低毒性纳米复合光聚合物Biophotopol的特性优化及其在全息波导耦合器中的应用研究

针对增强现实（AR）设备中全息波导耦合器制造的需求，本研究优化了低毒性光聚合物Biophotopol的材料组成和记录方案，通过引入交联单体DHEBA和铂纳米颗粒（Pt NPs）克服材料收缩问题，实现了高达70%的衍射效率（DE）和多重波长耦合功能，为无棱镜全息光学元件的批量生产提供了新策略。

　　

随着增强现实（AR）、虚拟现实（VR）等技术的快速发展，透显示设备成为研究热点。这类设备的核心部件是波导合束器，它通过全息光学元件（HOEs）将光耦合到波导中并传输至用户眼睛。然而，传统制造方法需要棱镜和折射率匹配系统，增加了工艺复杂度和成本。此外，现有光敏材料存在毒性高、收缩率大、折射率调制不足等问题，制约了器件的性能和大规模生产。

为解决这些问题，西班牙阿利坎特大学的研究团队在《Optical Materials: X》上发表论文，聚焦于低毒性纳米复合光聚合物Biophotopol的特性优化及其在全息耦合器制造中的应用。该材料以聚乙烯醇（PVA）为粘结剂、丙烯酸钠（NaAO）为可聚合单体、三乙醇胺（TEA）为共引发剂，并采用水作为溶剂，具有环境友好、成本低、衍射效率高等优点。研究通过优化材料组分和记录方案，实现了无需棱镜和折射率匹配系统的全息耦合器制造，利用记录与重建波长偏移的特性，简化了生产工艺并提升了器件性能。

研究团队采用了多项关键技术方法：首先优化了光敏染料浓度，用 yellowish eosin（YE）替代 riboflavin（RF），以适应532 nm记录波长；其次引入了交联单体N,N'-(1,2-二羟基乙烯)双丙烯酰胺（DHEBA）和铂纳米颗粒（Pt NPs），以增强折射率调制并减少收缩；通过双光束干涉光路记录全息光栅，包括对称、透射和反射三种几何结构，空间频率最高达5550线/毫米；利用角分复用和波长偏移技术表征光栅的布拉格特性；最后通过白光灯固化处理稳定光栅性能。

在染料优化方面，研究发现YE的最佳浓度为0.13‰（w/w），此时样品的透射率和衍射效率达到最佳平衡，衍射效率可达57±5%。过高或过低的染料浓度均会降低光栅性能。

通过对称结构光栅的表征，研究团队分析了材料在高空间频率（约2000线/毫米）下的响应。结果显示，添加DHEBA和Pt NPs后，折射率调制显著提高，纳米复合材料（NP）的折射率调制比无纳米颗粒样品（NO）高出50%。此外，固化过程后，NP样品的折射率调制进一步增加15%，而NO样品则略有下降。实时衍射效率监测表明，NP样品在曝光停止后仍持续演化，说明纳米颗粒促进了暗扩散过程。

在倾斜光栅记录方面，研究比较了透射和反射几何结构下的性能。透射光栅（空间频率1714线/毫米）的衍射效率超过70%，而反射光栅（空间频率5550线/毫米）的衍射效率约为25%。添加Pt NPs后，光栅的布拉格角偏差减小，性能更稳定。通过双波长（532 nm和633 nm）角分复用测量，研究团队发现固化过程导致光栅条纹间距和倾斜角发生微小变化（ΔΛ≈0.06 μm，Δφ≈5°），这种收缩反而使单个光栅能够耦合多个波长，实现了记录光（532 nm）和操作光（633 nm或473 nm）的同时导波。

最终，实验验证了所制备的全息耦合器能够实现光束在波导中的全内反射（TIR）传输，满足透显示设备的应用需求。透射几何下，衍射光束在材料内的传播角度大于临界角，成功引导光波；反射几何下，同样实现了高效耦合。此外，由于光栅结构的微小变化，单个耦合器可适用于不同波长，只需调整入射角度，这为多功能集成器件设计提供了新思路。

研究结论表明，低毒性Biophotopol光聚合物通过组分优化和纳米复合改性，能够高效制备无需棱镜的全息波导耦合器。添加DHEBA和Pt NPs显著提高了折射率调制和光栅稳定性，克服了材料收缩问题。波长偏移策略和倾斜光栅设计成功实现了TIR条件，简化了制造工艺。此外，光栅收缩带来的多重波长耦合能力为AR/VR设备的紧凑化和多功能化提供了新的解决方案。这项研究不仅推动了环保型光敏材料的发展，也为全息光学元件的批量生产和应用奠定了坚实基础。