撰稿 | 作者團(tuán)隊(duì) 

平面液晶光學(xué)器件是近來(lái)新興的一類(lèi)全息元件。除了有著傳統(tǒng)全息元件的記錄和復(fù)現(xiàn)任意波前的能力，其還有著偏振選擇性，動(dòng)態(tài)調(diào)制性，波長(zhǎng)和角度的高帶寬等獨(dú)有優(yōu)點(diǎn)。以上優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合其微米級(jí)的厚度和高效率，使其倍受追求高圖像質(zhì)量和小巧體積的下一代頭戴 AR / VR 顯示技術(shù)的青睞。

然而，該技術(shù)若想進(jìn)一步推廣，必然面臨量產(chǎn)的問(wèn)題。目前其主要的制備方法仍然依賴(lài)實(shí)驗(yàn)室中搭建的激光干涉儀來(lái)進(jìn)行全息曝光。該方法適用于制備厘米級(jí)大小的元件，但是難以滿(mǎn)足更大尺寸的工業(yè)化生產(chǎn)。反觀另外一種廣泛用于光波導(dǎo)顯示的衍射光學(xué)器件—表面浮雕光柵（相關(guān)內(nèi)容推薦：《光波導(dǎo)：主流AR眼鏡的核心顯示技術(shù)》），便有著適合量產(chǎn)的方法：納米壓印。

納米壓印技術(shù)一般使用高精度刻蝕技術(shù)如電子束刻蝕（名詞釋義）寫(xiě)好模板，再用模板去壓印形成拷貝樣品。雖然面臨著模板壽命和品控等問(wèn)題，但是其快速制備的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)促使表面浮雕光柵光波導(dǎo)的初步量產(chǎn)化。

近日，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)吳詩(shī)聰教授團(tuán)隊(duì)提出“全息印制”的概念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面液晶光學(xué)器件的光學(xué)復(fù)刻。該方法不僅展示了平面液晶光學(xué)快速量產(chǎn)的可能性，而且還因其無(wú)接觸的特性免受模板壽命和品控等問(wèn)題的擔(dān)憂(yōu)。

該研究成果以“Holo-imprinting polarization optics with a reflective liquid crystal hologram template”為題在線發(fā)表在 Light: Science & Applications。本文

作者為美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)熊江浩博士，通訊作者為吳詩(shī)聰教授。

圖 1. 平面液晶光學(xué)全息印制的原理示意圖

偏振全息曝光

平面液晶光學(xué)的全息曝光過(guò)程有別于傳統(tǒng)體全息器件的曝光。傳統(tǒng)體全息器件的形成依賴(lài)于光強(qiáng)大小變化形成的亮暗條紋，從而誘導(dǎo)材料分子擴(kuò)散形成全息圖案。然而平面液晶光學(xué)的記錄依賴(lài)于光取向過(guò)程（相關(guān)內(nèi)容推薦：《先進(jìn)液晶技術(shù)：光取向微結(jié)構(gòu)及光子元件》），而光取向分子則對(duì)光的偏振態(tài)尤為敏感，其中線偏光有著最好的取向質(zhì)量。

如何形成高質(zhì)量的線偏場(chǎng)圖案對(duì)曝光過(guò)程至關(guān)重要。基于干涉儀的曝光方法使用兩束手性相反的圓偏振光（左旋和右旋）來(lái)形成線偏場(chǎng)，此時(shí)兩束光從曝光樣品的同側(cè)入射。而吳教授團(tuán)隊(duì)在文中分析出，使用相同手性的圓偏振光同樣能夠形成高質(zhì)量線偏場(chǎng)，但是兩束光必須從曝光樣品的相反兩側(cè)入射。

反射式液晶器件的全息印制

近來(lái)發(fā)現(xiàn)的反射式液晶器件恰好能夠形成這樣的光場(chǎng)。反射式液晶器件使用膽甾型液晶（名詞釋義）作為載體，并結(jié)合光取向過(guò)程形成圖案。膽甾型液晶有著自組裝的特性，能夠形成穩(wěn)定的傾斜螺旋型結(jié)構(gòu)，并且能容納超大衍射角度。而其特有光學(xué)特性則是只反射單一手性的圓偏光（與液晶手性相同），反射光的偏振與入射光一致。該特性與先前提及的同手性干涉的要求不謀而合。

因?yàn)槿⑵骷旧淼奶匦?，反射光本身就是?duì)波前的復(fù)現(xiàn)。而其和入射光的自干涉形成的偏振圖案自然也就和原始的全息圖案一致。此時(shí)，如果把待曝光的樣品置于光場(chǎng)中，光取向分子便能夠被復(fù)刻上原始圖案（圖 1）。基于該方法的諸多特性，團(tuán)隊(duì)將之稱(chēng)為“全息印制”，并在實(shí)驗(yàn)中給予驗(yàn)證。文中制備了包括小角度和大角度的光柵，透鏡等各種器件，并且展示了良好的光學(xué)質(zhì)量。

展望

基于概念驗(yàn)證的要求，實(shí)驗(yàn)中制備的光學(xué)元件大小在 5 厘米左右。然而文中指出，只需要結(jié)合激光掃描，分區(qū)曝光等技術(shù)，生產(chǎn)大面積的全息模板并非難事。而譬如浸涂（dip-coating）和噴涂（spray-coating）等工業(yè)制備大面積薄膜的方法和全息印制的結(jié)合，更能進(jìn)一步推動(dòng)平面液晶的工業(yè)制備。

論文信息

Xiong, J., Yang, Q., Li, Y. et al. Holo-imprinting polarization optics with a reflective liquid crystal hologram template. Light Sci Appl 11, 54 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00746-3