各向异性分子3D排列方法、图案化各向异性膜及光学元件技术

本发明专利技术涉及各向异性分子3D排列方法、图案化各向异性膜及光学元件。一种创建三维配向图案的方法，所述方法包括：提供厚度大于或等于预定厚度的光学可记录和偏振敏感材料层，并用两个偏振相同或不同的相干光束同时照射光学可记录介质，在光束之间具有预定角度，使得所述光束从同一侧或相对侧照射到可记录材料层上。本发明专利技术还涉及基于所述配向图案的偏振体全息图，以及包括包含单个或多个偏振体全息图的光学可记录材料的单层或多层叠层的偏振全息元件。

【技术实现步骤摘要】
各向异性分子3D排列方法、图案化各向异性膜及光学元件相关申请本申请要求2018年4月17日提交的美国临时专利申请序列No.62/659,104和2018年9月6日提交的美国临时专利申请序列No.62/728,053的权益和优先权，这两个申请的全部内容都通过引用结合于此。
这总体上涉及光学元件，尤其涉及各向异性光学元件。
技术介绍
偏振体光栅和基于其的光学元件在光学领域的应用越来越受到关注，例如，光束控制装置、波导和显示技术。传统上，通过使用光配向层进行液晶或反应液晶基元的图案化配向作为其可聚合版本，制成偏振体光栅。在这种情况下，光配向层包括细长的各向异性吸收分子单元(小分子或聚合物分子片段)，这些分子单元以通常由全息技术产生的特定周期性图案排列，并且液晶沉积在光配向层上，使得液晶分子沿着光配向层中的分子单元的局部配向方向而被配向。然而，当使用光配向层时，液晶仅可以以特定的三维配置排列(例如，仅沿着由光配向层限定的平面)。此外，这些元件的制备包括许多技术步骤，因此相当复杂。
技术实现思路
因此，需要不使用光配向层来制造偏振体全息元件的方法。这种方法将允许以更简单的方式制造偏振体全息元件，并且具有使用光配向层的方法不可能实现的取向配置。此外，通过这种方法制造的偏振体全息元件具有通过使用光配向层的方法制造的偏振体全息元件无法获得的特性。最后，与基于光配向层的现有技术元件相比，这种元件的制备过程简化。通过本文描述的方法和装置，减少或消除了与光配向层相关联的上述缺陷和其他问题。根据一些实施方式，一种用于制造偏振体光栅(全息图)及其光学元件的方法包括提供光学可记录介质层，该层包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的光交联和光配向材料以及大于或等于满足条件所需的预定厚度的厚度：其中，Q是Klein参数，d是光栅的厚度，λ是光的波长，Λ是光栅周期，n是可记录介质的平均折射率。该方法还包括用入射在所述层的相同或相对表面上的圆偏振光的两个相干光束同时照射所述光学可记录材料层，其中，光栅图案的配置、取向和周期性由包括光束之间的角度、光束波前的形状以及可记录材料层相对于光束的取向的条件来确定。在一个特定实施方式中，提供了一种用于制造偏振体全息图的方法，其中，用具有正交圆偏振的两个相干光束同时照射所述可记录介质的层，这两个相干光束在可记录介质中以等于或小于40°的角度相交，从而产生线性或准线性偏振的摆线图案，这在可记录材料中引起相似的取向图案。在另一特定实施方式中，提供了一种用于制造偏振体全息图的方法，其中，用具有相同圆偏振的两个相干光束同时照射所述可记录介质的层，这两个相干光束在可记录介质中以180±40°的角度相交，从而产生线性或准线性偏振的螺旋图案，这在可记录材料中引起相似的取向图案。根据另一实施方式，一种用于制造偏振体全息元件的方法包括在光学可记录介质的相同层中记录两个或更多个偏振体光栅。根据又一个实施方式，一种用于制造偏振体全息元件的方法包括堆叠两层或更多层，每层包含一个或多个偏振体全息图。根据一些实施方式，光学可记录材料的层包括由本文描述的任何方法引起的周期性取向图案。因此，所公开的实施方式提供了不包括光配向层的偏振体全息元件及其制造方法。附图说明为了更好地理解所描述的各种实施方式，应当结合以下附图，参考以下具体实施方式的描述，在所有附图中，相同的附图标记表示相应的部分。图1示出了偏振光在二维平面上形成的干涉图案。图2A示出了通过光配向层对液晶进行配向而获得的非倾斜偏振体光栅。图2B示出了通过具有全息引起的摆线图案的光配向层对液晶进行配向而获得的倾斜偏振体光栅。图3A是根据光束的会聚角和偏振状态的具有正交圆偏振的两个相干光束的干涉模式的示意图。图3B是根据光束的会聚角和偏振状态的具有相同圆偏振的两个相干光束的干涉模式的示意图。图4示出了由具有圆偏振的相干光的两个平面波生成的线性偏振图案(上排)和在偏振敏感的光学可记录材料层中感应的取向结构(下排)；A：这两个平面波具有正交的圆偏振；B：这两个平面波具有相同的圆偏振。图5A示出了用于记录偏振体光栅的几何形状，光束从同一侧照射到记录材料上；图5B示出了用于记录偏振体光栅的几何形状，光束从相对侧照射到记录材料上；k1和k2是干涉光束的波矢量，kG是光栅矢量。图5C示出了用于用两束光束记录偏振体光栅的示例几何形状。图6A示出了用于制造偏振体全息元件的示例性光学装置，其中，两束光束照射在光学可记录介质的同一侧。图6B示出了用于制造偏振体全息元件的示例性光学装置，其中，两束光束照射在光学可记录介质的相对侧。图7示出了根据一些实施方式的通过分段照明光学可记录介质来制造光学元件。图8示出了偏振体全息元件，包括具有不同配向图案的多层光学可记录材料。图9示出了根据一些实施方式的制造偏振体全息元件的方法。除非另有说明，否则这些数字不是按比例绘制的。具体实施方式本公开描述了用于制造空间周期性取向图案的方法以及用于从光学可记录和偏振敏感介质制造光学元件的方法和装置，该介质包括可光交联和可光配向的分子或分子片段。该方法包括用具有相同或不同偏振特性的两个相干光束同时照射光学可记录介质。在一些实施方式中，偏振体全息元件由这种方法和装置制成。全息体光栅(HVG：Holographicvolumegratings)是衍射元件，包括在元件的整个体积中相位拉伸或吸收的周期性图案。这种光栅由光在可记录光学材料中的干涉图案形成。通常，这种材料是光学各向同性光聚合组合物，其中，引起的折射率的对比度达到0.03-0.04。如果满足布拉格条件，则这些光栅的衍射效率可以接近100％，在具有平坦波前的测试光束和记录光束的情况下，布拉格条件具有以下形式：其中，N是正整数，Λ是光栅周期，θ是测试光束的入射角(入射光束和入射表面的法线之间的角度n，是法线和光栅矢量kG之间的角度，λB是衍射光的波长)。与布拉格条件不匹配的光将无衍射地穿过光栅。这一特性决定了波长的高选择性、HVG的波前和入射角以及大信息容量。基于这些特点，HVG的下列应用得到了发展：光学相关器、光谱学、分布式反馈激光器、光纤布拉格光栅、高密度全息数据存储。衍射光栅的布拉格区的实现通常由Klein参数Q决定：其中，d是光栅的厚度，λ是光的波长，Λ是光栅周期，n是记录介质的折射率。通常，如果Q>>1，通常，Q≥10，则实现布拉格特性。因此，为了满足布拉格条件，衍射光栅的厚度应高于由光栅、记录介质和光的参数确定的某个值。正因为如此，HVG也称为布拉格光栅和厚光栅。相反，Q<1的光栅通常被认为是薄光栅，通常表现出许多衍射级(Raman-Nath衍射区)。当在偏振不敏感材料中记录上述光栅时，所得光栅也是偏振不敏感的。当在对光偏振敏感的材料中记录光栅时，可以实现全新的性能，这显示了光致各向异性的效果。与仅对记录光的强度敏感的上述光聚合物相反，这些材料对光强度和偏振都敏感。在线偏振光的作用下，这些材料的各向异性光敏单元排列在某个优先方向，通常垂直或平行于光的偏振方向。这又导致光学双折射和二向色性。通过干涉图案暴露这些材料，导致具有相似特征的周期性取向图案。值得注意的是，尽管线偏振光的光配向效率最高，但是对于适当光谱的部分偏振光和椭圆偏振光也可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在光敏材料的主体中产生取向图案的方法，包括：提供偏振敏感且可光交联的光学可记录材料的层，所述光学可记录材料的层的厚度大于或等于预定厚度且具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；以及用偏振光的相干的两个光束同时照射所述光学可记录材料的层，从而引起周期性取向图案。

【技术特征摘要】
2018.04.17 US 62/659,104;2018.09.06 US 62/728,053;1.一种在光敏材料的主体中产生取向图案的方法，包括：提供偏振敏感且可光交联的光学可记录材料的层，所述光学可记录材料的层的厚度大于或等于预定厚度且具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；以及用偏振光的相干的两个光束同时照射所述光学可记录材料的层，从而引起周期性取向图案。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束是圆偏振的。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述光束的会聚角小于90o，并且所述光束具有正交圆偏振，从而在所述光学可记录材料的层中引起摆线取向图案。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光束照射在所述光学可记录材料的层的同一表面上。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光束照射在所述光学可记录材料的层的相对表面上。6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述光束的会聚角为180±45o，并且所述光束具有相同的圆偏振，从而在所述光学可记录材料的层中引起螺旋取向图案。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述光束照射在所述光学可记录材料的层的相对表面上。8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述光束照射在所述光...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥列格·亚罗修克，林伟诗，斯科特·查尔斯·麦克尔道尼，吕璐，
申请(专利权)人：脸谱科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US