Light | 全息印制：平面液晶光学的快速制备

撰稿 | 作者团队 

平面液晶光学器件是近来新兴的一类全息元件。除了有着传统全息元件的记录和复现任意波前的能力，其还有着偏振选择性，动态调制性，波长和角度的高带宽等独有优点。以上优点，结合其微米级的厚度和高效率，使其倍受追求高图像质量和小巧体积的下一代头戴 AR / VR 显示技术的青睐。

然而，该技术若想进一步推广，必然面临量产的问题。目前其主要的制备方法仍然依赖实验室中搭建的激光干涉仪来进行全息曝光。该方法适用于制备厘米级大小的元件，但是难以满足更大尺寸的工业化生产。反观另外一种广泛用于光波导显示的衍射光学器件—表面浮雕光栅（相关内容推荐：《光波导：主流AR眼镜的核心显示技术》），便有着适合量产的方法：纳米压印。

纳米压印技术一般使用高精度刻蚀技术如电子束刻蚀（名词释义）写好模板，再用模板去压印形成拷贝样品。虽然面临着模板寿命和品控等问题，但是其快速制备的优点已经促使表面浮雕光栅光波导的初步量产化。

近日，美国中佛罗里达大学吴诗聪教授团队提出“全息印制”的概念，实现了对平面液晶光学器件的光学复刻。该方法不仅展示了平面液晶光学快速量产的可能性，而且还因其无接触的特性免受模板寿命和品控等问题的担忧。

该研究成果以“Holo-imprinting polarization optics with a reflective liquid crystal hologram template”为题在线发表在 Light: Science & Applications。本文

作者为美国中佛罗里达大学熊江浩博士，通讯作者为吴诗聪教授。

图 1. 平面液晶光学全息印制的原理示意图

偏振全息曝光

平面液晶光学的全息曝光过程有别于传统体全息器件的曝光。传统体全息器件的形成依赖于光强大小变化形成的亮暗条纹，从而诱导材料分子扩散形成全息图案。然而平面液晶光学的记录依赖于光取向过程（相关内容推荐：《先进液晶技术：光取向微结构及光子元件》），而光取向分子则对光的偏振态尤为敏感，其中线偏光有着最好的取向质量。

如何形成高质量的线偏场图案对曝光过程至关重要。基于干涉仪的曝光方法使用两束手性相反的圆偏振光（左旋和右旋）来形成线偏场，此时两束光从曝光样品的同侧入射。而吴教授团队在文中分析出，使用相同手性的圆偏振光同样能够形成高质量线偏场，但是两束光必须从曝光样品的相反两侧入射。

反射式液晶器件的全息印制

近来发现的反射式液晶器件恰好能够形成这样的光场。反射式液晶器件使用胆甾型液晶（名词释义）作为载体，并结合光取向过程形成图案。胆甾型液晶有着自组装的特性，能够形成稳定的倾斜螺旋型结构，并且能容纳超大衍射角度。而其特有光学特性则是只反射单一手性的圆偏光（与液晶手性相同），反射光的偏振与入射光一致。该特性与先前提及的同手性干涉的要求不谋而合。

因为全息器件本身的特性，反射光本身就是对波前的复现。而其和入射光的自干涉形成的偏振图案自然也就和原始的全息图案一致。此时，如果把待曝光的样品置于光场中，光取向分子便能够被复刻上原始图案（图 1）。基于该方法的诸多特性，团队将之称为“全息印制”，并在实验中给予验证。文中制备了包括小角度和大角度的光栅，透镜等各种器件，并且展示了良好的光学质量。

展望

基于概念验证的要求，实验中制备的光学元件大小在 5 厘米左右。然而文中指出，只需要结合激光扫描，分区曝光等技术，生产大面积的全息模板并非难事。而譬如浸涂（dip-coating）和喷涂（spray-coating）等工业制备大面积薄膜的方法和全息印制的结合，更能进一步推动平面液晶的工业制备。

论文信息

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