一种光场多维度调制器件、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种光场多维度调制器件、制备方法及其应用。该器件包括第一基板、第二基板、第一电极层、第二电极层、第一取向层、第二取向层以及蓝相液晶层；蓝相液晶层包括液晶与聚合物混合层，其中棒状液晶分子形成双螺旋扭曲棱柱，棱柱的旋性决定调制光场的偏振；双螺旋扭曲棱柱三维堆积形成立方晶格结构，立方晶格结构的晶格常数对应决定调制光场的波长，立方晶格结构的晶面取向角决定调制光场的相位。本发明专利技术通过对多层级、跨尺度结构的灵活控制，系统性地实现了蓝相液晶对光场偏振、波长、相位及强度的高效调制，提供了光学多维度独立操控的可行性，可应用于光计算、光通信、高光谱成像、彩色全息显示等领域，推动了现有光学系统的发展。的发展。的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种光场多维度调制器件、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及光学器件
，尤其涉及一种光场多维度调制器件、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]在日新月异的大数据时代，以人工智能、5G/6G通讯、自动驾驶、虚拟/增强现实、全息显示等为标志的新型技术对超大容量信息处理、传输、交互能力的需求日益增长。为了打破“电”处理信息能力有限的僵局，以“光”为媒介的光通信和光计算被广泛认为未来信息领域的变革性技术。通过对光场各自由度的独立操控可实现多维度信息的并行处理，增大信道带宽，为高速、大容量光信息处理能力奠定基础。目前，对光场各维度参数进行独立、准确、高效编码已经成为了光信息
的核心难题。
[0003]蓝相液晶作为一种具有三维周期性结构的特殊液晶相态，其手性、晶格常数及晶格方位角分别对应于调制光场的偏振、波长及相位信息，可实现对光场多维度的独立操控，避免维度之间串扰导致的低效、低灵活性等问题。同时，利用蓝相液晶制备多维度光场调制的光学器件具备独特的窄光子带隙、宽视角偏振选择性和全方位光场调制特性，可实现窄带、大角度、多维度的模式加载，在虚拟/增强现实、全彩全息显示、智能车灯、高光谱成像等领域有着广泛的应用前景。
[0004]然而，蓝相液晶对光场调制的效率极大地受限于图案化蓝相液晶畴结构的均匀程度。近年来，通过电、光、热调控已经衍生出多种制备蓝相单畴的方法，都未能很好地解决单畴与图案化兼得的难题；因此，若想将蓝相液晶实际应用于多维光场调制的光学器件中，发挥其独特的窄带、宽视角、全方位光场调制作用，如何高效、简便地制备图案化单畴蓝相液晶成为了亟待解决地问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种光场多维度调制器件、制备方法及其应用，该器件可以对光场偏振、波长和相位高效调制，提供了平面光学多维度独立操控的可行性，可应用于光计算、光通信、高光谱成像、彩色全息显示等领域，进一步推动现有光学系统的升级和发展。
[0006]根据本专利技术的一方面，提供了一种光场多维度调制器件，用于对光场的偏振、波长以及相位信息独立调制，包括：
[0007]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的蓝相液晶层；
[0008]所述第一基板的一侧设置有第一电极层，所述第一基板靠近所述第二基板的一侧设置有第一取向层，所述第二基板的一侧设置有第二电极层，所述第二基板靠近所述第一基板的一侧设置有第二取向层；
[0009]所述蓝相液晶层包括液晶与聚合物混合层，所述液晶与聚合物混合层中纳米尺度的棒状液晶分子在材料体系中的手性强度诱导下形成数十纳米尺度的双螺旋扭曲棱柱；所
述双螺旋扭曲棱柱三维堆积，形成百纳米尺度的立方晶格结构；
[0010]所述第一取向层和所述第二取向层包括预设的平面排布的取向图案，所述取向图案诱导所述立方晶格结构按照预设的取向进行自组装；
[0011]其中，所述双螺旋扭曲棱柱的空间旋性决定调制光场的偏振，与所述双螺旋扭曲棱柱的旋性匹配的光被反射，与所述双螺旋扭曲棱柱的旋性相反的光被透射；
[0012]所述立方晶格结构的晶格常数决定调制光场的波长，利用控制材料配比和/或外部条件操控所述立方晶格结构的晶格常数，以调节反射中心的波长，所述立方晶格结构的晶格常数越大，调制光场的波长越长；
[0013]所述立方晶格结构的晶面取向决定调制光场的相位，利用外部条件操控所述立方晶格结构的晶面取向，以调制反射光的相位。
[0014]可选的，所述双螺旋扭曲棱柱的初始旋性由所述液晶与聚合物混合层中掺入手性剂的手性决定；所述立方晶格的初始晶格常数由所述液晶与聚合物混合层中掺入手性剂的浓度决定。
[0015]可选的，利用外部条件控制所述液晶与聚合物混合层中结构均匀程度操纵蓝相液晶晶界范围，以调制光场的振幅
[0016]可选的，所述外部条件包括电场、光场或调节温度。
[0017]可选的，所述液晶与聚合物混合层包括向列相液晶、手性剂、聚合物单体和光引发剂。
[0018]可选的，所述第一电极层位于所述第一基板靠近所述第二基板的一侧或所述第一基板和所述第一取向层之间；
[0019]所述第二电极层位于所述第二基板靠近所述第一基板的一侧或所述第二基板和所述第二取向层之间。
[0020]可选的，还包括位于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子包括石英微球和石英柱中的至少一种。
[0021]可选的，所述第一取向层和所述第二取向层包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种，所述第一取向层和所述第二取向层的控制图形可擦写，所述取向层的厚度范围为30nm～50nm。
[0022]根据本专利技术的另一方面，提供了一种光场多维度调制器件的制备方法，用于制备上述的光场多维度调制器件，包括：
[0023]提供第一基板和第二基板；
[0024]在所述第一基板的一侧形成第一电极层，在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向层，在所述第二基板的一侧形成第二电极层，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向层；
[0025]将所述第一基板与所述第二基板封装；
[0026]向所述第一基板和所述第二基板之间灌入各向同性相下的液晶与聚合物混合层；
[0027]其中，所述第一取向层和所述第二取向层具有液晶分子指向矢分布的控制图形，在所述第一取向层和所述第二取向层的共同作用下，诱导所述液晶与聚合物混合层中由双螺旋结构柱构成的立方晶格结构按照预设的取向进行自组装；
[0028]将封装后的器件放置在热台上，改变温度使液晶与聚合物混合层经历各向同性相
到蓝相Ⅱ到蓝相Ⅰ或各向同性到蓝相Ⅰ的相变过程；
[0029]在所述第一电极层和所述第二电极层之间施加垂直于所述第一基板的交流电场，结合温度与所述第一取向层、所述第二取向层的影响，所述液晶与聚合物混合层的立方晶格结构排列有序度增加，形成蓝相液晶单畴结构。
[0030]可选的，在所述第一基板和所述第二基板之间灌入液晶与聚合物混合层之后，采用紫外光聚合的方法，得到室温下稳定的单畴蓝相液晶。
[0031]根据本专利技术的又一方面，提供了一种基于上述的光场多维度调制器件的应用，按照颜色分类将相位信息通过光控取向的方式加载到不同颜色蓝相液晶样品的不同区域中，通过改变位置可实现伪动态切换的RGB彩色全息显示。
[0032]本专利技术实施例提供的光场多维度调制器件，包括相对设置的第一基板、第二基板，第一电极层、第二电极层、第一取向层、第二取向层以及位于第一基板和第二基板之间的蓝相液晶层；蓝相液晶层的螺旋棱柱旋性、立方晶格常数、晶面取向角分布分别对应于调制光场的偏振、波长、相位信息，可通过调整材料参数、施加多元外场等方式实现光场多维度的可调谐。本专利技术实施例通过对多层级、跨尺度结构的灵活控制，系统性地实现了蓝相液晶对光场偏振、波长、相位及强度的高效调制，提供了光学多维度独立操控的可行性，可应用于光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光场多维度调制器件，其特征在于，用于对光场的偏振、波长以及相位信息独立调制；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的蓝相液晶层；所述第一基板的一侧设置有第一电极层，所述第一基板靠近所述第二基板的一侧设置有第一取向层，所述第二基板的一侧设置有第二电极层，所述第二基板靠近所述第一基板的一侧设置有第二取向层；所述蓝相液晶层包括液晶与聚合物混合层，所述液晶与聚合物混合层中纳米尺度的棒状液晶分子在材料体系中的手性强度诱导下形成数十纳米尺度的双螺旋扭曲棱柱；所述双螺旋扭曲棱柱三维堆积，形成百纳米尺度的立方晶格结构；所述第一取向层和所述第二取向层包括预设的平面排布的取向图案，所述取向图案诱导所述立方晶格结构按照预设的取向进行自组装；其中，所述双螺旋扭曲棱柱的空间旋性决定调制光场的偏振，与所述双螺旋扭曲棱柱的旋性匹配的光被反射，与所述双螺旋扭曲棱柱的旋性相反的光被透射；所述立方晶格结构的晶格常数决定调制光场的波长，利用控制材料配比和/或外部条件操控所述立方晶格结构的晶格常数，以调节反射中心的波长，所述立方晶格结构的晶格常数越大，调制光场的波长越长；所述立方晶格结构的晶面取向决定调制光场的相位，利用外部条件操控所述立方晶格结构的晶面取向，以调制反射光的相位。2.根据权利要求1所述的光场多维度调制器件，其特征在于，所述双螺旋扭曲棱柱的初始旋性由所述液晶与聚合物混合层中掺入手性剂的手性决定；所述立方晶格的初始晶格常数由所述液晶与聚合物混合层中掺入手性剂的浓度决定。3.根据权利要求1所述的光场多维度调制器件，其特征在于，利用外部条件控制所述液晶与聚合物混合层中结构均匀程度操纵蓝相液晶晶界范围，以调制光场的振幅。4.根据权利要求1或3所述的光场多维度调制器件，其特征在于，所述外部条件包括电场、光场或调节温度。5.根据权利要求1所述的光场多维度调制器件，其特征在于，所述液晶与聚合物混合层包括向列相液晶、手性剂、聚合物单体和光引发剂。6.根据权利要求1所述的光场多维度调制器件，其特征在于，所述第一电极层位于所述第一基板靠近所述第二基板的一侧或所述第一基板和所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡伟，王馨悦，陈全明，胡清，
申请(专利权)人：南京宁萃光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：