基于SLM投影拼接技術的液晶光學元件制備

余麗紅，沈 冬，鄭致剛，2*

（1.華東理工大學 物理學院，上海 200237；2.華東理工大學 材料科學與工程學院，上海 200237）

1 引 言

Pancharatnam-Berry（PB）相光學元件，也稱為幾何相位光學元件，通過控制光學各向異性材料光軸的空間變化實現對相位的調制［1］。PB相光學元件具有高衍射效率和偏振選擇性，在光學開關、AR/VR顯示、生物成像等領域具有廣闊的應用前景［2-8］。目前存在兩種實現PB相光學元件的方式：一是在均勻介質上刻蝕超表面結構；二是控制液晶分子的方位角［9-11］。基于超表面結構的PB相光學元件雖然結構緊湊，但存在成本高、難以動態調控等局限。而液晶作為一種性能優異的各向異性材料，具有電光可調性、高穩定性、雙折射率高等特性，是制備可切換的PB相光學元件的最佳材料。基于液晶的PB相光學元件被廣泛應用于光束調制、光場調控、顯示等領域［12-14］。

PB相液晶光學元件是基于光控取向原理實現的，其制作方法可以大致分為3類：偏振干涉法、掩膜法和數字控制法［15］。偏振干涉法是利用兩束或多束偏振光干涉，形成相應的幾何相位圖，并被記錄在液晶的光取向層，從而實現液晶幾何相位光學元件的制備［16-19］。偏振干涉法的步驟比較簡單，制備出的光學元件精度也比較高。但是這種方法對環境要求高，容易受到振動、氣流等影響，而且能制備的光學元件單一。掩膜法是通過將偏振光照射到設計的主掩膜版上，透過掩膜版的偏振光會作用于液晶的光取向層，從而實現圖案化液晶光學元件的制備［20-22］。掩膜法是最簡單的光取向方法，可實現的光學元件比偏振干涉法更加豐富。但是該方法制備不同結構的光學元件需要不同的掩膜版，掩膜版制成之后就不能再改變，則不可避免地會增加成本。而復雜結構的光學元件需要的掩膜版則更多，并且需要進行多次曝光，這必然會增加生產周期。數字方法主要包括激光直寫技術［10，23］、基于數字微鏡器件（Micro-mirror Device，DMD）的動態掩膜曝光系統［24-28］和基于空間光調制器（Spatial Light Modulator，SLM）的單步曝光方法［29-30］。激光直寫技術通過強度可變的激光束對基板表面的光刻膠等抗腐蝕材料實施變劑量逐點掃描曝光，經顯影后樣品的抗腐蝕層表面形成不同的浮雕輪廓。這種方法可以實現任意PB相位圖案化分布的液晶光學元件的制備，制作過程較為穩定。但是通過這種方法制備光學元件所需要的曝光次數和像素的個數相同，而且制備過程需要高精度的機械旋轉。基于DMD的動態掩膜曝光系統通過改變DMD加載的圖片和偏振片旋轉角度，可以實現任意PB相圖案化分布的光學元件的制備。基于此方法制備光學元件不需要更換掩膜版，因此不會發生機械運動，消除了多次曝光的掩膜對準問題。但是每次曝光都只能產生某一個方向的線偏振光，因此只能實現一個方向的分子取向，復雜圖形的光學元件需要多次的曝光和控制偏振片的精確轉動［25］。2019年上海交通大學提出了基于SLM的單步曝光方法，通過控制SLM面上任意像素的相位調制，實現了任意圖案化分布的光學元件的制備。但是該方法的分辨率僅為8 μm，同時也限制了液晶光學元件的尺寸［1，30］。

為了推動PB相液晶光學元件的實際應用，本文介紹和分析了以SLM為基礎的投影拼接式光取向技術，該技術可以實現任意尺寸、任意PB相位圖案化分布的液晶光學元件的制備。利用此技術實現了基于SD1光取向材料的多種PB相光學元件制備，如一維光柵、二維光柵、微透鏡陣列及全息圖等，并對這些光學元件進行了表征和分析。最后對利用該技術制備PB相光學元件的研究進行了總結和展望。

2 基于SLM的投影拼接式技術

2.1 結構與原理

圖1為以SLM為基礎的投影拼接式光取向技術的光路。它主要由激光器、透鏡、偏振片、分束鏡、1/4波片、SLM、CCD、二維移動平臺、20倍物鏡組成。在該技術中由計算機控制激光器的開關、物鏡的上下移動（用于聚焦）以及二維移動平臺的移動，所使用的是反射式相位型LCOS SLM，生產于西安中科微星光電科技有限公司，型號是FSLM-2K55-P。CCD的作用是監控聚焦過程。在該光路中，激光光束的波長為405 nm，1/4波片的快軸方向與垂直入射到1/4波片的偏振光的偏振方向之間的夾角為45°。根據瓊斯矩陣，照射到二維移動平臺的輸出光束的歸一化瓊斯矢量可以表示為：

圖1 基于SLM的投影拼接式的光路圖Fig.1 Optical path diagram of projection mosaic system based on SLM

式中，δ為SLM的某個像素的相位延遲量。當線偏振光照射到SLM面上被反射時，光束的線偏振分量（o光和e光）之間會產生相位延遲。在通過1/4波片之后，o光和e光分別轉變為兩個旋向相反的圓偏振光并被疊加，形成偏振方向為δ的線偏振光。由于偶氮染料SD1在吸收線偏振紫外光后發生光致異構反應，由反式結構轉變成順式結構，但順式結構不穩定，會重新回復至反式結構并伴隨分子轉動；由于其具有二向色性的吸收，SD1分子的長軸方向最終會垂直于入射光的偏振方向［28］。而液晶分子與SD1分子之間存在范德華力，因此液晶分子的排列方向也與入射到樣品的線偏振光的偏振方向垂直。

在SLM中，每個像素點都可以通過改變灰度值來改變施加的電壓，從而改變該像素點的相位延遲量。因此，我們通過改變加載到SLM上的不同灰度圖，實現不同PB相圖案化光學元件的制備。該技術能夠通過不同的掃描曝光方式實現任意尺寸的PB相液晶光學元件的制備，兼顧了光學元件的大口徑和高光學效率。該方法還具備更高的制備效率、更強的環境適應性和普適性。

2.2 兩種連續掃描方式

該技術進行曝光的掃描方式可以根據制作圖案的不同大致分為兩種：線掃描和陣列掃描。我們可以利用CAD畫出它們的路徑圖，如圖2所示。

圖2 （a）線掃描曝光路徑；（b）陣列掃描曝光路徑。Fig.2（a）Line scanning exposure path；（b）Array scanning exposure path.

圖2（a）是根據線掃描方式進行曝光的路徑圖。通過這種掃描方式可以制作一維周期性結構的光學元件，例如一維偏振光柵。為了獲得均勻的任意尺寸光柵，該技術通過設置光闌的大小調整了SLM的有效工作面積從1 920 pixel×1 080 pixel縮 小 到400 pixel×400 pixel。該 技 術的分辨率主要由成像系統和SLM決定，我們測量了設置光闌后的在樣品上曝光圖案的大小，其長和寬均約為132.8 μm，可以計算出該技術的單個像素的實際大小為0.332 μm。利用該技術制備一維光柵時需要考慮光柵每個周期包含的像素數（周期像素數），計算出周期像素數在400內的最大倍數，記為x。因此線掃描方式的路徑間距在CAD中表現為線與線之間的距離，為0.332xμm。圖2（b）是根據陣列掃描方式進行曝光的路徑示意圖，表現為多次單點曝光。通過這種掃描方式可以制作二維周期性結構或者其他非周期性的復雜結構的光學元件，如二維光柵、微透鏡陣列、全息圖等。利用該技術制作二維周期性結構時，與一維光柵類似，陣列掃描方式的路徑間距在CAD中表現為點與點之間的距離。當需要制作非周期性結構時，可以默認其陣列掃描方式的路徑間距均為132.8 μm，這是SLM的有效工作區域投影到樣品上的區域邊長。

2.3 灰度值與液晶分子偏轉角度的關系

在使用該技術制備液晶光學元件之前，需要對SLM加載的灰度值與進行曝光后液晶分子的偏振方向之間的關系進行測量。在SLM上加載256張不同的單一灰度圖（灰度值0～255）并使它們曝光在同一液晶盒上。通過測量該液晶盒上每張灰度圖對應曝光區域的液晶分子的偏振角度得到灰度值與液晶分子偏轉角度之間的關系，如圖3所示。

圖3 該技術中不同灰度值對應的液晶分子偏轉角度Fig.3 Deflection angles of liquid crystal molecules corresponding to different grayscale values in the system

從圖3中可以看出，液晶分子的偏轉角度受灰度調制的最大值達到了300°。并且經過整合數據發現在0°～180°范圍內，每1°都存在一個對應的灰度值，這意味著可以實現液晶分子在任意方向定向排列和準連續變化。根據該對應關系曲線，可以設計不同的灰度圖從而實現不同光學元件的制備。

3 PB相液晶光學元件的制備

根據圖3的關系曲線，設計加載到SLM上的不同圖案的灰度圖并通過CAD設計連續掃描曝光路徑。我們將具有SD1光取向層的空液晶盒放置在二維移動平臺上，通過操控平臺的移動可以對SD1光取向層進行圖案化的取向。然后在60℃的恒溫臺上填充向列相液晶E7完成液晶光學元件的制備。通過該技術制備了以下多種PB相液晶光學元件。

3.1 一維周期性光學元件——一維光柵

通過該技術，可以制備一維周期性光學元件，如一維液晶偏振光柵（也可稱為液晶幾何相位光柵）。實驗制備了尺寸為25.4 mm×25.4 mm、周期約為10.6 μm的一維連續偏振光柵，其液晶分子指向矢在0°～180°以22.5°為增量連續變化。圖4（a）是加載到SLM上的一維偏振光柵的灰度圖即曝光圖樣；圖4（b）是一維偏振光柵在偏光顯微鏡下的圖像，無明顯的拼接痕跡。實驗使用He-Ne激光器對偏振光柵的衍射效率進行了測試，測量了左旋圓偏振光、線偏振光和右旋圓偏振光入射到一維偏振光柵的衍射圖（圖4（c））。此外還將一維偏振光柵分成3×3個區域，并測量了該一維偏振光柵中不同區域的峰值衍射效率，如圖4（d）所示。在圖4（d）中可以看到，偏振光柵不同區域的峰值衍射效率均在97.5%以上，峰值衍射效率的誤差不超過1%，其最大值為98.32%，接近液晶偏振光柵衍射效率的理論值。這表明使用該技術可以制備較大尺寸均勻無縫的液晶偏振光柵，而且制備過程穩定可靠。

圖4 液晶偏振光柵。（a）曝光圖像；（b）在偏光顯微鏡下的微觀圖；（c）在不同偏振光照射下的衍射圖；（d）不同區域的峰值衍射效率。Fig.4 Liquid crystal polarization grating.（a）Exposure pattern；（b）Micrograph under a polarization microscope；（c）Diffraction pattern for different polarizations of the probe beam；（d）Peak diffraction efficiency of different regions.

3.2 二維周期性光學元件

通過該技術，還制備了二維周期性液晶光學元件，包括二維光柵和微透鏡陣列。二維液晶光柵是可以將一束光分為多束衍射光的光學元件，且其衍射效率可調，在量子計算、光通信和光學安全等領域存在巨大的應用潛力［31-34］。而微透鏡陣列是由直徑從幾百納米到幾毫米的微透鏡按一定排列順序組成的，是現代光學系統中不可缺少的組件之一，在成像、傳感、光學互聯等領域應用廣泛［35-37］。

3.2.1二維液晶光柵

實驗通過陣列掃描方式對多個曝光后獲得的二維光柵進行拼接，從而實現了尺寸為5 mm×5 mm、周期為6.64 μm二維液晶光柵的制備。圖5（a）和5（b）分別為二維光柵的曝光圖樣（兩個灰度對應的液晶取向角度分別為45°和90°）和在偏光顯微鏡下的織構圖。實驗中同樣使用He-Ne激光器作為探測光束測試二維光柵在不同電壓下的衍射效率，圖5（c）和5（d）分別為未施加電壓和施加電壓為5 V時的衍射圖樣。當施加在樣品上的電壓逐漸增加時，除0級衍射光強逐漸增加以外，其他衍射級光強均逐漸減弱。未施加電壓時，二維光柵的衍射效率可以達到27%左右。

圖5 液晶二維光柵。（a）曝光圖樣；（b）在偏光顯微鏡下的微觀圖；在電壓為（c）0 V、（d）5 V時的衍射圖樣。Fig.5 Two-dimensional liquid crystal grating.（a）Exposure pattern；（b）Micrograph under a polarization microscope；Diffraction patterns at voltages of（c）0 V and（d）5 V.

3.2.2微透鏡陣列

同樣地，使用該技術還制備了尺寸為5 mm×5 mm的液晶微透鏡陣列。通過陣列掃描方式對多個曝光后獲得的微透鏡進行了拼接，從而實現微透鏡陣列的制備。該制備過程中使用的陣列掃描曝光路徑與制備二維光柵過程中使用的陣列掃描曝光路徑相同。圖6（a）是微透鏡的曝光圖樣，圖6（b）是經過拼接后獲得的微透鏡陣列在偏光顯微鏡下的微觀圖。根據菲涅爾透鏡的計算公式，可以計算出在探測光束的波長為632.8 nm時，微透鏡陣列中各個微透鏡的焦距約為7 mm。圖6（c）是微透鏡陣列在聚焦位置的衍射圖樣。經過多次測量，發現微透鏡陣列中每個微透鏡的焦距誤差不超過10%。

圖6 （a）微透鏡的曝光圖樣；（b）微透鏡陣列在偏光顯微鏡下的微觀圖；（c）微透鏡陣列在聚焦位置的衍射圖樣。Fig.6（a）Exposure pattern of microlen；（b）Micrograph under a polarization microscope and（c）diffraction pattern at focus position of microlens array.

3.3 非周期性光學元件——全息圖

除了制備周期性的液晶光學元件以外，通過該技術還可以實現非周期性光學元件的制備，如全息圖。首先利用計算機對圖7（a）進行編程從而制作出全息灰度圖如圖7（b）所示，其尺寸為4 000 pixel×4 000 pixel即13.28 μm×13.28 μm。然后將全息灰度圖分割成尺寸為400 pixel×400 pixel的曝光圖樣，對每個圖樣按順序進行曝光并拼接，最終得到如圖7（c）所示的微觀圖。用激光照射全息圖得到重建后的“3”圖樣（圖7（d））。

圖7 全息圖。（a）原始圖案：（b）全息曝光圖樣；（c）在偏光顯微鏡下的微觀圖；（d）重建的全息圖。Fig.7 Hologram images.（a）Original pattern：（b）Holographic exposure pattern；（c）Microscopic image under a polarization microscope；（d）Reconstructed image.

4 結 論

本文介紹了以SLM為基礎的投影拼接式光取向技術的結構和原理，并基于該技術實現了多種PB相液晶光學元件的制備。實驗成功制備了尺寸為25.4 mm×25.4 mm的連續偏振光柵，并測得其衍射效率最大值為98.32%，各個區域的峰值衍射效率不超過1%；制備了尺寸為5 mm×5 mm的二維周期性結構的光學元件（二維光柵和微透鏡陣列），其中二維光柵的衍射效率約為27%，而微透鏡陣列的焦距誤差不超過10%；通過拼接制備了尺寸為13.28 μm×13.28 μm的全息圖。目前在該技術中，SLM的使用面積僅為400 pixel×400 pixel，因此通過選用性能更優異的SLM可以增加該技術制備的有效工作面積，從而進一步提升制備效率。在本技術中還可以通過選用更高分辨率的SLM或選用更高倍數的物鏡，提升該技術的分辨率。本文所述的光取向技術兼顧了PB相液晶光學元件的大口徑和高光學效率。相對傳統全息技術的制備方式，該技術具備更高的制備效率、更強的環境適應性和普適性，為PB相液晶光學元件在工程應用方面的進一步發展提出了可行的方案。