本技術(shù)涉及光學(xué)元件的，具體涉及一種偏振全息光學(xué)元件及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、體全息光柵波導(dǎo)方案是使用全息光學(xué)元件(holographic?optical?element，hoe)的刻蝕光柵，實現(xiàn)虛擬圖像的引導(dǎo)。hoe是基于全息干涉技術(shù)制造，直接在微米級光聚合物薄膜內(nèi)干涉形成納米級的光柵結(jié)構(gòu)，因此在工藝上，全息光波導(dǎo)更加高效，成本較其他光波導(dǎo)技術(shù)也具有明顯優(yōu)勢，而且在色彩均勻性(無彩虹效應(yīng))和實現(xiàn)單片全彩波導(dǎo)上均更具有優(yōu)勢。另外值得一說的是，ar顯示要盡可能的保證外界真實場景的特征，例如外景的清晰度，畸變，以及亮度不受波導(dǎo)的影響，在這一點上，全息光波導(dǎo)由于hoe的高透明，高衍射效率特點，較陣列波導(dǎo)具有明顯優(yōu)勢，且不易產(chǎn)生鬼像，于是引起了ar光學(xué)模組生產(chǎn)商的極大興趣。

2、偏振體全息光柵(polarization?volume?grating，pvg)是一種新型全息光柵，通過周期性旋轉(zhuǎn)液晶分子光軸產(chǎn)生周期性折射率變化。與傳統(tǒng)體光柵相比，pvg具有更高的折射率調(diào)制度和更寬的響應(yīng)帶寬，解決了傳統(tǒng)光柵fov受限的問題，更適用于近眼顯示光波導(dǎo)領(lǐng)域。pvg還具有傳統(tǒng)光柵缺失的偏振敏感性，保證大視場角下的高透過性，同時可根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域進行小尺寸或大尺寸定制，擴展了光波導(dǎo)耦合元件的應(yīng)用范圍。pvg技術(shù)以其卓越的大角度布拉格衍射特性和良好的偏振響應(yīng)特性，在近年來的研究與發(fā)展中取得了顯著進步。其不僅為波導(dǎo)顯示系統(tǒng)提供了更寬廣的視場顯示范圍，而且也為光學(xué)顯示領(lǐng)域帶來了新的設(shè)計維度和應(yīng)用潛力。

3、在實現(xiàn)pvg大角度fov單綠和全彩顯示的過程中，需要高折射率調(diào)制度的液晶實現(xiàn)fov下的亮度和色彩顯示高均一性，因此需要液晶光柵能夠有足夠?qū)挼牟ㄆ赵谕谎苌湫史秶鷥?nèi)實現(xiàn)rgb段的寬波普。這一嚴苛要求對材料的折射率調(diào)制度實現(xiàn)了更高的要求，需要液晶材料分子針對不同的fov能夠提供對應(yīng)的折射率調(diào)制度。現(xiàn)有的rm257，lc86等材料只能提供0.17的折射率調(diào)制度，造成現(xiàn)有的pvg二維波導(dǎo)在30°fov下只能達到30％左右的均一性。因此，開發(fā)0.2以上的折射率調(diào)制度液晶存在非常大的潛在優(yōu)勢?，F(xiàn)在大多數(shù)的高折射率調(diào)制度液晶都需要實現(xiàn)更大的共軛結(jié)構(gòu)作為分子結(jié)構(gòu)中的主鏈，如苯已二炔。但過大的主鏈會帶來兩個基本問題：一是溶解性大幅度降低；二是讓傳統(tǒng)的取向材料無法順利對液晶進行取向，從而無法達到最終想要的液晶光柵結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本技術(shù)提供一種偏振全息光學(xué)元件及其制備方法與應(yīng)用。

2、第一方面，本技術(shù)提供一種偏振全息光學(xué)元件，由基材、取向?qū)?、高折液晶層制備得到?/p>

3、所述高折液晶層材料由重量比為10-15：0.007-0.013：0.01-0.03：0.04-0.06：80-86的液晶、光引發(fā)劑、手性劑、表面活性劑、pgmea制備得到；

4、所述液晶由重量比為5-7：3-4：1-2：1-2的rm257液晶、rm82液晶、cb15液晶、lc242液晶混合組成；

5、所述表面活性劑由重量比為90-110：20-30：1-7的聚氧乙烯氟代醇、吐溫20、醋酸正丁酯混合組成；

6、所述取向?qū)佑芍亓勘葹?.5-1.5：100的染料、dmf制備得到。

7、本技術(shù)引入不同比例和不同側(cè)鏈的液晶參雜到pvg的液晶配方中，同時選擇特定種類的表面活性劑，解決了高折射率調(diào)制度的液晶溶解性低與取向難的問題，實現(xiàn)了超高的溶解性和取向能力，進而實現(xiàn)了遠超于其他方案的折射率調(diào)制度，從而實現(xiàn)了更大的波長帶寬和fov均一性。

8、本技術(shù)通過多次試驗發(fā)現(xiàn)采用rm257液晶、rm82液晶、cb15液晶、lc242液晶這四種液晶按照特定的比例組成液晶配方，具有良好的相容性，可以相互配合，使其各自發(fā)揮最優(yōu)的作用。其中，rm257為二丙烯酸酯液晶單體，具有高雙折射(δn～0.2-0.3)率的性能，可以提供剛性骨架和可聚合性；rm82為單丙烯酸酯液晶單體，可以改善溶解性，降低體系黏度，增強與其他組分的相容性；cb15為手性液晶摻雜劑，用于引入螺旋結(jié)構(gòu)(調(diào)節(jié)螺距)，可以有效拓寬波長響應(yīng)范圍；lc242為反應(yīng)性介晶，用于穩(wěn)定液晶相，增強取向有序性，提高δn的均勻性。

9、在偏振全息光學(xué)元件中表面活性劑的設(shè)計中，聚氧乙烯氟代醇作為一種氟系表面活性劑，可以降低界面能，促進液晶垂直/水平排列，減少相分離缺陷；其氟碳鏈(-cf2-)與液晶分子(如rm257)的芳香環(huán)產(chǎn)生弱相互作用，避免聚集。吐溫20作為非離子表面活性劑，可以有效提高液晶/聚合物相容性，增強溶解性，穩(wěn)定微區(qū)結(jié)構(gòu)；如tween?20的聚氧乙烯鏈包裹液晶分子，增強在聚合物基質(zhì)中的分散性。醋酸正丁酯作為一種酯類溶劑，調(diào)節(jié)體系揮發(fā)速率，改善流平性，輔助表面活性劑均勻分散，同時改善液晶、光引發(fā)劑、手性劑、pgmea、表面活性劑各原料組分之間的相容性，使得偏振全息光學(xué)元件的性能的到進一步提升。

10、優(yōu)選地，所述高折液晶層材料由重量比為11-14：0.008-0.012：0.015-0.025：0.045-0.055：81-85的液晶、光引發(fā)劑、手性劑、表面活性劑、pgmea制備得到。

11、優(yōu)選地，所述液晶由重量比為5.5-6.5：3.2-3.8：1.2-1.8：1.2-1.8的rm257液晶、rm82液晶、cb15液晶、lc242液晶混合組成。

12、進一步地，所述液晶由重量比為6：3.5：1.5：1.5的rm257液晶、rm82液晶、cb15液晶、lc242液晶混合組成。

13、優(yōu)選地，所述表面活性劑由重量比為95-105：23-27：3-5的聚氧乙烯氟代醇、吐溫20、醋酸正丁酯混合組成。

14、優(yōu)選地，所述表面活性劑由重量比為100：25：4的聚氧乙烯氟代醇、吐溫20、醋酸正丁酯混合組成。

15、優(yōu)選地，所述光引發(fā)劑為tpo、所述手性劑為r5011/s5011。

16、優(yōu)選地，所述取向?qū)佑芍亓勘葹?.7-1.2：100的染料、dmf制備得到。

17、優(yōu)選地，所述取向?qū)又校鋈玖线x自by、sd1、pi中的一種或多種。

18、第二方面，本技術(shù)提供了上述偏振全息光學(xué)元件的制備方法，具體包括依次進行以下步驟：

19、在避光條件下，稱取相應(yīng)重量比的液晶、光引發(fā)劑、手性劑、pgmea、表面活性劑混合均勻，經(jīng)過抽濾后的溶液為高折液晶層溶液；

20、在避光條件下，稱取相應(yīng)重量比的染料、dmf混合均勻，經(jīng)過抽濾后的溶液為取向染料層溶液；

21、將所述取向染料層溶液涂至基材上，利用激光進行曝光；

22、將所述高折液晶層溶液旋涂至曝光后的基材上，在氮氣環(huán)境中進行紫外固化得到偏振全息光學(xué)元件。

23、第二方面，本技術(shù)提供了上述偏振全息光學(xué)元件在圖像顯示或投影中的應(yīng)用。

24、綜上所述，本技術(shù)的技術(shù)方案具有以下效果：

25、本技術(shù)引入不同比例和不同側(cè)鏈的液晶參雜到pvg的液晶配方中，同時選擇特定種類的表面活性劑，解決了液晶溶解性低與取向難的問題，制備得到了高折射率調(diào)制度、高波長帶寬、高均一性的偏振全息光學(xué)元件。