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CN118465902B - 实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法 - Google Patents

实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法 Download PDF

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CN118465902B CN202410857722.2A CN202410857722A CN118465902B CN 118465902 B CN118465902 B CN 118465902B CN 202410857722 A CN202410857722 A CN 202410857722A CN 118465902 B CN118465902 B CN 118465902B
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Abstract

本发明公开了一种实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法及偏振体全息光栅,在基底介质的顶面上涂布光取向层;在光取向层的顶面上继续覆盖一层掩模版,使用两束正交的圆偏振光进行干涉曝光;揭掉掩模版,在光取向层的顶面上涂布一层预设浓度的液晶溶液;将液晶溶液置于氮环境中在的紫外光照射下进行固化,得到液晶膜;利用激光清洗设备将基底介质上非光栅区域部分的无序态液晶膜清除,得到PVG光栅;在PVG光栅表面覆盖一层紫外光透过率渐变的滤光片,将滤光片放置在紫外光下曝光,得到光栅介质厚度一致且连续的衍射效率逐一递增的PVG光栅区域。简单有效地实现衍射效率图案式或渐变式调控,保证了光栅的连续性、完整性。

Description

实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法
技术领域
本发明涉及一种实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法及偏振体全息光栅,属于光学元件技术领域。
背景技术
出瞳扩展是衍射光波导系统最显著的特点及优势之一,光在波导介质内满足全反射条件,以低损耗在波导介质中传播。在耦出光栅区域,由于光栅衍射效率受限,使得耦出光栅每次只能衍射部分光能,其余光能继续沿波导传播,随着连续传播和重复衍射,光被连续复制和耦合出波导,由此实现扩大的出口瞳孔。随着光在耦出光栅处的连续复制与耦合,越到后面所剩的光能越低,被耦出的光亮度也会随之降低,影响成像视场亮度均匀性。因此,在出瞳扩展方案设计中加入光栅衍射效率调控是十分重要的技术手段。
目前,偏振体全息光栅衍射效率调控技术实现方案主要是通过控制光栅介质层厚度实现的。在偏振体全息光栅制备过程中,光栅介质层的厚度与涂布方式息息相关,主流的涂布方式主要有旋涂、刮涂以及喷墨打印。旋涂、刮涂所需设备成本较低,但无法实现液晶层图案化控制,相邻区域的两次涂布会产生明显分界线破坏光栅的完整性。喷墨打印设备成本极高,且受厚度调控方案的影响,在实现衍射效率图案化控制过程中,不同区域间的光栅介质层存在高度差,在后续波导贴合封装过程中容易出现波导介质不平整、塌陷等情况,从而在成像上造成重影、颜色分叉、果冻像等严重影响。因此,发明一种可以在保证光栅厚度一致性的前提下低成本地实现偏振体全息光栅衍射效率图案化调控的技术手段是至关重要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法及偏振体全息光栅。
为解决上述技术问题,本发明是采用下述技术方案实现的。
一方面,本发明提供了一种实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,包括:
步骤一,在基底介质的顶面上涂布光取向层;
步骤二,在光取向层的顶面上继续覆盖一层掩模版,使用两束正交的圆偏振光进行干涉曝光;
步骤三,曝光结束后,揭掉掩模版,在光取向层的顶面上涂布一层预设浓度的液晶溶液,该液晶溶液用来制备光栅介质层,且厚度为100nm~10μm;
步骤四,将覆盖了液晶溶液的基底介质置于氮环境中在的紫外光照射下进行固化,得到液晶膜;
步骤五,利用激光清洗设备将基底介质上非光栅区域部分的无序态液晶膜清除,得到PVG光栅;
步骤六,在PVG光栅表面覆盖一层紫外光透过率渐变的滤光片,将滤光片放置在紫外光下曝光,得到光栅介质厚度一致且连续的衍射效率逐一递增的PVG光栅区域。
进一步的,所述基底介质为光学玻璃或者树脂玻璃,形状是平板形状或自由曲面体;所述光栅介质层的厚度以满足波导方案中所需光栅最大衍射效率的要求设置。
进一步的,所述掩模版为镂空遮光片。
进一步的,所述预设浓度的液晶溶液为1%~50%的液晶溶液;所述预设浓度的液晶溶液包括手性剂、液晶、丙烯酸酯类可聚合单体、光引发剂、表面活性剂。
进一步的,在所述步骤四中,将制备完成的光栅介质层置于氮环境中在10nm~400nm的紫外光照射下进行固化。
进一步的,所述滤光片为中性密度滤光片,其包括若干区域,每个区域的紫外光透过率不同,依次从低到高以固定步进值设置每一块区域的紫外光透过率。
进一步的,所述滤光片为楔形状的可部分吸收紫外光的滤光片。
进一步的,在所述步骤六中,将中性密度滤光片放置在10nm~400nm紫外光下曝光预设时间,得到若干块光栅介质厚度一致且连续的衍射效率逐一递增的PVG光栅区域。
进一步的,在所述步骤六中,将楔形状的光学玻璃放置在10nm~400nm紫外光下曝光预设时间,得到一块光栅介质厚度一致的衍射效率渐变式分布的PVG光栅区域。
第二方面,本发明提供了一种偏振体全息光栅,由所述的制备方法制备而成。
本发明所达到的有益效果:
1、制备方法简单、设备成本低廉,该方法所需设备可以直接使用光栅制备工艺中进行紫外固化步骤的紫外光光源进行操作,不用添加额外的设备成本。
2、利用曝光的方式来降低偏振体全息光栅的衍射效率,可以很简单有效地实现衍射效率图案式或渐变式调控,保证了光栅的连续性、完整性。
3、该方法保证了光栅介质层厚度的一致性,极大程度简化了在后续波导贴合封装工艺上的操作难度,降低了在成像上出现重影、颜色分叉、果冻像等严重影响的风险。
附图说明
图1是本发明的制备方法流程示意图;
图2是偏振体全息光栅的原理结构示意图;
图3是实施例1中的制备方法制备的不同衍射效率的偏振体全息光栅示意图;
图4是实施例2中的制备方法制备的不同衍射效率的偏振体全息光栅示意图;
图中:1、基底介质,2、中性密度滤光片,3、楔形状的光学玻璃,4、光取向层,5、掩模版,6、入耦合光栅,7、出耦合光栅,8、紫外灯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1,本发明主要适用于偏振体全息光栅(PVG),PVG高效率的衍射主要是因为其纵向液晶结构在光栅内部产生周期性的各向异性折射率分布满足布拉格体效应发生条件。对于垂直入射的光束,PVG的布拉格条件可以由如下公式表示:
其中,为真空中的布拉格波长,为布拉格周期,为等折射率平面的倾斜角或表示为光栅矢量K的倾斜角如图2所示,是各向异性介质的平均折射率可定义为:
为了建立布拉格高效衍射,PVG光栅介质纵向需足够的折射率变化周期来完成折射率平面的层间反射的叠加。在PVG光栅内部结构中所包含的布拉格衍射周期数量越多,随着层间反射的叠加能够被衍射的光能越高,反之衍射效率也会随之降低。因此,在保证PVG光栅液晶层厚度一致且不考虑衍射角度及布拉格波长变化的情况下,我们可以通过改变其内部的布拉格周期数量实现PVG的衍射效率调控。利用紫外光曝光可以改变液晶分子的光学性能,降低其折射率调制度∆n,从而增大布拉格周期,在厚度一致的情况下,PVG介质内部所含的布拉格周期数降低从而实现PVG衍射效率的降低。通过紫外光曝光的方式能够便捷的实现衍射效率的图案化控制甚至渐变化控制。
具体的,本实施例介绍一种实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,如图1和图3所示,包括:
步骤一,在基底介质1的顶面上涂布光取向层4;
步骤二,在光取向层4的顶面上继续覆盖一层掩模版5(掩模版5为镂空遮光片,掩盖的部分是不透光的,中间是镂空的,镂空的区域在激光曝光下形成光栅横向结构),使用两束正交的圆偏振光进行干涉曝光;
步骤三,曝光结束后,揭掉掩模版5,在光取向层4的顶面上涂布一层预设浓度的液晶溶液,该液晶溶液用来制备光栅介质层且厚度为5μm;
步骤四,将液晶溶液置于氮环境中在的紫外光照射下进行固化,得到液晶膜;
步骤五,利用激光清洗设备将基底介质上非光栅区域部分的无序态液晶膜清除,得到PVG光栅(入耦合光栅6和衍射效率一致的出耦合光栅);
步骤六,在PVG光栅表面覆盖一层紫外光透过率渐变的滤光片,将滤光片放置在紫外光下曝光,得到光栅介质厚度一致且连续的衍射效率逐一递增的PVG光栅区域即出耦合光栅7。
所述的偏振体全息光栅制备于具有一定折射率和透过率的光学介质上,折射率范围在1.5~2.2,基底介质材质时光学玻璃或者是树脂玻璃,形状是平板形状或自由曲面体。
所述的光栅介质层厚度可以控制在100nm~10μm,光栅介质层厚度越厚光栅衍射效率越高,选择合适的厚度以满足波导方案中所需光栅最大衍射效率的要求。
所述预设浓度的液晶溶液为1%~50%的液晶溶液(本实施例中采用38%的液晶溶液);所述预设浓度的液晶溶液包括手性剂、液晶、丙烯酸酯类可聚合单体、光引发剂、表面活性剂。所使用的液晶组合物及丙烯酸酯类可聚合单体材料的折射率调制度越高越好,目前常用的材料折射率调制度在0.1~0.3。
所述紫外光曝光,所使用的紫外灯8的光波长可为10nm~400nm范围中的任意波段,使用的紫外光强能量越大所需曝光的时间越短,可以在相同时间内通过控制紫外光强度来实现衍射效率的区域化调控,也可以在同一紫外光强下通过控制曝光时间的长短,使得光栅样品衍射效率降低至目标值。
本实施例中,所述滤光片为中性密度滤光片2,该中性密度滤光片2由九部分组成(具体设置几部分可以根据需要变化,本实施例为九部分),控制每一块区域的紫外光透过率不同,最低透过率为10%,以10%为步进值设置每一块区域的紫外光透过率,最高透过率为90%。将其放置在365nm紫外光下曝光8h,紫外光强度控制在20J/cm2,由此可以得到九块光栅介质厚度一致且连续的衍射效率逐一递增的PVG光栅区域。
实施例2,如图4所示,作为另一个实施例,其与实施例1的不同之处在于,所述滤光片为楔形状的光学玻璃3;光学玻璃本身对于紫外光的透过存在一定的阻碍,我们可以通过控制光学玻璃的厚度来控制紫外光强的透过率,由此可以将光学玻璃磨成楔形状,使得透过该光学玻璃的紫外光强度呈阶梯式渐变分布。同样,将其放置在365nm紫外光下曝光8h,紫外光强度控制在20J/cm2,由此可以得到一块光栅介质厚度一致的衍射效率渐变式分布的PVG光栅区域。
实施例3,与实施例1或实施例2基于相同的发明构思,本实施例介绍一种偏振体全息光栅,由实施例1或实施例2所述的制备方法制备而成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,包括:
步骤一,在基底介质的顶面上涂布光取向层;
步骤二,在光取向层的顶面上继续覆盖一层掩模版,使用两束正交的圆偏振光进行干涉曝光;
步骤三,曝光结束后,揭掉掩模版,在光取向层的顶面上涂布一层预设浓度的液晶溶液,该液晶溶液用来制备光栅介质层,且厚度为100nm~10μm;
步骤四,将覆盖了液晶溶液的基底介质置于氮环境中在的紫外光照射下进行固化,得到液晶膜;
步骤五,利用激光清洗设备将基底介质上非光栅区域部分的无序态液晶膜清除,得到PVG光栅;
步骤六,在PVG光栅表面覆盖一层紫外光透过率渐变的滤光片,将滤光片放置在紫外光下曝光,得到光栅介质厚度一致且连续的衍射效率逐一递增的PVG光栅区域。
2.根据权利要求1所述的实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,所述基底介质为光学玻璃或者树脂玻璃,形状是平板形状或自由曲面体;所述光栅介质层的厚度以满足波导方案中所需光栅最大衍射效率的要求设置。
3.根据权利要求1所述的实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,所述掩模版为镂空遮光片。
4.根据权利要求1所述的实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,所述预设浓度的液晶溶液为1%~50%的液晶溶液;所述预设浓度的液晶溶液包括手性剂、液晶、丙烯酸酯类可聚合单体、光引发剂、表面活性剂。
5.根据权利要求1所述的实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,在所述步骤四中,将制备完成的光栅介质层置于氮环境中在10nm~400nm的紫外光照射下进行固化。
6.根据权利要求1所述的实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,所述滤光片为中性密度滤光片,其包括若干区域,每个区域的紫外光透过率不同,依次从低到高以固定步进值设置每一块区域的紫外光透过率。
7.根据权利要求1所述的实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,所述滤光片为楔形状的可部分吸收紫外光的滤光片。
8.根据权利要求6所述的实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,在所述步骤六中,将中性密度滤光片放置在10nm~400nm紫外光下曝光预设时间,得到若干块光栅介质厚度一致且连续的衍射效率逐一递增的PVG光栅区域。
9.根据权利要求7所述的实现不同衍射效率的偏振体全息光栅的制备方法,其特征在于,在所述步骤六中,将楔形状的光学玻璃放置在10nm~400nm紫外光下曝光预设时间,得到一块光栅介质厚度一致的衍射效率渐变式分布的PVG光栅区域。
10.一种偏振体全息光栅,其特征在于,由权利要求1~9任一项所述的制备方法制备而成。
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