基于SLM投影拼接技术的液晶光学元件制备

余丽红，沈 冬，郑致刚，2*

（1.华东理工大学 物理学院，上海 200237；2.华东理工大学 材料科学与工程学院，上海 200237）

1 引 言

Pancharatnam-Berry（PB）相光学元件，也称为几何相位光学元件，通过控制光学各向异性材料光轴的空间变化实现对相位的调制［1］。PB相光学元件具有高衍射效率和偏振选择性，在光学开关、AR/VR显示、生物成像等领域具有广阔的应用前景［2-8］。目前存在两种实现PB相光学元件的方式：一是在均匀介质上刻蚀超表面结构；二是控制液晶分子的方位角［9-11］。基于超表面结构的PB相光学元件虽然结构紧凑，但存在成本高、难以动态调控等局限。而液晶作为一种性能优异的各向异性材料，具有电光可调性、高稳定性、双折射率高等特性，是制备可切换的PB相光学元件的最佳材料。基于液晶的PB相光学元件被广泛应用于光束调制、光场调控、显示等领域［12-14］。

PB相液晶光学元件是基于光控取向原理实现的，其制作方法可以大致分为3类：偏振干涉法、掩膜法和数字控制法［15］。偏振干涉法是利用两束或多束偏振光干涉，形成相应的几何相位图，并被记录在液晶的光取向层，从而实现液晶几何相位光学元件的制备［16-19］。偏振干涉法的步骤比较简单，制备出的光学元件精度也比较高。但是这种方法对环境要求高，容易受到振动、气流等影响，而且能制备的光学元件单一。掩膜法是通过将偏振光照射到设计的主掩膜版上，透过掩膜版的偏振光会作用于液晶的光取向层，从而实现图案化液晶光学元件的制备［20-22］。掩膜法是最简单的光取向方法，可实现的光学元件比偏振干涉法更加丰富。但是该方法制备不同结构的光学元件需要不同的掩膜版，掩膜版制成之后就不能再改变，则不可避免地会增加成本。而复杂结构的光学元件需要的掩膜版则更多，并且需要进行多次曝光，这必然会增加生产周期。数字方法主要包括激光直写技术［10，23］、基于数字微镜器件（Micro-mirror Device，DMD）的动态掩膜曝光系统［24-28］和基于空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）的单步曝光方法［29-30］。激光直写技术通过强度可变的激光束对基板表面的光刻胶等抗腐蚀材料实施变剂量逐点扫描曝光，经显影后样品的抗腐蚀层表面形成不同的浮雕轮廓。这种方法可以实现任意PB相位图案化分布的液晶光学元件的制备，制作过程较为稳定。但是通过这种方法制备光学元件所需要的曝光次数和像素的个数相同，而且制备过程需要高精度的机械旋转。基于DMD的动态掩膜曝光系统通过改变DMD加载的图片和偏振片旋转角度，可以实现任意PB相图案化分布的光学元件的制备。基于此方法制备光学元件不需要更换掩膜版，因此不会发生机械运动，消除了多次曝光的掩膜对准问题。但是每次曝光都只能产生某一个方向的线偏振光，因此只能实现一个方向的分子取向，复杂图形的光学元件需要多次的曝光和控制偏振片的精确转动［25］。2019年上海交通大学提出了基于SLM的单步曝光方法，通过控制SLM面上任意像素的相位调制，实现了任意图案化分布的光学元件的制备。但是该方法的分辨率仅为8 μm，同时也限制了液晶光学元件的尺寸［1，30］。

为了推动PB相液晶光学元件的实际应用，本文介绍和分析了以SLM为基础的投影拼接式光取向技术，该技术可以实现任意尺寸、任意PB相位图案化分布的液晶光学元件的制备。利用此技术实现了基于SD1光取向材料的多种PB相光学元件制备，如一维光栅、二维光栅、微透镜阵列及全息图等，并对这些光学元件进行了表征和分析。最后对利用该技术制备PB相光学元件的研究进行了总结和展望。

2 基于SLM的投影拼接式技术

2.1 结构与原理

图1为以SLM为基础的投影拼接式光取向技术的光路。它主要由激光器、透镜、偏振片、分束镜、1/4波片、SLM、CCD、二维移动平台、20倍物镜组成。在该技术中由计算机控制激光器的开关、物镜的上下移动（用于聚焦）以及二维移动平台的移动，所使用的是反射式相位型LCOS SLM，生产于西安中科微星光电科技有限公司，型号是FSLM-2K55-P。CCD的作用是监控聚焦过程。在该光路中，激光光束的波长为405 nm，1/4波片的快轴方向与垂直入射到1/4波片的偏振光的偏振方向之间的夹角为45°。根据琼斯矩阵，照射到二维移动平台的输出光束的归一化琼斯矢量可以表示为：

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

式中，δ为SLM的某个像素的相位延迟量。当线偏振光照射到SLM面上被反射时，光束的线偏振分量（o光和e光）之间会产生相位延迟。在通过1/4波片之后，o光和e光分别转变为两个旋向相反的圆偏振光并被叠加，形成偏振方向为δ的线偏振光。由于偶氮染料SD1在吸收线偏振紫外光后发生光致异构反应，由反式结构转变成顺式结构，但顺式结构不稳定，会重新回复至反式结构并伴随分子转动；由于其具有二向色性的吸收，SD1分子的长轴方向最终会垂直于入射光的偏振方向［28］。而液晶分子与SD1分子之间存在范德华力，因此液晶分子的排列方向也与入射到样品的线偏振光的偏振方向垂直。

在SLM中，每个像素点都可以通过改变灰度值来改变施加的电压，从而改变该像素点的相位延迟量。因此，我们通过改变加载到SLM上的不同灰度图，实现不同PB相图案化光学元件的制备。该技术能够通过不同的扫描曝光方式实现任意尺寸的PB相液晶光学元件的制备，兼顾了光学元件的大口径和高光学效率。该方法还具备更高的制备效率、更强的环境适应性和普适性。

2.2 两种连续扫描方式

该技术进行曝光的扫描方式可以根据制作图案的不同大致分为两种：线扫描和阵列扫描。我们可以利用CAD画出它们的路径图，如图2所示。

图2 （a）线扫描曝光路径；（b）阵列扫描曝光路径。Fig.2（a）Line scanning exposure path；（b）Array scanning exposure path.

图2（a）是根据线扫描方式进行曝光的路径图。通过这种扫描方式可以制作一维周期性结构的光学元件，例如一维偏振光栅。为了获得均匀的任意尺寸光栅，该技术通过设置光阑的大小调整了SLM的有效工作面积从1 920 pixel×1 080 pixel缩 小 到400 pixel×400 pixel。该 技 术的分辨率主要由成像系统和SLM决定，我们测量了设置光阑后的在样品上曝光图案的大小，其长和宽均约为132.8 μm，可以计算出该技术的单个像素的实际大小为0.332 μm。利用该技术制备一维光栅时需要考虑光栅每个周期包含的像素数（周期像素数），计算出周期像素数在400内的最大倍数，记为x。因此线扫描方式的路径间距在CAD中表现为线与线之间的距离，为0.332xμm。图2（b）是根据阵列扫描方式进行曝光的路径示意图，表现为多次单点曝光。通过这种扫描方式可以制作二维周期性结构或者其他非周期性的复杂结构的光学元件，如二维光栅、微透镜阵列、全息图等。利用该技术制作二维周期性结构时，与一维光栅类似，阵列扫描方式的路径间距在CAD中表现为点与点之间的距离。当需要制作非周期性结构时，可以默认其阵列扫描方式的路径间距均为132.8 μm，这是SLM的有效工作区域投影到样品上的区域边长。

2.3 灰度值与液晶分子偏转角度的关系

在使用该技术制备液晶光学元件之前，需要对SLM加载的灰度值与进行曝光后液晶分子的偏振方向之间的关系进行测量。在SLM上加载256张不同的单一灰度图（灰度值0～255）并使它们曝光在同一液晶盒上。通过测量该液晶盒上每张灰度图对应曝光区域的液晶分子的偏振角度得到灰度值与液晶分子偏转角度之间的关系，如图3所示。

图3 该技术中不同灰度值对应的液晶分子偏转角度Fig.3 Deflection angles of liquid crystal molecules corresponding to different grayscale values in the system

从图3中可以看出，液晶分子的偏转角度受灰度调制的最大值达到了300°。并且经过整合数据发现在0°～180°范围内，每1°都存在一个对应的灰度值，这意味着可以实现液晶分子在任意方向定向排列和准连续变化。根据该对应关系曲线，可以设计不同的灰度图从而实现不同光学元件的制备。

3 PB相液晶光学元件的制备

根据图3的关系曲线，设计加载到SLM上的不同图案的灰度图并通过CAD设计连续扫描曝光路径。我们将具有SD1光取向层的空液晶盒放置在二维移动平台上，通过操控平台的移动可以对SD1光取向层进行图案化的取向。然后在60℃的恒温台上填充向列相液晶E7完成液晶光学元件的制备。通过该技术制备了以下多种PB相液晶光学元件。

3.1 一维周期性光学元件——一维光栅

通过该技术，可以制备一维周期性光学元件，如一维液晶偏振光栅（也可称为液晶几何相位光栅）。实验制备了尺寸为25.4 mm×25.4 mm、周期约为10.6 μm的一维连续偏振光栅，其液晶分子指向矢在0°～180°以22.5°为增量连续变化。图4（a）是加载到SLM上的一维偏振光栅的灰度图即曝光图样；图4（b）是一维偏振光栅在偏光显微镜下的图像，无明显的拼接痕迹。实验使用He-Ne激光器对偏振光栅的衍射效率进行了测试，测量了左旋圆偏振光、线偏振光和右旋圆偏振光入射到一维偏振光栅的衍射图（图4（c））。此外还将一维偏振光栅分成3×3个区域，并测量了该一维偏振光栅中不同区域的峰值衍射效率，如图4（d）所示。在图4（d）中可以看到，偏振光栅不同区域的峰值衍射效率均在97.5%以上，峰值衍射效率的误差不超过1%，其最大值为98.32%，接近液晶偏振光栅衍射效率的理论值。这表明使用该技术可以制备较大尺寸均匀无缝的液晶偏振光栅，而且制备过程稳定可靠。

图4 液晶偏振光栅。（a）曝光图像；（b）在偏光显微镜下的微观图；（c）在不同偏振光照射下的衍射图；（d）不同区域的峰值衍射效率。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 二维周期性光学元件

通过该技术，还制备了二维周期性液晶光学元件，包括二维光栅和微透镜阵列。二维液晶光栅是可以将一束光分为多束衍射光的光学元件，且其衍射效率可调，在量子计算、光通信和光学安全等领域存在巨大的应用潜力［31-34］。而微透镜阵列是由直径从几百纳米到几毫米的微透镜按一定排列顺序组成的，是现代光学系统中不可缺少的组件之一，在成像、传感、光学互联等领域应用广泛［35-37］。

3.2.1二维液晶光栅

实验通过阵列扫描方式对多个曝光后获得的二维光栅进行拼接，从而实现了尺寸为5 mm×5 mm、周期为6.64 μm二维液晶光栅的制备。图5（a）和5（b）分别为二维光栅的曝光图样（两个灰度对应的液晶取向角度分别为45°和90°）和在偏光显微镜下的织构图。实验中同样使用He-Ne激光器作为探测光束测试二维光栅在不同电压下的衍射效率，图5（c）和5（d）分别为未施加电压和施加电压为5 V时的衍射图样。当施加在样品上的电压逐渐增加时，除0级衍射光强逐渐增加以外，其他衍射级光强均逐渐减弱。未施加电压时，二维光栅的衍射效率可以达到27%左右。

图5 液晶二维光栅。（a）曝光图样；（b）在偏光显微镜下的微观图；在电压为（c）0 V、（d）5 V时的衍射图样。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微透镜阵列

同样地，使用该技术还制备了尺寸为5 mm×5 mm的液晶微透镜阵列。通过阵列扫描方式对多个曝光后获得的微透镜进行了拼接，从而实现微透镜阵列的制备。该制备过程中使用的阵列扫描曝光路径与制备二维光栅过程中使用的阵列扫描曝光路径相同。图6（a）是微透镜的曝光图样，图6（b）是经过拼接后获得的微透镜阵列在偏光显微镜下的微观图。根据菲涅尔透镜的计算公式，可以计算出在探测光束的波长为632.8 nm时，微透镜阵列中各个微透镜的焦距约为7 mm。图6（c）是微透镜阵列在聚焦位置的衍射图样。经过多次测量，发现微透镜阵列中每个微透镜的焦距误差不超过10%。

图6 （a）微透镜的曝光图样；（b）微透镜阵列在偏光显微镜下的微观图；（c）微透镜阵列在聚焦位置的衍射图样。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 非周期性光学元件——全息图

除了制备周期性的液晶光学元件以外，通过该技术还可以实现非周期性光学元件的制备，如全息图。首先利用计算机对图7（a）进行编程从而制作出全息灰度图如图7（b）所示，其尺寸为4 000 pixel×4 000 pixel即13.28 μm×13.28 μm。然后将全息灰度图分割成尺寸为400 pixel×400 pixel的曝光图样，对每个图样按顺序进行曝光并拼接，最终得到如图7（c）所示的微观图。用激光照射全息图得到重建后的“3”图样（图7（d））。

图7 全息图。（a）原始图案：（b）全息曝光图样；（c）在偏光显微镜下的微观图；（d）重建的全息图。Fig.7 Hologram images.（a）Original pattern：（b）Holographic exposure pattern；（c）Microscopic image under a polarization microscope；（d）Reconstructed image.

4 结 论

本文介绍了以SLM为基础的投影拼接式光取向技术的结构和原理，并基于该技术实现了多种PB相液晶光学元件的制备。实验成功制备了尺寸为25.4 mm×25.4 mm的连续偏振光栅，并测得其衍射效率最大值为98.32%，各个区域的峰值衍射效率不超过1%；制备了尺寸为5 mm×5 mm的二维周期性结构的光学元件（二维光栅和微透镜阵列），其中二维光栅的衍射效率约为27%，而微透镜阵列的焦距误差不超过10%；通过拼接制备了尺寸为13.28 μm×13.28 μm的全息图。目前在该技术中，SLM的使用面积仅为400 pixel×400 pixel，因此通过选用性能更优异的SLM可以增加该技术制备的有效工作面积，从而进一步提升制备效率。在本技术中还可以通过选用更高分辨率的SLM或选用更高倍数的物镜，提升该技术的分辨率。本文所述的光取向技术兼顾了PB相液晶光学元件的大口径和高光学效率。相对传统全息技术的制备方式，该技术具备更高的制备效率、更强的环境适应性和普适性，为PB相液晶光学元件在工程应用方面的进一步发展提出了可行的方案。