全息聚合物分散液晶的原理分析

背景介紹

全息高分子材料是一類能夠同時存儲光波振幅、相位等全部信息的結(jié)構(gòu)有序高分子材料，全息高分子/液晶復(fù)合材料屬于其中一種，由富高分子相與富液晶相周期性排列而成，這類復(fù)合材料通過相干激光下的聚合誘導(dǎo)相分離原理成型，能夠存儲實物的全部信息，在裸眼可見的彩色三維（3D）圖像存儲與顯示領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。此外，由于具有優(yōu)異的電光響應(yīng)特性和高的折射率調(diào)制度（Refractive Index Modulation），它們在增強現(xiàn)實領(lǐng)域也表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

根據(jù)液晶含量和制備方法，全息高分子/液晶復(fù)合材料主要分為全息聚合物分散液晶 （Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal，HPDLC）、全息聚合物穩(wěn)定液晶（Holographic Polymer Stabilized Liquid Crystal，HPSLC）以及聚合物-液晶-聚合物層狀物（POlymer-LIquid-CRYstal-Polymer Slices，POLICRYPS）。

聚合物分散液晶（PDLC）中聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常大于30%，液晶形成微滴分散在連續(xù)的聚合物基體中。通常采用加熱或紫外光照射的方式，在由單體和液晶形成的均一初始混合物中引發(fā)單體聚合形成聚合物，聚合物和液晶之間發(fā)生相分離，由此得到PDLC。

全息光柵的成型原理

HPDLC通過相干激光下的聚合誘導(dǎo)相分離原理成型。如圖2所示，將一束激光分成光強相等的兩束同源相干光，然后匯聚，得到光強呈正弦函數(shù)形式分布的干涉光斑。在干涉光斑的高光強區(qū)（即相干亮區(qū)），光引發(fā)體系吸收光子，產(chǎn)生活性中心，引發(fā)單體聚合。聚合反應(yīng)導(dǎo)致體系化學(xué)勢改變，引起單體從相干暗區(qū)往相干亮區(qū)擴散，以及液晶的反向擴散，最終產(chǎn)生由富高分子相和富液晶相周期性排列的全息光柵。

通過光聚合誘導(dǎo)相分離原理制備HPDLC示意圖

全息光柵的相分離結(jié)構(gòu)主要取決于液晶擴散、液晶成核以及體系凝膠化的競爭。如圖所示，當(dāng)液晶擴散時間小于成核時間，而后者又小于體系凝膠化時間時，相分離結(jié)構(gòu)有序，且富液晶相連續(xù)；當(dāng)液晶擴散時間小于成核時間，而后者與體系凝膠化時間相當(dāng)時，液晶以液滴的形式分布于富液晶相；當(dāng)液晶擴散速率過慢時，相分離結(jié)構(gòu)無序，全息光柵不能形成 。相分離程度和相分離結(jié)構(gòu)直接影響全息光柵的性能。

液晶擴散、成核與體系凝膠化對HPDLC相分離結(jié)構(gòu)的影響示意圖

HPDLC在AR領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，增強現(xiàn)實（AR）在科學(xué)界和工業(yè)界激發(fā)了廣泛興趣，其基本理念是將虛擬數(shù)字內(nèi)容與真實環(huán)境無縫融合，因此有望成為下一代顯示技術(shù)，改變?nèi)藗兊男畔⒔换シ绞?。全息光柵元件由于具有獨特的波前再現(xiàn)性質(zhì)，被認(rèn)為是實現(xiàn)AR的主流路線。AR用全息光柵元件要求折射率調(diào)制度高、光柵衍射效率高、透明度高、霧度低（光散射損失?。?，因此需要對全息光柵結(jié)構(gòu)進行精確調(diào)控。HPDLC在體全息光波導(dǎo)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。多家領(lǐng)先企業(yè)已將HPDLC技術(shù)集成到其AR/VR顯示解決方案中，顯著提升了用戶體驗和技術(shù)性能。

例如Digilens公司基于透射式HPDLC和波導(dǎo)（waveguide）技術(shù)設(shè)計了用于頭盔顯示用的AR產(chǎn)品Moto HUD和全彩體全息波導(dǎo)眼鏡。而Samsung Electronics也在其高端AR/VR設(shè)備中應(yīng)用了HPDLC技術(shù)，優(yōu)化了光波導(dǎo)組件以提升視覺效果。值得一提的是，Akonia（已被蘋果收購），曾開發(fā)出基于HPDLC的多層全息存儲介質(zhì)，應(yīng)用于AR眼鏡中，支持在同一物理空間內(nèi)存儲多個全息圖樣，實現(xiàn)更高的信息密度和更豐富的視覺體驗。

總結(jié)與展望

全息高分子/液晶復(fù)合材料作為一類具有全息功能的結(jié)構(gòu)有序復(fù)合材料，在高端防偽、增強現(xiàn)實、分布反饋式激光器等高新技術(shù)領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。然而，全息高分子/液晶復(fù)合材料的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)和機遇，例如：1）如何獲得高的折射率調(diào)制度；2）光柵衍射效率與驅(qū)動電壓、驅(qū)動電壓與光散射損失的矛盾能否徹底解決；3）多重圖像存儲與顯示的 復(fù)合材料如何構(gòu)筑；4）復(fù)合材料的柔性卷對卷加工和連續(xù)化生產(chǎn)如何實現(xiàn)。

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