一种高衍射效率的体全息光栅结构及其制备方法与流程

本发明涉及全息波导显示领域，尤其涉及一种高衍射效率的体全息光栅结构及其制备方法。

背景技术：

全息波导显示技术是将全反射导波原理和体光栅衍射原理相结合，利用高亮度微型显示器提供图像，通过小型光学系统将图像送入全息波导结构中，经其传导后投射入人眼中成像的一种技术。因为具有尺寸小、重量轻的独特优势，全息波导显示系统在近眼显示特别是军用显示领域受到了极大的关注。

全息波导显示系统中，主要是依靠衍射光栅来实现光束传播方向的调控，实现图像的输入和输出，因此，全息光栅是影响其图像显示效果的核心部件。体全息光栅和传统的刻划或者全息记录形成的表面浮雕型光栅不同，它是利用介质内部折射率的周期性变化实现光线的衍射，色散均匀、衍射效率高、噪声低，可以用作全息波导显示系统的输入和输出衍射光栅。从实际成像结果来看，图像的亮度主要取决于光栅的衍射效率，因此提高体全息光栅的衍射效率是保证成像质量的关键。

反射型体全息光栅是利用两条相干光束从记录介质的两侧相向射入，形成干涉而形成。按照光栅的衍射理论，使连续散射波同相位相加，使总的衍射波振幅达到最大，则此时满足布拉格条件λ＝2n₀Λsinθ，其中，n₀为记录介质平均折射率，θ为入射光与光栅条纹面夹角，λ为入射波长、Λ为光栅周期。因此，当用相同波长的一束光沿着特定方向入射体全息光栅时，若满足布拉格条件时将发生衍射现象，即可实现对光的调控作用，此时对应的光波长被称为中心波长。而其他波长的光，或者沿着其他方向入射时，不满足布拉格条件，则光束会透过全息光栅，不发生衍射现象。

对于反射型体全息光栅，当入射光满足布拉格条件时，衍射效率为其中，d为记录层厚度，n为介质折射率，Δn为折射率调制度，Λ为光栅周期，θ为布拉格角。原理上，当折射率调制度和记录层厚的乘积Δnd足够大，光栅的衍射效率都可以达100％。实际制备光栅时，记录层的Δn一般低于0.03的限制，因此需要很大记录层厚度才能获得高衍射效率。和传统的卤化银敏化明胶和重铬酸盐明胶相比，光致聚合物具有高感光灵敏度、高衍射效率、高分辨率、高信噪比、可完全干法处理及快速显影等优点，可用作体全息光栅的厚型记录介质。

在全息波导显示系统中，利用的是因满足布拉格条件而发生衍射现象时出射的一级衍射光。在实际应用中，实际记录层厚度增加对衍射效率有限，而且光栅存在损耗和其余级次衍射光，聚合物体全息光栅的一级衍射效率则更低，因此需要在不改变中心波长的前提下，提高适用于全息波导显示的反射型体全息光栅的衍射效率。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是一种基于以上不足，本发明提出一种在不改变光栅中心波长的前提下，提高光栅的衍射效率的全息光栅结构及其制备方法。

技术方案：本发明所述的一种高衍射效率的体全息光栅结构，其特征在于：该体全息光栅以光学玻璃为基底，在玻璃基底表面上旋涂光致聚合物层，在光致聚合物层表面上旋涂银纳米颗粒层。

其中，所述的光致聚合物层的厚度为15～20微米。

其中，所述的银纳米颗粒层的厚度为20～50纳米。

高衍射效率的体全息光栅制备方法，其特征在于：包括下述步骤：

(1)将光致聚合物胶液旋涂在玻璃基板上，在暗室条件下自然晾干，形成光致聚合物干板；

(2)将步骤得到的干板在双光束光路中用激光干涉曝光，形成光致聚合物层；

(3)将步骤得到的光致聚合物层在紫外光照射后，在10^-2Pa真空环境中进行烘烤；

(4)室温下将聚乙烯吡咯烷酮加入乙二醇中，充分搅拌均匀后加入硝酸银，持续搅拌并将溶液匀速加热，反应充分后冷却至室温，得到溶液A；

(5)取步骤(4)所得的溶液A，加入丙酮以9000～10000rpm的速度离心并洗涤后，得到的沉淀即为银纳米颗粒，将沉淀加入去离子水中，超声混合均匀后成银纳米颗粒溶液B；

(6)将步骤(5)得到的银纳米颗粒溶液B旋涂到步骤得到的光致聚合物层上，得到银纳米颗粒层；

(7)将步骤(6)得到的银纳米颗粒层(3)干燥后获得体全息光栅。

其中，所述的步骤(2)中采用高激光强度短曝光时间模式，曝光能量密度在30～50mJ/cm²。

其中，所述的步骤的双光束光路中，激光器产生的激光光束经快门到达分束器分为两个光路，一路经空间滤波器、傅里叶透镜、反射镜到达全息光栅；另一路经反射镜、空间滤波器、傅里叶透镜到达全息光栅，进行激光干涉曝光。

其中，所述的步骤中的溶液A与丙酮体积比为1：5，银纳米颗粒在溶液B中的含量为0.15mol/L。

工作原理：当波从体全息光栅进入银纳米颗粒层时，光子和金属区域自由电子相互作用形成等离激元。由于采用化学还原法制备的银纳米颗粒的尺寸小于50nm，而对于光频段的银来说，此时外加电磁场可穿透金属纳米颗粒内部，使自由电子相对金属离子晶格产生位移。聚集在颗粒表面的正负电荷在颗粒内部形成一个局域恢复电场，它随着电子气相对离子晶格位移量的增加而增加。金属颗粒中偏移的电子和恢复力场就形成了一个振荡器。银纳米颗粒层的光栅常数足够小，共振被激励，即发生表面等离子体激元的光学近场增强。同时，所使用的激光光源波长λ为532nm，而所制备银纳米颗粒间距d约为10nm，即有d<λ，此时绝大多数散射光被禁止，衍射光增强，因而对应反射型体全息光栅的衍射效率提高。同时，银纳米颗粒层的引入并没有改变光栅满足的布拉格衍射条件，因此该体全息光栅不会产生中心波长的偏移。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明提供了有机结合银纳米颗粒薄膜和光致聚合物体全息光栅的结构制备方法，不改变原有的体全息光栅的中心波长前提下，利用金属纳米颗粒共振的近场增强效应，提高了体全息光栅的衍射效率。这种光致聚合物光栅可以作为高衍射效率的反射型输入耦合光栅，适用于全息波导显示系统中，有利于提高系统的图像成像质量。

附图说明

图1为本发明的体全息光栅的结构示意图；

图2为本发明的光致聚合物体全息光栅的曝光光路的示意图；

图3为本发明的银纳米颗粒的TEM图。

图中1为玻璃基底、2为光致聚合物层、3为银纳米颗粒层、4为体全息光栅、5为激光器、6为快门、7为分束器、8为空间滤波器、9为傅里叶透镜、10为反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例：

将光致聚合物胶液通过旋涂在玻璃基板1上，在暗室条件下自然晾干，形成光致聚合物干板；将聚合物干板在双光束光路中用200mW的532nm激光短时间干涉曝光，曝光能量密度为45mJ/cm²，形成光致聚合物层2；将光致聚合物层2在365nm紫外光照5分钟后，在10^-2Pa真空环境中进行100℃烘烤30分钟；

室温下将0.82g聚乙烯吡咯烷酮加入50ml乙二醇中，充分搅拌均匀后加入0.125g硝酸银，持续搅拌并将溶液匀速加热至80℃，反应1小时后冷却至室温，得到溶液A；取1ml溶液A，加入5ml丙酮以9000rpm的速度离心10分钟，并洗涤两次后，得到的沉淀即为银纳米颗粒；将沉淀加到10ml无水乙醇中，超声混合均匀成银纳米颗粒含量为0.15mol/L的溶液B；将银纳米颗粒溶液B旋涂到得到的光致聚合物层2上，得到银纳米颗粒层3；将银纳米颗粒层3置于25℃，20％干燥度的环境中干燥后获得体全息光栅。双光束光路中，激光器5产生的激光光束经快门到达分束器7分为两个光路，一路经空间滤波器8、傅里叶透镜9、反射镜10到达全息光栅4；另一路经反射镜10、空间滤波器8、傅里叶透镜9到达全息光栅4，进行激光干涉曝光。

在银纳米颗粒的制备过程中，聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，它们能够覆盖在银纳米颗粒的表面，阻止颗粒间的团聚，但是当颗粒长大到一定尺寸前，它们并不会影响银纳米颗粒的扩散/表面沉积过程。乙二醇充当了还原剂和溶剂，在加热的条件下，可以还原成乙醛，而乙醛则可以还原银粒子，使之生成银颗粒。本实例制备的银纳米颗粒的TEM照片如图3所示。

本发明基于反射型体全息光栅结构，通过旋涂制备一层银纳米颗粒薄膜，实现了光致聚合物光栅衍射效率的提高，解决了反射型体全息光栅用于全息波导显示系统时因为衍射效率不高而造成的出射光强较弱、图像成像效果差等问题。该高衍射效率的体全息光栅结构可以广泛应用于头戴和近眼显示领域。