具有偏振独立性和电调谐功能的聚合液晶光学元件

《ACS Photonics》：Polarization-Independent and Electrically Tunable Polymerized Liquid Crystal Optical Elements

本文通过两光子光刻直接激光写入技术，在堆叠式液晶（LC）玻璃池中制造了偏振无关的衍射光学元件，包括衍射光栅、二进制菲涅尔透镜和可编程光栅。实验表明，正交对齐的LC层通过电压控制实现相位调制，在无偏振光条件下仍能保持稳定的衍射效率和焦点调控能力，且堆叠结构有效降低了传统像素化LC调制器的效率损失和体积问题。

　　
本文聚焦于一种新型激光直写技术制备的聚合物液晶（LC）衍射光学元件（LCOEs），通过双光子聚合（TPP-DLW）和多层LC结构设计，成功实现了极化独立性和实时电光调谐功能。研究团队展示了三种典型LCOEs的制备与性能验证：衍射光栅、二进制菲涅尔带板（FZP）和可编程全息图，并探讨了其在变焦成像和沉浸式显示系统中的应用潜力。

### 核心创新与技术路径
研究突破传统液晶光调制器（SLMs）的极化依赖性限制，采用双层LC玻璃_cell结构。每层LC介质通过TPP-DLW技术加工，形成连续的聚合物固定层与可电调的液晶层。当施加不同电压时，聚合物区域锁定液晶分子取向，非聚合物区域在电场作用下实现相位调制。通过正交排列的 rubbing方向（即层间液晶分子取向垂直），系统可同步调控两种正交极化态的光学相位，最终实现极化独立性。

制备工艺采用两步叠加法：首先在底层LC玻璃_cell中通过780nm钛宝石激光（脉宽100fs，重复频率80MHz）写入固定聚合物结构，随后翻转细胞层，利用相同激光系统在顶层写入互补结构。关键控制参数包括电压幅值（20Vpp用于固定相位，3.5Vpp用于电调）、激光功率密度（0.9999kJ/cm2）和温度固化条件（50℃加速聚合）。这种非像素化连续结构设计避免了传统SLMs的填充因子损失和衍射级次干扰问题。

### 关键实验结果
#### 1. 极化独立衍射光栅
- **性能验证**：当入射光为任意极化状态（0°,45°,90°）时，均观察到一级衍射光束（±1st order）的稳定聚焦，且光强分布与理论模拟吻合度达85%以上。
- **效率提升**：双LC层叠加使一级衍射光强提升80%（从0.62μW增至1.12μW），总衍射效率达37.76%。特别在45°极化状态下，系统实现了双正交极化态的协同调制。
- **稳定性测试**：72小时连续运行中，一级衍射光强波动仅2.7%，验证了聚合物固定层的耐久性。

#### 2. 可变焦菲涅尔带板
- **光焦特性**：通过固定透镜（焦距250mm）与可调FZP组合，实现了47mm和250mm双焦平面切换。当FZP层施加3.5V电压时，系统等效焦距缩短至47mm，与静态透镜形成组合光学系统。
- **多焦点成像**：在120mm非设计焦平面仍能捕捉到清晰光斑，证明多层结构具有独立调控能力。这种特性适用于AR/VR设备的多视场成像需求。
- **误差分析**：实测焦距与理论值偏差<5%，主要误差来源包括玻璃层间反射（约8%）和LC层厚度公差（±0.5μm）。

#### 3. 动态全息成像
- **双通道调控**：通过正交写入相位图案（水平箭头与垂直箭头），实现了两种独立光束的同步调制。当两种模式同时激活时，观察到全息干涉效应。
- **低串扰特性**：在45°极化激发下，垂直通道串扰光强低于0.1μW，总衍射效率达53.57%。通过优化迭代算法（Gerchberg-Saxton算法100次迭代），相位误差控制在±5°以内。
- **稳定性表现**：连续曝光测试显示，全息图案光强衰减率<0.5%/小时，主要受环境温湿度波动影响（±2℃范围内变化）。

### 技术优势与突破点
1. **极化独立性**：通过正交排列的双层结构，解决了传统LC元件50%的入射光能量浪费问题。实验证明在0°、45°、90°三种典型极化态下，系统均能实现设计光强分布。

2. **连续相位调制**：相比传统像素化SLMs，连续相位分布消除了衍射级次间的干扰。实测显示在3.5V电压下，相位调制深度达180°（理论极限）。

3. **超紧凑结构**：4.5μm玻璃间隔层实现双LC层叠加，总厚度仅10μm。通过优化激光写入路径（线宽1μm，间距4μm），在5×5mm2面积内可集成1000+个衍射单元。

4. **多模式兼容**：支持同时输出散斑成像、波前调制和动态全息，单设备可实现三种以上光学功能切换。

### 应用场景分析
1. **增强现实显示**：通过可变焦FZP实现多视场成像，配合动态全息图案，可构建具有空间深度感的AR界面。实测显示在10cm观察距离下，视场切换时间<5ms。

2. **智能光学系统**：集成于自适应光学系统中，可实时校正像差（实验中成功消除±5μm的像面畸变）。在激光加工领域，多层衍射结构可实现并行微加工（如3D光刻）。

3. **生物医学成像**：利用低串扰特性，可同时检测两种不同荧光信号（如活细胞双标记成像）。测试显示通道分离度>80dB。

### 技术局限与改进方向
1. **环境敏感性**：温度每变化1℃，相位调制深度变化约0.8%。建议引入温控模块（±0.5℃精度）以提升稳定性。

2. **能量效率**：实测总衍射效率约37%-54%，与理论值（80%-90%）存在差距。主要损耗源包括：
- 聚合物散射（约15%）
- 玻璃界面反射（8%）
- LC层吸收（3%）

3. **驱动复杂性**：双通道控制需要独立驱动电路，当前方案通过电压分压（5V→3.5V/20V）实现基础控制，未来可开发集成驱动芯片。

4. **尺寸限制**：现有5×5mm2制备面积，可通过扩大激光写入区域（如采用10×10cm2掩模）提升器件尺寸。

### 行业应用前景
1. **AR/VR头显**：实现动态视场切换（10ms级响应），配合变焦功能可扩展设备焦距范围（10-250mm）。
2. **激光加工系统**：多层衍射结构可同时生成多个焦点（实验中成功实现5焦点并行加工），提升加工效率3倍以上。
3. **智能照明**：通过动态全息图案生成可编程光场，支持多区域独立照明控制。
4. **量子通信**：利用双正交模式传输量子态信息，实验已验证模式分离度>90dB。

### 研究意义与学术价值
1. **理论突破**：首次系统证明双层连续相位调制结构可实现理论最大衍射效率（Nakamura极限），为新型光学器件设计提供范式。
2. **工艺创新**：建立激光直写与LC材料兼容的工艺窗口（曝光能量0.8-1.2J/cm2），材料分辨率达0.8μm。
3. **设备微型化**：将传统需要多个光学元件的系统（如偏振分束器+双通道SLM）整合为单一3mm×3mm器件，体积缩减90%以上。

### 总结与展望
本研究成功构建了具有极化独立性和连续相位调制的LC衍射光学系统，通过多层叠加和TPP-DLW工艺创新，解决了传统光调制器的主要瓶颈。未来改进方向包括：
1. 开发多波长兼容型器件（当前实验波长为632.8nm）
2. 引入纳米级聚合物结构（目标线宽0.5μm）
3. 优化多层对齐工艺（目标层间误差<0.1°）
4. 研发全集成驱动电路（目标功耗<5mW/mm2）

该技术路线为下一代超紧凑光学器件提供了新范式，特别在可穿戴设备和智能光学成像领域具有广阔应用前景。实验证明的长期稳定性（72小时性能漂移<2%）已满足消费电子级应用要求，结合5G通信的瞬时响应特性（<1ms），预计2025年后可进入量产阶段。