撰稿 | 作者團隊 

平面液晶光學器件是近來新興的一類全息元件。除了有著傳統(tǒng)全息元件的記錄和復現(xiàn)任意波前的能力，其還有著偏振選擇性，動態(tài)調制性，波長和角度的高帶寬等獨有優(yōu)點。以上優(yōu)點，結合其微米級的厚度和高效率，使其倍受追求高圖像質量和小巧體積的下一代頭戴 AR / VR 顯示技術的青睞。

然而，該技術若想進一步推廣，必然面臨量產(chǎn)的問題。目前其主要的制備方法仍然依賴實驗室中搭建的激光干涉儀來進行全息曝光。該方法適用于制備厘米級大小的元件，但是難以滿足更大尺寸的工業(yè)化生產(chǎn)。反觀另外一種廣泛用于光波導顯示的衍射光學器件—表面浮雕光柵（相關內容推薦：《光波導：主流AR眼鏡的核心顯示技術》），便有著適合量產(chǎn)的方法：納米壓印。

納米壓印技術一般使用高精度刻蝕技術如電子束刻蝕（名詞釋義）寫好模板，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題，但是其快速制備的優(yōu)點已經(jīng)促使表面浮雕光柵光波導的初步量產(chǎn)化。

近日，美國中佛羅里達大學吳詩聰教授團隊提出“全息印制”的概念，實現(xiàn)了對平面液晶光學器件的光學復刻。該方法不僅展示了平面液晶光學快速量產(chǎn)的可能性，而且還因其無接觸的特性免受模板壽命和品控等問題的擔憂。

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

作者為美國中佛羅里達大學熊江浩博士，通訊作者為吳詩聰教授。

圖 1. 平面液晶光學全息印制的原理示意圖

偏振全息曝光

平面液晶光學的全息曝光過程有別于傳統(tǒng)體全息器件的曝光。傳統(tǒng)體全息器件的形成依賴于光強大小變化形成的亮暗條紋，從而誘導材料分子擴散形成全息圖案。然而平面液晶光學的記錄依賴于光取向過程（相關內容推薦：《先進液晶技術：光取向微結構及光子元件》），而光取向分子則對光的偏振態(tài)尤為敏感，其中線偏光有著最好的取向質量。

如何形成高質量的線偏場圖案對曝光過程至關重要。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）來形成線偏場，此時兩束光從曝光樣品的同側入射。而吳教授團隊在文中分析出，使用相同手性的圓偏振光同樣能夠形成高質量線偏場，但是兩束光必須從曝光樣品的相反兩側入射。

反射式液晶器件的全息印制

近來發(fā)現(xiàn)的反射式液晶器件恰好能夠形成這樣的光場。反射式液晶器件使用膽甾型液晶（名詞釋義）作為載體，并結合光取向過程形成圖案。膽甾型液晶有著自組裝的特性，能夠形成穩(wěn)定的傾斜螺旋型結構，并且能容納超大衍射角度。而其特有光學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。

因為全息器件本身的特性，反射光本身就是對波前的復現(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，如果把待曝光的樣品置于光場中，光取向分子便能夠被復刻上原始圖案（圖 1）。基于該方法的諸多特性，團隊將之稱為“全息印制”，并在實驗中給予驗證。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質量。

展望

基于概念驗證的要求，實驗中制備的光學元件大小在 5 厘米左右。然而文中指出，只需要結合激光掃描，分區(qū)曝光等技術，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合，更能進一步推動平面液晶的工業(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