一种PB相位光学元件的制备方法与流程

本发明涉及制备pb相位光学元件，具体为一种pb相位光学元件的制备方法。

背景技术：

1、pb相位光学元件不同于传统折射/反射光学元件，该元件通过高分辨图案化液晶配向技术控制双折射率液晶分子的取向即几何相位或pb相位(pancharatnam–berryphase)调制来实现复杂相位波前，在数个微米厚度内高效操控光场，实现各种光学功能。

2、pb相位光学元件光配向层微纳米级高分辨率图案化的实现，一般采用全息干涉的方法来使光配向材料取向；也有通过制造母版并复制母版的方法来制造，然而，这样的方法不适用于大规模生产，因为它是通过一个一个地制造或复制。

3、为了解决大规模生产的问题，公开号cn 109983407 b专利公开了全息图复制方法和全息图复制设备，通过作为连续过程的辊对辊法使用其中在其表面上形成有母版的母辊、与母辊分离地其中光敏材料粘附至其表面的主辊、和向母辊照射的激光线光束来连续且经济的大量再现透射全息光学元件。该方法适用于透射型全息光学元件，更具体的，体全息光栅的大规模生产。该方法使用线性激光线光束进行复制，激光光源的相干性较强，有利于干涉光场的形成，但同样由于激光的相干长度较长，需要对光源进行精确的整形，特别是对透射过记录材料前后的光所产生的散射、反射、折射都会带来额外的干涉光场而使所复制的全息光学元件噪声较大，要得到低光学噪声的复制元件，需要对光路做精确而复杂的设置，增加了设备成本，同时，相对于非相干光源，激光器光源的成本要高两个以上的数量级，因此提出一种pb相位光学元件的制备方法。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种pb相位光学元件的制备方法，解决了现有的pb相位光学元件的制备方法成本高，而且工艺复杂的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种pb相位光学元件的制备方法，包括硬件装置，所述硬件装置包括两个同步卷轴，且在两个同步卷轴之间设有贴合辊，两个所述同步卷轴之间收卷有光配向材料薄膜，所述光配向材料薄膜的上方设有透明主辊筒，且透明主辊筒与光配向材料薄膜保持光学接触，所述透明主辊筒和两个所述同步卷轴保持同步转动，且透明主辊筒的表面设有透射型pb相位衍射母版，透明主辊筒的内部设有光源，所述透明主辊筒内部光源所发出的光通过透明主辊筒产生衍射光场在底部使光配向材料薄膜上的光配向材料取向，得到与局部母版相关的pb相位调制，为了控制与调整透射型pb相位衍射母版与光配向材料薄膜的光学接触的距离，所述贴合辊位于透明主辊筒的正下方，且贴合辊的旋转轴上下位置可精密微调，该距离为紧密接触到10um以内，还包括以下步骤：

6、s1：设备安装，把硬件装置进行安装，并调试；

7、s2：光源发射，透明主辊筒内的光源发出的光线通过透射型pb相位衍射母版后产生衍射光场；

8、s3：制备，衍射光场在于光配向材料薄膜接触后得到与局部母版相关的pb相位调制，然后通过通过模切、转移方式批量制成光学元件。

9、作为本发明再进一步的方案，所述光源为非相干光源，包括发光二极管或灯，其光谱范围覆盖光配向材料吸收峰范围，且光源与透射型pb相位衍射母版之间设有一层线偏振片，使光源照射到透射型pb相位衍射母版上的光为线偏振光，线偏振光经过透射型pb相位衍射母版后衍射成+1阶衍射光和-1阶衍射光，透明主辊筒内设有传动器，控制透明主辊筒绕圆心转动。

10、进一步的，所述透射型pb相位衍射母版具备pb相位调制，pb相位调制由双折射聚合物液晶分子及由液晶分子组成的纳米结构组成，所述纳米结构包括光学相位和光学双折射调制周期，所述周期范围为0.1um到10um，所述透射型pb相位衍射母版为pb相位调制的透射型衍射光学元件，具备正负1阶衍射效率，波长带宽，角度带宽，峰值效率波长与所述光源主波长以及所述光配向材料吸收峰波长相匹配，所述透射型pb相位衍射母版为包括但不限于透射型pb相位光栅，pb相位涡旋片，pb透镜，pb相位图中的一种。

11、在前述方案的基础上，所述透射型pb相位衍射母版上液晶层的厚度为d，其中，d＝λ/(2δn)，其中λ是传播通过所述光学透射型pb相位衍射母版到所述光对准层的光的主波长，以及其中δn是所述液晶层的双折射率，所述厚度下λ所对应波长的光在通过透射型pb相位衍射母版后透射衍射效率达到峰值，其中，所述周期小于2um时，所述液晶层具有两层相反的手性扭曲方向，每一层的厚度为d，其中，d＝λ/(4δn)，其中λ是传播通过所述光学透射型pb相位衍射母版到所述光对准层的光的主波长，以及其中δn是所述液晶层的双折射率，所述厚度下λ所对应波长的光在通过透射型pb相位衍射母版后透射衍射效率达到峰值，其中，所述液晶层包括光学相位、手性扭曲和双折射调制周期。

12、进一步的，所述产生的衍射光场对所述光配向材料曝光取向后，所述光配向材料具有所述透射型pb相位衍射母版所述光学相位的两倍以及所述液透射型pb相位衍射母版折射率调制周期的一半。

13、在前述方案的基础上，所述光配向材料薄膜中的光配料为偶氮染料、肉桂酸盐、查耳酮基、二苯乙烯基和香豆素基材料中的至少一种。

14、本发明再进一步的方案，所述光配向材料薄膜为所述光配向材料和基底组成的光学透明膜，基底材料为三乙酰纤维素(tac)、聚乙烯(pe)、聚碳酸酯(pc)、聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)的一种或多种。

15、进一步的，所述光配向材料薄膜为所述光配向材料涂布在所述透明基底薄膜上，光配向材料为干燥的无定形态薄膜，厚度在1nm-50nm之间。

16、在前述方案的基础上，所述光配向材料薄膜表面和所述透射型pb相位衍射母版表面设置保护层，所述保护层为光学透明材料，总厚度小于10um。

17、(三)有益效果

18、与现有技术相比，本发明提供了一种pb相位光学元件的制备方法，具备以下有益效果：

19、1、本发明中，采用卷对卷的方式批量实现目标pb相位光学元件的制作步骤，该方式及设备高效、经济，适合于大规模生产。

20、2、本发明中，设备中光源采用非相干光源，更加经济的同时，将透射型pb相位衍射母版产生的干涉光场控制在母版与光配向材料薄膜光学接触处的10um距离范围内，避免了杂散光的干扰，以及对非接触处光配向材料薄膜的误取向，降低了所制备光学元件的光学噪声，提高了所制备元件光学质量。

21、3、本发明中，可以控制与调整透射型pb相位衍射母版与光配向材料薄膜的光学接触的距离，以确保光配向材料薄膜与透射型pb相位衍射母版的处光学接触距离。

技术特征：

1.一种pb相位光学元件的制备方法，包括硬件装置，其特征在于，所述硬件装置包括两个同步卷轴(1)，且在两个同步卷轴(1)之间设有贴合辊(5)，两个所述同步卷轴(1)之间收卷有光配向材料薄膜(2)，所述光配向材料薄膜(2)的上方设有透明主辊筒(4)，且透明主辊筒(4)与光配向材料薄膜(2)保持光学接触，所述透明主辊筒(4)和两个所述同步卷轴(1)保持同步转动，且透明主辊筒(4)的表面设有透射型pb相位衍射母版(6)，透明主辊筒(4)的内部设有光源，所述透明主辊筒(4)内部光源所发出的光通过透明主辊筒(4)产生衍射光场在底部使光配向材料薄膜(2)上的光配向材料取向，得到与局部母版相关的pb相位调制(3)，为了控制与调整透射型pb相位衍射母版(6)与光配向材料薄膜(2)的光学接触的距离，所述贴合辊(5)位于透明主辊筒(4)的正下方，且贴合辊(5)的旋转轴上下位置可精密微调，该距离为紧密接触到10um以内，还包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种pb相位光学元件的制备方法，其特征在于，所述光源为非相干光源(11)，包括发光二极管或灯，其光谱范围覆盖光配向材料吸收峰范围，且光源与透射型pb相位衍射母版(6)之间设有一层线偏振片(12)，使光源照射到透射型pb相位衍射母版(6)上的光为线偏振光(13)，线偏振光(13)经过透射型pb相位衍射母版(6)后衍射成+1阶衍射光(14)和-1阶衍射光(15)，透明主辊筒(4)内设有传动器(16)，控制透明主辊筒(4)绕圆心转动。

3.根据权利要求2所述的一种pb相位光学元件的制备方法，其特征在于，所述透射型pb相位衍射母版(6)具备pb相位调制，pb相位调制由双折射聚合物液晶分子及由液晶分子组成的纳米结构组成，所述纳米结构包括光学相位和光学双折射调制周期，所述周期范围为0.1um到10um，所述透射型pb相位衍射母版(6)为pb相位调制的透射型衍射光学元件，具备正负1阶衍射效率，波长带宽，角度带宽，峰值效率波长与所述光源主波长以及所述光配向材料吸收峰波长相匹配，所述透射型pb相位衍射母版(6)为包括但不限于透射型pb相位光栅，pb相位涡旋片，pb透镜，pb相位图中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种pb相位光学元件的制备方法，其特征在于，所述透射型pb相位衍射母版(6)上液晶层的厚度为d，其中，d＝λ/(2δn)，其中λ是传播通过所述光学透射型pb相位衍射母版(6)到所述光对准层的光的主波长，以及其中δn是所述液晶层的双折射率，所述厚度下λ所对应波长的光在通过透射型pb相位衍射母版(6)后透射衍射效率达到峰值，其中，所述周期小于2um时，所述液晶层具有两层相反的手性扭曲方向，每一层的厚度为d，其中，d＝λ/(4δn)，其中λ是传播通过所述光学透射型pb相位衍射母版(6)到所述光对准层的光的主波长，以及其中δn是所述液晶层的双折射率，所述厚度下λ所对应波长的光在通过透射型pb相位衍射母版(6)后透射衍射效率达到峰值，其中，所述液晶层包括光学相位、手性扭曲和双折射调制周期。

5.根据权利要求1所述的一种pb相位光学元件的制备方法，其特征在于，所述产生的衍射光场对所述光配向材料曝光取向后，所述光配向材料具有所述透射型pb相位衍射母版(6)所述光学相位的两倍以及所述液透射型pb相位衍射母版(6)折射率调制周期的一半。

6.根据权利要求5所述的一种pb相位光学元件的制备方法，其特征在于，所述光配向材料薄膜(2)中的光配料为偶氮染料、肉桂酸盐、查耳酮基、二苯乙烯基和香豆素基材料中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种pb相位光学元件的制备方法，其特征在于，所述光配向材料薄膜(2)为所述光配向材料和基底组成的光学透明膜，基底材料为三乙酰纤维素(tac)、聚乙烯(pe)、聚碳酸酯(pc)、聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的一种pb相位光学元件的制备方法，其特征在于，所述光配向材料薄膜(2)为所述光配向材料涂布在所述透明基底薄膜上，光配向材料为干燥的无定形态薄膜，厚度在1nm-50nm之间。

9.根据权利要求7所述的一种pb相位光学元件的制备方法，其特征在于，所述光配向材料薄膜(2)表面和所述透射型pb相位衍射母版(6)表面设置保护层，所述保护层为光学透明材料，总厚度小于10um。

技术总结
本发明涉及制备PB相位光学元件技术领域，且公开了一种PB相位光学元件的制备方法，包括硬件装置，所述硬件装置包括两个同步卷轴，且在两个同步卷轴之间设有贴合辊，两个所述同步卷轴之间收卷有光配向材料薄膜，所述光配向材料薄膜的上方设有透明主辊筒，且透明主辊筒与光配向材料薄膜保持光学接触，所述透明主辊筒和两个所述同步卷轴保持同步转动，且透明主辊筒的表面设有透射型PB相位衍射母版，透明主辊筒的内部设有光源。本发明采用卷对卷的方式批量实现目标PB相位光学元件的制作步骤，该方式及设备高效、经济，适合于大规模生产，设备中光源采用非相干光源，更加经济。

技术研发人员：刘奡
受保护的技术使用者：南京博观智能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15