CN116047642B - 一种全息体光栅的制备方法及全息体光栅 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种全息体光栅的制备方法及全息体光栅，该制备方法利用激光干涉烧蚀技术在柔性基材上形成多个沟槽，然后往沟槽中填充任意高折射率纳米材料，再涂布一层保护层，由于填充纳米材料，所以可以在聚合物中添加各种高折射率纳米材料，尤其是高折射率无机纳米粒子，进而提高了两相折射率差，加上填充法可以保证两相分离更佳，从而可以提高全息材料折射率调制，另外，纳米材料没有取向性，能够消除全息材料对入射光的偏振依赖性。

Description

一种全息体光栅的制备方法及全息体光栅
技术领域
本申请各实施例属于显示技术领域，具体涉及一种全息体光栅的制备方法及全息体光栅。
背景技术
目前全息体光栅制备的主流方法是光聚合诱导相分离，以聚合物分散液晶全息体光栅为例，以UV单体/齐聚物、光引发剂组合物、液晶混合溶液为原料，采用相干激光曝光制备。在曝光过程中，UV单体/齐聚物向相干亮区扩散并发生聚合反应生成聚合物，液晶向暗区扩散，发生相分离形成聚合物与液晶呈周期性排列的全息体光栅。聚氨酯丙烯酸二阶全息膜则主要是聚氨酯热交联单体、光敏单体、热固化剂、光引发剂组合物均相混合溶液为原料，先采用避光热固化形成低折射率聚氨酯树脂，然后采用相干激光曝光，在曝光过程中，UV单体/齐聚物向相干亮区扩散并发生聚合反应生成高折射率聚合物，得到全息体光栅。
以上方法目前存在一些不足之处：1.由于曝光时，两相不可能完全相分离，致使材料折射率调制提升受到一定限制；2.聚合物分散液晶全息体光栅中的液晶相由于向列型液晶分子具备取向性，从而对入射光具有偏振依赖性；3. 无论聚合物与液晶分子还是聚氨酯与光固化丙烯酸树脂，两相同为有机物，折射率差距较小。
发明内容
为了解决或缓解现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种全息体光栅的制备方法及全息体光栅。
第一方面，本申请提供了一种全息体光栅的制备方法，包括：
利用激光干涉烧蚀技术在柔性基材上形成多个间隔设置的沟槽；
在多个所述沟槽中填充具有高折射率的纳米材料；
在所述纳米材料上表面涂布一层保护层以保护所述纳米材料。
作为本申请一优选实施例，所述激光干涉烧蚀技术的干涉激光波长小于600nm。
作为本申请一优选实施例，所述沟槽的深度为2-10um。
作为本申请一优选实施例，所述柔性基材的透光率大于等于85%。
作为本申请一优选实施例，所述柔性基材为聚降冰片烯COP、聚酰亚胺PI或聚碳酸酯PC。
作为本申请一优选实施例，所述纳米材料为固体或液体，所述纳米材料为固体时，所述纳米材料形状为圆形、椭圆型和片状中的一种或多种。
作为本申请一优选实施例，所述纳米材料的D50为10nm-1um。
作为本申请一优选实施例，所述纳米材料为硫化锌、硫化银、二氧化钛和氧化锆中的一种或多种。
作为本申请一优选实施例，所述纳米材料为多种时，所述纳米材料之间的折射率差为0.01；
所述柔性基材的折射率为n1，所述纳米材料的平均折射率为n2，所述柔性基材和纳米材料的平均折射率差，n*≥0.3。
与现有技术相比，本申请提供了一种全息体光栅的制备方法，利用激光干涉烧蚀技术在柔性基材上形成多个沟槽，然后往沟槽中填充任意的高折射率纳米材料，再涂布一层保护层，该工艺由于填充纳米材料，所以可以在聚合物中添加各种高折射率纳米材料，尤其是高折射率无机纳米粒子，进而提高了两相折射率差，加上填充法可以保证两相分离更佳，从而可以提高全息材料折射率调制，另外，纳米材料没有取向性，能够消除全息材料对入射光的偏振依赖性。
第二方面，本申请提供了一种全息体光栅，通过第一方面任一项所述的制备方法制备。
与现有技术相比，本申请第二方面提供的全息体光栅的有益效果与第一方面相同，再此不再赘述。
附图说明
图1是本发明提供的一种全息体光栅的制备方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种全息体光栅的整体制备流程示意图；
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
全息光波导移动应用增强现实 Augmented Reality（简称： AR）显示技术被认为是AR显示未来主流的发展方向之一，高衍射效率的全息体光栅是实现兼具高光效率、大视场角全息光波导AR显示的关键。非倾斜体全息体光栅衍射效率的计算公式如下：
其中，d为光栅厚度、为光栅折射率调制度、λ为探测光波长、θ为布拉格入射角，由式(1)可知衍射效率与折射率调制成正比，提高材料折射率调制可以获得高衍射效率的光栅，从而提高全息光波导AR显示镜片的光效率。
为了提高全息光波导AR显示镜片的光效率，需要制备高衍射效率的光栅，所以本申请提供了一种全息体光栅的制备方法。
如图1和图2所示，第一方面，本申请提供了一种全息体光栅的制备方法，包括：
步骤S01，利用激光干涉烧蚀技术在柔性基材上形成多个间隔设置的沟槽；
需要说明的是，本申请实施例利用激光干涉烧蚀技术在透明柔性基材上形成多个沟槽，多个沟槽的深度和间距均相同。
在使用利用激光干涉烧蚀技术的干涉激光波长小于600nm，优选，干涉激光在400nm以下高能量激光，激光波长越短，沟槽间距越小。
在本申请实施例中，激光干涉烧蚀技术是一种基于激光干涉形成自发调制图案化光场，它可以直接在空气环境中无接触、无掩模、一步直接烧蚀出周期和形貌可控的微纳结构，利用激光干涉烧蚀技术在薄膜材料表面制备出周期性微纳米结构阵列，在本申请实施例中，沟槽的深度为2-10um。
在本申请实施例中，所述柔性基材的光学透过率≥85%，具体的，所述柔性基材为聚降冰片烯COP、聚酰亚胺PI、聚碳酸酯PC等，柔性基材的为厚度5-100um，优选10-50um，优选柔性基材折射率为小于 1.6的透明基材，以便增大与高折射率纳米粒子组分的折射率差异。
步骤S02，在多个所述沟槽中填充具有高折射率的纳米材料；
在本申请实施例中，所述纳米材料为固体或液体，所述纳米材料为固体时，所述纳米材料形状为圆形、椭圆型和片状中的一种或多种，优选圆形、椭圆型及片状混合搭配，所述纳米材料的D50为10nm-1um，优选10nm-500nm，所述纳米材料为硫化锌、硫化银、二氧化钛、氧化锆等一种或多种。
所述柔性基材的折射率为n1，所述纳米材料的折射率为n2，所述柔性基材和纳米材料的平均折射率差，n*≥0.3。
在本申请实施例中，所述纳米材料为多种时，所述纳米材料之间的折射率差为0.01。
步骤S03，在所述纳米材料上表面涂布一层保护层以保护所述纳米材料。
在本申请实施例中，所述保护层为透明保护层，所述透明保护层为涂布的UV固化胶，UV固化胶的透光率≥85%，所述保护层首先起到粘结填充纳米材料的作用，其次可以保护纳米材料不受到外界侵蚀，再次是填充烧蚀产生的材料可以避免出现应力集中现象，同时UV固化胶渗透填充的纳米材料之间的空隙，避免了光散射，所述保护层的厚度为10nm-5um，优选20nm-1um。
以下以具体的实施例详细介绍本申请的技术方案。
实施例一：聚酰亚胺硫化锌全息体光栅的制备
激光干涉烧蚀技术采用具体参数为：波长248nm、脉冲宽度10ns、重复频率10Hz、功率连续可调0-1100mW，光斑直径8mm，实验中通过分束镜将激光均匀分成两束，并使两束光以与样品（50um聚酰亚胺片材）表面法线相同夹角θ、重叠照射到样品表面形成激光干涉烧蚀，烧蚀深度2um。实验中利用功率控制器和光开关来精确控制激光的功率和曝光时间，功率控制精度小于50mW，曝光时间控制精度小于10ms。然后往沟槽里填入D50=100nm的纳米硫化锌粒子，最后涂布一层亚克力UV固化胶，避光静置1小时后，放入UV光源中固化胶水形成保护层，得到聚酰亚胺硫化锌全息体光栅。
实施例二：聚对苯二甲酸乙二醇酯硫化锌全息体光栅的制备
激光干涉烧蚀技术采用具体参数为：波长193nm、脉冲宽度20ns、重复频率10Hz、功率连续可调0-1100mW，光斑直径6mm，实验中通过分束镜将激光均匀分成两束，并使两束光以与样品（50um聚对苯二甲酸乙二醇酯片材）表面法线相同夹角θ、重叠照射到样品表面形成激光干涉烧蚀，烧蚀深度3um。实验中利用功率控制器和光开关来精确控制激光的功率和曝光时间，功率控制精度小于50mW，曝光时间控制精度小于10ms。然后往沟槽里填入D50=100nm的纳米硫化锌粒子，最后涂布一层亚克力UV固化胶，避光静置1小时后，放入UV光源中固化胶水形成保护层，得到聚对苯二甲酸乙二醇酯硫化锌全息体光栅。
实施例三：聚碳酸酯氧化锆全息体光栅的制备
激光干涉烧蚀技术采用具体参数为：波长248nm、脉冲宽度30ns、重复频率20Hz、功率连续可调0-1100mW，光斑直径6mm，实验中通过分束镜将激光均匀分成两束，并使两束光以与样品（100um 聚碳酸酯片材）表面法线相同夹角θ、重叠照射到样品表面形成激光干涉烧蚀，烧蚀深度5um。实验中利用功率控制器和光开关来精确控制激光的功率和曝光时间，功率控制精度小于50mW，曝光时间控制精度小于10ms。然后往沟槽里填入D50=100nm的纳米氧化锆粒子，最后涂布一层亚克力UV固化胶，避光静置1小时后，放入UV光源中固化胶水形成保护层，得到聚碳酸酯氧化锆全息体光栅。
第二方面，本申请提供了一种全息体光栅，通过第一方面任一项所述的制备方法制备。
与现有技术相比，本申请第二方面提供的全息体光栅的有益效果与第一方面相同，再此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种全息体光栅的制备方法，其特征在于，包括：
利用激光干涉烧蚀技术在柔性基材上形成多个间隔设置的沟槽；
在多个所述沟槽中填充具有高折射率的纳米材料，所述高折射率的纳米材料为硫化锌、硫化银、二氧化钛和氧化锆中的一种或多种；
在所述纳米材料上表面涂布一层保护层以保护所述纳米材料。
2.如权利要求1所述的一种全息体光栅的制备方法，其特征在于，所述激光干涉烧蚀技术的干涉激光波长小于600nm。
3.如权利要求1所述的一种全息体光栅的制备方法，其特征在于，所述沟槽的深度为2-10um。
4.如权利要求1所述的一种全息体光栅的制备方法，其特征在于，所述柔性基材的透光率大于等于85％。
5.如权利要求4所述的一种全息体光栅的制备方法，其特征在于，所述柔性基材为聚降冰片烯COP、聚酰亚胺PI或聚碳酸酯PC。
6.如权利要求1所述的一种全息体光栅的制备方法，其特征在于，所述纳米材料的D50为10nm-1um。
7.如权利要求1所述的一种全息体光栅的制备方法，其特征在于，所述纳米材料为多种时，所述纳米材料之间的折射率差为0.01；
所述柔性基材的折射率为n1，所述纳米材料的平均折射率为n2，所述柔性基材和纳米材料的平均折射率差n*＝|n1-n2|，n*≥0.3。
8.一种全息体光栅，其特征在于，通过如权利要求1至7任一项所述的制备方法制备。
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