一种基于液晶材料的、可电控的连续相位菲涅尔波带片的介绍
2026-04-20 来源:本站 点击次数:63有一种轻薄的透镜，能够像开关电灯一样，用电压控制光束的聚焦与消失，甚至在不同焦距之间自由切换。这项由牛津大学Zhiyu Xu等人实现的光学突破，源于对一种古老光学元件——菲涅尔波带片（FZP）的彻底革新。研究团队创新地采用双光子聚合直写（TPP-DLW）技术，在可聚合的向列相液晶（LC）内部，像3D打印一样“雕刻”出平滑、连续的三维折射率分布，从而制造出世界上首个可电切换的连续相位菲涅尔波带片。实验表明，这种新型透镜不仅可以通过施加电压实现“开”与“关”的快速切换，其特殊的4π相位包裹设计还能在两个不同的焦距（如24毫米和48毫米）之间进行电控变焦。与同等尺寸的传统二元（非黑即白）菲涅尔透镜相比，其聚焦效率几乎提升了一倍，为打造下一代超轻薄、可重构、高效率的光学系统开辟了全新道路。
这项重要研究由Zhiyu Xu、Camron Nourshargh、Tianxin Wang、Alec Xu、Nathan Spiller、Urban Mur、Martin J. Booth、Steve J. Elston 和 Stephen M. Morris共同完成。其研究成果以论文“Electrically switchable continuous crystal Fresnel zone plate”的形式，于2026年4月发表在光学领域顶级期刊《Light: Science & Applications》上。
重要发现
本论文的核心贡献在于成功设计、制备并验证了一种基于液晶材料的、可电控的连续相位菲涅尔波带片。这一突破并非简单改良，而是从原理、材料到加工工艺的全链条创新，最终实现了高效、可切换、紧凑的轻薄型光学聚焦元件。
传统的液晶衍射光学元件，如基于几何相位的器件，其相位分布通常是离散的、被动的，并且依赖于入射光的偏振态。本论文提出的方法则截然不同。研究团队选用了一种特殊的“配方”：将向列相液晶E7、可聚合的反应性介晶RM257和光引发剂IR819按一定比例混合。关键步骤是，他们将这种混合物注入带有透明电极的平行取向液晶盒中，然后利用超快飞秒激光进行双光子聚合直写加工。
在可聚合液晶中制备菲涅尔波带片（FZP）
双光子聚合直写技术在这里扮演了“纳米雕刻刀”的角色。当激光被高强度聚焦到液晶混合物的微小体积（称为“体素”）内时，会发生双光子吸收，触发局部聚合反应。这意味着，只有激光焦点处的微小区域内的RM257单体被固化，形成聚合物网络，并将该位置液晶分子的排列方向（指向矢）“冻结”住。通过精密控制激光焦点在三维空间中的运动轨迹，研究人员就能在液晶盒内“写入”一个预设的、空间变化的聚合物微结构。这个结构并不改变外形，而是锁定了内部液晶的折射率分布，从而形成了一个具有连续平滑相位轮廓的菲涅尔波带片。这种方法的精髓在于，它直接塑造了光通过器件时所经历的“光学路径长度”，实现了真正的标量连续相位调制，避免了传统二元器件的离散相位跳跃和效率损失。
02高效开关：2π器件的“亮”与“灭”论文首先展示了一个相位包裹为2π弧度的连续菲涅尔波带片。该器件设计焦距为30毫米。在制造时，研究人员在液晶盒上施加了一个高电压（100 Vpp），使液晶分子全部垂直站立（沿光轴方向），然后在这种均匀状态下用激光写入图案。这样制造的器件，在0电压（0 Vpp）下工作状态最佳，能产生一个明亮、锐利的聚焦光斑。
激光直写菲涅尔波带片（FZP）设计与制备所用参数
其工作原理在于聚合物区域与非聚合物区域的折射率对比。在0电压下，非聚合物区域的液晶分子恢复到基板摩擦方向决定的平面排列状态，其有效折射率与聚合物区域被“冻结”的折射率不同。这种平滑变化的折射率差，正好构成了聚焦所需的连续相位分布。当施加一个较高的电压（如10 Vpp）时，电场迫使非聚合物区域的液晶分子也转向垂直排列，使得整个器件区域的折射率变得均匀，相位调制作用消失，聚焦功能随之“关闭”。实验测量证实，这种2π连续相位菲涅尔波带片的聚焦效率，比在相同液晶盒内制造的、具有相同焦距和孔径的传统二元菲涅尔波带片高出约96%，几乎实现了翻倍的效果，这完美印证了连续相位设计在集中光能方面的理论优势。
不同电压条件下菲涅耳波带片的制备
一个经2π包裹的连续相位菲涅尔波带片
03电控变焦：4π器件的“双焦”魔法更引人入胜的是相位包裹为4π弧度的菲涅尔波带片。这项设计体现了研究者精巧的构思。他们制造了一个孔径1.2毫米、设计焦距为24毫米的4π连续相位器件。神奇的现象发生了：通过改变一个电压值，这个透镜可以在两个不同的焦距间切换。
4π弧度连续相位菲涅尔波带片
在0Vpp电压下，器件以完整的4π相位深度工作，将633纳米波长的激光聚焦在24毫米处。当电压调至一个中间值（2.1 Vpp）时，电场部分改变了非聚合物区域液晶分子的倾斜角度，导致整个器件的有效相位调制深度等比例下降。计算和实验均证实，此时的相位分布恰好等效于一个焦距为48毫米的2π相位菲涅尔波带片。因此，焦点瞬间“跳变”到了48毫米的位置。当电压继续升高至10 Vpp，所有液晶分子垂直排列，相位调制被完全抑制，透镜功能再次“关闭”。通过搭建成像光路，研究团队成功演示了该器件在不同电压下，能对USAF 1951分辨率板分别在不同像距处（对应24毫米和48毫米焦距）成出清晰的像，直观证明了其电控变焦能力。
二元与连续型2π弧度包裹菲涅尔波带片的聚焦特性
4π弧度包裹连续相位菲涅尔波带片的聚焦特性（仿真与实验）
04技术验证：从微观相位到宏观性能论文通过一系列严谨的表征手段，完整揭示了器件从微观结构到宏观功能的因果关系。偏振光学显微镜图像显示出的明暗相间的平滑同心环纹，与理论模拟高度一致，初步证实了连续相位分布的存在。数字全息显微镜则提供了定量的相位测量，直接“看到”了器件内部设计的相位曲面轮廓，并清晰捕捉到电压从0 Vpp升至2.1 Vpp时，相位幅度从4π到2π的缩放过程，为变焦原理提供了最直接的证据。远场聚焦测试和成像实验则是功能的最终答卷，不仅测量了焦距、光斑质量和效率，还展示了其在实际成像应用中的潜力。此外，长达24小时的循环稳定性测试表明，器件在反复开关上千次后，光学性能没有发生衰减，展现了良好的实用可靠性。
激光写入的包裹型4π弧度连续相位菲涅耳波带片的聚焦特性
利用具有变焦特性的连续相位菲涅尔区板进行成像
创新与亮点
本论文解决的核心成像难题是传统可调谐光学元件的“效率、连续性与可电控性不可兼得”困境。空间光调制器像素化导致衍射效率低且有“纱窗效应”；几何相位器件被动依赖偏振且难以纯电控；二元衍射元件效率固有损失。本研究提出的革命性成像技术是“在可聚合液晶介质内，利用双光子聚合直写进行三维折射率直接雕塑”。它一举摒弃了光配向层，绕过了像素化，直接制造出本征的、平滑的连续相位剖面，且该剖面可通过电压整体调节。
总结与展望
这项研究成功地将高精度的双光子聚合直写技术与智能的液晶电光材料相结合，创造出一种兼具连续相位的高效率和液晶本征可电调谐特性的新型菲涅尔波带片。它不仅实现了聚焦功能的“开关”控制，更通过创新的4π相位设计，演示了在两个预定焦距间的“变焦”切换，为超轻薄平面光学器件的动态化树立了新范式。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Zhiyu Xu、Camron Nourshargh、Tianxin Wang、Alec Xu、Nathan Spiller、Urban Mur、Martin J. Booth、Steve J. Elston 和 Stephen M. Morris
DOI:10.1038/s41377-026-02251-3.