面向大口径超薄平面光学器件及应用：PB相位液晶光子技术

大口径、轻薄化、高效率和多功能化的液晶平面光学元件，在光学成像、显示、3D交互、光通信、光存储、光束整形等领域有着巨大的潜在应用价值（图1）。与传统折射/反射光学元件不同，这种元件的设计理念通过光学几何相位或PB相位（Pancharatnam–Berry phase）来实现，即液晶分子的二维空间有序排布（图2）。液晶材料是一种具有单轴光学各向异性的材料，具有相对较高的双折射率（Δn≈0.2），通过高分辨图案化液晶配向技术（例如光配向）控制液晶分子的取向，可实现复杂相位波前，在数个微米厚度内高效操控光场，实现各种光学功能，不涉及显影、蚀刻等结构转移步骤，被誉为第四代光学技术。

图1 （a）传统光学元件，（b）液晶聚合物平面透镜

图2基于PB相位液晶元器件中液晶分子的指向矢分布。(a)透镜，(b)光栅，(c)液晶分子从0到2π变化，对应相位在0到4π之间变化，在2π位置由于液晶分子自组装作用，不存在相位突变。

图3 基于液晶聚合物的平面光学元件制备流程

基于几何相位的液晶超表面器件，利用液晶分子在平面内0-180°指向变化，来控制光学波前0-2π相位变化，从而实现复杂光学相位器件（图2）。该新型光学元器件的制备流程由图3中给出，主要包括旋涂偏振光敏薄膜、图案化偏振曝光、灌注液晶（LC）或者涂敷液晶聚合物（LCP）材料，即可完成主动可控的液晶光子器件或者耐用薄膜液晶聚合物光子器件，其中器件效率通过半波延迟量来控制。几何相位液晶平面光学有以下特点：

1. 轻薄、易集成：液晶或者液晶聚合物材料具有相对较高的双折射率(约0.15)，仅需<2 um的厚度即可满足可见光至近红外器件的半波延迟需求。液晶聚合物薄膜可通过层压、胶粘等工艺与多种光学元件进行对准集成。

2. 分子指向电场可控，便于面向主动光学器件应用。由于感生偶极矩作用，液晶分子排列能够通过电场进行操控，进而主动控制液晶器件的特性，便于制造主动液晶光栅、可调液晶微透镜阵列等核心光学部件。

3. 波前像差小：光学几何相位分布通过液晶分子取向控制获得，在0至2π相位突变位置，自组装液晶分子指向平滑连续，便于消除拼接等成像误差；

4. 工作参数便于扩展。将多层液晶器件堆叠，能够扩展光束调控的自由度。例如，将多个偏振光栅堆叠，能够实现大角度、小间隔光束扫描。将多个涡旋波片堆叠，能够实现多种拓扑荷光束输出。将多个透镜堆叠，能够实现不同焦距的液晶成像系统。

5. 高透过率>90%：通过材料优化，液晶或者液晶聚合物薄膜能够在400 nm 至 3000 nm范围或者特定波段范围内几乎无吸收；

6. 高信赖性：LCP薄膜可在-50~200 ℃的极端环境下维持光学效果，且具有优秀的耐湿、耐压、耐化学腐蚀等性能，光学性能不会因光配向层退化而改变。

7. 光学口径易拓展：通过旋涂、刮涂等工艺可拓展器件口径大小，制作满足低光学畸变、延迟量高度均匀标准的LCP光学元件。

8. 宽波段、大视角应用可行：液晶除了面内指向外，还拥有分子纵向扭曲自由度，通过设计多层扭曲结构，能够实现宽波段、大视角应用的平面光学器件；

鉴于2010年以来液晶光配向材料和工艺的蓬勃发展，这种基于液晶光学几何相位的平面光学元件在近年来受到科研学者和光学研发工程师的广泛关注，产生大量的材料、工艺解决方案与终端产品，包括液晶光配向材料、图形化液晶光配向工艺以及各类平面光学器件，如液晶偏振光栅、液晶平板透镜、液晶涡旋波片、液晶艾里光模板和各类计算全息设计等。以下将以几种特征液晶平面光学元件为例，以展示该类新型平面光学技术的优势：

（1）可调液晶平面透镜

图4展示的是可调谐液晶平面透镜，一种基于入射光的偏振态实现对光束会聚或发散的衍射光学元件。平板透镜经过精密设计的连续变化的周期结构，使其具有无球差特性，经过有效孔径的所有光线在径向不同周期位置处发生衍射使得所有光线正好能聚到一点。这种由液晶材料制备的衍射薄膜，具有大尺寸有效光学口径和动态电场调谐性。这种低成本/易于制造的材料和低压/低功率电场控制与光学性能的强大性能相结合，为高级光学应用提供了设计套件。图4中不同聚焦状态之间的切换仅需要几伏，并且通常在大约一毫秒内发生。

图4 平面可调液晶平板透镜

（2）偏振选择衍射光栅

液晶聚合物光学薄膜最典型的一个应用便是聚合物薄膜偏振光栅（Polarization grating ，PG）（图2b）。其作为一种“薄膜棱镜”，同时具备高效偏振手性拆分和独特的分束器的功能。PG可将入射光衍射成只有正负一级的两个光束（无更高阶衍射），而输出光束具有相反的圆偏振态（图5）。而衍射角由薄膜的设计液晶分子取向周期Λ决定。可将圆偏转光衍射至+1级或-1级，与机械式偏转器件相比，在体积大小，重量，功耗等方面都具有无法比拟的明显优势，在控制光束偏转、手性分离、红外凝视系统、激光扫描系统、偏振成像系统等领域有着广泛的应用前景。

 

图5 液晶偏振光栅工作原理

（3）宽波段工作液晶平面光栅

液晶聚合物光学薄膜可实现宽波段高衍射效率的需求。通常，宽波段高衍射效率可通过堆叠多层光学波片实现。然而，对于液晶聚合物材料，其额外具有一个扭曲自由度。通过在各个层中混合并匹配液晶材料的扭曲角度和薄膜厚度，可以实现宽带波片和宽带衍射器件的新架构。例如，多层扭曲结构（图6a）、镜像扭曲结构、以及扭曲-均匀-扭曲结构的设计，具有宽波段衍射效率以及较大的偏差容忍度。注意到在整个可见光波段衍射效率都很高，大于98％，而从500到650 nm的衍射效率则高达99％（图6b）。图5c实测衍射效率和理论对比一致，证明了技术的成熟性和精确性。

图6 宽波段液晶聚合物衍射元件。（a）双层扭曲液晶分子排列示意图，（b）宽波段液晶光栅衍射效率对比

 

（4）偏振涡旋片

液晶涡旋半波片（图7），液晶分子指向沿角向连续对称分布，即快轴方向在通光口径中连续旋转。涡旋半波片可将不同偏振态的入射光转换成矢量偏振光束或具有轨道角动量的涡旋光束，而且该器件会将标准的TEM00模的高斯光的光强分布转换成“空心孔型”拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian）光束的光强分布。可应用在量子光学、光场调控、大气光通信、超分辨率成像、光镊、精密激光加工等领域。

图7 涡旋半波片和相关工作原理

薄膜型液晶平面光学元件的光学性能与反应性液晶光学涂料的性能和工艺息息相关。要求涂料具有优异的基板粘附力和流平性，足以在基板上形成完整均匀的薄膜，无杂质无气泡；此外，要求反应性液晶单元易取向，镀膜后常温下维持液晶态不易结晶产生缺陷点和光散射；薄膜高度平整，延迟量可控且加工重复性高。以莱拓新材的反应性液晶涂料OCM-A1为例，本文将详细介绍制备液晶聚合物偏振光栅的流程。OCM-A1是固含量为30%的光学涂料，主要成分由多种反应性液晶单元、紫外光引发剂和有机溶剂制成，具有标准的正性折射率色散，在633 nm 处双折射率为0.157。应用于旋涂工艺时，OCM-A1具有相对较高的镀膜效率，单层镀膜可满足1/4波长延迟量，厚度约为1 um。因此光学元件的半波条件可通过双层叠加OCM薄膜实现。首先，将OCM-A1以3000 rpm的转速旋涂于图形液晶配向处理后的基板上约30-60 s，在通风环境中将残余的有机溶剂完全挥发，形成平整的液晶薄膜和图形化分子指向。将该薄膜置于惰性气体如氮气环境中，使用波长为365 nm光功率为30 mw/cm^2的紫外光进行60 s的曝光，即完成液晶聚合物薄膜的制备，薄膜表现高度透明无散射。通常反应性液晶涂料在紫外光聚合过程中存在氧阻聚效应，因此氧气浓度与聚合效率、交联密度以及光学性能密切相关。通过特殊的分子设计，实际上OCM-A1也可在空气中完成快速固化且无光学性能损失，因此大大简化了工艺制程。固化后液晶聚合物薄膜仍然提供分子指向锚定，从而为下一层液晶涂料提供取向，因此可通过多层液晶聚合物镀膜叠加的工艺，实现光学延迟量的倍数增长，制备满足任意波长任意延迟量需求的聚合物液晶平面光学元件。

图8 反应性液晶材料的性能展示。（a）LCP薄膜光学透过率，（b）LCP薄膜的折射率色散，（c）LCP镀膜延迟量稳定性测试，（d）多层堆叠LCP薄膜增加延迟量

反应性液晶材料是一种能在紫外光作用下发生交联聚合的特殊液晶材料，可通过涂膜工艺制备高性能双折射液晶聚合物（LCP）薄膜，从而将光学几何相位信息记录于一片高性能薄膜之中。反应性液晶材料几乎具备普通液晶材料的所有性能，如光学各向异性，可控的分子指向等，同时可将液晶的光轴指向分布通过交联聚合永久固定，形成薄而耐用的液晶聚合物光学薄膜，在维持光学性能不损失的条件下，大大提高了其耐用性和稳定性。这种基于反应性液晶光学涂料制备薄膜平面器件的工艺简单，性能优异，具有超薄、高透、耐高温高湿等特性，是推进第四代大口径平面超薄型光学元件的重要载体，研发和商用潜力巨大。反应性液晶涂料应用广泛，在液晶显示视角补偿膜、增亮膜、涂布型偏光片、圆偏振片、3D显示、手性反射膜、液晶防伪等方面均有应用。莱拓新材料科技有限公司，提供高质量的反应性液晶光学涂料的研发与解决方案，渴望推进液晶平面光学的发展与蓬勃。若您对反应性液晶光学涂料感兴趣，可参考官网，或技术销售。

 

参考文献：

[1]   Tabiryan N V, Roberts D E, LiaoZ, et al. Advances in Transparent Planar Optics: Enabling Large Aperture,Ultrathin Lenses [J]. Advanced Optical Materials, 2021, 9(5): 2001692.

[2]   Gonglewski J D, Kim J, CarrerasR A, et al. Wide-angle nonmechanical beam steering using thin liquid crystalpolarization gratings [J]. 2008, 7093, 709302.

[3]   Ji W, Lee C H, Chen P, et al.Meta-q-plate for complex beam shaping [J]. Scientific Reports, 2016, 6, 7.

[4]   Oh C, Escuti M J. Achromaticdiffraction from polarization gratings with high efficiency [J]. Opt Lett,2008, 33(20): 2287-2289.

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