华科大解孝林教授、彭海炎教授、张云教授团队 Macromolecules：基于液晶的全息塑料

2024-03-13 来源：高分子科技

激光全息技术是利用激光相干原理构建精细微纳结构并同时存储光波振幅、相位等全部信息的光学技术，已发展成为一种新兴的塑料精细加工方法。通过激光全息技术加工成型得到的塑料称为全息塑料，在柔性、质轻的三维显示、增强现实/虚拟现实、高密度数据存储、高端防伪等高新技术领域具有重要应用价值。在全息塑料中引入液晶，不仅通过液晶的降黏作用促进全息加工，也通过液晶的外场响应特性赋予全息塑料刺激响应功能，满足更广泛的应用需求。尽管这一跨学科领域的研究已经相当广泛，但仍有几个基本问题亟待回答：(1) 从材料科学的角度能否建立折射率调制度与相位调制的定量关系？(2) 对于光栅结构分别为透射式和反射式的全息塑料，折射率调制的原理是否一致？(3) 面向未来应用需求，全息塑料特别是基于液晶的全息塑料仍面临哪些重要挑战？

近期，华中科技大学解孝林教授、彭海炎教授、张云教授团队在Macromolecules发表了题为“Holographic Plastics with Liquid Crystals”的Perspective类型专论文章。

图1 全息塑料的代表性应用

专论首先介绍了全息塑料的一些典型应用 (图1)，然后通过公式推导，给出了透射式和反射式全息光栅的光栅周期 (间距) 计算方法。在计算过程中，透射式光栅无须考虑材料的折射率 (公式1)，而反射式全息光栅必须考虑材料的平均折射率 (公式2)。透射式与反射式全息光栅的衍射效率对折射率调制度的依赖关系也不同。对于非倾斜光栅，在布拉格条件下的衍射效率应分别采用公式3和公式4计算。对于探测波长和角度变化的情况，可以根据Kogelnik耦合波理论进行计算，结果如图2所示。

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由于折射率调制度为相干亮区与相干暗区折射率差值的一半，专论进一步通过公式推导，指出全息塑料对探测光调制而引起的相位变化与折射率调制度线性相关 (公式5)，这个简单的公式明确了提高折射率调制度的重要意义。

(5)

在基于液晶的全息塑料研究进展方面，专论从结构和性能调控的角度进行了概述，重点讨论了光引发剂、光聚合单体、液晶、纳米粒子掺杂、AIE分子掺杂的影响。专论最后从材料科学研究的角度指出了该领域亟待解决的几个重要挑战：(1) 更高的折射率调制度。提高折射率调制度不仅可以提高全息塑料的衍射效率，还能提供宽的光谱和角度带宽，从而增加AR显示 (如AR-HUD) 的亮度和视场角，要求发展新的材料体系。(2) 高的加工效率。在实际生产中，材料的加工特性需要满足大尺寸快速制造的工艺要求。然而，基于液晶的全息塑料通过相干激光聚合诱导相分离原理成型，提高聚合反应速率虽然有助于缩短加工时间，但会导致体系凝胶化过快、相分离不充分，最终导致全息塑料的光学品质下降。(3)高衍射效率的反射式全息塑料。在反射式全息塑料中，光栅周期小至几十纳米，导致在相干亮区生成的自由基非常容易扩散到相干暗区，使相干暗区也发生聚合反应，导致液晶扩散受阻、体系相分离程度降低。因此对于基于液晶的全息塑料，反射式光栅的衍射效率普遍低于75%。(4)长期服役可靠性。液晶分子的稳定性受环境影响，比如需要避免阳光直射。将小分子液晶替换为高分子液晶或者增加体系的交联程度有助于提高这类全息塑料的环境稳定性，但通常会影响相分离。(5)多重光学图像的正交存储。多重图像的正交存储与无串扰显示是高端防伪技术的发展要求，一方面能够增加信息容量，提高防伪等级，另一方面也降低材料总厚度 (<30 μm)，更好满足工业生产需求。结合全息、光致发光等光学特征，并利用液晶对温度、电场和偏振的响应特性，有助于将不同光学功能集成到单一材料中。在透射式全息塑料中集成多重光学图像已有相关报道，但在反射式全息塑料中集成多重图像仍面临挑战。

图2 透射式全息光栅 (a、c、e) 和反射式全息光栅 (b、d、f) 的波长选择性和角度选择性曲线

该课题组一直聚焦全息塑料的基础理论与应用研究，在模压全息塑料、光聚合全息塑料的高性能化和多功能化方面取得了重要进展，在科学出版社出版了领域内首部专著《全息高分子材料》，代表性期刊论文有：Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202315061; J. Mater. Chem. C 2023, 11, 3504; Macromolecules 2023, 56, 5457; 高分子学报 2023, 54, 418; 高分子学报 2022, 53, 722; Adv. Sci. 2022, 9, 2105903;J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6285; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10066; Macromolecules 2015, 48, 2958; Macromolecules 2014, 47, 2306; J. Am. Chem. Soc.2014, 136, 8855.

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c02011

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（责任编辑：xu）

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