全息聚合物分散液晶的原理分析

背景介绍

全息高分子材料是一类能够同时存储光波振幅、相位等全部信息的结构有序高分子材料，全息高分子/液晶复合材料属于其中一种，由富高分子相与富液晶相周期性排列而成，这类复合材料通过相干激光下的聚合诱导相分离原理成型，能够存储实物的全部信息，在裸眼可见的彩色三维（3D）图像存储与显示领域具有重要应用价值。此外，由于具有优异的电光响应特性和高的折射率调制度（Refractive Index Modulation），它们在增强现实领域也表现出巨大的应用潜力。

根据液晶含量和制备方法，全息高分子/液晶复合材料主要分为全息聚合物分散液晶 （Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal，HPDLC）、全息聚合物稳定液晶（Holographic Polymer Stabilized Liquid Crystal，HPSLC）以及聚合物-液晶-聚合物层状物（POlymer-LIquid-CRYstal-Polymer Slices，POLICRYPS）。

聚合物分散液晶（PDLC）中聚合物质量分数通常大于30%，液晶形成微滴分散在连续的聚合物基体中。通常采用加热或紫外光照射的方式，在由单体和液晶形成的均一初始混合物中引发单体聚合形成聚合物，聚合物和液晶之间发生相分离，由此得到PDLC。

全息光栅的成型原理

HPDLC通过相干激光下的聚合诱导相分离原理成型。如图2所示，将一束激光分成光强相等的两束同源相干光，然后汇聚，得到光强呈正弦函数形式分布的干涉光斑。在干涉光斑的高光强区（即相干亮区），光引发体系吸收光子，产生活性中心，引发单体聚合。聚合反应导致体系化学势改变，引起单体从相干暗区往相干亮区扩散，以及液晶的反向扩散，最终产生由富高分子相和富液晶相周期性排列的全息光栅。

通过光聚合诱导相分离原理制备HPDLC示意图

全息光栅的相分离结构主要取决于液晶扩散、液晶成核以及体系凝胶化的竞争。如图所示，当液晶扩散时间小于成核时间，而后者又小于体系凝胶化时间时，相分离结构有序，且富液晶相连续；当液晶扩散时间小于成核时间，而后者与体系凝胶化时间相当时，液晶以液滴的形式分布于富液晶相；当液晶扩散速率过慢时，相分离结构无序，全息光栅不能形成 。相分离程度和相分离结构直接影响全息光栅的性能。

液晶扩散、成核与体系凝胶化对HPDLC相分离结构的影响示意图

HPDLC在AR领域的应用

近年来，增强现实（AR）在科学界和工业界激发了广泛兴趣，其基本理念是将虚拟数字内容与真实环境无缝融合，因此有望成为下一代显示技术，改变人们的信息交互方式。全息光栅元件由于具有独特的波前再现性质，被认为是实现AR的主流路线。AR用全息光栅元件要求折射率调制度高、光栅衍射效率高、透明度高、雾度低（光散射损失小），因此需要对全息光栅结构进行精确调控。HPDLC在体全息光波导领域具有广泛的应用潜力。多家领先企业已将HPDLC技术集成到其AR/VR显示解决方案中，显著提升了用户体验和技术性能。

例如Digilens公司基于透射式HPDLC和波导（waveguide）技术设计了用于头盔显示用的AR产品Moto HUD和全彩体全息波导眼镜。而Samsung Electronics也在其高端AR/VR设备中应用了HPDLC技术，优化了光波导组件以提升视觉效果。值得一提的是，Akonia（已被苹果收购），曾开发出基于HPDLC的多层全息存储介质，应用于AR眼镜中，支持在同一物理空间内存储多个全息图样，实现更高的信息密度和更丰富的视觉体验。

总结与展望

全息高分子/液晶复合材料作为一类具有全息功能的结构有序复合材料，在高端防伪、增强现实、分布反馈式激光器等高新技术领域极具应用潜力。然而，全息高分子/液晶复合材料的发展仍面临诸多挑战和机遇，例如：1）如何获得高的折射率调制度；2）光栅衍射效率与驱动电压、驱动电压与光散射损失的矛盾能否彻底解决；3）多重图像存储与显示的 复合材料如何构筑；4）复合材料的柔性卷对卷加工和连续化生产如何实现。

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