介晶膜中的偏振光栅制造技术

一种包括偏振敏感光定向层（２）和布置在所述定向层（２）上的液晶组分（３）的偏振光栅。对应于全息偏振图案的定向图案记录到光定向层中，并且液晶组分排列在光定向层上。因为液晶组分的定向来源是记录到光定向层中的偏振全息图，所以可以用该方法获得基本上无缺陷的图案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新颖的偏振光栅，以及这种新颖的偏振光栅的应用领域。
技术介绍
常规的衍射光栅通过周期性地调制传播通过它们的光的相位或振幅，可能将入射光分裂成多个衍射级而工作。自从1970年代，当关于偏振全息的更一般情形的最初出版在苏联刊物中出现时， 就已经知道周期性地调制传播通过它们的光的偏振状态的偏振光栅。人们很快认识到了，偏振光栅优于常规的衍射光栅的最引人注目的优点是控制衍射级的偏振状态同时使每个级中的效率依赖于入射光的偏振的可能性。简化实现偏振光栅的理论的最初成功用于使用全息学的光致变色氯化银(AgCl)玻璃。在该方法中，两个几乎正交偏振的相干激光束几乎平行传播地叠加，产生具有偏振状态的周期性调制的同时保持恒定强度的驻光波。因为线性偏振光通过韦盖特效应在材料中引起显著的光学各向异性 (线性双折射)，所以偏振从线性改变成圆形然后改变回来的周期性图案被捕捉为偏振光栅。当包含偶氮苯基元的有机材料显示出能够将这些偏振全息记录为相对强的双折射时，该全息方法最终产生实在的优点。在这些材料中，偶氮苯基团经历可逆的trans => cis => trans异构化过程以及相关的发色团的取向再分布。研究表明也可以使用多种含偶氮苯的聚合物以及色散。在这些聚合物的许多中，在照射过程中也形成表面凹凸光栅。虽然表面产生过程的主要原因还没有很好地理解，但是几种理论已试图解释现有的现象学，并且人们同意表面凹凸似乎是质量扩散机制的结果。虽然它可能是有用的，但是该表面凹凸结构作为相位光栅而衍射，并且不导致传播通过它的光的偏振状态的调制。事实上，该表面凹凸光栅通常使偏振光栅的独特衍射性质退化，因为两者的性质叠加了。含偶氮苯的材料具有可见光的颜色，所以波长适用性的范围是有限的。另外，长期稳定性通常是有限的，尤其是当光栅暴露于处于材料的吸收带中的光或者受到在某些应用例如LCD制造中很普遍的高温热处理时。其他材料也已经被研究作为可选的偏振全息材料，包括菌视紫红质、散布全息聚合物的液晶、以及吸入偶氮苯液晶分子的多孔玻璃系统。次波长金属条纹结构的光刻处理也已经表明通过引起空间上周期性的各向异性吸收成功地形成偏振光栅。在该方法中，衬底上的导电层被形成具有次波长间距的平行线的图案(产生线性偏振器)，其中这些线的取向确定偏振器的透射/吸收轴。该取向通过以大于波长的间距的光刻而周期性地变化， 形成偏振光栅。该类型的光栅在红外波长下工作，但是原理在可见波长下也有效(但是制造更困难，因为尺寸实质地更小)。虽然可以获得良好的光学质量，但是它是吸收光学元件(典型地，吸收50%的入射光)，并且制造过程需要例如用于半导体晶片的实质光刻处理(绝对无尘室环境、昂贵的遮光板、光刻胶显影、无机导电层的湿法化学刻蚀，等等)。基于液晶的偏振光栅的一种当前制造方法由Eakins等人的“周期性排列的液晶中的零电压弗雷德里克兹转变”，Applied PhysicsLetters 85，no 10，pp 1671-1673，2004 所描述，其使用全息曝光以光聚合偏振敏感定向层，并且在其上排列液晶组分。但是，仍然需要一种易于制造的，温度稳定的，以及在实际应用中有用的新的高质量偏振光栅。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于克服现有技术的上述问题以及提供易于制造的并且表现出在可见/IR波长中的高衍射效率、透明度，中大可用面积，当暴露于中等温度和可见光时的稳定性，以及灵活的设计特征的偏振光栅。专利技术者已经惊奇地发现，可以通过使用将偏振图案记录到光定向膜中并且在光定向膜上排列液晶组分的偏振全息来制造实现该目的的偏振光栅。因此，在第一个方面中，本专利技术提供一种偏振光栅，其包括例如布置在衬底上的偏振敏感光定向层，以及布置在所述光定向层上的整体液晶组分。将对应于全息图的偏振图案的图案布置在(记录在)光定向层中，例如以化学键的各向异性图案的形式。将液晶组分布置在定向层上，结果与定向层相邻的液晶组分的局部介晶指向矢遵循各向异性图案， 也就是介晶的指向矢从而局部光轴将遵循全息图的偏振图案。由于液晶材料的本质，与定向层的表面相邻的介晶的取向将传播通过液晶组分的厚度，以产生具有形成图案的高值各向异性和双折射的透明膜。因为形成图案的双折射的起源是记录在光定向层中的偏振全息，所以用该方法可以获得基本上无缺陷的图案。形成图案的双折射的取向作为偏振光栅导致非常强的衍射。在本专利技术的实施方案中，各向异性定向图案的定向方向沿着定向层的平面中的至少一条线是周期性的。在本专利技术的实施方案中，定向方向呈现周期性变化，其在一个周期上对应于沿着庞加莱球上的圆形的偏振方向变化。因为各向异性图案对应于具有恒定强度以及周期性变化的偏振廓线的全息图，所以该图案最方便映射到庞加莱球上。在本专利技术的研究过程中的令人惊奇的发现之一是对应于庞加莱球上的任一个圆的定向图案可以通过全息方法产生，这允许产生偏振光栅，其将光衍射成任何期望的一组正交偏振，包括线性的、圆形的以及/或者椭圆形的偏振。在本专利技术的实施方案中，液晶组分可以包括可聚合的化合物，例如可聚合的介晶或可聚合的非介晶化合物。在本专利技术的实施方案中，可聚合的液晶组分可以至少部分聚合，以从液晶组分形成固态膜。在本专利技术的实施方案中，偏振光栅可以包括由两个定向层夹置和定向的上述液晶组分。在其他实施方案中，偏振光栅可以包括布置在定向层上的第一液晶组分以及布置在第一液晶组分上并由其定向的第二液晶组分。另外，第三液晶组分可以布置在第二液晶组分上，等等。在本专利技术的实施方案中，液晶组分可以包括另外的功能化合物，例如具有各向异性的形状和/或光谱性质的不同类型的染料和颗粒。这种化合物可以在组分中由介晶定向，从而将另外的例如光学的性质赋予偏振光栅。在本专利技术的实施方案中，偏振光栅可以包括用于在所述液晶组分中建立电场和/ 或磁场的装置，例如电极。因为介晶的定向可以受这种场的影响，所以光学性质也可以受影响，提供可转变的光栅。本专利技术也涉及具有高效透射的更宽波长间隔的宽带偏振光栅。这种宽带偏振光栅可以是常规偏振光栅的有吸引力的备选。本专利技术也涉及包括本专利技术的偏振光栅作为光学开关的显示器件。该类型的开关可以在非偏振光上工作，避免偏振器的使用，从而允许非常高的总光学效率的可能性。本专利技术也涉及基于偏振光栅的分光器，其中可以获得高衍射角而不需要小的光栅栅距 。本专利技术也涉及包括本专利技术的偏振光栅的新的偏振器。这种偏振器具有以显著高于 50 %的效率将非偏振光转变成偏振光的能力。本专利技术也涉及包括偏振光栅的安全措施。附图说明 现在将通过下面的参考附图的优选实施方案来进一步描述本专利技术，其中 图1说明正交偏振的叠加光束的两种不同设置以及作为结果的偏振图案。图Ia 左手和右手圆形偏振光束。图Ib 垂直和水平线性偏振光束。图2说明在二维尺度上螺旋式重复的各向异性偏振图案。图3a示意地说明根据本专利技术的偏振光栅的实施方案。图3b是在交叉偏振器之间的图3a中所示的偏振光栅的照片。图4示意地说明根据本专利技术的偏振光栅的另一个实施方案。图5a示意地说明根据本专利技术的偏振光栅的另一个实施方案。图5b是在交叉偏振器之间的图5a中所示的偏振光栅的照片。图6说明标准的偏振光栅和宽带偏振光栅的透射曲线。图7a说明宽带偏振光栅的第一实施方案。图7b说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏振光栅，包括偏振敏感光定向层（２）和布置在所述定向层（２）上的液晶组分（３），其中对应于偏振全息的各向异性定向图案布置在所述光定向层中，并且所述液晶组分（３）由所述定向图案调准，并且其中液晶组分具有由以下公式确定的层厚度ｄ：ｄ≤ｄ↓［ｍａｘ］＝Λ／２其中ｄ是层的厚度，并且Λ是偏振光栅的间距。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：麦克尔J埃斯卡蒂，卡洛斯桑切斯，科尼里斯WM巴斯蒂安森，迪克J布尔，
申请(专利权)人：荷兰聚合物研究所，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]