一种宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件及其制备方法和应用

本发明属于液晶光子晶体结构、动态光谱调谐和全息成像，特别是涉及一种宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、全息技术作为一种能够提供三维图像重现的技术，近年来在信息存储、显示技术以及光学成像等领域得到了广泛的应用。特别是宽波段全息技术，因其能够提供更丰富的色彩信息和更高的图像质量，成为了研究的热点。然而，现有的全息显示技术，尤其是基于超表面的全息方法，虽然在波段宽度上取得了一定的进展，但仍面临着带宽不够宽、调谐手段有限的问题。这些限制在一定程度上阻碍了全息显示技术的进一步发展和应用。

2、在此背景下，液晶材料，尤其是胆甾相液晶(cholesteric liquid crystal,clc)体系，因其独特的光学性质和可调谐性，为解决上述问题提供了新的思路。胆甾相液晶体系能够通过改变液晶分子的排列，调节布拉格反射光的波长，从而实现宽工作带宽的全息显示。这种调谐机制主要依赖于液晶分子的螺旋结构，通过改变螺旋的扭曲力(helicaltwisting power,htp)或螺旋的螺距，可以实现对反射带隙中心波长的精确调控。此外，胆甾相液晶体系的调谐比例，即可调谐的波长范围与初始波长的比值，为其在宽波段全息显示中的应用提供了可能。目前，受限于多种技术因素，液晶材料在宽波段光谱动态域调谐方面仍未能实现近红外全息成像。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决目前全息显示技术动态可逆可调谐波段较窄、制作工艺复杂、制作成本较为高昂和近红外全息显示尚未实现等问题，提出一种宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件及其制备方法，该液晶光子晶体结构可以实现超过1000nm宽波段光谱动态可逆调谐，其响应范围覆盖近红外波段且实现近红外全息成像，同时制作成本低廉且易于制备，这些特性不仅能够广泛适用于高灵敏度宽带宽的光学远程通信，同时为光学全息显示、光子信息防伪、量子光学等领域的发展开辟了新的道路。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件，包括：相对设置的且相同大小的第一基板和第二基板，在第一基板朝向第二基板的那一面上设有第一取向膜，在第二基板朝向第一基板的那一面上设有第二取向膜；所述液晶光子晶体结构元件还包括设置在第一取向膜和第二取向膜之间的液晶层和间隔粒子，所述液晶层的上下两面分别与第一取向膜和第二取向膜相连，所述间隔粒子设在液晶层两侧。

4、所述液晶层采用的液晶材料为手性剂和向列相液晶按质量比(30-31)：

5、(69-70)组成的混合物；所述手性剂为右旋手性剂r811，向列相液晶为e7。

6、所述第一取向膜和第二取向膜由光控取向剂制备而成，所述第一取向膜和第二取向膜上设置有全息相位控制图形。

7、进一步，所述第一基板和第二基板均为ito玻璃。

8、进一步，所述光控取向剂为sd1光控取向材料。

9、进一步，所述间隔粒子的直径为8-10微米。

10、上述宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件的制备方法，包括如下步骤：

11、(1)取第一基板和第二基板，采用无水乙醇和超纯水超声清洗后，烘干，然后进行紫外臭氧清洗；

12、(2)在第一基板的下表面和第二基板的上表面上旋涂光控取向剂，加热固化后，得到第一取向膜和第二取向膜；

13、(3)将间隔粒子与紫外固化胶混合均匀，然后涂覆在第一取向膜两侧，将第二取向膜朝向第一取向膜贴合到一起，固化后，得到空液晶盒；

14、(4)设计全息相位控制图形，将全息相位控制图形分割成不同的多步图案，对应于不同的偏振角，通过dmd器件并结合偏振片的旋转将产生的微图案投影到空液晶盒的第一取向膜和第二取向膜上，曝光后，在第一取向膜和第二取向膜上得到具有相应微图案的全息相位控制图形；

15、(5)将液晶材料加热至各向同性态，然后注入空液晶盒中，冷却后形成液晶层，得到宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件。

16、进一步，步骤(3)中，所述间隔粒子和紫外固化胶的质量比为5:95。

17、步骤(4)中，获取全息相位控制图形的相位分布的流程包括：

18、获取随机相位φrand和标准振幅分布eg，对所述随机相位φrand和所述标准振幅分布eg进行快速傅立叶变换，获取远场中的第一复振幅分布e1；所述标准振幅分布eg为选择的入射光分布，这里选择的为高斯振幅分布；所述随机相位φrand由matlab的随机函数生成；

19、随后进行循环迭代过程，具体的迭代过程如下：

20、对远场中的第一复振幅分布e1取幅角得到远场中的第一相位分布φ1，将所设置的理想的远场振幅分布efinal和远场中的第一相位分布φ1组合得到复振幅分布efinal*eiφ1,对复振幅分布efinal*eiφ1进行快速傅立叶逆变换得到近场的第二复振幅分布e2；

21、对近场中的第二复振幅分布e2取幅角得到近场中的第二相位分布φ2，将标准振幅分布eg和近场中的第二相位分布φ2组合得到复振幅分布eg*ei72,对复振幅分布eg*eiφ2进行快速傅立叶变换得到更新的远场中的第一复振幅分布e1；

22、多次重复上述迭代过程得到最终的近场中的第二相位分布φ2；所述迭代过程应大于等于300次；

23、经过上述循环迭代过程得到的最终的近场中的第二相位分布φ2即为获取的全息相位控制图形的相位分布。

24、上述宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件在全息成像方面的应用。

25、本发明的宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件中，所涉及的胆甾相液晶材料会对特定波长的光产生反射，当温度变化时，液晶分子的排列会发生改变，进而改变反射光的波长，导致颜色变化。在这种热调谐反射带隙过程中，随着温度升高，其螺旋扭曲力(htp)逐渐上升，胆甾相液晶的有效螺距减小，反射带隙中心波长发生蓝移。胆甾相液晶的有效螺距p和布拉格反射中心波长λc可以通过以下公式预测：

26、

27、

28、其中c表示右旋化合物的浓度。n0/ne为液晶分子长短轴折射率。当温度升高时，htp增大，方程(1)的分母增大导致p减小，即螺距逐渐缩短。此时由方程(2)可知反射带隙的中心波长λc减小。当温度降低时，clc结构体系的相应演变规律相反。因此，可以以可逆的方式实现动态可调谐的反射带隙。进一步地，通过优化右旋化合物与向列相液晶的掺杂比例，得到1000nm宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件，通过改变温度，可实现光谱动态域超过1000nm动态调谐。

29、本发明的有益效果为：

30、1)本发明提供了一种宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件，包括相对设置的且相同大小的第一基板和第二基板，在第一基板朝向第二基板的那一面上设有第一取向膜，在第二基板朝向第一基板的那一面上设有第二取向膜；所述液晶光子晶体结构元件还包括设置在第一取向膜和第二取向膜之间的液晶层和间隔粒子，所述液晶层的上下两面分别与第一取向膜和第二取向膜相连，所述间隔粒子设在液晶层两侧，间隔粒子起到支撑液晶层和维持稳定的层间距的作用，所述第一取向膜和第二取向膜上设置有全息相位控制图形，控制取向膜内的分子按照全息相位控制图形，取向膜内的分子诱导液晶分子按照全息相位控制图形排列；控制一定的温度下，宽波段光谱动态域液晶光子晶体结构元件布拉格反射光谱带隙被确定，当相匹配波长的激光照射上述元件时，会反射相应波长光的右旋圆偏振分量，所设置的全息图像在远场重建；所设置的全息图像可以定制化的任意设计；通过改变温度可以动态调控上述元件反射的光谱带隙，实现从蓝紫波段至近红外波段的全息显示。

31、2)本发明的液晶光子晶体结构元件可以实现超过1000nm宽波段光谱动态可逆调谐，其响应范围覆盖近红外波段且实现近红外全息成像，同时制作成本低廉且易于制备，这些特性不仅能够广泛适用于高灵敏度宽带宽的光学远程通信，同时为光学全息显示、光子信息防伪、量子光学等领域的发展开辟了新的道路。