基于复杂纳米尺度排列液晶聚合物薄膜的高效全息偏振片研究

Polarizer is one of most commonly used optical devices. The polarizers normally have light efficiency lower than 50%. To overcome the 50% efficiency limitations, in our earlier stage work, we designed a high efficiency holographic polarizer based on complex nanoscale-ordered liquid crystal polymer films. The holographic polarizer could converter light with any polarization state into a linearly polarized light, with conversion efficiency high up to 80-90%. However the holographic polarizer currently can only work for narrowband wavelength range and collimated incident light beam, which greatly limits its application area. So the scientific problem we want to solve for this project is to study the way to overcome the narrow bandwidth and small acceptance angle limitations. The research contents include: from physics aspect, quantitative studying the working principle relation with bandwidth and acceptance angle for the holographic polarizer, and getting to know exactly the restriction factors for narrow bandwidth and small acceptance angle; from materials and structures aspect, studying the way of achieving broad bandwidth and wide acceptance angle; based on the previous study, conducting experiment to achieve a holographic polarizer with simultaneously high efficiency, broad bandwidth and large acceptance angle properties. The success of this project will greatly broaden the application areas for the holographic polarizer. Especially the holographic polarizer has great potential to be applied in liquid crystal display backlight system to reduce energy consumption.

偏振片是常用的光学元件之一，目前普遍使用的偏振片其光能利用效率大多低于50%。为突破传统偏振片50%的效率极限，在前期工作中，我们设计了一种基于复杂纳米尺度排列液晶聚合物薄膜的高效全息偏振片，它可以将任意偏振态的光以80-90%的效率转换为线偏振光。但由于此偏振片的工作条件限于“窄波段”及“平行入射光”，限制了其应用范围。如何突破窄波段及平行入射光限制，正是本申请项目拟解决的关键科学问题。主要的研究内容包括：从物理层面研究并揭示此类全息偏振片的工作特性与带宽和接受角之间的定量关系，明确“窄波段”及“平行入射光”工作条件的制约因素；从材料和结构层面，探讨此类全息偏振片实现宽波段、大接受角的方案和技术途径；在此基础上，开展实验制备和验证工作，目标是实现同时具备高效率、宽波段、大接受角性能的全息偏振片。此项目的完成，将拓宽高效全息偏振片的应用领域，特别是，应用于液晶显示背光中将使之更加省电节能。

液晶器件在光场调控领域有广泛的应用，其最为大家所熟知的液晶平板显示就是液晶器件对于光场强度调控的结果。除此之外，液晶器件还可以用于控制光场的其他参数，包括其相位，偏振等特性。基于这些光场控制手段，衍生出一系列新型的液晶器件，包括液晶偏振光栅、涡旋波片、几何相位超薄透镜等。本项目中，我们围绕复杂纳米尺度排列液晶聚合物薄膜作为核心研究内容，对其中的一些基础理论、材料、工艺技术和光学问题进行了研究。主要的研究内容包括液晶微纳结构光控取向材料与技术、三维液晶分子排列结构的理论和实验、以及液晶微纳器件的设计和分析。取得了一系列重要成果，其中包括：a. 研发了一种基于几何相位干涉的全息曝光方案，这种方案可以用于微纳尺寸的光控取向结构制备，其核心优势在于高精度和可定制结构化; b. 成功实现了三维多层扭曲的液晶分子排列技术的研发，并利用此技术实现了一系列的重要光学器件，其中包括可以实现投射和反射同步几何相位控制的器件，以及宽光谱的偏振控制器件；c. 研发了液晶器件对光场相位和偏振调制的基本原理和实现手段，利用这些原理和手段实现了一系列的重要液晶光学器件，其中包括空间双焦点的液晶几何相位透镜，混合阶庞加莱球结构光场产生器，双焦点涡旋透镜等成果；d. 研发了基于铁电液晶材料的光控取向器件，可以实现微秒级别的光场调制速度，极大扩展了液晶器件的应用场景。以上这些成果在平板显示、成像光学、光通信、光操控领域有重要应用潜力。同时这些成果的积累也为纳米尺度排列液晶聚合物薄膜提供了重要的基础理论、材料、工艺技术基础，为液晶微纳结构器件的实用化发展提供了重要的技术积累。