5的第一接收屏上的现象，理想状态下无衍射；图7中d代表图5的第二接收屏上的衍射光斑，可见拓扑荷为+1。此时，左旋圆偏振的分量被检测，右旋圆偏振的分量透射通过探测器，即拓扑荷为-3的涡旋光束。

图8为本发明实施例提供的一种温度控制的矢量涡旋光束探测器的制备方法的流程示意图，本实施例可适用于制备上述实施例提供的任意一中矢量涡旋光束探测器，参考图8，该制备方法包括：

步骤S110、提供第一基板、第二基板、第三基板和第四基板，第一基板和第二基板相对设置，第三基板和第四基板相对设置。

其中，第一基板、第二基板、第三基板和第四基板可采用光透过率较高(大于或等于85％)的柔性基板或刚性基板。示例性的，第一基板、第二基板、第三基板和第四基板材料可包括石英玻璃、ITO玻璃或普通玻璃，基板的厚度可为1-2mm。

步骤S120、在第一基板朝向第二基板的一侧形成第一取向层，在第二基板朝向第一基板的一侧形成第二取向层，在第三基板朝向第四基板的一侧形成第三取向层，在第四基板朝向第三基板的一侧形成第四取向层。

可选的，在第一基板朝向第二基板的一侧形成第一取向层，在第二基板朝向第一基板的一侧形成第二取向层，在第三基板朝向第四基板的一侧形成第三取向层，在第四基板朝向第三基板的一侧形成第四取向层，包括：

将取向材料旋涂在第一基板朝向第二基板的一侧、第二基板朝向第一基板的一侧、第三基板朝向第四基板的一侧以及第四基板朝向第三基板的一侧；

对旋涂有取向材料的第一基板、第二基板、第三基板和第四基板进行退火，形成具有相同取向方向的第一取向层、第二取向层、第三取向层和第四取向层。

示例性的，旋涂工艺可包括：首先调节转速为600-900转/分钟，控制第一旋涂时间为5-10秒，使取向材料在被旋涂的基板表面分布均匀；而后调节转速至2500-3500转/分钟，控制第二旋涂时间为30-50秒，使取向材料涂开。

退火工艺可包括：退火氛围为空气中，退火温度为80-120℃，退火时间为8-12分钟。

需要说明的是，上述转速及旋涂时间仅为示例性的说明，在其他实施方式中，可根据实际需求调节转速及旋涂时间，使得取向膜可控制胆甾相液晶分子取向即可。

步骤S130、在第一基板和第二基板之间制备温度控制的第一旋向胆甾相液晶层，形成第一液晶盒，在第三基板和第四基板之间制备温度控制的第二旋向胆甾相液晶层，形成第二液晶盒。

步骤S140、级联第一液晶盒和第二液晶盒，形成矢量涡旋光束探测器。

其中，第一取向层、第二取向层、第三取向层、第四取向层具备相同的取向方向，第一取向层、第二取向层、第三取向层、第四取向层具有分子指向矢呈周期性渐变分布的控制图形，控制图形形成多个同心圆环的部分区域，沿同心圆环的半径方向，液晶分子指向矢呈0°-180°周期性渐变分布，以形成基于胆甾相液晶的弯曲渐变光栅。示例性的，弯曲渐变光栅的周期可以是100μm，图形中心与曲率中心的位移是1.6mm(向Y轴正方向位移)。

可选的，在第一基板和第二基板之间制备温度控制的第一旋向胆甾相液晶层，形成第一液晶盒，在第三基板和第四基板之间制备温度控制的第二旋向胆甾相液晶层，形成第二液晶盒之前，还包括：

在第一基板和第二基板之间形成第一间隔粒子，在第三基板和第四基板之间形成第二间隔粒子；

其中，沿垂直第一基板和第二基板的方向，第一间隔粒子的延伸长度大于或者等于第一旋向胆甾相液晶层中液晶分子螺距的10倍，沿垂直第三基板和第四基板的方向，第二间隔粒子的延伸长度大于或者等于第二旋向胆甾相液晶层中液晶分子螺距的10倍。可选的，第一间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种，第二间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种，具体实施时可以根据实际情况设计。

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。