CN105204189B - 一种光学匀光片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学匀光片，属于光学领域。所述的光学匀光片，其基质材料是铁电晶体，如铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾、钛酸钡等，也可以是铁电薄膜材料，如在衬底上面生长的铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡等薄膜。通过采用外加电场、紫外线辐照、化学扩散等方法，使得晶体或薄膜表面形成许多有序或者无序的纳米铁电畴，或者发生光折变，使得光通过晶体时，产生散射，以达到匀光的效果。本发明实施例实现大面积、快速的匀光片的制备，特别适合激光显示、激光照明等领域的应用，同时具有成本低的优点。

Description

一种光学匀光片

技术领域

发明涉及光学领域与材料领域，特别涉及一种光学匀光片。

背景技术

激光器由于其亮度高、发散角好，在激光显示、激光照明等诸多方面有着重要的应用。但是由于激光功率一般呈高斯分布，大多数情况下为了提高亮度，需要多个激光器耦合输出，所以得到的光场不是均匀的。为了获得均匀的光场，往往需要设计复杂的光学系统，或采用微透镜阵列等方式。这种方式结构复杂，成本高，不适合大批量生产用。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种制备简单，成本低的光学匀光片。

根据本发明的一个方面，提供一种光学匀光片，其基质材料可以是铁电晶体，通过在晶体内制备纳米铁电畴结构，或者局部光折变，使得光通过晶体时，产生散射，可达到匀光的效果。所述铁电晶体，例如是铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾、钛酸钡、铌酸钾、钛酸锶等单晶材料。

所述的铁电晶体，例如是指按照通光方向切割的单畴薄片，薄片厚度例如为0.5mm-5mm，尺寸可以按照通光口径的大小随意切割。

根据本发明的另一方面，提供一种光学匀光片，包括衬底和在衬底上形成的铁电体薄膜，通过在铁电体薄膜中制备纳米铁电畴结构，或者局部光折变，使得光通过铁电体薄膜时，产生散射，以达到匀光的效果。所述铁电体薄膜材料，可以是铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾、钛酸钡、钛酸锶、铌酸钾或铌酸钾钠等材料，通过磁控溅射、化学气相沉积、化学反应沉积、分子束外延、脉冲激光沉积等技术将该铁电体薄膜生长在衬底材料的一面或者两面。优选地，铁电体薄膜材料的厚度为50nm-200μm。所述衬底，可以是石英玻璃、熔融石英玻璃、碳化硅、蓝宝石等任意的透明基质材料。衬底的厚度优选为0.5mm-5mm，尺寸可以按照通光口径的大小随意切割。

本发明申请中，所谓纳米铁电畴结构，是指铁电晶体或铁电薄膜材料中其极化与晶体或薄膜材料基质的自发极化不同的微观结构单元。

所谓局部光折变区域，是指铁电晶体或铁电薄膜材料中其折射率与晶体或薄膜材料基质的折射率不同的区域。

所述铁电畴结构，可以通过外加电场极化、紫外光辐照、电子束扫描、化学扩散等方法制备。所述光折变结构，可以通过紫外光辐照制备。

所述纳米畴结构或者光折变区域，每个的大小和形状是任意的，尺寸可以是几纳米到几十微米；纳米畴结构或者光折变区域的总面积约占整个薄片区域的1/3到2/3。

使用本发明，可以非常快的制备出大尺寸的光学匀光片，可以显著地改善画面质量，提高画面的亮度、均匀度以及色彩饱和度，提升画面的观赏舒适度。且用于制备本发明所涉及的进一步基质的原材料都有较为成熟的制备工艺，成本低，根据本发明的匀光片会在激光照明、光场匀化等方面有重要应用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是根据本发明实施例1的光学匀光片的结构示意图。

图2是根据本发明实施例2的光学匀光片的结构示意图。

图3是根据本发明实施例3的光学匀光片的结构示意图。

图4是根据本发明实施例4的光学匀光片的结构示意图。

附图标记说明：

11是单畴的基质晶体KTiOPO₄材料；

12是反转的KTiOPO₄铁电畴；

21是单畴的基质晶体5mol％掺杂LiTaO₃材料，

22是反转的无规则5mol％掺杂LiTaO₃铁电畴；

31是单畴的基质晶体5mol％掺杂LiNbO₃材料，

32是光折变5mol％掺杂LiNbO₃区域；

41是衬底石英玻璃；

42是溅射的单畴BaTiO₃薄膜；

43是反转的BaTiO₃铁电畴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的光学匀光片，包括基质材料11和纳米铁电畴单元或者光折变区域12，其中，基质材料11可以是铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾、钛酸钡、铌酸钾、钛酸锶等单晶材料也可以是在石英或者蓝宝石等衬底上面生长的铁电体薄膜材料，如铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾、钛酸钡、钛酸锶、铌酸钾、铌酸钾钠等。

铁电畴单元12是指自发极化方向与基质材料不相同的区域，可以通过外加电场、紫外光辐照、电子束扫描等方式制备、光折变区域是指折射率与周边不一样的区域，可以通过高强度的紫外光或者可见光辐照制备。

实施例1

作为本发明的一个实施例，如图1所示，下面对该匀光片中的上述部件的结构、功能和实现分别加以说明。

该实施例中，匀光片的基质材料11为KTiOPO₄晶体，其厚度为1mm，大小可以按照需要任意切割。多个铁电畴结构12以边长为5μm的正六边形，中心间距为15μm的图案形成在基质中。各铁电畴的厚度可以贯穿整个晶体厚度方向，也可形成在晶体的入射光一侧或出射光一侧，厚度为至少100μm。匀光片的制备方法如下：

清洗基片；

制备掩膜版；在基片正面蒸镀一层均匀的金属电极，并利用半导体光刻工艺在将该金属电极形成为图案化金属电极；

在基片负面蒸镀一层均匀的金属电极；

在基片正负两面施加电场，在基片中制备出如上所述的铁电畴结构；以及

去掉基片两面的电极，得到匀光片。

通过上述方法制备的光学匀光片，由于形成在基质中的铁电畴的极化方向与周围基质的自发极化方向不一样，其边界的部分称为畴壁。畴壁处的折射率与基质晶体的折射率不同。当光通过晶体时，位于晶体中的铁电畴如同晶体内部有多个散射薄片，使得光发生小角度的散射，达到了匀光的效果。

实施例2

作为本发明的一个实施例，如图2所示，下面对该匀光片中的上述部件的结构、功能和实现分别加以说明。

该实施例中，匀光片的基质材料21为5mol％MgO掺杂的LiTaO₃晶体，其厚度为0.5mm，大小可以按照需要任意切割。多个铁电畴22为任意形状任意地排布在基质材料中，各铁电畴在垂直于厚度方向的面积在1μm²到100μm²之间，可以贯穿整个晶体厚度方向，也可形成在晶体的入射光一侧或出射光一侧，厚度为至少100μm。。该匀光片的制备方法如下：

清洗基片；

制备掩膜版；

在基片正面蒸镀一层均匀的金属电极，并利用半导体光刻工艺在将该金属电极形成为图案化金属电极；在基片负面蒸镀一层均匀的金属电极；

在基片正负两面施加电场，在基片中制备出如上所述的铁电畴结构；

去掉基片两面的电极，得到匀光片。

通过上述方法制备的光学匀光片，由于形成在基质中的铁电畴的极化方向与周围基质的的自发极化方向不一样，其边界的部分称为畴壁。畴壁处的折射率与基质晶体的折射率不同。当光通过晶体时，位于晶体中的铁电畴如同晶体内部的多个散射薄片，使得光发生小角度的散射，达到了匀光的效果。

实施例3

作为本发明的一个实施例，如图3所示，下面对该匀光片中的上述部件的结构、功能和实现分别加以说明。

该实施例中，基质材料31为5mol％MgO掺杂的LiNbO₃晶体，其厚度为2mm，大小可以按照需要任意切割。多个光折变区域32为半径为3.5μm的圆形，按照任意方式排布。各光折变区域的厚度可以贯穿整个晶体厚度方向，也可形成在晶体的入射光一侧或出射光一侧，厚度为至少100μm。匀光片的制备方法如下：

清洗基片；

制备掩膜版；

利用大功率的355nm紫外激光器通过掩膜版辐照基片，使得被辐照区域产生光折变多个光折变区域，而未被辐照的部分折射率不发生变化。

通过上述方法制备的光学匀光片，由于光折变区域与周围基质的折射率不同，当光通过晶体时，位于晶体中的光折变区域如同晶体内部有多个散射体，使得光发生小角度的散射，达到了匀光的效果。

实施例4

作为本发明的一个实施例，如图4所示，下面对该匀光片中的上述部件的结构、功能和实现分别加以说明。

该实施例中，衬底材料41为石英玻璃，其厚度为1mm，铁电体薄膜材料42为采用磁控溅射方法制备的BaTiO3薄膜，多个铁电畴43边长为5μm的正方形，按照图中方式排布。各铁电畴的厚度可以贯穿整个铁电体薄膜的厚度方向，也可形成在晶体的入射光一侧或出射光一侧，厚度为至少100μm。匀光片的制备方法如下：

清洗衬底；

磁控溅射BaTiO3薄膜；

利用电子束扫描的方法，在BaTiO3薄膜上面诱导出图示的铁电畴图案。

通过上述方法制备的光学匀光片，由于铁电畴与周围的铁电体薄膜的自发极化方向不一样，其边界的部分称为畴壁。畴壁处的折射率跟整个晶体的折射率不同，当光通过晶体时，等同于晶体内部有多个散射薄片，使得光发生小角度的散射，达到了匀光的效果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种无电极光学匀光片，其特征在于，该匀光片包括

作为基质的铁电体材料，和

在该铁电体材料中的多个可以改变入射光折射率的区域，以使通过该光学匀光片的光产生散射；其中

所述改变入射光折射率的区域是纳米铁电畴结构或光折变结构，

所述纳米铁电畴结构或所述光折变结构在垂直于通光方向上的尺寸为几纳米到几十微米，且在垂直于通光方向上所述纳米铁电畴结构或者光折变结构的总面积占匀光片面积的1/3到2/3。

2.如权利要求1所述的无电极光学匀光片，其特征在于，

所述铁电体材料是单畴铁电晶体。

3.如权利要求1所述的无电极光学匀光片，其特征在于，所述匀光片沿晶体通光方向的厚度为0.5mm-5mm。

4.如权利要求1所述的无电极光学匀光片，其特征在于，

该光学匀光片进一步包括透明衬底，

所述铁电体材料是形成在所述透明衬底上的铁电体薄膜。

5.如权利要求4所述的无电极光学匀光片，其特征在于，所述透明衬底的厚度为0.5mm-5mm，所述的铁电体薄膜的厚度为50nm-200μm。

6.如权利要求2或4所述的无电极光学匀光片，其特征在于，所述改变入射光折射率的区域的厚度贯穿铁电体材料透光方向的厚度，或在铁电体材料的一侧，厚度至少100μm。

7.如权利要求1所述的无电极光学匀光片，其特征在于，所述铁电体材料为铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾、钛酸钡、铌酸钾、钛酸锶或铌酸钾钠。

8.如权利要求1所述的无电极光学匀光片，其特征在于，

所述铁电畴结构通过外加电场极化、紫外光辐照、电子束扫描或化学扩散方法制备；

所述光折变结构通过紫外光辐照制备。

9.如权利要求4所述的无电极光学匀光片，其特征在于，所述铁电体薄膜通过磁控溅射、化学气相沉积、化学反应沉积、分子束外延、脉冲激光沉积该些方法中的一种或多种生长在衬底材料的一面或者两面上。