通过偏振全息投影技术制备大面积液晶基波导光栅

《Optics & Laser Technology》：Fabrication of large area liquid crystal based waveguide gratings by polarization holographic projection

　　

摘要

基于液晶的偏振波导光栅在增强现实、背光以及其它光电显示领域具有广阔的应用前景，但高质量的大面积光对准是限制其应用的关键瓶颈。本文通过采用逐步拼接方法，基于偏振全息投影系统实现了高质量、无缝的大面积光栅制备。投影透镜的物光与参考光被限制在经过像差校正的全息投影透镜内部传播，这种共轭投影机制解决了因光传播衍射导致的取向图案边界模糊问题，可通过拼接实现大面积波导光栅的光定向。研究分析了透镜数值孔径对拼接缝宽度的影响，并利用两束光在像平面上反射形成的干涉条纹，提出了一种具有宽范围和亚微米精度的光学聚焦方案。最终成功制备出了尺寸为50毫米×100毫米、周期为500纳米的大面积液晶偏振光栅。实验结果表明，该共光路干涉结构稳定性高，多次曝光后未观察到明显缺陷，衍射效率可达90%，拼接缝宽度约为3微米。这些结果证明了该方法用于大面积波导显示光栅光对准制备的可行性。

引言

作为基于几何相位的新型衍射光学元件，液晶偏振光栅因其接近100%的理论衍射效率[1][2]，以及出色的宽带、宽角度工作特性[3][4][5]，备受关注，常被称为第四代光学元件[6][7]。尤其是大面积、小周期的液晶偏振光栅，在推动增强现实、大视场波导显示等未来显示技术发展方面具有重要的战略意义[8]。然而，随着对器件性能要求的不断提升，如何制备特征周期更小、面积更大的液晶偏振光栅，已成为制约其实际应用的关键瓶颈。

目前，已有多种光对准技术被提出用于液晶偏振光栅的制备，主要分为三类：偏振全息干涉光对准、数字光对准以及复制光对准。偏振全息干涉光对准利用两束相干偏振光干涉产生的周期性偏振状态分布，直接诱导感光分子排列以实现光对准[9]；而利用大尺寸棱镜的发散球面波双光束干涉方法，则可以扩大干涉角度，提高所制光栅的分辨率，从而实现大面积光对准[10]。不过，由于两束光独立传播，容易受到气流、振动、温度等环境因素以及元件组装调整精度的影响，所制备衍射元件的光学质量不稳定，中间区域与边缘区域的周期也存在差异。此外，由于物光与参考光需要在空间中传播一定距离才能发生干涉，衍射效应使得光对准图案的边界难以精确控制，进而限制了拼接缝的尺寸。数字光对准则通过光调制器控制光偏振的空间分布来实现液晶光对准，常用方法包括数字微镜或LCOS技术[11][12]；此外还提出了基于偏振激光的逐点直写技术，已成功实现4英寸尺寸液晶偏振光栅的制备[13][14][15]。但由于单个微镜的斑点大小及直写激光的限制，该方法仍难以制备出亚微米周期的光栅，且由于光电调制器的时空带宽积以及平台运动的响应速度，大型元件光对准的曝光时间较长。复制光对准则是以几何相位或偏振元件作为模板来实现光对准，例如可直接复制现有的液晶偏振光栅模板[16][17]，或通过可调光圈间接放大模板[18]，从而一次性实现大面积光对准。该方法对环境干扰不敏感，通常只需平行光照射即可实现高精度定向，对光路系统的要求较低，适合大规模生产。但由于缺乏高质量的偏振元件作为模板，光栅周期只能达到微米级，从而限制了其进一步发展。

逐步拼接曝光法被认为是一种实现大面积亚微米光栅的有效方案。得益于高精度位移平台及其较大的移动范围，逐步拼接法的尺寸仅受位移平台参数的限制。因此，有研究者提出了双光束近场全息干涉拼接曝光法[19]来制备大面积液晶偏振光栅，但其制备工艺仍未解决环境干扰导致稳定性差的问题，且拼接缝宽度约为20微米，大面积拼接的质量并不理想。基于4F原理的投影方法也被应用于液晶偏振光栅的光对准[20]，但仍存在严重的环境干扰和边缘衍射问题。我们提出了一种基于共光路偏振全息投影的亚微米液晶偏振光栅制备方法[21]，该方法能够制备出抗干扰能力强的像素化液晶偏振光栅，从而克服当前亚微米周期液晶偏振光栅在分辨率和环境敏感性方面的局限。不过，受边缘衍射效应的影响，图案化区域的拼接精度仍面临挑战。

本文提出了一种基于偏振全息投影系统逐步拼接的大面积液晶偏振光栅制备方法。用于偏振干涉的物光与参考光被限制在经过像差校正的全息投影透镜内部传播，通过共轭投影的工作机制解决了因光传播衍射导致的取向图案边界模糊问题，进而实现大面积波导光栅的光对准。研究了透镜数值孔径对拼接缝宽度的影响，利用两束光在像平面上反射形成的干涉条纹，提出了一种具有宽范围和亚微米精度的光学聚焦方案。通过构建偏振全息投影系统，成功实现了大面积亚微米液晶偏振光栅的制备。该共光路干涉结构稳定性高，经多次曝光制备的光栅没有不良斑点，衍射效率高且拼接缝宽度较小，充分体现了其在大面积波导显示光栅制备中的应用可行性。

章节要点

偏振全息投影原理

偏振全息投影系统由对称的投影透镜与相位掩模组成，如图1所示。投影透镜能够对来自掩模的光进行两次光谱变换，可在中间傅里叶平面上实现光谱调制与偏振调控。掩模位于物平面，曝光平台则位于像平面。当激光垂直入射到掩模板时，会发生衍射现象

实验结果

高数值孔径偏振全息投影系统中的边缘衍射抑制与精准聚焦方法如图4所示。该系统使用波长为457纳米的激光，经准直后通过扩束器进入光圈，光圈可控制光对准范围为较大光斑，同时实现聚焦为较小光斑。随后激光被反射镜反射进入掩模，衍射后的光再进入偏振全息透镜

结论

本文针对大面积亚微米周期液晶偏振光栅的制备，提出了一种基于偏振全息投影系统逐步拼接的方法，将用于偏振干涉的物光与参考光限制在经过像差校正的全息投影透镜内部传播。通过利用共轭投影的工作机制，解决了因光传播衍射导致的光分布图案边界模糊问题

作者贡献说明

谭涛：论文撰写——初稿、方法设计、实验研究、正式分析、概念构思。方启鹏：资源保障、项目管理。李云杰：可视化处理、结果验证、实验研究、数据整理。吕永莫：软件相关工作。陈海燕：实验研究。胡超：论文撰写——审阅与编辑、项目指导。尹绍云：资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（编号：62175239）、重庆市自然科学基金一般项目（编号：2025shsyfz-28）、中国博士后科学基金会博士后科研资助计划（编号：GZC20241913）以及重庆市北碚区科学技术局（项目编号：2024-17）的支持。

Tao Tan|Qipeng Fang|Yunjie Li|Yongmo Lv|Haiyan Chen|Chao Hu|Shaoyun Yin