CN116626798A - 一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，依据所制备目标光栅的偏振特性，设计液晶聚合物材料的取向结构；依据所设计的液晶取向结构，采用微纳加工技术在衬底基板上制备一层微纳结构，微纳结构的沟槽与所设计液晶取向方向一致；将液晶聚合物材料加工至微纳结构表面，液晶聚合物依照微纳结构进行有序排列，经固化工艺后，液晶聚合物产生三维空间的有序螺旋结构，形成具有布拉格体效应的偏振体全息光栅聚合物薄膜。本发明通过设计制造出具有任意结构的微纳表面结构，直接通过微纳加工技术制备出所需要的取向层结构，而后引导液晶取向，进而获得偏振体全息光栅。此方法制备表面取向结构，设计自由度高，便于大面积高效制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，总体上涉及用于液晶光栅及波导耦合元件的制备方法，特别涉及通过微纳加工制备液晶取向层的方法制造偏振体全息光栅。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)技术在当前显示技术领域正迅速发展。通过使用AR显示设备，人们可以同时看到虚拟图像和真实场景。AR技术已广泛应用于军事、娱乐、医疗和教育等领域。为了满足可穿戴消费电子设备的日常使用需求，AR头戴式显示器(HMD)设备的研究趋势是小型化、紧凑性和便携性。基于衍射波导的AR-HMD器件具有紧凑、重量轻等优点。人眼前只有一块玻璃，可以轻松实现用户的良好佩戴体验。随着纳米压印、光刻等纳米制造技术的快速发展，基于衍射波导的AR-HMD器件越来越受到关注。
衍射波导采用光栅作为耦合元件将入射光通过光栅的衍射导入波导介质，并利用波导介质的全反射条件继续传播，最终通过光栅衍射将光场导出波导介质进入人眼。作为核心元件，耦合光栅起到了将光导入与导出波导介质的作用，其衍射性能直接影响整个系统的成像质量。目前耦合光栅主要包括表面浮雕光栅、体全息光栅、Pancharatnam-Berry(PB)相位光栅、偏振体全息光栅等。偏振体全息光栅是由PB相位取向层和偏振液晶自组装层构成，周期性的PB相位调制和一定厚度的液晶指向矢周期性指向形成了偏振体全息光栅结构。
传统的偏振体全息光栅在取向层制备上多采用光致取向聚合物曝光取向的方法，利用旋涂机等设备在衬底基板上旋涂上光取向材料，搭建曝光光路，利用双光束干涉曝光形成取向层结构引导液晶取向的方法。但由于采用曝光方式必然受到尺寸面积等限制，设计自由度不高，且对原材料浪费极大，不便于大规模大面积生产。但如何解决取向层结构在制备中存在的复杂周期性结构加工困难，不便于大面积加工等问题，目前缺乏有效的解决办法。随着灰度电子束光刻(EBL)和纳米压印等微纳加工技术的发展，可以通过设计制造出具有任意结构的微纳表面结构，而后引导液晶定向取向。基于以上问题，本发明涉及一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，通过设计制造出具有任意结构的微纳表面结构，直接通过微纳加工技术制备出所需要的取向层结构，从而实现衍射光栅满足更多功能实现更好衍射效果，如大场角、宽光谱等，进而推动衍射波导增强现实显示技术的进一步发展。
发明内容
技术问题：本发明克服传统干涉曝光方法制备液晶取向层的限制，旨在提供一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，在此方法中，可以通过设计制造出具有任意结构的微纳表面结构，直接通过微纳加工技术制备出所需要的取向层结构，而后引导液晶定向取向。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
①依据所制备目标光栅的偏振特性，设计液晶聚合物材料的取向结构；
②依据所设计的液晶取向结构，采用微纳加工技术在衬底基板上制备一层微纳结构，微纳结构的沟槽与所设计液晶取向方向一致；
③将液晶聚合物材料加工至微纳结构表面，液晶聚合物依照微纳结构进行有序排列，经固化工艺后，液晶聚合物产生三维空间的有序螺旋结构，形成具有布拉格体效应的偏振体全息光栅聚合物薄膜。
所述液晶聚合物材料为一种胆甾相液晶材料混合物，胆甾相液晶材料混合物存在一种或多种反应型液晶单体，胆甾相液晶材料混合物通过添加手性材料，使得该混合物在呈现胆甾相液晶相态，通过调整手性材料的浓度、种类使偏振体全息光栅满足布拉格衍射条件。
所述的反应型液晶单体为丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、肉桂酸酯、苯乙烯类中的一种或多种，所述的手性材料为胆甾相液晶用手性掺杂剂，包括R5011、S5011、R1011、S1011、R811、S811中的一种或多种。
所述表面微纳结构采用的微纳加工技术包括光刻技术、电子束光刻EBL、纳米压印技术NIL或双光子打印TPL等技术中的一种或多种。
所述液晶聚合物材料加工至微纳结构表面，可采用旋涂或喷墨打印技术等，实现液晶依照微纳取向结构有序排列。
有益效果：相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
表面取向结构上具有更大的设计自由度，既能够便于大面积高效制备，还可以在偏振体全息光栅的结构上满足更多功能实现更大衍射效果，如大场角、宽光谱等。
附图说明
图1为偏振体全息光栅的结构图；
图2为取向层表面的液晶分子的排列示意图；
图3为传统偏振体全息光栅制备流程图；
图4为基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备流程图；
图5为设计的微纳取向结构图案；
图6为液晶分子依照微纳结构在表面有序排列示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的制备方法进行清楚、完整地描述。
本发明所制备的偏振体全息光栅的结构图如图1所示。光栅中的液晶分子在三维空间中呈现周期性的有序螺旋结构。传统制备方法中，通过光致取向聚合物材料的取向来引导液晶分子产生横向(图1中的x方向)的旋转周期。取向层表面的液晶分子的排列如图2所示，其长轴方向沿x方向绕y轴旋转不同的方位角α。连续变化的方位角α产生了沿x方向的旋转周期Px。除了沿x方向的周期性旋转，纵向(z方向)也同时存在光轴旋转，并产生旋转周期为Py。在具体实践中，为了产生这种结构需要利用取向技术在取向层构造液晶分子x方向的周期性旋转，同时在液晶材料中加入一定量的手性材料使得沿y方向的液晶分子也发生旋转从而产生z方向的周期性旋转状态。其中z方向的周期则可以根据手性材料的螺旋扭曲力常数(Helix Twist Power,HTP)通过浓度来调制，但区别于传统PVG制备实践，x方向的周期并不是通过调整曝光光束的曝光角度来改变，而是由微纳结构加工设计来实现的。
在传统制备实践中，偏振体全息光栅制备流程如图3所示，31为取玻璃作为衬底基板，32为将取向材料旋涂至衬底基板上并通过升温烘烤形成取向材料的薄膜，33为通过偏振全息的干涉曝光使取向材料层偏振取向，随后旋涂液晶材料如34，最后通过紫外固化等流程形成偏振体全息光栅。
本发明采用的基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备流程如图4所示。具体实施步骤为：
①首先根据预定的光栅特性，设计目标光栅取向层结构，图5所示为本实施例所设计的45度衍射角度，光栅横向旋转周期Px为500nm的微纳取向结构图案；
②取Si基板作为主膜具的基板，在其上旋涂一层正性光刻胶，41所示；
③采用显影液显影后，利用电子束蒸镀沉积一定厚度的金属层，剥离的金属过渡原子被用作Si基板衬底的刻蚀掩模，采用干法刻蚀工艺将图案转移到Si衬底上，而后用蚀刻液去除剩余的金属蚀刻掩模，获得结构及形状与待制作目标光栅取向层的结构及形状相同的光栅取向层母版，42所示；
④在步骤③制备的光栅取向层母版的表面镀制一层抗粘膜层，在抗粘膜层上旋涂聚二甲基硅氧烷层，采用纳米压印技术将光栅取向层母版上的纳米结构完全复制到聚二甲基硅氧烷层上，43所示
⑤通过紫外固化和剥离技术，形成具有取向结构的纳米压印工作模板，44所示；
⑥取衬底基板，在其表面旋涂纳米压印紫外胶层；采用纳米压印技术，用制作的纳米压印工作模板对紫外胶层进行压印，然后紫外固化后剥离，45所示；
⑦得到具有特定取向特性的光栅取向层，46所示；
⑧在制得的光栅取向层上旋涂或沉积胆甾相液晶材料混合物(实施例中选用被广泛使用且光学性能较好的RM257作为液晶材料，手性掺杂剂选择有较大扭曲力HTP的R5011/S5011,其中R5011和S5011分别对应左旋与右旋两种液晶螺旋方向，材料均来自江苏和成显示科技有限公司)，在来自取向层的锚定力和来自手性掺杂剂的扭曲力的组合下，液晶分子将自组装成所需的偏振体全息光栅结构。紫外固化后将产生固定的偏振体全息光栅聚合物薄膜，即得所述的基于表面微纳结构的偏振体全息光栅，47所示。
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 (5)
1.一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
①依据所制备目标光栅的偏振特性，设计液晶聚合物材料的取向结构；
②依据所设计的液晶取向结构，采用微纳加工技术在衬底基板上制备一层微纳结构，微纳结构的沟槽与所设计液晶取向方向一致；
③将液晶聚合物材料加工至微纳结构表面，液晶聚合物依照微纳结构进行有序排列，经固化工艺后，液晶聚合物产生三维空间的有序螺旋结构，形成具有布拉格体效应的偏振体全息光栅聚合物薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，其特征在于：所述液晶聚合物材料为一种胆甾相液晶材料混合物，胆甾相液晶材料混合物存在一种或多种反应型液晶单体，胆甾相液晶材料混合物通过添加手性材料，使得该混合物在呈现胆甾相液晶相态，通过调整手性材料的浓度、种类使偏振体全息光栅满足布拉格衍射条件；所述的手性材料为胆甾相液晶用手性掺杂剂。
3.根据权利要求2所述的一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，其特征在于：所述的反应型液晶单体为丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、肉桂酸酯、苯乙烯类中的一种或多种，所述的胆甾相液晶用手性掺杂剂包括R5011、S5011、R1011、S1011、R811、S811中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，其特征在于：所述表面微纳结构采用的微纳加工技术包括光刻技术、电子束光刻EBL、纳米压印技术NIL或双光子打印TPL技术中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面微纳结构的偏振体全息光栅制备方法，其特征在于：所述液晶聚合物材料加工至微纳结构表面，采用旋涂或喷墨打印技术，实现液晶依照微纳取向结构有序排列。
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