一种高精度的正弦摆线型衍射波片的光学压印制备方法

1.本发明涉及一种高精度的正弦摆线型衍射波片的光学压印制备方法，正弦摆线型衍射波片包括但不局限于偏振光栅(polarization gratings)、叉形光栅(fork gratings)和偏振透镜(polarization lens)等各向异性光轴在局部或整体是正弦摆线型分布的衍射波片。


背景技术：

2.相较于传统机械式摩擦取向技术容易损伤和污染取向层，基于偏振光照射的无接触式光控取向技术可以实现高质量、高精度的记录光场的偏振方向，从而实现各向异性光轴的空间分布取向。例如正弦摆线型偏振光栅的制备是通过两束强度相等且旋性相反的圆偏振光干涉在空间中产生正弦摆线型的偏振方向制备，其展现出近100％的单级衍射效率而受到广泛关注(c.oh and m.j.escuti,"numerical analysis of polarization gratings using the finite-difference time-domain method,"phys rev a 76(2007).)。正弦摆线型衍射波片的各向异性光轴沿着坐标轴呈现正弦函数式的旋转。偏振光栅是典型的正弦摆线型衍射波片，以旋转180
°
为一个周期，宏观上是无数个这样的周期在空间中重复排列形成光栅。偏振透镜属于各向异性光轴二维空间分布的衍射波片，沿着半径方向有不同的正弦摆线型周期，称为半周期结构，因此可以被视为局部正弦摆线型衍射波片(l.s.li,s.j.shi,j.kim,and m.j.escuti,"color-selective geometric-phase lenses for focusing and imaging based on liquid crystal polymer films,"optics express 30,2487-2502(2022).)。正弦摆线型衍射波片的各向异性光轴会倾向于体自由能最低态排列，当正弦摆线型周期逐渐减小，各向异性光轴将难以保持正弦摆线型平面结构排列分布，只有当衍射波片的厚度不超过临界厚度时才具有正弦摆线型平面结构。具有扭曲角度的衍射波片的各向异性光轴的扭曲轴不完全是垂直于玻璃基板的平面结构(j.h.xiong,r.chen,and s.t.wu,"device simulation of liquid crystal polarization gratings,"optics express 27,18102-18112(2019).)。正弦摆线型衍射波片因其衍射效率高、偏振选择性、制备简单、轻薄等优势在光束扫描、光谱成像、增强现实、虚拟现实等领域展现了其潜在的巨大优势。
3.传统制备正弦摆线型衍射波片是基于偏振全息干涉曝光方法，这种方法可以制备高分辨率衍射波片，但是进一步扩大曝光系统将增加成本和难度，目前只适用于实验室级别制造，并且抗环境干扰能力差。因此需要一种抗环境干扰能力强、快速、低成本的压印制备方法来满足工业生产的需求。
4.近年基于图案化沟槽的微透镜阵列的压印技术被提出，但是制备微小尺寸的沟槽难度大，而且取向质量也一般(ziqian he,yun-han lee,ran chen,debashis chanda,and shin-tson wu,"switchable pancharatnam
–
berry microlens array with nano-imprinted liquid crystal alignment,"opt.lett.43,5062-5065(2018).)。利用厚度满足半波条件的正弦摆线型偏振光栅作为母版的压印技术只能压印大周期(微米级)的偏振
光栅，在周期为2um以下，厚度满足半波条件的偏振光栅不再具有高衍射效率，难以满足作为偏振转换衍射波片的要求(sarik r.nersisyan,nelson v.tabiryan,diane m.steeves,and brian r.kimball,"characterization of optically imprinted polarization gratings,"appl.opt.48,4062-4067(2009).)。
5.因此，我们提出一种高精度的正弦摆线型衍射波片的光学压印制备方法，由于各向异性光轴可以在空间维度进行操控，而且各向异性光轴的分布直接影响光学性能，基于此提出了一种新颖的至少两层扭曲结构的正弦摆线型衍射波片作为偏振转换衍射波片来提高光学制备的精度。从而能够实现百纳米量级正弦摆线周期结构的光学压印，这种光学制备方法以速度快、抗环境干扰能力强、需要的光场能量密度低等优势为大规模批量生产提供了可行方案。


技术实现要素：

6.一种高精度的正弦摆线型衍射波片的光学压印制备方法，包括玻璃基板、光控取向膜、至少两层扭曲结构的偏振转换衍射波片。
7.该方法可将至少部分相干的光源发出的光场的偏振态进行空间调控，具体是基于偏振转换衍射波片将光场的偏振态转换为正弦摆线型的线偏振态分布，该分布的周期大小是偏振转换衍射波片的一半，因此可制备比偏振转换衍射波片周期小一半的衍射波片。
8.光控取向膜的吸收光谱包括光源的波段，光控取向材料的取向方向与椭圆偏振态的长轴方向垂直，因此可记录照射偏振光的偏振信息。
9.所述的至少两层扭曲结构的偏振转换衍射波片的各向异性光轴的分布为：
[0010][0011]
其中φ(x,y)是各向异性光轴在x-y平面的空间分布，可以是局部或整体的正弦摆线型周期结构，例如偏振光栅为φ(x)＝πx/λ
x
，λ
x
为正弦摆线的周期大小；偏振透镜为这种局部的周期可以表示为f为焦距。d1、是第一层衍射波片的厚度和扭曲角度，d2、是第二层衍射波片的厚度和扭曲角度，扭曲角度由手性剂的浓度决定，φ
offset
为第二层衍射波片的补偿扭曲角度，通常等于
[0012]
本发明所提供的高精度的正弦摆线型衍射波片的光学压印制备方法是通过改变至少两层衍射波片的厚度和扭曲角，即改变各向异性光轴的空间分布直接影响器件的光学性能，使得正弦摆线型偏振转换衍射波片的衍射效率提升至95％以上，有效的将光源出射的光场偏振态转换为正弦摆线型偏振态分布，该正弦摆线型偏振态周期是偏振转换衍射波片的一半。实现高质量、高精度、稳定和快速的批量制备正弦摆线型衍射波片。
[0013]
本发明所提供的偏振转换衍射波片制备过程包括：将玻璃基板超声清洗再用臭氧紫外光照射得到干净的玻璃基板，在干净的玻璃基板上涂覆光控取向膜，在涂覆有光取向
膜的玻璃基板中心区域进行干涉曝光，曝光完成的玻璃基板上旋涂掺杂手性剂的液晶聚合物，在氮气环境下紫外光下固化聚合，重复旋涂液晶聚合物得到偏振转换衍射波片。
[0014]
本发明所提供高精度的正弦摆线型衍射波片的光学压印原理是基于偏振转换衍射波片对入射光源偏振态进行正弦摆线型周期空间调控，可转换成正弦摆线型周期比偏振转换衍射波片的周期小一半。为了防止菲涅尔反射的影响和不损害偏振转换衍射波片，将制备好的偏振转换衍射波片与涂覆有光控取向膜的玻璃基板背对背放置，入射线偏振光进行光学压印且不需要任何额外光学元件。
[0015]
本发明所提供的偏振转换衍射波片的衍射效率都高于95％，解决了难以进一步扩大偏振全息干涉曝光系统且成本造价高的问题，同时光学压印制备方法具有抗环境干扰能力强、压印速度快、成本低和精度高等优点。为大规模批量生产正弦摆线型衍射波片提供实现方案。
附图说明
[0016]
图1是正弦摆线型周期衍射波片。
[0017]
图2是局部或整体为正弦摆线型周期衍射波片。
[0018]
图3是多层扭曲结构偏振转换衍射波片。
[0019]
图4是左旋圆偏振光与右旋圆偏振光干涉在平面内产生正弦摆线型线偏振光。
[0020]
图5是偏振转换衍射波片的光学压印原理图。
[0021]
图6是多层扭曲结构的偏振转换衍射波片衍射效率图。
[0022]
图7是通过压印制得周期为500nm的偏振体光栅光波导图。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0024]
如图1所示，正弦摆线型周期衍射波片，各向异性光轴101旋转180
°
为一个周期，这种由多个周期重复排列的衍射波片在本发明中称为整体正弦摆线型周期衍射波片。
[0025]
如图2所示，局部或整体正弦衍射波片包括但不局限于偏振光栅102、叉形光栅103和偏振透镜104，在局域具备正弦摆线型周期结构，这类衍射波片均可通过偏振转换衍射波片对光源光场偏振态的空间调控制备而成。
[0026]
如图3所示，本发明提出的多层扭曲结构偏振转换衍射波片，以偏振光栅为例，包括玻璃基板105、光控取向膜106、多层带有扭曲角度的各向异性光轴衍射波片107，各向异性光轴的分布为：
[0027][0028]
通过改变至少两层衍射波片的厚度和扭曲角，即改变各向异性光轴的空间分布直接影响器件的光学性能，使得正弦摆线型偏振转换衍射波片的衍射效率提升至95％以上，有效的将光源出射的光场偏振态转换为正弦摆线型偏振态分布，该正弦摆线型偏振态周期
是偏振转换衍射波片的一半。实现高质量、高精度、稳定和快速的批量制备正弦摆线型衍射波片。
[0029]
如图4所示，是偏振全息干涉系统：两束旋性相反的圆偏振光干涉108，在光控取向膜106表面形成沿空间呈正弦摆线型的线偏振光101，旋涂的各向异性光轴会沿着垂直于线偏振方向排列。不同周期的衍射波片可由两光束的夹角决定：其中，λ为曝光波长，θ为两光束夹角的一半。
[0030]
如图5所示，是本发明提出的正弦摆线型衍射波片的光学压印原理，基于偏振转换衍射波片对入射光源偏振态109进行正弦摆线型周期空间调控，可转换成正弦摆线型周期比偏振转换衍射波片的周期小一半。为了防止菲涅尔反射的影响和不损害偏振转换衍射波片，将制备好的偏振转换衍射波片与涂覆有光取向膜的玻璃基板背对背放置，入射线偏振光进行光学压印且不需要任何额外光学元件。
[0031]
如图6所示，是基于多层扭曲结构的偏振转换衍射波片在不同周期下的衍射效率图，可见在周期为1um～2um、0.8um～1um的仿真效率(实线)均为99％以上，实验效率(星星)均达到95％以上，是作为压印500nm～1um、400nm～500nm的正弦摆线型衍射波片的偏振转换衍射波片。光学压印方法抗环境干扰能力强、制备速度快、并且不需要搭建干涉光路。
[0032]
如图7所示，是基于偏振转换衍射波片压印出来周期为500nm的偏振体全息光栅的光波导图110。展示出了本发明压印出来的偏振体全息光栅具有光波导的性能，可作为大规模批量生产亚波长周期衍射波片的母版，为ar、vr的核心器件偏振体全息光栅的工业生产提供新的制备方案。
[0033]
以上所述对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式，对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种光学制备各向异性光轴取向为空间正弦摆线型周期分布的衍射波片的方法，该方法包括：1)使用的光源至少是部分相干并且是线偏振光；2)使的光源波段在光控取向材料的吸收光谱内，并且光控取向材料的取向受光源的偏振态调控；3)使用的光源偏振态受到偏振转换衍射波片的空间周期性调控，这种空间周期是局部的或者整体的，该空间周期是预先确定需要制备衍射波片的空间周期的两倍；4)偏振转换衍射波片包含至少两层具有扭曲角度或者无扭曲角度的衍射波片，偏振转换衍射波片至少一部分范围内对光源的衍射效率高于95％；5)光源发出的光场通过偏振转换衍射波片对有光控取向材料的区域曝光，曝光区域的偏振态调控来自于光源偏振态受到偏振转换衍射波片的空间性调控。2.根据权利要求1所述，光学制备衍射波片的空间周期是光源入射到偏振转换衍射波片后出射的偏振态调控周期的一半，最小的空间周期调控可达数百纳米。3.根据权力要求1所述，由各向异性光轴空间性周期分布的偏振转换衍射波片包含至少两层具有光轴扭曲角度或无扭曲角度的衍射波片，扭曲轴完全垂直或不完全垂直于基板。4.根据权利要求1所述，偏振转换衍射波片至少一层的一部分各向异性光轴是正弦摆线型周期性分布。5.一种制备预先确定空间周期的各向异性光轴取向调控装置，该装置包括：1)出射的线偏振光源至少是部分相干的；2)光源的波段在光控取向材料的吸收光谱内，并且光控取向材料的取向受光束的偏振态调控；3)偏振转换衍射波片将入射光源的偏振态周期性调控，其各向异性光轴周期是预先确定空间周期的两倍；4)偏振转换衍射波片至少一部分范围内对光源有95％以上的衍射效率；5)用于稳定固化光控取向膜的玻璃基板；6)对光源发出光场的偏振态进行空间调控的偏振转换衍射波片装置；7)对光源发出光场的偏振态进行空间偏振调控转变为强度调控装置。6.根据权利要求5所述，用于涂覆或喷溅光控取向材料的玻璃基板。7.根据权力要求5所述，用于对光控取向层的至少一部分区域进行周期性偏振光照射调控的装置包括至少部分相干的光源、偏振转换衍射波片和固化后的光控取向膜。8.根据权力要求5所述，至少有一层各向异性光轴受到光控取向材料的影响，偏振转换衍射波片至少包含一部分各向异性光轴周期性分布。9.根据权力要求5所述，在偏振转换衍射波片后增加线偏振片，此时对光源光场偏振态进行偏振调控转变为强度调控。

技术总结
本发明公开了一种高精度的正弦摆线型衍射波片的光学压印制备方法，通过带有至少两层扭曲结构的正弦摆线型衍射波片作为偏振转换衍射波片来提高光学制备的精度，实现百纳米量级正弦摆线周期结构的光学压印。解决了基于偏振全息曝光系统制备正弦摆线型衍射波片速度慢、抗环境干扰能力差、进一步扩大曝光系统成本和难度高等限制批量生产的问题。本和难度高等限制批量生产的问题。本和难度高等限制批量生产的问题。


技术研发人员：樊帆 叶湘林
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/7/12