通过光刻技术制备偏振选择型液晶聚合物扩散器

《Optics & Laser Technology》：Fabrication of polarization-selective liquid crystal polymer diffusers via optical imprinting

　　摘要：偏振选择性扩散器件在增强现实和3D显示技术中具有巨大应用潜力。本文基于液晶聚合物的Pancharatnam-Berry相位原理，描述了一种具有高偏振选择性的液晶聚合物扩散器的设计与制造方法。该扩散器的偏振选择性由其手性掺杂剂决定：与器件相同手性的圆偏振光会被有效扩散，而相反手性的圆偏振光则可直接透过。通过光对准技术制造的这种扩散器，其工作带宽约为120纳米，最大扩散效率可达84%。预计该扩散器可应用于AR和3D显示系统中，用于动态切换图像焦平面，为解决聚散调节冲突提供新的技术途径。

引言：作为显示领域中不可或缺的核心光学组件，扩散器在光线均匀化、视角提升以及提高背光利用效率等关键过程中发挥着不可替代的作用。它们的性能直接决定了显示系统的成像质量和视觉体验。传统扩散器通常分为两类：一类是通过特定的微加工技术在表面制造微结构来实现光散射；另一类则是将散射颗粒嵌入基质中，利用颗粒与基质之间的折射率差异来实现光扩散。然而，传统扩散器普遍缺乏偏振选择性，无法满足液晶显示器、增强现实和3D显示等高端领域对精确偏振状态控制的需求，这一限制已成为制约这些技术发展的关键瓶颈。

目前，基于液晶的显示技术快速发展，对设备的偏振操控能力提出了更高要求。由于具有固有的偏振响应特性，液晶聚合物成为该领域的研究热点。其中，聚合物分散液晶已被广泛用于扩散器和光开关等光学器件中。它们的工作原理依赖于外部电场对液晶分子排列的调控：在没有电场的情况下，液晶微域与聚合物基质之间存在较大的折射率差异，导致无论入射光的偏振状态如何都会发生强烈的无差别散射，从而使散射光变为非偏振光。当施加电场后，液晶分子会沿着电场方向有序排列，与聚合物基质的折射率相匹配，从而使薄膜变得高度透明。这类PDLC扩散器在通电时保持透明，断电时则会产生强烈的无差别散射，且散射光不具备偏振选择性。

Meta公司提出了一种基于分层设计的偏振选择性光学扩散器解决方案。通过操控图像光的偏振状态，可在不同扩散层实现选择性扩散。结合用于偏振状态转换的光延迟器，该方法能够实现图像焦平面的动态切换。同时，由于其偏振选择性，环境光可以不经扩散直接透过器件，从而实现虚拟图像与真实环境的自然融合。不过，该方案并未给出具体的实现方法。

为解决现有扩散器偏振选择性不足的问题，本文提出基于Pancharatnam-Berry几何相位原理，利用光刻技术制造液晶聚合物扩散器。从理论上讲，这种扩散器能够实现精确的偏振选择：它能有效调制（散射）某一手性的圆偏振光，而对相反手性的光则保持不活跃状态（直接透射）。此外，光对准技术对偏振光极为敏感。采用这种方法制造的液晶聚合物扩散器可以利用现有的液晶光栅光刻复制工艺进行大规模生产。该工艺不仅操作简单，还能大幅降低制造成本，为低成本批量生产液晶聚合物扩散器提供了可行路径。同时，它也为解决聚散调节冲突以及实现AR和3D显示领域的图像焦平面切换提供了新的技术支持。

液晶聚合物扩散器的制造原理与其他液晶光学元件一致，采用传输矩阵法。具体而言，一束经过模板扩散器的正交圆偏振光束与另一束作为参考的光束在光对准层上发生干涉。这一过程会记录下编码有模板扩散器相位信息的线性偏振分布。在光对准层的记录过程中，假设照射在模板扩散器上的光为右旋圆偏振光，其琼斯向量为1i，且模板上任意一点的相位延迟为ei?。该光束经过模板后在光对准层与左旋圆偏振参考光束1-i（需经过坐标变换）发生干涉，此时的偏振分布可表示为：

E= 121iei?+121-i=12ei?+1iei?-i=12ei?2ei?2+e-i?2iei?2-ie-i?2=ei?2cos?2-sin?2 (1)

此时，记录层处的光场会将模板扩散器的相位延迟信息转换为相应的线性偏振方向，再由光对准层将其记录下来。值得注意的是，在这个映射过程中，相位信息会被缩放为1/2。

实验部分：本研究采用了双光束干涉方法，使携带模板信息的物波在近场区域与参考光束发生干涉，从而获得亚微米精度的光对准微结构。该方法无需复杂的高精度光学透镜，结构更简单，成本更低，还能方便地将传统的衍射元件转换为几何相位衍射元件。

结果与讨论：利用图1所示的光学装置和模板扩散器，制备出了反射型液晶聚合物扩散器。图2展示了偏振光学显微镜下的图像。图2(a)和(c)分别为模板扩散器的低倍和高倍偏振光学显微镜图像；图2(b)和(d)为经光刻处理的液晶聚合物扩散器的对应图像。从形态上看，图2(b)准确地再现了图2(a)中的模板轮廓，这是因为光刻过程……

结论：总之，我们成功利用光刻复制技术，以自行研发的扩散器作为模板，制备出了液晶聚合物扩散器。这项工作证明了利用光刻技术实现液晶聚合物扩散器高精度复制的可行性。通过对器件参数的详细分析，证实了不同圆偏振状态下存在明显的偏振选择性扩散效应。此外，……

作者贡献说明：方启鹏：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思。谭涛：软件、项目管理。胡超：撰写——审阅与编辑、项目管理。吕永莫：软件。陈海燕：撰写——审阅与编辑。严展军：资源提供。崔恒青：资源提供。李飞凡：软件。尹绍云：撰写——审阅与编辑、项目管理、概念构思。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究部分得到了重庆市科技创新与应用发展专项计划（CSTB2025TIAD-KPX0063）、重庆市北碚区2025shsyfz-28号科学研究项目以及中国科学院战略性先导科技专项（项目编号XDB1590000）的支持。

方启鹏|谭涛|胡超|吕永莫|陈海燕|严展军|崔恒青|李飞凡|尹绍云