《先进材料》利用液晶聚合物实现低焦比、衍射极限的液晶微透镜

来源：高分子科学前沿

亚毫米尺度的光学透镜是各种微型系统中不可或缺的光学元件，广泛应用于光学互连，光束整形，微型机器人视觉系统，发光二极管显示，波前传感，以及虚拟/增强现实等领域。微透镜可以划分为折射式和衍射式。对折射式微透镜，镜片的球面形状导致低填充因子和球面相差。衍射式微透镜依通过微纳表面结构产生的相位梯度来改变光学波前，其几何形状不受限制，因而更容易实现高的填充因子和低焦比（f-number）. 但是，衍射式透镜往往需要非常复杂的加工手段实现。透镜也可以通过设计Pancharatnam-Berry（PB）相位，又叫几何相位来实现。液晶PB微透镜的优越性是他的效率可以接近100%，和并且可以实现焦距的可调和开关。一直到最近，液晶PB微透镜焦比还局限在>10的范围，透镜成像质量也没有达到衍射极限。

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（包括江淼博士，郭玉冰博士，于皓，周子渊，和合作者Taras Turiv， Oleg D. Lavrentovich）成功地展示一个用液晶聚合物设计和制造高质量PB微透镜的方法。他们利用该课题组开创的等离子基元超掩模板光刻技术，精准控制液晶分子的空间取向来产生所需的PB相位。实验实现了1.5微米的液晶分子的排列最小周期（对应于液晶分子旋转180度的距离），这是目前可达到这个分辨率的唯一方法。这保证了低焦比微透镜所需要的相对较大的相位梯度。韦教授课题组采用液晶聚合物单体分子（RM257）作为原料旋涂到经过光取向的基底上，然后利用光聚合成按照设计方向排列的高分子。每一个液晶PB微透镜需要经过几次旋涂-聚合的过程来达到需要的相位延迟。

该文设计并制作了一些列不同尺寸和焦比的液晶PB微透镜，实现了焦比低至2的微透镜（对应1.5微米的最小周期）。通过实验测量和拟合得到的这些微透镜的点扩散函数表明它们的成像质量都达到了衍射极限。文中还展示了这些微透镜可用来对5微米胶体颗粒成像，进一步确认了其达到衍射极限的成像质量。此外，由于其形状为正方形，这些微透镜可以做成填充因子为100%的微透镜阵列。相比于传统的折射式和其它的衍射式微透镜，液晶PB微透镜展现了衍射极限成像质量，高效率，可调的焦距，低成本等优势，因此预期会有很多独特的工业应用。

该成果发表于Advanced Materials。

参考文献：

https://doi.org/10.1002/adma.201808028.