CN116224667A - 可调液晶全息器件及其制备方法、全息光场调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种可调液晶全息器件及其制备方法、全息光场调制装置。可调液晶全息器件包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间层叠设置的第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层；第一基板设置有第一取向层，第二基板设置有第二取向层，第一取向层和第二取向层均具备可改写的取向方向；第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向；第一基板与第二基板之间设有间隔子。本发明实施例提供的可调液晶全息器件可以对两种手性的圆偏振光进行独立的几何相位调制，实现动态可调的双通道全息显示，以提高全息器件的复用维度和灵活性。

Description

可调液晶全息器件及其制备方法、全息光场调制装置

技术领域

本发明涉及液晶微结构操控和光场调控技术领域，尤其涉及一种可调液晶全息器件及其制备方法、全息光场调制装置。

背景技术

近年来，光场调控技术不断发展，在显示、通讯、天文观测、安全等领域得到广泛应用。其中，全息技术一直都是该技术领域的研究热点，在光学显示、信息加密等应用场景中展现出巨大潜力。伴随着现代光子技术的集成化发展趋势，多通道、高效率、易于集成且动态可调的全息器件是人们迫切需要的。

传统全息器件主要基于全息干板、空间光调制器、超构表面等体系，可实现多样化的全息显示。不过，它们大多存在不可调、单通道或效率受限等局限性。这限制了全息技术的发展。

发明内容

本发明实施例提供了一种可调液晶全息器件及其制备方法、全息光场调制装置，该可调液晶全息器件可以对两种手性的圆偏振光进行独立的几何相位调制，实现动态可调的双通道全息显示，以提高全息器件的复用维度和灵活性。

根据本发明的一方面，提供了一种可调液晶全息器件，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间层叠设置的第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层；

其中，所述第一基板朝向所述第二基板的一侧设置有第一取向层，所述第二基板朝向所述第一基板的一侧设置有第二取向层，所述第一取向层中无光引发剂，所述第二取向层中含有光引发剂，所述第一取向层和所述第二取向层均具备可改写的取向方向；

所述第一旋向胆甾相液晶层与所述第一取向层相邻，所述第二旋向胆甾相液晶层与所述第二取向层相邻，所述第一旋向胆甾相液晶层和所述第二旋向胆甾相液晶层的旋向相反；所述第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，所述第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向；

所述第一基板与所述第二基板之间设有间隔子，以控制所述第一旋向胆甾相液晶层和所述第二旋向胆甾相液晶层的总厚度。

可选的，所述第一旋向胆甾相液晶层为左旋螺旋结构，所述第二旋向胆甾相液晶层为右旋螺旋结构，或者所述第一旋向胆甾相液晶层为右旋螺旋结构，所述第二旋向胆甾相液晶层为左旋螺旋结构；

所述第一旋向胆甾相液晶层和所述第二旋向胆甾相液晶层具有重叠的布拉格反射带。

可选的，所述第一旋向胆甾相液晶层只包括第一旋向未聚合液晶分子，或者同时包括第一旋向未聚合液晶分子和第一旋向聚合物网络；所述第二旋向胆甾相液晶层同时包括第二旋向未聚合液晶分子和第二旋向聚合物网络支架。

可选的，所述第一控制图形满足

所述第一控制图形用于控制所述第二旋向胆甾相液晶层两侧的液晶分子的起始指向矢分布，所述第二控制图形满足/>

所述第二控制图形用于控制所述第一旋向胆甾相液晶层靠近所述第一基板一侧的液晶分子的起始指向矢分布；

其中，m₁、m₂分别为全息显示的第一目标图像、第二目标图像的相对强度，

分别为所述第一目标图像、所述第二目标图像的计算全息图相位分布。

可选的，所述第一取向层和所述第二取向层的取向材料包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种。

可选的，所述间隔子包括石英微球或石英柱，用于支撑所述第一基板和所述第二基板，形成所述第一旋向胆甾相液晶层和所述第二旋向胆甾相液晶层的填充空间；

沿垂直于所述第一基板所在平面的方向，所述间隔子的延伸长度大于或者等于所述第一旋向胆甾相液晶层中液晶分子螺距的20倍。

根据本发明的另一方面，提供了一种可调液晶全息器件的制备方法，用于制备上述的可调液晶全息器件，所述制备方法包括：

提供第一基板和第二基板；

在所述第一基板一侧形成第一取向层，在所述第二基板一侧形成第二取向层；

将所述第一基板和所述第二基板对置，在所述第一基板和所述第二基板之间设置间隔子；

在所述第一基板和所述第二基板之间制备第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，形成所述可调液晶全息器件；

其中，所述第一取向层位于所述第一基板靠近所述第二基板的一侧，所述第二取向层位于所述第二基板靠近所述第一基板的一侧，所述第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，所述第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向。

可选的，在所述第一基板一侧形成第一取向层，在所述第二基板一侧形成第二取向层，包括：

将包含取向材料的溶液旋涂在所述第一基板的一侧，完成旋涂后，对所述第一基板进行退火，形成所述第一取向层；

将包含取向材料和光引发剂的均匀混合溶液旋涂在所述第二基板的一侧，完成旋涂后，对所述第二基板进行退火，形成所述第二取向层。

可选的，在所述第一基板和所述第二基板之间制备第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，形成所述可调液晶全息器件，包括：

对由所述第一基板、所述第二基板和所述间隔子组成的空盒进行紫外光取向，以使所述第一取向层和所述第二取向层的取向方向均与所述第一控制图形一致；

向所述第一基板和所述第二基板之间的填充空间中填入第二旋向胆甾相液晶和聚合物单体的混合物，用紫外光从所述第二基板的一侧照射，进行表面诱导光聚合，以形成与所述第二基板表面相连的第二旋向聚合物网络支架；

将完成聚合的液晶盒浸泡在丙酮中，直至洗去未发生聚合反应的分子；

将洗好的液晶盒从丙酮中取出，所述第二旋向聚合物网络支架发生收缩，改变所述液晶盒的外部条件，以控制所述第二旋向聚合物网络支架的回弹能力；

对所述液晶盒进行紫外光改写，以使所述第一取向层和所述第二取向层的取向方向均变为与所述第二控制图形一致；

向所述液晶盒中重填第一旋向胆甾相液晶，或者重填第一旋向胆甾相液晶、聚合物单体和光引发剂的混合物并聚合，以形成所述可调液晶全息器件。

根据本发明的又一方面，提供了一种全息光场调制装置，包括激光器、第一偏振片、四分之一波片、上述任意一种可调液晶全息器件、第二偏振片、光屏以及外场调控单元；

所述激光器输出的光束依次经过所述第一偏振片、所述四分之一波片透射后从所述可调液晶全息器件的第一基板一侧入射，所述可调液晶全息器件对入射的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量进行独立的几何相位调制并反射，反射的光束经过所述第二偏振片透射后被所述光屏接收；

所述外场调控单元用于调控所述可调液晶全息器件所处的外场环境，以改变左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的反射相位差。

本发明实施例提供的可调液晶全息器件，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间层叠设置的第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层；其中，第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层的旋向相反，但具有重叠的布拉格反射带。利用二次光取向、表面诱导光聚合、洗去重填等工艺，可使第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，同时使第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向。在布拉格反射带内，胆甾相液晶能够反射旋向与液晶层相同的圆偏振分量，并赋予其与胆甾相液晶起始取向相关的几何相位，同时透射旋向相反的圆偏振分量。因此，本发明实施例提供的可调液晶全息器件可以对两种手性的圆偏振分量进行独立的几何相位调制，进而实现正交线偏振复用的双通道全息显示。此外，胆甾相液晶还具有多元刺激响应性，可响应热、电、光、磁等外场刺激，构成可调光学器件。本发明实施例提供的可调液晶全息器件可通过热、电刺激来调控左旋和右旋圆偏振光的反射相位差，也即反射光场的线偏振方向，从而实现动态可调的双通道全息显示，有效改善了传统全息器件复用维度低、灵活性差等局限性。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件的y-z侧面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件的液晶层起始指向矢分布计算流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件的制备方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件的具体制备流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件在重填后的光谱表征结果示意图；

图6为本发明实施例提供的一种全息光场调制装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的可调液晶全息器件的静态衍射光斑图；

图8为本发明实施例提供的可调液晶全息器件在热刺激下的动态衍射光斑图；

图9为本发明实施例提供的可调液晶全息器件在电刺激下的动态衍射光斑图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件的y-z侧面结构示意图。参考图1，本实施例提供的可调液晶全息器件包括相对设置的第一基板10、第二基板20以及位于第一基板10和第二基板20之间层叠设置的第一旋向胆甾相液晶层31和第二旋向胆甾相液晶层32；其中，第一基板10朝向第二基板20的一侧设置有第一取向层41，第二基板20朝向第一基板10的一侧设置有第二取向层42，第一取向层41中无光引发剂，第二取向层42中含有光引发剂，第一取向层41和第二取向层42均具备可改写的取向方向；第一旋向胆甾相液晶层31与第一取向层41相邻，第二旋向胆甾相液晶层32与第二取向层42相邻，第一旋向胆甾相液晶层31和第二旋向胆甾相液晶层32的旋向相反；第二旋向胆甾相液晶层32根据第一控制图形(图1中未示出)进行取向，第一旋向胆甾相液晶层31根据第二控制图形(图1中未示出)进行取向；第一基板10与第二基板20之间设有间隔子50，以控制第一旋向胆甾相液晶层31和第二旋向胆甾相液晶层32的总厚度。

其中，第一基板10和第二基板20可以为柔性基板，例如聚酰亚胺，也可以为刚性基板，例如石英基板或玻璃基板。可选的，第一取向层41和第二取向层42中的取向材料可以为光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种，例如光敏偶氮材料SD1。这些材料为光控取向材料，可以在线偏振紫外光的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。第二取向层42除了包含取向材料，还包含均匀混合的光引发剂，例如二苯甲酮，可以诱导聚合反应从第二取向层42的表面开始进行。

继续参考图1，第一旋向胆甾相液晶层31和第二旋向胆甾相液晶层32在取向层锚定及手性剂等作用下，均表现为特定旋向的周期性螺旋结构，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31为左旋螺旋结构，第二旋向胆甾相液晶层32为右旋螺旋结构，或者第一旋向胆甾相液晶层31为右旋螺旋结构，第二旋向胆甾相液晶层32为左旋螺旋结构，具体实施时可以根据实际情况选择。第一旋向胆甾相液晶层31和第二旋向胆甾相液晶层32具有相近的螺距，因此具有重叠的布拉格反射带。可选的，第一旋向胆甾相液晶层31可以只包括第一旋向未聚合液晶分子，也可以同时包括第一旋向未聚合液晶分子和第一旋向聚合物网络，具体实施时可以根据实际情况选择；第二旋向胆甾相液晶层32同时包括第二旋向未聚合液晶分子和第二旋向聚合物网络支架。可选的，可以使第二旋向胆甾相液晶层32根据第一控制图形进行取向，同时使第一旋向胆甾相液晶层31根据第二控制图形进行取向。在布拉格反射带内，胆甾相液晶能够反射旋向与液晶层一致的圆偏振分量，并赋予其等于胆甾相液晶层起始取向±2倍的几何相位，同时透射旋向相反的圆偏振分量。因此，本实施例的技术方案可以对两种手性的圆偏振分量进行独立的几何相位调制，进而实现正交线偏振复用的双通道全息显示。

可选的，间隔子50可以为石英微球或石英柱，可以设置于第一基板10和第二基板20的边界位置，用于支撑第一基板10和第二基板20，形成第一旋向胆甾相液晶层31和第二旋向胆甾相液晶层32的填充空间。沿垂直于第一基板10和第二基板20的方向，间隔子50的延伸长度需大于或者等于第一旋向胆甾相液晶层31中液晶分子螺距的20倍，以使得第一旋向胆甾相液晶层31和第二旋向胆甾相液晶层32各自的厚度可以均大于或者等于层中液晶分子螺距的10倍，从而使第一旋向胆甾相液晶层31和第二旋向胆甾相液晶层32发生圆偏振选择性布拉格反射时均能具有高反射率。可以理解的是，图1中仅是示例性地示出间隔子50用于支撑第一基板10和第二基板20的位置关系而非实际尺寸及比例。

示例性的，图2为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件的液晶层起始指向矢分布计算流程示意图，可用于计算实现上述正交线偏振复用的双通道全息显示所需要的第一控制图形和第二控制图形。参考图2，首先，根据双通道全息显示的第一目标图像(图2中示例性为字母LC)和第二目标图像(图2中示例性为字母NJU)，用G-S算法分别算出第一目标图像的计算全息图相位分布

和第二目标图像的计算全息图相位分布/>

然后，再根据第一目标图像、第二目标图像的相对强度m₁、m₂，得到第一控制图形

以及第二控制图形/>

其中，第一控制图形用于控制第二旋向胆甾相液晶层两侧的起始指向矢分布，进而控制与第二旋向一致的圆偏振分量所获得的几何相位分布；第二控制图形用于控制第一旋向胆甾相液晶层靠近第一基板一侧的起始指向矢分布，进而控制与第一旋向一致的圆偏振分量所获得的几何相位分布。可以理解的是，本实施例的技术方案可以为两种手性的圆偏振分量赋予相互独立的几何相位分布。线偏振入射时，根据上述第一控制图形、第二控制图形取向的可调液晶全息器件可以在远场的正交线偏振通道中分别重现第一目标图像和第二目标图像。

需要说明的是，图2仅是示例性地提供了一种液晶层起始指向矢分布的计算流程，而非对本发明的限定，在其他实施方式中，可根据具体需求，采用其他的计算流程，得到具有类似功能的液晶层起始指向矢分布控制图形。

本发明实施例提供的可调液晶全息器件，通过设置旋向相反、布拉格反射带重叠的第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，并使第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向，可以对两种手性的圆偏振分量进行独立的几何相位调制，进而实现正交线偏振复用的双通道全息显示。此外，胆甾相液晶还具有多元刺激响应性，可响应热、电、光、磁等外场刺激，构成可调光学器件。本实施例提供的可调液晶全息器件可通过热、电等刺激来调控未聚合液晶分子的取向，进而改变左旋和右旋圆偏振光的反射相位差，也即反射光场的线偏振方向，最终实现动态可调的双通道全息显示。该可调液晶全息器件能够有效改善传统全息器件复用维度低、灵活性差等局限性。

图3为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件的制备方法的流程示意图，用于制备上述的可调液晶全息器件，参考图3，该制备方法包括：

S110、提供第一基板和第二基板。

其中，第一基板和第二基板可采用透光率较高(大于或等于85％)的柔性基板或刚性基板，并需包含透光率较高的导电电极。示例性的，第一基板和第二基板材料可为ITO玻璃，基板的厚度可为1mm-2mm。

S120、在第一基板一侧形成第一取向层，在第二基板一侧形成第二取向层。

其中，第一取向层位于第一基板靠近第二基板的一侧，第二取向层位于第二基板靠近第一基板的一侧，第一取向层无光引发剂，第二取向层包含光引发剂。

可选的，在第一基板一侧形成第一取向层，在第二基板一侧形成第二取向层，包括：

将包含取向材料的溶液旋涂在第一基板的一侧，完成旋涂后，对第一基板进行退火，形成第一取向层；

将包含取向材料和光引发剂的均匀混合溶液旋涂在第二基板的一侧，完成旋涂后，对第二基板进行退火，形成第二取向层。

示例性的，在本实施例中，取向材料选用光敏偶氮材料SD1，无光引发剂的旋涂溶液包含0.35％的SD1与99.65％的二甲基甲酰胺；光引发剂选用二苯甲酮，含光引发剂的旋涂溶液包含0.35％的SD1、0.15％的二苯甲酮与99.5％的二甲基甲酰胺。

示例性的，旋涂工艺可包括：首先调节转速为600-900转/分钟，控制第一阶段旋涂时间为5s-10s，使材料在基板表面分布均匀；然后调节转速为2500-3500转/分钟，控制第二阶段旋涂时间为30s-50s，使材料按照特定厚度涂开。可选的，无光引发剂的第一取向层和含光引发剂的第二取向层的厚度可以为30nm-50nm。

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

需要说明的是，上述的旋涂溶液成分、旋涂参数、退火参数仅为示例性的说明，在其他实施方式中，可根据实际需要调节。

S130、将第一基板和第二基板对置，在第一基板和第二基板之间设置间隔子。

其中，第一基板和第二基板对置时，第一取向层和第二取向层相对设置。间隔子可以为石英微球或石英柱，可以设置于第一基板和第二基板的边界位置。

S140、在第一基板和第二基板之间制备第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，形成可调液晶全息器件。

其中，第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向。

图4为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件的具体制备流程示意图。参考图4，可选的，在第一基板和第二基板之间制备第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，形成可调液晶全息器件，包括：

对由第一基板、第二基板和间隔子组成的空盒进行紫外光取向，以使第一取向层和第二取向层的取向方向均与第一控制图形一致；

向第一基板和第二基板之间的填充空间中填入第二旋向(以右旋为例，并不是对本发明实施例的限定)胆甾相液晶和聚合物单体的混合物，用紫外光从第二基板的一侧照射，进行表面诱导光聚合，以形成与第二基板表面相连的第二旋向聚合物网络支架；

将完成聚合的液晶盒浸泡在丙酮中，直至洗去未发生聚合反应的分子；

将洗好的液晶盒从丙酮中取出，第二旋向聚合物网络支架发生收缩，改变液晶盒的外部条件，以控制第二旋向聚合物网络支架的回弹能力；

对液晶盒进行紫外光改写，以使第一取向层和第二取向层的取向方向均变为与第二控制图形一致；

向液晶盒中重填第一旋向(以左旋为例)胆甾相液晶，或者重填第一旋向胆甾相液晶、聚合物单体和光引发剂的混合物并聚合，以形成可调液晶全息器件。

经过上述二次光取向、表面诱导光聚合、洗去重填等步骤，在第一基板和第二基板之间制备第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，并且控制第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，控制第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向，形成可调液晶全息器件。

可选的，紫外光取向和紫外光改写包括：采用数字微镜投影系统，根据曝光次序，同步控制曝光图形和偏振片角度，在第一取向层和第二取向层所在区域进行紫外曝光处理，以使第一取向层和第二取向层形成第一控制图形或第二控制图形。

示例性的，胆甾相液晶可为向列相液晶与手性剂的混合物，在本实施例中，向列相液晶选用混晶E7，手性剂选用左旋手性剂S5011或右旋手性剂R5011。上述第二旋向胆甾相液晶和聚合物单体的混合物中，聚合物单体选用RM257，聚合物单体的质量占比选为20％。上述第一旋向胆甾相液晶、聚合物单体、光引发剂的混合物中，聚合物单体选用RM257，光引发剂选用二苯甲酮，聚合物单体和光引发剂的质量占比分别选为15％和0.8％。

需要说明的是，上述胆甾相液晶成分及配比仅为示例性的说明，而非对本发明实施例的限定，在其他实施方式中，可根据具体需求，采用其他的成分及配比。

其中改变液晶盒的外部条件为：加热液晶盒，并持续一定时间，再降温至常温条件，加热温度和持续时间可以控制第二旋向聚合物网络支架的回弹能力，具体实施时其加热温度和持续时间可以根据实际情况确定。示例性的，改变液晶盒的外部条件包括：加热温度为80℃-140℃，加热时间为0-20min。

示例性的，图5为本发明实施例提供的一种可调液晶全息器件在重填后的光谱表征结果示意图。参考图5，横坐标代表入射光波长，单位为纳米(nm)，纵坐标代表透射率；左旋圆偏振光对应的透射光谱用虚线a表示，线偏振光对应的透射光谱用实线b表示，右旋圆偏振光对应的透射光谱用点划线c表示。从图5可以看出，本实施例中的可调液晶全息器件在585nm-677nm的波长范围内，可以同时反射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并具有高反射率。这是因为，制备的第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层具有相反的旋向，以及重叠于585nm-677nm的布拉格反射带，并且，第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层的厚度均能满足布拉格反射条件。

需要说明的是，图5仅示例性地示出了一种可调液晶全息器件在重填后的光谱，而非对本发明实施例的限制。在其他实施方式中，可根据实际需求，为可调液晶全息器件选择其他的布拉格反射带位置。

图6为本发明实施例提供的一种全息光场调制装置的结构示意图。参考图6，该全息光场调制装置包括激光器1、第一偏振片2、四分之一波片3、上述实施例提供的可调液晶全息器件4、第二偏振片5、光屏6以及外场调控单元7；激光器1输出的光束依次经过第一偏振片2、四分之一波片3透射后从可调液晶全息器件4的第一基板一侧入射，可调液晶全息器件4对入射的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量进行独立的几何相位调制并反射，反射的光束经过第二偏振片5透射后被光屏6接收；外场调控单元7用于调控可调液晶全息器件所处的外场环境，以改变左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的反射相位差。

其中，外场环境可以是热、电、光、磁等外场刺激中的至少一种，示例性的图7中示出外场调控单元7可以包括电压源71或者热台72，例如电压源71可以调控可调液晶全息器件4上的外加电场，调控范围可为0-16V/μm，热台72可以调控可调液晶全息器件4的温度，调控范围可为20℃-60℃，具体实施时可以根据实际情况设计。通过调控温度或者外加电场，可以改变可调液晶全息器件4反射光场的线偏振方向，从而在经过第二偏振片后，可以动态切换远场重现的图像。

第一偏振片2和四分之一波片3用于改变入射光的偏振态。当所需入射光为圆偏振光时，四分之一波片3与第一偏振片2呈±45°夹角设置；当所需入射光为线偏振光时，四分之一波片3与第一偏振片2平行或垂直设置，或将四分之一波片3撤去。第二偏振片5用于过滤可调液晶全息器件4反射光场的特定线偏振成分。

示例性的，在本实施例中选用输出波长为632.8nm的氦氖激光器，激光入射至可调液晶全息器件4的入射角可为0°-15°。

示例性的，图7为本发明实施例提供的可调液晶全息器件的静态衍射光斑图，图8为本发明实施例提供的可调液晶全息器件在热刺激下的动态衍射光斑图，图9为本发明实施例提供的可调液晶全息器件在电刺激下的动态衍射光斑图。参考图7，当入射光为632.8nm的左旋圆偏振光(图中右下角箭头示出偏振方向)时，本实施例中的可调液晶全息器件在远场的光屏上重现出第一目标图像与第二目标图像的叠加图像；当入射光为右旋圆偏振光时，同样在远场重现出第一目标图像与第二目标图像的叠加图像；而当入射光为线偏振光时，该可调液晶全息器件能够在正交检偏通道中分别重现出第一目标图像与第二目标图像，第一目标图像与第二目标图像之间基本无混叠。

参考图8，当可调液晶全息器件中的第一旋向胆甾相液晶层只包括第一旋向未聚合液晶分子，该可调液晶全息器件的远场重现图像可通过温度调节。竖直检偏下，该器件在30℃的温度下重现出第一目标图像。不改变偏振片方向，而只将温度升至50℃，液晶结构随温度发生改变，该器件重现出的图像逐渐变为第二目标图像。

参考图9，当可调液晶全息器件中的第一旋向胆甾相液晶层同时包括第一旋向未聚合液晶分子与第一旋向聚合物网络，该可调液晶全息器件的远场重现图像可通过电场调节。水平检偏下，该器件在未施加电场时重现出第二目标图像。不改变偏振片方向，而只对器件施加15.5V/μm的电场，未聚合液晶分子的取向随电场变化，该器件重现出的图像快速转变为第一目标图像。

需要说明的是，本发明实施例仅示例性地示出了632.8nm入射光所对应的动态可调的双通道全息显示效果，而非对本发明提供的可调液晶全息器件的限定。在其他实施方式中，根据实际需求，调节第一旋向胆甾相液晶层与第二旋向胆甾相液晶层的螺距或成分，可使本发明提供的可调液晶全息器件适用于不同的波长范围，或者具备不同的动态响应性。

本发明实施例的技术方案，通过设置旋向相反、布拉格反射带重叠的第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，并使第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向，可以对两种手性的圆偏振分量进行独立的几何相位调制。此外，胆甾相液晶还具有多元刺激响应性，可响应热、电、光、磁等外场刺激，构成可调光学器件。本实施例提供的可调液晶全息器件，可实现正交线偏振复用的双通道全息显示，并且可通过热、电等刺激来改变液晶结构，进而改变左旋和右旋圆偏振光的反射相位差，也即反射光场的线偏振方向，最终实现动态可调的双通道全息显示，有效改善了传统全息器件复用维度低、灵活性差等局限性。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调液晶全息器件，其特征在于，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间层叠设置的第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层；

其中，所述第一基板朝向所述第二基板的一侧设置有第一取向层，所述第二基板朝向所述第一基板的一侧设置有第二取向层，所述第一取向层中无光引发剂，所述第二取向层中含有光引发剂，所述第一取向层和所述第二取向层均具备可改写的取向方向；

所述第一旋向胆甾相液晶层与所述第一取向层相邻，所述第二旋向胆甾相液晶层与所述第二取向层相邻，所述第一旋向胆甾相液晶层和所述第二旋向胆甾相液晶层的旋向相反；所述第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，所述第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向；

所述第一基板与所述第二基板之间设有间隔子，以控制所述第一旋向胆甾相液晶层和所述第二旋向胆甾相液晶层的总厚度。

2.根据权利要求1所述的可调液晶全息器件，其特征在于，所述第一旋向胆甾相液晶层为左旋螺旋结构，所述第二旋向胆甾相液晶层为右旋螺旋结构，或者所述第一旋向胆甾相液晶层为右旋螺旋结构，所述第二旋向胆甾相液晶层为左旋螺旋结构；

所述第一旋向胆甾相液晶层和所述第二旋向胆甾相液晶层具有重叠的布拉格反射带。

3.根据权利要求1所述的可调液晶全息器件，其特征在于，所述第一旋向胆甾相液晶层只包括第一旋向未聚合液晶分子，或者同时包括第一旋向未聚合液晶分子和第一旋向聚合物网络；所述第二旋向胆甾相液晶层同时包括第二旋向未聚合液晶分子和第二旋向聚合物网络支架。

4.根据权利要求1所述的可调液晶全息器件，其特征在于，所述第一控制图形满足

所述第一控制图形用于控制所述第二旋向胆甾相液晶层两侧的液晶分子的起始指向矢分布，所述第二控制图形满足/>

所述第二控制图形用于控制所述第一旋向胆甾相液晶层靠近所述第一基板一侧的液晶分子的起始指向矢分布；

其中，m₁、m₂分别为全息显示的第一目标图像、第二目标图像的相对强度，

分别为所述第一目标图像、所述第二目标图像的计算全息图相位分布。

5.根据权利要求1所述的可调液晶全息器件，其特征在于，所述第一取向层和所述第二取向层的取向材料包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的可调液晶全息器件，其特征在于，所述间隔子包括石英微球或石英柱，用于支撑所述第一基板和所述第二基板，形成所述第一旋向胆甾相液晶层和所述第二旋向胆甾相液晶层的填充空间；

沿垂直于所述第一基板所在平面的方向，所述间隔子的延伸长度大于或者等于所述第一旋向胆甾相液晶层中液晶分子螺距的20倍。

7.一种可调液晶全息器件的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1～6任一所述的可调液晶全息器件，所述制备方法包括：

提供第一基板和第二基板；

在所述第一基板一侧形成第一取向层，在所述第二基板一侧形成第二取向层；

将所述第一基板和所述第二基板对置，在所述第一基板和所述第二基板之间设置间隔子；

在所述第一基板和所述第二基板之间制备第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，形成所述可调液晶全息器件；

其中，所述第一取向层位于所述第一基板靠近所述第二基板的一侧，所述第二取向层位于所述第二基板靠近所述第一基板的一侧，所述第二旋向胆甾相液晶层根据第一控制图形进行取向，所述第一旋向胆甾相液晶层根据第二控制图形进行取向。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述第一基板一侧形成第一取向层，在所述第二基板一侧形成第二取向层，包括：

将包含取向材料的溶液旋涂在所述第一基板的一侧，完成旋涂后，对所述第一基板进行退火，形成所述第一取向层；

将包含取向材料和光引发剂的均匀混合溶液旋涂在所述第二基板的一侧，完成旋涂后，对所述第二基板进行退火，形成所述第二取向层。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述第一基板和所述第二基板之间制备第一旋向胆甾相液晶层和第二旋向胆甾相液晶层，形成所述可调液晶全息器件，包括：

对由所述第一基板、所述第二基板和所述间隔子组成的空盒进行紫外光取向，以使所述第一取向层和所述第二取向层的取向方向均与所述第一控制图形一致；

向所述第一基板和所述第二基板之间的填充空间中填入第二旋向胆甾相液晶和聚合物单体的混合物，用紫外光从所述第二基板的一侧照射，进行表面诱导光聚合，以形成与所述第二基板表面相连的第二旋向聚合物网络支架；

将完成聚合的液晶盒浸泡在丙酮中，直至洗去未发生聚合反应的分子；

将洗好的液晶盒从丙酮中取出，所述第二旋向聚合物网络支架发生收缩，改变所述液晶盒的外部条件，以控制所述第二旋向聚合物网络支架的回弹能力；

对所述液晶盒进行紫外光改写，以使所述第一取向层和所述第二取向层的取向方向均变为与所述第二控制图形一致；

向所述液晶盒中重填第一旋向胆甾相液晶，或者重填第一旋向胆甾相液晶、聚合物单体和光引发剂的混合物并聚合，以形成所述可调液晶全息器件。

10.一种全息光场调制装置，其特征在于，包括激光器、第一偏振片、四分之一波片、权利要求1～6任一所述的可调液晶全息器件、第二偏振片、光屏以及外场调控单元；

所述激光器输出的光束依次经过所述第一偏振片、所述四分之一波片透射后从所述可调液晶全息器件的第一基板一侧入射，所述可调液晶全息器件对入射的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量进行独立的几何相位调制并反射，反射的光束经过所述第二偏振片透射后被所述光屏接收；

所述外场调控单元用于调控所述可调液晶全息器件所处的外场环境，以改变左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的反射相位差。

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