纳米空隙的可调双折射的制作方法

背景

聚合物材料可以被结合到各种不同的光学和电光架构中，包括有源和无源光学器件以及电活性器件。例如，电活性聚合物(eap)材料在电场的影响下会改变其形状。eap材料已经被研究用于各种技术，包括致动、传感和能量收集。重量轻且适形的电活性聚合物可被结合到诸如触觉设备的可穿戴设备中，并且是新兴技术的有吸引力的候选物，所述新兴技术包括其中期望舒适的、可调节的形状因子的虚拟现实/增强现实设备。

例如，虚拟现实(vr)和增强现实(ar)眼镜(eyewear)设备或头戴装置可以使用户能够体验事件，例如在计算机生成的三维世界模拟中与人的交互或者观看叠加在真实世界视图上的数据。vr/ar眼镜设备和头戴装置也可用于娱乐以外的目的。例如，政府可能使用这种设备进行军事训练，医疗专业人员可能使用这种设备来模拟手术，工程师可能使用这种设备作为设计可视化辅助。

这些和其他应用可以利用薄膜聚合物材料的一个或更多个特性，包括它们的电、机械和/或光学特性。尽管最近有所发展，但是提供具有改进属性的聚合物或其他介电材料将是有利的，这些属性包括动态的、可调的光学特性。

概述

根据本发明的第一方面，提供了一种形式双折射(formbirefringent)光学元件，包括：结构化层；和设置在结构化层上的介电环境；其中结构化层和介电环境中的至少一个包括纳米空隙聚合物，该纳米空隙聚合物在未致动状态下具有第一折射率，并且在致动状态下具有不同于第一折射率的第二折射率。

如下文将更详细描述的，本公开涉及包括纳米空隙聚合物材料的光学元件和制造包括纳米空隙聚合物材料的光学元件的方法。纳米空隙聚合物材料可包括电活性材料，例如适合在电活性设备中使用的介电弹性体，包括例如聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)基聚合物。纳米空隙聚合物材料的致动可用于可逆地控制聚合物基质内纳米空隙的大小和形状，从而改变纳米空隙聚合物的有效折射率。在某些实施例中，一种光学元件可以包括纳米空隙聚合物材料的结构化层。结构化层内纳米空隙聚合物的致动可用于控制光学元件内的一个或更多个层的形式双折射。根据一些实施例，可切换光学元件表现出在其操作期间可被调谐的形式双折射。

一种形式双折射光学元件包括结构化层和设置在该结构化层上的介电环境。结构化层和介电环境中的至少一个包括纳米空隙聚合物，该纳米空隙聚合物在未致动状态下具有第一折射率，并且在致动状态下具有不同于第一折射率的第二折射率。纳米空隙聚合物的致动可用于可逆地控制光学元件的双折射。

在一些实施例中，结构化层包括在至少一个维度上的周期小于λ/5的光栅，其中是λ入射到光学元件上的光的波长。在一个示例实施例中，结构化层包括纳米空隙聚合物，并且介电环境包括空气。在另一示例实施例中，结构化层包括基本上致密的聚合物，并且介电环境包括纳米空隙聚合物。在替代实施例中，结构化层包括纳米空隙聚合物，并且介电环境包括基本上致密的聚合物。在又一实施例中，结构化层和介电环境各自包括纳米空隙聚合物。

在一些实施例中，第一折射率可以等于介电环境的折射率。在一些实施例中，第二折射率可以等于介电环境的折射率。

优选地，纳米空隙聚合物被配置成使用施加的电压、机械压力或声波中的至少一种来致动。

方便地，光学元件还包括：主电极(primaryelectrode)；和副电极(secondaryelectrode)，其与主电极的至少一部分重叠，其中纳米空隙聚合物(nanovoidedpolymer)设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极。

优选地，纳米空隙聚合物包括均匀的空隙拓扑(topology)。

替代地，纳米空隙聚合物包括非均匀的空隙拓扑。

根据本发明的另一方面，一种形式双折射光学元件包括结构化层、设置在结构化层上(例如直接设置在结构化层上)的介电环境、主电极和与主电极的至少一部分重叠的副电极。在前述结构中，结构化层和介电环境中的至少一个包括纳米空隙聚合物层，其中该纳米空隙聚合物层设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极。

优选地，当在主电极和副电极之间施加第一电压时，纳米空隙聚合物层具有第一折射率；并且当在主电极和副电极之间施加不同于第一电压的第二电压时，纳米空隙聚合物层具有不同于第一折射率的第二折射率。

方便地，介电环境直接设置在结构化层上。

根据本发明的另一方面，一种制造形式双折射光学元件的方法包括形成主电极，在主电极上形成结构化层，在结构化层上形成介电层，以及形成副电极。在这样的实施例中，结构化层和介电层中的至少一个可以包括纳米空隙聚合物，使得纳米空隙聚合物设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极。在一些实施例中，副电极可以直接形成在结构化层上。

在某些实施例中，光可以照射在结构化层上，其中结构化层包括在至少一个维度上的周期小于λ/5的光栅，其中λ是光的波长。在另外的实施例中，可以在主电极和副电极之间施加电压。

优选地，结构化层和介电层各自包括纳米空隙聚合物。

根据本文描述的一般原理，来自这些或其他实施例中的任何一个的特征可以彼此结合使用。当结合附图和权利要求阅读下面的详细描述时，这些和其他实施例、特征和优点将被更充分地理解。

附图简述

附图示出了许多示例性实施例，并且是说明书的一部分。这些附图连同下面的描述一起展示并解释了本公开的各种原理。

图1是示出根据各种实施例的结构化聚合物层的示意图。

图2a是示出根据一些实施例的具有结构化聚合物层的光学元件的示意图，该结构化聚合物层包括纳米空隙聚合物材料。

图2b是根据某些实施例的图2a的光学元件在结构化聚合物层的电容致动和压缩之后的示意图，并且示出了穿过光学元件的光的双折射的最终变化。

图3a是示出根据一些实施例的光学元件的示意图，该光学元件具有结构化聚合物层和覆盖该结构化聚合物层的介电层，该介电层包括纳米空隙聚合物材料。

图3b是根据某些实施例，在上覆的纳米空隙聚合物层被电容致动和压缩之后，图3a的光学元件以及伴随的穿过双折射光学元件的光的变化的示意图。

图4a是示出根据一些实施例的光学元件的示意图，该光学元件具有包括纳米空隙聚合物材料的结构化聚合物层和覆盖该结构化聚合物层的致密聚合物层。

图4b是示出根据某些实施例，在纳米空隙聚合物材料的结构化层被致动和压缩之后，穿过图4a的双折射光学元件的光的变化的示意图。

图5a是根据一些实施例的光学元件的示意图，该光学元件具有包括纳米空隙聚合物材料的结构化聚合物层和覆盖该结构化聚合物层的聚合物层，该聚合物层也包括纳米空隙聚合物材料。

图5b是示出了根据一些实施例，在纳米空隙聚合物材料的结构化层被电容致动和压缩之后，穿过图5a的双折射光学元件的光的变化的示意图。

图6是示出形成光学元件的示例方法的流程图。

在所有附图中，相同的参考符号和描述表示相似但不一定相同的元素。虽然本文描述的示例性实施例易于进行各种修改和替代形式，但是已经通过附图中的示例示出了特定实施例，并且将在本文进行详细描述。然而，本文描述的示例性实施例不旨在限于所公开的特定形式。更确切地，本公开覆盖了落入所附权利要求的范围内的所有修改、等同物和替代物。

示例性实施例的详细描述

本公开总体上涉及包括纳米空隙聚合物层的光学元件。在一些示例中，“光学元件”可以包括被配置为与光相互作用的结构化制品，并且可以包括但不限于折射光学器件、反射光学器件、色散(dispersive)光学器件、偏振光学器件或衍射光学器件。纳米空隙聚合物层可以被结合到结构化层中和/或被结合到与结构化层相邻定位的上覆的介电层中。在一些示例中，“结构化层”可以包括具有特征(即周期性特征)的介电层，这些特征在至少一个方向上的特征尺寸(l)小于与光学元件相互作用的光的波长(λ)，例如，l<0.5λ，l<0.2λ，或者甚至l<0.1λ。

根据一些实施例，纳米空隙聚合物可以被致动以控制聚合物基质内空隙的大小和形状。对空隙的几何形状以及纳米空隙聚合物层的整体几何形状的控制可用于控制光学元件的形式双折射。例如，纳米空隙聚合物层在未致动状态下可以具有第一有效折射率，并且在致动状态下可以具有不同于第一折射率的第二有效折射率。结构化层和相邻的介电层之间的折射率的相对变化可以诱导光学元件的形式双折射的变化。

与可能具有静态折射率或可在两种静态状态之间切换的折射率的传统光学材料相比，纳米空隙聚合物代表一类光学材料，其中折射率可在一定的值范围内进行调节，以有利地控制这些材料与光的相互作用。

此外，在大多数传统光学材料中，折射率是均匀的，并且与光通过材料传播的方向无关。然而，在双折射材料中，折射率取决于光的偏振和传播方向。这种经典的体光学各向异性(bulkopticalanisotropy)可能是由材料内的各向异性介电响应引起的，这可能导致一个方向(orientation)相对于另一个方向(orientation)的相位延迟。

独立于前述的体双折射(bulkbirefringence)，“形式双折射”可以由光与具有特定几何形状和/或结构的光学层的相互作用产生。形式双折射可以在多相或多组分系统中被观察到，例如，其中组成的相或组分具有不同的折射率，相或组分的尺寸尺度是光的波长的量级，并且相或组分中的至少一个具有各向异性形状。典型地，形式双折射可以在具有结构周期性的光学元件中实现，该结构周期性在原子长度尺度与光的波长的10％至20％之间的尺寸上出现。

因此，根据一些实施例，光学材料中的周期性结构变化可以导致形式双折射。例如，如在本文的各种实施例中描述的，示例周期性架构可以包括规则光栅，例如矩形光栅，但是本文公开的原理可以扩展到其中形式双折射是适用的具有周期性介电变化的任何结构。

不希望被理论束缚，可以使用各种数学方法来评估形式双折射，包括但不限于有效介质理论(emt)、严格耦合波导分析(rigorouslycoupledwaveguideanalysis，rcwa)、时域有限差分(fdtd)或有限元建模(fem)。例如，在emt的情况下，可以表明周期性矩形光栅的各向异性介电特性可以表示为如下的二阶解：

∈0，e⊥k＝f∈1+(1-f)∈3；

以及

其中∈0，e⊥k和∈0，e||k分别是具有垂直和平行于光栅而极化的电场的光栅材料的0阶有效介电常数；∈2，e⊥k和∈2，e||k是相应的二阶有效介电常数；∈1和∈3分别是光栅材料和相邻的介电环境的体介电常数；f是光栅材料的填充分数；λ是光栅的周期；以及λ是光的波长。在比较架构中，双折射材料的这些折射率对于光栅元件和相邻的环境都是时间不变的。

鉴于前述内容，并且根据各种实施例，公开了形成光学元件以及相应的架构的方法，该架构包括结构化层和相邻的介电环境，其中结构化层和介电环境中的一个或两个具有可调折射率。也就是说，结构化层和介电环境中的一个或两个可以包括纳米空隙聚合物。这种架构可以有利地实现形式双折射的动态控制，并增大光学元件的性能范围。

根据各种实施例，纳米空隙聚合物材料可以包括聚合物基质和分散在整个基质中的多个纳米级空隙。聚合物基质材料可以包括可变形的电活性聚合物，该聚合物关于电荷可以是对称的(例如，聚二甲基硅氧烷(pdms)、丙烯酸酯等)或不对称的(例如，极化的聚偏二氟乙烯(pvdf)或其共聚物，例如聚(偏二氟乙烯-共-三氟乙烯)(pvdf-trfe))。根据一些实施例，这些材料可以具有介电常数或相对电容率(relativepermittivity)，例如范围从大约1.2到大约30的介电常数。

在一些示例中，术语“纳米空隙”、“纳米级空隙”、“纳米空隙的”等可以指具有至少一个小于1000nm的亚微米尺寸(即长度和/或宽度和/或深度)的空隙。在一些实施例中，空隙大小可以在大约10nm和大约1000nm之间(例如，大约10nm、大约20nm、大约30nm、大约40nm、大约50nm、大约60nm、大约70nm、大约80nm、大约90nm、大约100nm、大约110nm、大约120nm、大约130nm、大约140nm、大约150nm、大约160nm、大约170nm、大约180nm、大约190nm、大约200nm、大约250nm、大约300nm、大约400nm、大约500nm、大约600nm、大约700nm、大约800nm、大约900nm、或大约1000nm、包括任何前述值之间的范围)。

在示例纳米空隙聚合物中，纳米空隙可以随机分布在整个聚合物基质中而不表现出任何长程有序，或者纳米空隙可以表现为具有约20nm至约1000nm的晶格常数的规则周期性结构。在无序和有序结构中，纳米空隙可以是离散的闭孔空隙、可能至少部分地互连的开孔空隙或它们的组合。对于开孔空隙，空隙大小(d)可以是孔的最小平均直径。空隙可以是任何合适的大小，并且在一些实施例中，空隙可以接近纳米空隙聚合物层的厚度尺度。

在某些实施例中，纳米空隙可以占纳米空隙聚合物基质的体积的约10％至约90％，例如约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％或约90％、包括任何前述值之间的范围。

根据一些实施例，纳米空隙可以是大致球形的，但是空隙形状没有被特别限制。例如，除了球形空隙之外，或者代替球形空隙，纳米空隙聚合物材料可以包括扁圆形、长圆形、透镜状、卵形等的空隙，并且可以以凸起和/或凹陷的横截面形状为特征。此外，遍及聚合物基质的空隙的拓扑可以是均匀的或非均匀的。如本文所使用的，涉及纳米空隙的“拓扑”是指它们在纳米空隙聚合物内的总体排列，并且可以包括它们的大小和形状以及它们遍及聚合物基质的各自的分布(密度、周期性等)。举例来说，空隙的大小和/或空隙大小分布可以在纳米空隙聚合物材料内(即横向地和/或相对于纳米空隙聚合物材料的厚度)空间变化。

在存在静电场(e-场)的情况下，电活性聚合物可以根据所施加的场的大小和方向而变形(例如，压缩、伸长、弯曲等)。这种场的产生可以例如通过将电活性聚合物放置在两个电极即主电极和副电极之间来实现，每个电极处于不同的电势。随着电极之间的电势差(即，电压差)增加或降低(例如，从零电势开始)，(主要是沿着电场线的)变形量也可以增加。当达到一定的静电场强度时，这种变形可能达到饱和。在没有静电场的情况下，电活性聚合物可以处于其松弛状态，不经历诱导的变形，或者等效地说，不经历诱导的内部或外部的应变。

在存在静电场的情况下，电活性聚合物的压缩性质的物理起源(相反的电荷之间创建的力)是麦克斯韦应力(maxwellstress)的物理起源，麦克斯韦应力在数学上用麦克斯韦应力张量表示。由给定e-场诱导的应变或变形的水平取决于e-场强度的平方、电活性聚合物的介电常数以及材料的弹性柔量(elasticcompliance)。在该实例中，柔量是应变相对于应力的变化，或者等效地、更实际地说，是位移相对于力的变化。

在一些实施例中，向电极(例如，主电极和/或副电极)施加电压可以在纳米空隙聚合物材料中在至少一个方向(例如，相对于定义的坐标系的x、y或z方向)上产生至少大约0.1％的应变(例如，所施加的由施加的电压导致的力的方向上的变形量除以材料的初始尺寸)。

在一些实施例中，纳米空隙可以至少部分地填充有气体，以抑制电活性聚合物元件的电击穿(例如，在电容致动期间)。气体可以包括空气、氮气、氧气、氩气、六氟化硫、有机氟化物和/或任何其他合适的气体。在一些实施例中，这种气体可以具有高介电强度。

在一些实施例中，向纳米空隙聚合物层施加电压可以改变其纳米空隙区域内的气体内压。例如，在与纳米空隙聚合物基质的变形相关联的尺寸变化期间，气体可以扩散进入或扩散出纳米空隙聚合物基质。电活性聚合物元件的这种变化在尺寸变化期间会影响例如结合了电活性聚合物的电活性设备的滞后，并且在纳米空隙聚合物层的尺寸快速变化时还会导致漂移。

在一些实施例中，纳米空隙复合聚合物材料可以包括弹性模量小于约10gpa(例如，约10gpa、约5gpa、约2gpa、约1gpa、约0.5gpa、约0.2gpa、约0.1gpa或约0.05gpa、包括任何前述值之间的范围)的弹性聚合物基质。

包括具有纳米级尺寸的空隙的聚合物材料可以具有许多有利的属性。例如，将纳米空隙掺入聚合物基质中可以增大所得复合材料的电容率。此外，与纳米空隙聚合物相关联的高表面积与体积之比可以在纳米空隙和周围的聚合物基质之间提供更大的界面面积(interfacialarea)。在具有如此高的表面积结构的情况下，电荷可以在空隙-基质交界面处累积，这可以实现更大的极化率，并因此增大复合材料的电容率(εr)。此外，因为离子(例如等离子体电子)只能在纳米空隙内的小距离上被加速，所以释放额外离子并产生击穿级联的分子碰撞的可能性降低，这可能导致纳米空隙材料显示出比未空隙化(un-voided)或甚至大空隙化(macro-voided)的电介质更大的击穿强度。

可以使用各种制造方法来形成纳米空隙聚合物材料，例如纳米空隙聚合物薄膜或结构化层。形成具有随机分布的(即无序的)空隙的纳米空隙聚合物薄膜或结构化层的方法包括选择性地沉积聚合物成分或聚合物前体成分以原位形成空隙，或者沉积含有模板剂的聚合物或聚合物前体成分，然后选择性地去除模板剂，而具有规则的(即有序的)空隙排列的薄膜或结构化层可以通过自组装或通过使用各种光刻技术来形成。

根据各种实施例，用于制造纳米空隙聚合物的示例方法可以包括(i)将包括可固化材料和至少一种不可固化(例如，非聚合的)组分的混合物沉积到基底上，(ii)处理该混合物以形成固化的聚合物材料，该固化的聚合物材料在多个限定区域中包括至少一种非聚合的组分，以及(iii)从固化的聚合物材料中去除所述至少一种非聚合的组分的至少一部分以在基底上形成纳米空隙聚合物材料。

在一些示例中，沉积混合物可以包括将混合物印刷到基底上。例如，印刷可以包括喷墨印刷或丝网印刷中的至少一种。在一些示例中，处理混合物可以包括使可固化材料固化以形成固化的聚合物材料。例如，固化源和/或热源可以被用于处理混合物，并且可以包括可产生光化能量用于加热可固化材料的通电细丝阵列。在一些实施例中，从固化的聚合物材料中去除至少一种非聚合的组分的至少一部分可以导致形成被限定在纳米空隙聚合物材料中的多个空隙。

在一些实施例中，至少一种不可固化组分可以包括溶剂。可固化材料可以包括丙烯酸酯、苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、环氧树脂、卤化聚合物或硅酮材料以及它们的混合物中的至少一种。此外，处理混合物可以包括使可固化材料固化以形成固化的聚合物材料，该固化的聚合物材料在多个限定区域中包括溶剂。此外，从固化的聚合物材料中去除至少一种非聚合的组分的至少一部分可以包括从固化的聚合物材料中去除该溶剂的至少一部分，以在电极上形成纳米空隙聚合物材料。

在一些示例中，至少一种不可固化组分可以包括空化剂。此外，处理混合物可以包括将混合物暴露于足以使可固化材料固化并使空化剂分解以形成固化的聚合物材料的光下，该固化的聚合物材料在多个限定区域中包括空化剂的至少一种分解产物。此外，从固化的聚合物材料中去除至少一种非聚合的组分的至少一部分可以包括从固化的聚合物材料中去除该至少一种分解产物的至少一部分。

在各种实施例中，用于制造纳米空隙聚合物的方法可以包括蒸发可固化材料并将经蒸发的可固化材料沉积到基底上。该方法可以进一步包括(i)将可固化材料与至少一种不可固化组分结合，以在基底上形成包括可固化材料和至少一种不可固化组分的混合物，(ii)处理该混合物以形成固化的聚合物材料，该固化的聚合物材料在多个限定区域中包括至少一种非聚合的组分，以及(iii)从固化的聚合物材料中去除至少一种非聚合的组分的至少一部分，以在基底上形成纳米空隙聚合物材料。在一些实施例中，从固化的聚合物材料中去除至少一种非聚合的组分的至少一部分可以形成被限定在纳米空隙聚合物材料中的多个空隙。

此外，(i)蒸发可固化材料可以包括在蒸发器中蒸发可固化材料，和(ii)将经蒸发的可固化材料沉积到基底上可以包括在连续地改变基底相对于蒸发器的位置的同时沉积经蒸发的可固化材料。

在一些实施例中，至少一种不可固化组分可以包括溶剂。此外，处理混合物可以包括(i)使可固化材料固化以形成固化的聚合物材料，该固化的聚合物材料在多个限定区域中包括溶剂，和(ii)从固化的聚合物材料中去除至少一种非聚合的组分的至少一部分可以包括从固化的聚合物材料中去除溶剂的至少一部分以在基底上形成纳米空隙聚合物材料。

在另一方面，至少一种不可固化组分可以包括空化剂。此外，处理混合物可以包括将混合物暴露于足以使可固化材料固化并使空化剂分解以形成固化的聚合物材料的光下，该固化的聚合物材料在多个限定区域中包括空化剂的至少一种分解产物。在该示例中，从固化的聚合物材料中去除至少一种非聚合的组分的至少一部分可以包括从固化的聚合物材料中去除至少一种分解产物的至少一部分。

在一些实施例中，向纳米空隙聚合物层施加电压可以改变聚合物内空隙的拓扑。根据各种实施例，纳米空隙拓扑的操纵可用于主动控制纳米空隙聚合物层的有效折射率，并因此控制结构化纳米空隙聚合物层的形式双折射。在这种情况下，如本文所使用的，复合材料(例如纳米空隙聚合物)的“有效折射率”不是固有的材料性质，而是可以使用有效介质近似来确定。

如下文将更详细解释的，本公开的实施例涉及包括纳米空隙聚合物层的可切换光学元件。例如，纳米空隙聚合物层可以在未致动状态下呈现第一折射率，并且在致动状态下呈现不同于第一折射率的第二折射率。电容致动、机械致动或通过其他方法(例如使用声波)对纳米空隙聚合物层的致动可以用于可逆地操纵空隙拓扑，并由此操纵设备的形式双折射。

下面将参考图1-6提供与具有可调双折射的光学元件的制造和实现相关的方法和系统的详细描述。与图1相关联的讨论包括对示例光栅结构的描述，该光栅结构包括结构化层和与该结构化层相邻的介电层，该结构化层可以包括纳米空隙聚合物。与图2a-5b相关联的讨论包括电容致动对包括纳米空隙聚合物层和相邻的介电层的光学元件的形式双折射的影响的描述。参照图6，描述了形成具有可调双折射的光学元件的示例方法。

参考图1，结构化层110设置在基底(未示出)上。根据各种实施例，且如本领域技术人员将理解的，结构化层110可以形成表面光栅或体光栅(volumegrating)的一部分。主电极120a可以形成在基底上，并且结构化层110可以形成在主电极120a上(例如直接形成在主电极120a上)。例如，基底(如果提供的话)可以是光学透明的基底，例如玻璃基底。示例结构化层110包括具有元件112的规则阵列的光栅，每个元件具有矩形横截面。在一些实施例中，元件112可以具有大约2至大约10的纵横比(h/w)，例如，大约2、大约4、大约6、大约8或大约10、包括任何前述值之间的范围。构成结构化层110内的元件112的核心材料可以包括任何合适的介电材料，并且根据某些实施例，该核心材料可以包括诸如纳米空隙聚合物或基本上无空隙的(即致密的)聚合物的介电材料。在一些示例中，“基本上致密的”聚合物层的密度是构成聚合物层的聚合物的理论密度的至少约95％，例如，约95％、约98％、约99％、约99.5％或约100％、包括任何前述值之间的范围。

根据示例实施例，光栅内的元件112的高度(h)和宽度(w)可以独立地从大约10nm至大约10μm中选择，例如，大约10nm、大约20nm、大约50nm、大约100nm、大约200nm、大约500nm、大约1000nm、大约5000nm或大约10000nm、包括任何前述值之间的范围。

在示例实施例中，光栅元件112可以以规则的周期(λ)阵列化，该周期可以在小于约10nm至约20μm的范围内，例如，约10nm、约20nm、约50nm、约100nm、约200nm、约500nm、约1000nm、约2000nm、约5000nm、约10000nm或约20000nm、包括任何前述值之间的范围，但是可以使用更小和更大的周期性。在一些示例中，术语“周期”可以指元素宽度和相邻元素之间的间距之和。如将被理解的，可以选择元件尺寸和局部几何形状，以提供期望的形式双折射的量。

根据各种实施例，纳米空隙聚合物层被设置在主电极和副电极之间，这可以实现纳米空隙聚合物层的电容致动。根据一些实施例，光学元件可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的副电极、以及设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极的纳米空隙聚合物层。

在电极之间施加电压可导致纳米空隙聚合物层在所施加电场的方向上的压缩，以及纳米空隙聚合物层在一个或更多个横向维度上的相关联的膨胀或收缩。这种致动可用于操纵聚合物基质内纳米空隙的拓扑，进而操纵光学元件内各层的有效折射率和形式双折射。

参考图2a，示例光学元件200包括结构化聚合物层210。该结构化层可以具有非平面的几何形状，并且在图2a和图2b所示的实施例中，该结构化层可以包括在基底(未示出)上阵列化的多个元件212。结构化层210可以包括光栅，并且可以通过选择性地沉积合适的聚合物材料或者通过使用诸如光刻的图案化技术在主电极220a上形成。在各种实施例中，结构化层210可以包括纳米空隙聚合物214或基本上无空隙的聚合物。

纳米空隙聚合物214可以设置在主电极220a上(例如直接设置在主电极220a上)，并且副电极220b可以设置在纳米空隙聚合物214上(例如直接设置在纳米空隙聚合物214上)。在一些实施例中，电极(例如，主电极220a和副电极220b)可以包括金属，例如铝、金、银、锡、铜、铟、镓、锌等。可以使用其他导电材料，包括碳纳米管、石墨烯、透明导电氧化物(tco，例如氧化铟锡(ito)、氧化锌(zno)等)，等等。

电极(例如，主电极220a和副电极220b)可以使用任何合适的工艺制造。例如，可以使用物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、蒸发、喷涂、旋涂、原子层沉积(ald)等来制造电极。在另外的方面，可以使用热蒸发器、溅射系统、喷涂器、旋涂器、印刷、冲压等来制造电极。在一些实施例中，主电极220a和副电极220b可以共形地(conformally)设置在纳米空隙聚合物214的相应下表面和上表面上。

在一些实施例中，电极(例如，主电极220a和副电极220b)可以具有大约1nm至大约1000nm的厚度，其中示例厚度为大约10nm至大约50nm。在某些实施例中，电极可以具有至少约50％的透光率，例如，约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约95％、约97％、约98％或约99％、包括任何前述值之间的范围。

一些电极可以设计成允许电击穿(例如，与弹性聚合物材料的电击穿相关联)的愈合。包括自愈合电极(例如，铝电极)的电极的厚度可以约为20nm。电极可以被配置为弹性地拉伸。在这样的实施例中，电极可以包括tco、石墨烯、碳纳米管等。在其他实施例中，可以使用相对刚性的电极(例如，包括诸如铝的金属的电极)。

包括电压源232和开关234的控制电路230可以被配置为经由电极220a、220b向结构化层210施加电偏置。如图2a所示，在开关234被打开且结构化层210未被偏置的情况下，射向光学元件200(即结构化层210)的入射光250可以在穿过结构化层210并作为输出光260射出之前穿过结构化层210附近的介电环境240(例如，电介质，例如覆盖在副电极220b上的空气)。

仍然参考图2a，入射光250可以经历介电环境240的体介电常数(bulkdielectricconstant)(ε3)，并且取决于其偏振和传播方向，入射光250可以经历与结构化层210相关联的两个不同的介电常数(ε1和ε2)。在所示实施例中，ε1是纳米空隙聚合物材料214的体介电常数，即沿着元件212的长度方向(即，x方向)的介电常数，而ε2是沿着横向(即，y方向)的有效介电常数。

在各种实施例中，结构化层(sl)与介电环境(dl)的折射率对比(nsl-nde)可以至少为约0.05，例如约0.05、约0.1、约0.2或约0.5、包括任何前述值之间的范围。

参考图2b，结构化层210内的纳米空隙聚合物214可以通过闭合开关234使用静电力来致动。响应于纳米空隙聚合物214的致动和伴随的压缩，纳米空隙聚合物214内的空隙体积可以改变(例如，减小)，这可以改变纳米空隙聚合物214的有效折射率，并因此改变光学元件200的形式双折射。如图2b所示，在致动和形成致密聚合物层216之后，介电常数ε1和ε2可以独立地增大或减小，以分别达到致动值ε1′和ε2′。此外，通过重新打开开关234，入射光250可以再次经历未被致动的介电常数ε1和ε2(图2a)。因此，根据各种实施例，纳米空隙聚合物214的致动可以用于可逆地操纵光与光学元件200的相互作用，并提供连续的双折射调谐。

参考图3a和图3b，示出了可切换光学元件的另一示例。光学元件300包括结构化聚合物层310，该结构化聚合物层310可以包括无空隙的(基本上致密的)聚合物316。光学元件300还可以包括设置在结构化致密聚合物层316上(例如直接设置在结构化致密聚合物层316上)的介电环境340。介电环境340可以包括例如纳米空隙聚合物层314。如图所示，纳米空隙聚合物314可以设置在主电极320a上，并且副电极320b可以设置在纳米空隙聚合物314上。在一些实施例中，主电极320a可以共形地设置在结构化聚合物层310上，即，直接设置在致密聚合物层316上。包括电压源332和开关334的控制电路330被配置为向纳米空隙聚合物层314施加电偏置。

参考图3a，在开关334被打开且纳米空隙聚合物层314未被偏置的情况下，射向光学元件300(即结构化层310)的入射光350可以经历介电环境340的体介电常数(ε3)，并且取决于入射光350的偏振和传播方向，入射光350可以经历与结构化层310相关联的两个不同的介电常数(ε1和ε2)，其中ε1是纳米空隙聚合物材料314的体介电常数，即沿着光栅元件的长度方向(即，x方向)的介电常数，而ε2是沿着横向方向(即，y方向)的介电常数。

通过闭合开关334，可以在纳米空隙聚合物层314的两端施加电压，并且纳米空隙聚合物314可以被主电极320a和副电极320b之间的静电力压缩。在图3b所示的实施例中，纳米空隙的压缩和由此产生的纳米空隙聚合物314的压实可以在电极320a、320b之间形成具有均匀折射率(和均匀的体介电常数ε3)的基本上致密的聚合物层316，使得在输出光360中不会观察到双折射。

可以理解的是，在图3a和图3b所示的实施例中，在压缩下，纳米空隙聚合物314的有效折射率可以被调谐以匹配致密聚合物层316的折射率。在这点上，在一些实施例中，纳米空隙聚合物层314的聚合物成分可以与致密聚合物层316的聚合物成分基本相同，这可以有助于折射率匹配。在另外的示例中，致密聚合物层316的成分可以不同于纳米空隙聚合物层314的基质成分。

图4a和图4b中示出的是根据另外的实施例的可切换光学元件。光学元件400包括设置在主电极420a上的结构化聚合物层410，以及设置在结构化聚合物层410上的副电极420b。结构化聚合物层410可以包括纳米空隙聚合物414，例如，其中主电极420a和副电极420b各自与纳米空隙聚合物414的相应下表面和上表面直接接触。

包括电压源432和开关434的电路430被配置为经由电极420a、420b在结构化聚合物层410的两端施加电压。光学元件400还包括介电环境440。介电环境440可以包括设置在结构化聚合物层410上(即，直接设置在副电极420b上)的致密聚合物层416。

参考图4a，在开关434被打开且纳米空隙聚合物层414未被偏置的情况下，射向光学元件400(即结构化层410)的入射光450可以经历介电环境440的体介电常数(ε3)，并且取决于入射光450的偏振和传播方向，入射光450可以经历与结构化层410相关联的两个不同的介电常数(ε1和ε2)，即，沿着光栅元件的长度方向(即，x方向)对应于纳米空隙聚合物材料314的体介电常数(ε1)，以及沿着横向方向(即，y方向)的有效介电常数(ε2)。

参考图4b，通过闭合开关434，可以在纳米空隙聚合物层414的两端施加电压，并且纳米空隙聚合物414可以被主电极420a和副电极420b之间的静电力压缩。纳米空隙的压缩和由此产生的纳米空隙聚合物414的压实可在电极420a、420b之间形成具有均匀折射率的基本上致密的聚合物层416，使得入射光450作为输出光460从光学元件400射出，而不表现出形式双折射。也就是说，在受致动的纳米空隙聚合物的折射率与上覆的致密聚合物层的折射率匹配的实施例中，将不会观察到形式双折射。

图5a和图5b中示意性地示出了又一示例可切换光学元件。光学元件500包括设置在主电极520a上的结构化聚合物层510，以及设置在结构化聚合物层510上的副电极520b。结构化聚合物层510可以包括纳米空隙聚合物514，例如，其中主电极520a和副电极520b各自与纳米空隙聚合物514直接接触。

包括电压源532和开关534的控制电路530被配置为经由电极520a、520b在结构化聚合物层510两端施加电压。光学元件500还包括设置在结构化聚合物层510上(即直接设置在副电极520b上)的介电环境540。介电环境540可以包括纳米空隙聚合物层514。如图5a的未致动状态所示，结构化层510内的纳米空隙聚合物和介电环境540内的纳米空隙聚合物可以是折射率匹配的，使得输入光550作为输出光560从光学元件500射出，而不表现出双折射。

参考图5b，通过闭合开关534，可以在结构化层510内的纳米空隙聚合物层514两端施加电压，并且纳米空隙聚合物514可以被静电力压缩，以在主电极520a和副电极520b之间形成致密聚合物层516。纳米空隙的压缩和由此产生的纳米空隙聚合物514的压实可以相对于介电环境540增大结构化层510内的有效折射率，使得光学元件500的形式双折射可以被开启。

参考图6，示出了显示形成具有可调双折射的光学元件的示例方法的流程图。图6中的过程流程600包括各个层或结构的连续形成。在步骤610中，可以例如在基底上形成主电极，并且在步骤620中，可以在主电极上(例如直接在主电极上)形成结构化层。在一些实施例中，如参考步骤630所示，可以在结构化层上形成副电极，并且如步骤640所示，可以在副电极上形成介电层。在一些实施例中，代替在形成介电层之前形成副电极，可以在形成副电极之前形成介电层。也就是说，参考步骤650，可以在结构化层上(例如直接在结构化层上)形成介电层，并且如步骤660所示，可以在介电层上形成副电极。

前述实施例示出了纳米空隙聚合物层被电容性致动的示例光学元件。如本文所公开的，除了电容致动之外，还可以使用各种方法来致动纳米空隙层，从而通过操纵纳米空隙层中纳米空隙的拓扑来影响其有效折射率。例如，机械压缩(例如，施加单轴力)可以用于物理地致动纳米空隙聚合物层。

本文所示和所述的方法和系统可用于形成具有单个或更多个纳米空隙聚合物层的光学元件。例如，多个电极/电活性聚合物元件/电极堆叠中的每一个可以独立地被配置成具有期望的空隙大小和空隙大小分布以及形状、排列和层之间的间距。这些复杂的布置可以实现动态地、局部地控制光学元件的形式双折射。

本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式被调整的感知现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、混杂现实(hybridreality)、或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(hmd)、独立的hmd、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。

本文描述和/或示出的过程参数和步骤顺序仅作为示例给出，并且可以根据需要改变。例如，虽然在本文示出和/或描述的步骤可以以特定顺序示出或讨论，但是这些步骤不一定需要以所示出或讨论的顺序执行。本文描述和/或示出的各种示例性方法也可以省略本文描述或示出的一个或更多个步骤，或者包括除了那些公开的步骤之外的附加步骤。

已经提供了前面的描述，以使本领域的其他技术人员能够最好地利用本文公开的示例性实施例的各个方面。该示例性描述不旨在穷举或限制于所公开的任何精确形式。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，许多修改和变化是可能的。本文公开的实施例在所有方面都应该被认为是说明性的，而不是限制性的。在确定本公开的范围时，应当参考所附权利要求及其等同物。

除非另外提出，否则如在说明书和权利要求中使用的术语“连接到”和“耦合到”(及其派生词)应被解释为允许直接和间接(即，经由其他元件或部件)连接两者。此外，如在说明书和权利要求中使用的术语“一个(a)”或“一个(an)”应被理解为意指“...中的至少一个”。最后，为了便于使用，如在说明书和权利要求中使用的术语“包括(including)”和“具有”(及其派生词)与词“包括(comprising)”可互换并具有与词“包括(comprising)”相同的含义。