CN111352182A - 一种偏振体全息光栅的曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振体全息光栅的曝光方法，该方法利用契形双折射晶体棱镜的双折射和随空间位置变化的光程差，产生相位延迟随空间位置变化的o光与e光，通过屋脊棱镜调整o光e光传播方向后，再利用双折射光束偏移器或其它方式将其合束，生成偏振取向沿空间位置周期性旋转调制的曝光光场。该偏振取向周期性调制光场所对应的图案通过曝光的方式记录在光取材料向层上，并进一步传递到液晶分子层形成偏振体全息光栅或Pancharatnam‑Berry(PB)光栅。该方法可以通过单光束直接生成偏振取向周期性旋转调制的曝光光场，避免了双光束干涉曝光方法对制备系统稳定性的极高要求，使得该类光栅的制备更具低成本，高稳定性和单步曝光的特征。

Description

一种偏振体全息光栅的曝光方法

技术领域

本发明涉及一种偏振体全息光栅或者PB光栅的曝光制备方法，属于光栅制备技术领域。

背景技术

近年来，基于衍射光学的衍射光学元件(DOE)得到了快速发展，被广泛应用到军事和商业领域。这类衍射光学元件有表面浮雕光栅、布拉格体光栅以及偏振体全息光栅等多种形式。其光栅的制备工艺，多涉及微纳加工，全息干涉，电子束/离子束刻蚀，纳米压印等尖端科技，成本高昂不利于批量制备。其中，偏振体全息光栅所涉及的Pancharatnam-Berry(PB)相位调制是与光的偏振相关的几何相位调制。以色列科学家Bomzon等在2002年即证明了基于亚波长光栅的PB相位光学器件可以得到任意想要的相位。而偏振体全息光栅的PB相位调制的获得，传统的方法中，一种是基于偏振全息干涉产生，将两个垂直正交(即左旋和右旋)的圆偏振光干涉得到曝光光场，在曝光光场中用光取向材料记录。所得的光栅周期由两干涉光角度决定。这种方法具有高空间分辨率的特征，可以得到增强现实(AR)应用所需的百纳米级光栅周期，但是其复杂的光学设置和对环境干扰的脆弱性阻碍了其工业应用。另一种是数字化偏振全息方法，例如，基于数字镜面设备(DMD)的微光刻或激光直接写入可提供灵活的任意偏振图案，但多重曝光过程和偏振器的高精度机械旋转会限制生产效率，空间分辨率和有效面积的固有矛盾也限制了在该方法下获得数厘米尺寸级别的亚微米高精度光栅极其困难。因此上述方案中制备具有大面积和高精度的PB相位调制光栅仍然存在挑战。北京航空航天大学的陈达等人在2019年提出了利用双折射晶体生成PB相位调制光场的方法，但在实际应用当中其偏振光会因晶体界面折射，以及晶体内部双折射现象产生较大的分束，因而只能采用较小的双折射材料以及较小的契形角棱镜以近似得到所需PB相位调制，限制了所得光栅周期在数十个微米(μm)以上，需要对该结构进行进一步的调整及优化。

因此，在这里，我们提出了一种新颖的产生液晶分子(LC)指向矢的摆线图案的方法，该方法可以针对可见波长实现高效大面积的薄膜LC偏振光栅及偏振体全息光栅。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种改进的偏振体全息光栅的曝光方法，该方法利用契形双折射晶体棱镜的双折射和随空间位置变化的光程差，产生相位延迟随空间位置变化的o光与e光，通过屋脊棱镜调整o光e光传播方向后，再利用双折射光束偏移器或其它方式将其合束，生成偏振取向沿空间位置周期性旋转调制的曝光光场。该偏振取向周期性调制光场所对应的图案通过曝光的方式记录在光取材料向层上，并进一步传递到液晶分子层形成偏振体全息光栅或PB光栅。

本发明采用的技术方案：一种偏振体全息光栅的曝光方法，具体实现步骤如下：

1)将准直后的单一偏振光束垂直于契形直角面入射进入双折射晶体，所述晶体光轴平行于入射平面，在契形的另一个直角面出射光将分束为o光和e光出射，并获得PB相位调制；

2)根据理论计算或实际测量得到出射的o光、e光传播方向角度差，通过屋脊棱镜和双折射光束偏移器或者其它光学方式，进一步将PB相位调制后的o光、e光准确合束，得到所需偏振取向周期性调制即PB相位调制光场；

3)将该偏振取向周期性调制图案记录在光取向材料层上，并进一步传递到液晶分子上形成偏振体全息光栅或PB光栅。

本发明方法结合偏振体全息光栅制备原理，优化曝光方法，在单光束非干涉曝光的情况下实现制备偏振体全息光栅所需的PB相位周期性调制光场，利用双折射晶体对输入光束不同偏振折射率差产生的相位延迟，同时晶体的契形结构带来的光程长度的空间变化，产生跟空间位置相关的圆偏振和线性偏振之间的振荡模式。双折射晶体不限于契形结构，可设计更复杂的形貌来得到具备更为复杂偏振调制信息的全息图。利用双折射晶体产生所需偏振取向周期性调制即PB相位调制的同时，出射的o光、e光会因双折射现象产生相应的传播角度差，利用相应的屋脊棱镜调整该角度差，使其传播方向一致；进一步的，利用双折射光束偏移器将调整后的o光、e光合束，得到偏振取向周期性调制即PB相位调制光场。

作为优选，所述合束方法也可以通过反射镜、半反半透片等光路实现。根据实际需要可以选择使用或不使用四分之一波片对所述曝光光场进一步调整，以改变偏振取向调制的线性偏振或椭圆偏振特性。

作为优选，所述双折射晶体、双折射光束偏移器、四分之一波片等可采用钒酸钇、方解石、石英或偏硼酸钡等双折射晶体按照适当的光轴方向进行切割、抛光、镀膜等工艺制成。双折射晶体、双折射光束偏移器、四分之一波片等也可采用特定设计的具备相同效应的光栅结构替代。

作为优选，进一步利用透镜组的光学缩放技术，对所形成的偏振取向周期性调制即PB相位调制光场进行灵活而精确的放大或者缩小，从而使制备得到的光栅周期可以很方便的精确控制。不需要对光路进行复杂的调整，同一光路下只需改变缩放透镜组的放大倍数或者改变光取向剂基板到聚焦透镜的距离就可以制备得到从nm级到μm级的不同光栅周期。

作为优选，入射系统的光束为偏振光，其偏振方向的选择需根据需要优化。入射系统的光束不限于单一频率或单一偏振，可根据需要选取多种模式以最终获得较复杂光栅。

本发明将结合双折射晶体中o光、e光折射率差所产生的相对延迟理论模型，选择合适的双折射材料，优化契形结构，得到设计所需的随空间位置周期性变化的偏振光束。所述周期性可表征为线偏光振动方向在空间上的周期性变化，即PB相位调制周期，可表示为：

式中，

表示线偏光振动方向(偏振方向)，Λ表征偏振方向沿x方向的旋转周期。所述偏振方向周期性旋转的获得，其原理是通过契形的双折射晶体的光束在空间上光程不同，光场中的o光和e光将沿着x方向在空间上产生连续变化的相位差φ，可表示为：

其中Δn是所述双折射晶体的折射率差，α是所述契形的双折射晶体的契角。作为优选，入射的准直光场可以是与x轴呈45°的线偏振光束。当该偏振光场经过契形的双折射晶体后，其光场的琼斯矩阵可表示为：

随后光场经过四分之一波片可将输出光场的琼斯矩阵变为：

上式所表述的输出光场即为满足PB相位周期性调制的曝光光场。通过对契形的双折射晶体的契角α调整便可以改变空间相位差φ，从而最终改变输出光场的偏振取向变化周期。

有益效果：本发明提出的一种偏振体全息光栅的曝光方法，基于双折射晶体对光束相位偏振延迟的原理，通过优化的光路结构，直接获得PB相位调制所需的曝光光束，该方法避免了双光束干涉曝光方法对系统稳定性的极高要求，使得该类光栅的制备更具低成本，高稳定性和单步曝光的特征，同时曝光所使用的光源不再要求具有较大的相干长度。该制造技术具有低成本，连续图案，高稳定性和单步曝光的特征。这种基于非干涉式和无源光学元件的曝光方法为制造偏振光学DOE元件提供了一种新颖的方法，可以大大促进该类光栅的制造和实际使用。

附图说明

图1为传统的双光束干涉曝光方法制备光栅示意图；

图2为本发明所述单光束生成PB相位调制光场示意图；

图3为契形双折射晶体和四分之一波片产生PB相位调制光场基本原理示意；

图4为契形双折射晶体产生的光束角度偏差示意；

图5为本发明所述产生所需光场器件及光路示意；

图6为进一步利用透镜组对所产生的PB相位调制光场进行几何光学缩放示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

传统制备PB光栅所需的偏振态空间调制的方法采用双光束干涉曝光的方式，如图1所示，多采用由单纵模激光器发出的光束，经扩束、分束、空间滤波、偏振调整等方式，生成相干的两束左旋和右旋光束在光取向材料层处相遇，形成曝光所需的干涉光场。由于双光束干涉对系统及环境的振动、温湿度等方面的要求极高，不适用于大规模生产的要求。本专利实现一种单光束曝光的方式来制备一种新型偏振体全息光栅，如图2所示。偏振方向一致的偏振光束21通过曝光装置22后，产生偏振取向随空间调制的曝光光场23，偏振取向随空间调制的曝光光场23偏振态在空间上周期性变化。

将涂覆有光取向材料薄膜层及液晶等其他材料的曝光干板24置于曝光光场23中，可以记录得到所需的PB相位调制结构25。所述周期Λ大小与曝光装置22具体配置相关。曝光装置22中的主要器件与实现原理如图3所示，利用契形的双折射晶体34可以使单偏振光束31产生沿契形结构垂直方向变化的偏振相位延迟，进一步通过四分之一波片35可以得到所需光栅的偏振取向空间调制光场33。

然而，准直光束直接通过双折射晶体34时会产生分光现象，如图4所示，o光和e光在通过界面时所遇到的双折射现象，使其在晶体内和出射晶体后生成了两束传播方向不同的光42和光43。本专利所述的优化后的曝光装置如图5所示，双折射晶体55所产生的分束光束52通过屋脊棱镜56调整至相同的传播方向53，进一步的利用光束偏移器57将该双光束合束得到所需的曝光光束54。如图6所示，由曝光装置22生成的偏振态随空间调制光束61由于其单光束和准直等特性，可以利用透镜组63对其调制周期直接缩放，得到不同调制周期的曝光光场62，从而可以灵活的调整最后制备得到的光栅周期(如从200nm到10um之间)。

以上结合附图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的范围内，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内。

Claims (6)

1.一种偏振体全息光栅的曝光方法，其特征在于：具体实现步骤如下：

1)将准直后的单一偏振光束垂直于契形直角面入射进入双折射晶体，所述晶体光轴平行于入射平面，在契形的另一个直角面出射光将分束为o光和e光出射，并获得PB相位调制；

2)根据理论计算或实际测量得到出射的o光、e光传播方向角度差，通过屋脊棱镜和双折射光束偏移器，进一步将PB相位调制后的o光、e光准确合束，得到所需偏振取向周期性调制即PB相位调制光场；

3)将该偏振取向周期性调制图案记录在光取向材料层上，并进一步传递到液晶分子上形成偏振体全息光栅或PB光栅。

2.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的曝光方法，其特征在于：选择使用四分之一波片对所述曝光光场进一步调整，以改变偏振取向调制的线性偏振或椭圆偏振特性。

3.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的曝光方法，其特征在于：所述双折射晶体、双折射光束偏移器、四分之一波片采用钒酸钇、方解石、石英或偏硼酸钡进行切割、抛光、镀膜工艺制成。

4.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的曝光方法，其特征在于：进一步利用透镜组的光学缩放技术，对所形成的偏振取向周期性调制即PB相位调制光场进行放大或者缩小，从而使制备得到的光栅周期进行精确控制。

5.根据权利要求4所述的一种偏振体全息光栅的曝光方法，其特征在于：不需要对光路进行复杂的调整，同一光路下只需改变缩放透镜组的放大倍数或者改变光取向剂基板到聚焦透镜的距离就制备得到从nm级到μm级的不同光栅周期。

6.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的曝光方法，其特征在于：入射系统的光束不限于单一频率或单一偏振，根据需要选取多种模式以最终获得较复杂光栅。

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