本發(fā)明涉及全息波導顯示領(lǐng)域，尤其涉及一種高衍射效率的體全息光柵結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

全息波導顯示技術(shù)是將全反射導波原理和體光柵衍射原理相結(jié)合，利用高亮度微型顯示器提供圖像，通過小型光學系統(tǒng)將圖像送入全息波導結(jié)構(gòu)中，經(jīng)其傳導后投射入人眼中成像的一種技術(shù)。因為具有尺寸小、重量輕的獨特優(yōu)勢，全息波導顯示系統(tǒng)在近眼顯示特別是軍用顯示領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注。

全息波導顯示系統(tǒng)中，主要是依靠衍射光柵來實現(xiàn)光束傳播方向的調(diào)控，實現(xiàn)圖像的輸入和輸出，因此，全息光柵是影響其圖像顯示效果的核心部件。體全息光柵和傳統(tǒng)的刻劃或者全息記錄形成的表面浮雕型光柵不同，它是利用介質(zhì)內(nèi)部折射率的周期性變化實現(xiàn)光線的衍射，色散均勻、衍射效率高、噪聲低，可以用作全息波導顯示系統(tǒng)的輸入和輸出衍射光柵。從實際成像結(jié)果來看，圖像的亮度主要取決于光柵的衍射效率，因此提高體全息光柵的衍射效率是保證成像質(zhì)量的關(guān)鍵。

反射型體全息光柵是利用兩條相干光束從記錄介質(zhì)的兩側(cè)相向射入，形成干涉而形成。按照光柵的衍射理論，使連續(xù)散射波同相位相加，使總的衍射波振幅達到最大，則此時滿足布拉格條件λ＝2n₀Λsinθ，其中，n₀為記錄介質(zhì)平均折射率，θ為入射光與光柵條紋面夾角，λ為入射波長、Λ為光柵周期。因此，當用相同波長的一束光沿著特定方向入射體全息光柵時，若滿足布拉格條件時將發(fā)生衍射現(xiàn)象，即可實現(xiàn)對光的調(diào)控作用，此時對應的光波長被稱為中心波長。而其他波長的光，或者沿著其他方向入射時，不滿足布拉格條件，則光束會透過全息光柵，不發(fā)生衍射現(xiàn)象。

對于反射型體全息光柵，當入射光滿足布拉格條件時，衍射效率為其中，d為記錄層厚度，n為介質(zhì)折射率，Δn為折射率調(diào)制度，Λ為光柵周期，θ為布拉格角。原理上，當折射率調(diào)制度和記錄層厚的乘積Δnd足夠大，光柵的衍射效率都可以達100％。實際制備光柵時，記錄層的Δn一般低于0.03的限制，因此需要很大記錄層厚度才能獲得高衍射效率。和傳統(tǒng)的鹵化銀敏化明膠和重鉻酸鹽明膠相比，光致聚合物具有高感光靈敏度、高衍射效率、高分辨率、高信噪比、可完全干法處理及快速顯影等優(yōu)點，可用作體全息光柵的厚型記錄介質(zhì)。

在全息波導顯示系統(tǒng)中，利用的是因滿足布拉格條件而發(fā)生衍射現(xiàn)象時出射的一級衍射光。在實際應用中，實際記錄層厚度增加對衍射效率有限，而且光柵存在損耗和其余級次衍射光，聚合物體全息光柵的一級衍射效率則更低，因此需要在不改變中心波長的前提下，提高適用于全息波導顯示的反射型體全息光柵的衍射效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是一種基于以上不足，本發(fā)明提出一種在不改變光柵中心波長的前提下，提高光柵的衍射效率的全息光柵結(jié)構(gòu)及其制備方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種高衍射效率的體全息光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于：該體全息光柵以光學玻璃為基底，在玻璃基底表面上旋涂光致聚合物層，在光致聚合物層表面上旋涂銀納米顆粒層。

其中，所述的光致聚合物層的厚度為15～20微米。

其中，所述的銀納米顆粒層的厚度為20～50納米。

高衍射效率的體全息光柵制備方法，其特征在于：包括下述步驟：

(1)將光致聚合物膠液旋涂在玻璃基板上，在暗室條件下自然晾干，形成光致聚合物干板；

(2)將步驟得到的干板在雙光束光路中用激光干涉曝光，形成光致聚合物層；

(3)將步驟得到的光致聚合物層在紫外光照射后，在10^-2Pa真空環(huán)境中進行烘烤；

(4)室溫下將聚乙烯吡咯烷酮加入乙二醇中，充分攪拌均勻后加入硝酸銀，持續(xù)攪拌并將溶液勻速加熱，反應充分后冷卻至室溫，得到溶液A；

(5)取步驟(4)所得的溶液A，加入丙酮以9000～10000rpm的速度離心并洗滌后，得到的沉淀即為銀納米顆粒，將沉淀加入去離子水中，超聲混合均勻后成銀納米顆粒溶液B；

(6)將步驟(5)得到的銀納米顆粒溶液B旋涂到步驟得到的光致聚合物層上，得到銀納米顆粒層；

(7)將步驟(6)得到的銀納米顆粒層(3)干燥后獲得體全息光柵。

其中，所述的步驟(2)中采用高激光強度短曝光時間模式，曝光能量密度在30～50mJ/cm²。

其中，所述的步驟的雙光束光路中，激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)快門到達分束器分為兩個光路，一路經(jīng)空間濾波器、傅里葉透鏡、反射鏡到達全息光柵；另一路經(jīng)反射鏡、空間濾波器、傅里葉透鏡到達全息光柵，進行激光干涉曝光。

其中，所述的步驟中的溶液A與丙酮體積比為1：5，銀納米顆粒在溶液B中的含量為0.15mol/L。

工作原理：當波從體全息光柵進入銀納米顆粒層時，光子和金屬區(qū)域自由電子相互作用形成等離激元。由于采用化學還原法制備的銀納米顆粒的尺寸小于50nm，而對于光頻段的銀來說，此時外加電磁場可穿透金屬納米顆粒內(nèi)部，使自由電子相對金屬離子晶格產(chǎn)生位移。聚集在顆粒表面的正負電荷在顆粒內(nèi)部形成一個局域恢復電場，它隨著電子氣相對離子晶格位移量的增加而增加。金屬顆粒中偏移的電子和恢復力場就形成了一個振蕩器。銀納米顆粒層的光柵常數(shù)足夠小，共振被激勵，即發(fā)生表面等離子體激元的光學近場增強。同時，所使用的激光光源波長λ為532nm，而所制備銀納米顆粒間距d約為10nm，即有d<λ，此時絕大多數(shù)散射光被禁止，衍射光增強，因而對應反射型體全息光柵的衍射效率提高。同時，銀納米顆粒層的引入并沒有改變光柵滿足的布拉格衍射條件，因此該體全息光柵不會產(chǎn)生中心波長的偏移。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點：本發(fā)明提供了有機結(jié)合銀納米顆粒薄膜和光致聚合物體全息光柵的結(jié)構(gòu)制備方法，不改變原有的體全息光柵的中心波長前提下，利用金屬納米顆粒共振的近場增強效應，提高了體全息光柵的衍射效率。這種光致聚合物光柵可以作為高衍射效率的反射型輸入耦合光柵，適用于全息波導顯示系統(tǒng)中，有利于提高系統(tǒng)的圖像成像質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的體全息光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的光致聚合物體全息光柵的曝光光路的示意圖；

圖3為本發(fā)明的銀納米顆粒的TEM圖。

圖中1為玻璃基底、2為光致聚合物層、3為銀納米顆粒層、4為體全息光柵、5為激光器、6為快門、7為分束器、8為空間濾波器、9為傅里葉透鏡、10為反射鏡。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。

實施例：

將光致聚合物膠液通過旋涂在玻璃基板1上，在暗室條件下自然晾干，形成光致聚合物干板；將聚合物干板在雙光束光路中用200mW的532nm激光短時間干涉曝光，曝光能量密度為45mJ/cm²，形成光致聚合物層2；將光致聚合物層2在365nm紫外光照5分鐘后，在10^-2Pa真空環(huán)境中進行100℃烘烤30分鐘；

室溫下將0.82g聚乙烯吡咯烷酮加入50ml乙二醇中，充分攪拌均勻后加入0.125g硝酸銀，持續(xù)攪拌并將溶液勻速加熱至80℃，反應1小時后冷卻至室溫，得到溶液A；取1ml溶液A，加入5ml丙酮以9000rpm的速度離心10分鐘，并洗滌兩次后，得到的沉淀即為銀納米顆粒；將沉淀加到10ml無水乙醇中，超聲混合均勻成銀納米顆粒含量為0.15mol/L的溶液B；將銀納米顆粒溶液B旋涂到得到的光致聚合物層2上，得到銀納米顆粒層3；將銀納米顆粒層3置于25℃，20％干燥度的環(huán)境中干燥后獲得體全息光柵。雙光束光路中，激光器5產(chǎn)生的激光光束經(jīng)快門到達分束器7分為兩個光路，一路經(jīng)空間濾波器8、傅里葉透鏡9、反射鏡10到達全息光柵4；另一路經(jīng)反射鏡10、空間濾波器8、傅里葉透鏡9到達全息光柵4，進行激光干涉曝光。

在銀納米顆粒的制備過程中，聚乙烯吡咯烷酮作為表面活性劑，它們能夠覆蓋在銀納米顆粒的表面，阻止顆粒間的團聚，但是當顆粒長大到一定尺寸前，它們并不會影響銀納米顆粒的擴散/表面沉積過程。乙二醇充當了還原劑和溶劑，在加熱的條件下，可以還原成乙醛，而乙醛則可以還原銀粒子，使之生成銀顆粒。本實例制備的銀納米顆粒的TEM照片如圖3所示。

本發(fā)明基于反射型體全息光柵結(jié)構(gòu)，通過旋涂制備一層銀納米顆粒薄膜，實現(xiàn)了光致聚合物光柵衍射效率的提高，解決了反射型體全息光柵用于全息波導顯示系統(tǒng)時因為衍射效率不高而造成的出射光強較弱、圖像成像效果差等問題。該高衍射效率的體全息光柵結(jié)構(gòu)可以廣泛應用于頭戴和近眼顯示領(lǐng)域。