新型液晶微光学器件—分子取向的设计和先进光刻技术

qiangongg

激光已经成为当今科研，工业制造和医疗方面一个不可或缺的工具，在通信、测距、激光治疗、切割、焊接、材料热处理等都有广泛的应用。从激光器直接产生的激光往往无法满足众多的光技术应用的需要。比如，材料的切割和光刻流程经常需要均匀的光强才能到满意的效果。因此，从激光诞生伊始人们便着手研究能改变激光光束的整形技术。传统的光学器件很难胜任逐日趋于高精度且微小化的生产流程的需求。现今比较为大家熟知的光束整形器是衍射波片器件。它们的原理简单，即修饰局部的光程差，但是零级漏光和效率一直是个问题。液晶是很特殊的软物质材料，其分子有双折射特性，因此很容易制作成作用于的波前相位的光学器件. 得益于虚拟现实和增强现实（VR/AR）等技术应用带来的大量市场需求，液晶光学器件近年来发展迅速。

近日，肯特州立大学液晶研究所的韦齐和教授所率领的研究组，成功地将液晶光学器件用于高斯激光光束的整形。在该文中，根据广义Snell定律与Pancharatnam-Berry（PB）相，他们通过设计局域的液晶分子排布便可以直接作用于入射光束的局域相位，进而修改透射光束的形状和光强分布。该课题组开创了独特的等离子激元的超掩模板技术来用于液晶分子的光配向。该掩模类似于传统的光刻掩模，但其透射光不仅有光强分布，更有光的偏振分布。利用光配向材料分子被偏振光配向的特性，他们可以实现高分辨率和高质量的液晶分子排布，进而高精度地控制光学器件局部的相位延迟和快慢轴方向。在该研究中，韦教授课题组使用液晶聚合物单体分子作为原材料，当单体分子被光配向分子取向后，立即聚合，固定住其分子取向以形成聚合物光学器件。

该文中以高斯光转换为光强均匀分布的矩形光为例展示了该技术，其光学器件上的液晶分子排布的分辨率达到了三百纳米左右，能满足绝大部分光学器件生产的分辨率要求。而且相关的测试表明该器件具有优异的光束质量，无零级漏光，有接近100%的效率，且实际测量与设计参数契合的非常好。该光学器件生产技术具有可重复性、高产量（只需超掩模单次曝光）、高分辨率等优势，能在保证光学器件高质量的同时大大降低生产成本。因此，以该文为代表的新型液晶光学器件有着很大的应用潜力。

该成果发表于Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201800961），江淼和于皓为共同第一作者，共同作者还包括郭玉冰、Taras Turiv 和Oleg D. Lavrentovich。基于等离子激元的超掩模分子排布技术技术以郭玉冰为第一作者发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201506002）上。

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