基于矢量光场的光学加工技术

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摘要：作为光的一个基本属性，偏振、振幅和相位提供的自由度对光场调控具有重要作用。具有空间结构偏振态、振幅和相位分布的矢量光场因其具有不同于传统光场的独特性质而被应用于诸多领域。近年来，时空分布特性更加丰富的新型矢量光场逐渐得到关注，他们的出现丰富了矢量光场的种类并提供了新的调控自由度，为光学加工带来了新的契机。本文综述了近年来发展迅速的矢量光场光学加工技术，包括基于矢量光场的激光微纳制造、基于矢量光场曝光的几何相位液晶平面器件加工等技术，并对其发展趋势和前景进行了展望。

关键词：矢量光场；光学加工；激光微纳制造；光场曝光；液晶平面器件；悬链线光学

1引言

传统的激光加工主要关注的是激光的能量特征。然而在光与物质相互作用的过程中，不仅存在能量的吸收，更存在动量的交换，这意味着新型的光场在激光加工领域更能发挥其优势。矢量光场（vectoropticalfield,VOF），即具有可任意设计的波前和偏振态分布的光场，其偏振、相位的空间拓扑特性使其具有紧聚焦和更大的调控自由度等特殊的物理性质[1]。比如，矢量光场可以会聚为超衍射极限的焦斑，光斑尺寸更小，因而加工精度更高。另一方面，光场自身携带的光子角动量能与物质进行动量交换。例如，具有螺旋相位结构的矢量涡旋光场携带光子轨道角动量，能驱动微粒绕固定轴转动；左旋或右旋圆偏振光携带光子自旋角动量，可以诱导微粒自转；偏振态随空间变化的矢量光场则可以表现出角动量之间的相互作用。因此，矢量光场的动量特性在激光加工领域的应用也得到了诸多期待，可以使用矢量光场诱导复杂的花纹图案、利用矢量涡旋光场诱导手性结构等。

相较于传统的光学加工技术，时空特性可控的矢量光场使得加工结构多样化、复杂化。通过设计光场的相位、偏振态分布，可以得到各式各样表面图案甚至复杂的三维拓扑结构[2,3]，这些技术有望在新型集成光学和微纳光学中发挥重要的作用[4]。例如，束缚在金属和介质界面上的自由电子密度波，又称表面等离子体激元，其电场分量沿界面呈悬链线型分布[5]，可以利用特殊设计的金属薄膜产生，并用于耦合放大倏逝波。早在2004年，中国科学院光电技术研究所的研究人员基于悬链线耦合光场实现了具有亚衍射特征的高分辨成像和曝光记录结果[6]。在过去的十多年里，矢量光场调控极大地扩展了传统标量光学的边界，例如实现了全光矢量视觉加密[7-9]、偏振沿着纵线传播方向改变的矢量光束[2,10]、快照式全角动量检测[11]，并在促进非视域成像[12]等领域发挥了重要作用。与此同时，由结构功能光学材料实现的新兴技术将矢量光场调控推向了亚波长领域[13]。特别是，非对称自旋轨道相互作用概念的提出为实现集成化的矢量光场调控提供了新的途径[14-17]，并实现了数字化和智能化的调控[18-20]。近期，该团队研究人员系统梳理了基于结构功能材料的VOF的基本原理、方法和应用[21]。

与上述研究不同，本文综述了近年来发展迅速的矢量光场光学加工技术，包括基于矢量光场的激光微纳制造、基于矢量光场曝光的几何相位液晶平面器件加工等技术，并对其发展趋势和前景进行了展望。图1概括了本综述的写作框架和研究思路。

图 1  本综述的论述框架示意图。VOF:  矢量光场；LC:  液晶

Fig. 1 The framework of this review. VOF: vector optical field; LC: liquid crystal

2 基于矢量光场的激光微纳制造

相比于标量高斯光束，矢量光场在偏振、振幅和相位等光束本征属性上的空间拓扑特性赋予了激光与物质相互作用的精确调控，可提升激光加工精度、效率以及结构复杂度，显著增强激光微纳制造能力。

2.1矢量光场提升加工效率

偏振是激光的本征属性，直接影响着激光与物质的相互作用及其最终加工效果。在聚焦光束辐照材料时，径向偏振光束和角向偏振光束在空间上表现出均匀分布的P偏振和S偏振，具有不随空间变化的反射和吸收特性。早期研究中，俄罗斯科学院V.G.Niziev等通过理论[22]和实验[23]证明径向偏振通过共振吸收机制极大地增强了激光吸收，径向偏振激光切割效率比平面P偏振和圆偏振光束大1.5~2倍。径向偏振激光已成为激光打孔的一种特别有吸引力的方法。2007年，瑞士伯尔尼大学M.Meier课题组对径向偏振和角向偏振激光的加工效率进行了实验和理论分析[24]。通过分析不同材料以及厚度对激光加工的影响，揭示了光吸收效应和多次反射光波导效应在激光微孔加工中的影响机制。当材料（如不锈钢）对不同偏振态激光的反射率存在差异时，随着材料厚度的增加，光波导效应逐渐占据主导位置，更多的角向偏振激光能量能够通过多次反射达到微孔底部，其加工效率反而更高，可达到线偏振和圆偏振光的1.5~4倍。2010年，德国斯图加特大学的M.Kraus等研究了皮秒脉冲径向和角向偏振激光辐射在奥氏体钢中的微孔加工[25]。研究表明，径向偏振光适合于在薄板中制造直径相对较大的钻孔（s≤500µm），而角向偏振光适用于在厚板（s≥1mm）中产生高纵横比微孔或制备极小直径（d≤50µm）微孔。因此，为得到更有效的激光加工效率，需要根据材料光学和结构特性，合理优化矢量光场的空间偏振态分布。

传统高斯光束的聚焦光斑大小和聚焦深度存在理论上的相互限制，严重制约了高斯光束的微孔加工效率和深宽比。贝塞尔光束是最常用的无衍射光束，是由平面波的圆锥形叠加形成的，其轴上能量能在传输很远的距离时保持基本不变。与聚焦高斯相比，贝塞尔光束具有聚焦深度大的典型特点，已陆续在玻璃[30][31]、金属[26,27]、蓝宝石[28]以及硅[26,29]等材料中实现了高深宽比微纳孔道的快速加工。

图 2  贝塞尔飞秒激光制备纳米通道[30] 。（a）飞秒贝塞尔光束加工示意图；（b）锥形能量向中心传 输示意图；（c-d）能量分别为 0.65 mJ 和 0.85 mJ 加工的通道

Fig. 2 The nano channels fabricated by femtosecond Bessel beam[30] . (a) Experimental setup for femtosecond Bessel beam ablation; (b) Representation of the conical energy flux toward the central core; (c, d) Terminatedchannels for energies of 0.65 mJ and 0.85 mJ, respectively

2010年，法国勃艮第-弗朗什孔泰大学F.Courvoisier等利用波长800nm、脉冲能量低于3μJ的单发贝塞尔飞秒激光在玻璃上制备了深宽比高达100：1的纳米通道（图2）[30]。随后，他们在高硬度的蓝宝石晶体上加工也得到相同深宽比的纳米通道[28]。2019年，该团队进一步设计了一种贝塞尔光束整形器[31]，能产生锥角为23°的高能激光脉冲，在空气中的光斑直径为740nm，传播距离超过8mm。实验结果显示，贝塞尔光束在空气中的能量高达5mJ。该高能光束所产生的高强度焦区的高深宽比超过10000：1，在实际应用中能对1cm厚的玻璃实现隐形切割。法国圣埃蒂安大学R.Stoian等研究了激光脉宽对贝塞尔加工熔融石英的影响[32]。研究表明，随着脉宽的增加，激光诱导载流子的产生速度较慢，相对较低的等离子体离焦效率更有利于激光能量沉积；并在此基础上实现了深宽比大于1000：1的纳米通道制备。2018年，北京理工大学姜澜等基于空间光调制器提出了一种无衍射距离可调的类贝塞尔光束[33]，无衍射距离可在10-35mm之间调节，并利用该整形光束在PMMA材料上制备了深宽比560：1的微孔。2023年，法国波尔多大学P.Balage等通过将贝塞尔光束与飞秒GHz子脉冲模式相结合[34]，增强了光束切割玻璃的能量沉积，实现了1mm厚玻璃的高质量切割。2021年，立陶宛的J.Baltrukonis等人利用矢量贝塞尔涡旋光场实现了三维管状结构的快速加工[35]。他们利用高阶S波片和锥透镜与简单的光学元件相结合，由高斯光束产生高效稳定的矢量贝塞尔涡旋光束。用该光束诱导玻璃发生改性，在玻璃中形成了改性的三维管状结构。

近期，南开大学涂成厚课题组提出了一种动态调控飞秒激光焦场制备微结构的方案[36]。通过控制偏振或相位周期性变化来操纵光场，然后通过在空间光调制器上实时加载（时间变化的）计算全息图来实现特定的由许多离散的焦斑组成的焦道（图3a-3l）。其原理是基于特定矢量化光场精准产生并调控多焦点光场，而进一步在加工过程中调控焦点的轨迹即可加工任意曲线。利用这种动态调控飞秒激光焦场，他们在z切LiNbO3晶片中制作了椭圆形、"南"字形和不规则四边形网格结构等多种微结构（图3m-3p），并在连续性和均匀性方面表现出良好的品质。在矢量光场的微纳加工中引入时间因子，可以避免空间上的移动且实现不规则微结构的加工，避免使用昂贵的高精度工作台和复杂的运动控制，使得微结构制造更加灵活、稳定和廉价。

图 3  椭圆焦迹形成的示意图（a-l）以及设计加工的复杂微结构（m-p）[36] 。（a-d）为所构造光场的 偏振分布和周期变化，n 值分别为 1 、13 、25 和 37；（e-h）是焦平面上相应的焦场分布；（i-l）是相应产生的椭圆焦迹（e-l 的尺寸是 25  × 25   λ2）；（m-n）分别是汉字“南”和网格结构的焦迹模拟图样；（o-p）分别是制备所得结构的显微图像（m-p 的尺寸为 20   μm   × 20   μm）

Fig. 3 Schematic illustrations ofthe elliptic focal traceformationand thefabricated microstructures[36].(a-d)  are the polarization distributions and the periodic variation ofthe generated opticalfield, with n valuesof1,13,25,and 37, respectively; (e-h) are the associated focalfielddistributionsin thefocal plane;(i-l)arethecorrespondingcreated focal traces, the size of(e-l) is 25   × 25 λ2;(m–n)Simulated patternsofthefocal traceforChinese character“Nan”and a grid structure; (o-p) The corresponding microscopy imagesofthe manufacturedstructures,the dimensions of(m-p) are20μm   × 20μm

2.2矢量光场提升加工质量

除了提升加工效率之外，矢量光场在提升加工质量方面也展现出一定的优势。2013年，法国R.Torres等通过对比飞秒激光偏振（径向、角向、圆形、线性偏振）对钼和PZT烧蚀的特性[37]，发现径向偏振对雕刻和切割材料更有效，能够减小锥度，提高烧蚀效率。2021年，德国斯图加特大学A.Loescher等在研究高重频矢量光束高效加工时发现，得益于径向/角向偏振光束更为陡峭的侧面强度分布，相比于线偏振光束，径向/角向偏振光束诱导的结构边缘更为锐利，展现出更好的加工质量[38]。

2023年，法国圣埃帝安大学D.Pallarés-Aldeiturriaga等研究了柱状矢量涡旋光束的偏振和光束几何形状的不均匀分布导致的新烧蚀特征[39]。与传统高斯光束加工不锈钢和钛材料相比，柱状矢量光束在加工效率提升80%的情况下，其诱导的平均表面粗糙度减小了94%以上。2022年，哈尔滨工业大学Y.Guo等提出了一种基于偏振调制激光诱导微射流辅助烧蚀加工可控截面微沟槽的方法[40]，仿真和实验结果表明烧蚀槽越陡，二次烧蚀效果越明显。同时针对偏振效应和材料二次烧蚀引起的线偏振非对称烧蚀，利用柱状矢量实现不同截面的扫描路径无关的激光微加工。2023年，天津大学B.Dong等研究线偏振光和矢量偏振光对加工碳化硅微槽质量和表面形貌的影响[41]，发现角向偏振光束可以保证加工区域的均匀性，能有效减少硬脆材料加工过程中的微裂纹和切屑，获得较好的加工质量（图4）；且在加工过程中可以避免较大的微槽锥度，保证良好的结构尺寸。

图 4  多环结构扫描电镜图（SEM）和拉曼成像结果（40 个有效脉冲）[41] 。(a-c)  线偏振，(d-f)  角向偏振

Fig. 4 Multi-ring structure SEM and Raman imaging results (40 effective pulses). (a)-(c) Linear polarization,(d)-(f) Azimuthal polarization

2.3矢量光场赋能复杂结构制备

受益于其偏振和振幅空间分布可调性，矢量光场在构建二维和三维复杂结构上展现了极大的灵活性[42]。南开大学王慧田等研究了矢量飞秒激光在硅表面加工形成的亚波长二维光栅结构，局域光栅结构取向始终垂直于激光线偏振方向[43]。2017年，希腊电子结构与激光研究所的E.Skoulas等利用柱矢量飞秒激光束独特的角空间形态和电场对称性进行大面积线扫描，直接在Ni上写入高度可控的周期性仿生表面结构（如复杂多向纳米结构、超疏水双尺度结构等）[44]，结构的多功能性和特征变化远远优于通过线性偏振光束的激光处理获得的结构。2024年，日本国立聚变科学研究所H.Kawaguchi等对比矢量涡旋光束与高斯光束加工表面周期性微纳结构（LIPSS）的性质[45]，表明矢量涡旋光束的环形光强轮廓能够以比高斯光束更宽的能量范围内形成LIPSS，并通过飞秒矢量涡旋激光加工在钨材料上制备了二维和三维手性结构。除LIPSS之外，矢量光场也可以加工出其他结构。加拿大渥太华大学M.G.Rahimian等人基于矢量涡旋光和高斯光束相干迭加的方法，在硅表面上利用飞秒激光烧蚀实现了位置精度为50nm的纳米锥的空间可控形成[46]。通过改变矢量涡旋光束和高斯光束之间的相位延迟，可以使焦域内的零强度位置移动，从而可以精准控制纳米锥的位置。

2023年，武汉大学丁涛课题组提出了一种矢量光场调控的螺旋纳米结构偏振定向生长技术（图5a-5f）[47]。利用激光诱导纳米种子和粗糙衬底提供的自对准近场效应促进纳米粒子沿激光偏振方向的生长，再结合矢量光场定制偏振方向实现了金属和介质螺旋纳米结构的制备。通过该方法制备的等离子体手性纳米结构具有显著的光学活性，其g因子高达0.4，且可通过调节矢量光束的螺旋度进行调节。

日本千叶大学T.Omatsu课题组提出了通过光学涡旋制备和控制扭曲金属纳米针结构手性的方法[48]。随后的研究进一步发现，轨道角动量（OAM）决定纳米针结构的手性，自旋角动量（SAM）可以增强所形成手性纳米针的螺旋结构，手性纳米针结构的螺旋频率由总的角动量数决定[49]。2017年，为解决在各向同性聚合物中制备手性微结构的难题，中国科学技术大学吴东课题组提出利用涡旋光束和平面波的同轴干涉产生三维螺旋光场的方法来制备各向同性材料的手性微结构（图5g-5i）[50]。并利用飞秒激光实现了三维手性微结构制备，其螺旋瓣和手性分别受干涉图样和螺旋相波前控制。

图 5 手性微纳结构的加工。(a-f)激光偏振定向生长手性纳米结构的示意图[47] ；(g-i) 在各向同性聚合 物材料中制备三维手性微结构的实验装置及结果[50]

Fig. 5 Fabrication of chiral micro-nanostructures. (a-f) Concept of polarization-directed growth of chiral nanostructures[47]; (g-i) Experimental setup and results for 3D chiral microstructures in isotropic material[50]

2.4矢量光场提升尺度极限

提升尺度极限是激光微纳加工永恒的追求[51,52]。2009年，澳大利亚斯威本科技大学M.Gu课题组利用径向偏振光的紧聚焦特性实现了三维光子晶体的双光子聚合制造[53]，在阈值条件下，聚合物纳米棒的横向尺寸从线偏振光的138nm减小到100nm（径向偏振光），减小了27.5%。除横向偏振的矢量光束以外，纵向偏振可调的矢量光场也被应用于激光加工。具有纵向场的矢量光束不仅拥有纵向超衍射聚焦的特性，还可以表现出某种粒子加速器的行为，使电子(带负电荷)和离子(正电荷)比标准库仑爆炸更有效地喷发。已有研究工作将纵向场矢量光束用于加工纵向超衍射结构[54]、制造三维手性结构[55]等。2022年，英国曼彻斯特大学L.Li课题组利用径向偏振光纵向场的超衍射聚焦特性实现了超衍射纳米孔的制备[54]。通过对飞秒激光的偏振、波前和振幅进行优化调节，研究人员在聚焦光斑处构建了纯度高达94.7%的超衍射纵向场；并利用该纵向场，在800nm飞秒激光远场加工条件下，在蓝宝石基底上得到了直径为10-30nm、深宽比超过16：1的纳米孔结构（图6a-6h）。2023年，法国的J.F.Lu等人生成了线偏振态沿光传播方向（纵向）演化的飞秒贝塞尔光束，这种三维光束可以在石英玻璃中刻印手性“扭曲纳米光栅”[55]。从而在微米尺度上产生非本征光学手性，并具有较高的旋光性。这种纵向场矢量光束使在石英块体内制造三维手性结构成为可能，并为其在光与物质相互作用和手性器件制造中的应用提供了新的思路。2022年，西安交通大学陈烽等利用表面辅助材料喷射效应，通过采用飞秒贝塞尔光束同时在样品表面和内部沉积脉冲能量，在石英玻璃内部制备了最小特征尺寸为18nm(~1/30λ)和深宽比大于200：1的纳米通道[56]。2024年，法国勃艮第-弗朗什孔泰大学和法国国家科学研究中心F.Courvoisier课题组报道了一种利用单脉冲超快激光在蓝宝石表面制备高深宽比垂直纳米柱的方法[57]。在紧聚焦条件下，具有径向或角向偏振分布的无衍射一阶贝塞尔光束将诱导强烈的激光与物质相互作用，在蓝宝石表面下产生管状高压场，导致材料从表面快速排出形成垂直纳米柱（图6i-6r）。纳米柱的直径为~800nm，高度达到15μm。

图 6 高深宽比结构的制备。(a-h)  优化纵向场在蓝宝石基底上实现直径 10~30 nm 的高深宽比纳米孔 制备[54] ；(i-r)  激光诱导材料表面垂直纳米柱形态随贝塞尔环激光通量的演化规律及其成型机理[57]

Fig. 6 Preparation of high-aspect-ratio structure. (a-h) Optimised longitudinal laser hole drilling on sapphire  realising 10-30 nm hole size with high depth to width aspect ratio. (i-r) Evolution and formation mechanism of the nano-pillar morphology depending on the main Bessel ring fluence

如下表1总结了近年来基于矢量光场的激光加工研究工作的主要进展及其关键参数。

3基于矢量光场曝光的几何相位液晶平面器件加工

除了发展迅速的超表面平面光学元件[58-61]，基于几何相位原理的液晶(LiquidCrystals,LC)平面光学元件在光学系统应用中也有很大的潜力[62,63]，被称为LCPancharatnam-Berry光学元件(LC-PBOE)。LC-PBOE的功能基于LC的天然双折射特性和偏振相关的PB相位(也称为几何相位)调制。对于传统光学衍射元件（diffractiveopticalelements，DOE），其衍射效率受离散相位分布限制存在理论极限。与之不同的是，液晶分子轴的主轴连续变化分布的模式赋予了液晶元件连续变化的相位调制分布[64]。这种调制模式与悬链线结构形式的超表面类似，因此这种光学元件也被称为“悬链线衍射波片”或“摆线衍射波片”[65,66]。这种连续变化的相位调制使得液晶元件可以实现接近理论极限的高衍射效率。当其厚度达到半波条件时，几何相位液晶元件可以有效地调制圆偏振光以产生设计的相位延迟。

液晶平面光学元件的核心在于液晶分子的取向，取向方法主要可分为物理摩擦和光控取向两种方式。其中，物理摩擦取向法利用摩擦聚酰亚胺材料产生不同取向并诱导液晶材料产生特定的分布，该方法主要用于工业制造各种液晶显示面板，具有工艺成熟、价格低廉的优势。但是，其物理接触的特性会降低其器件加工的成品率，且难以实现复杂分布的液晶取向。光控取向则是利用光场对取向材料进行取向，利用取向材料进一步锚定液晶材料实现液晶平面光学元件的制备。光控取向主要可以分为掩模法、直写法和干涉法。掩模法利用具有特性偏振特性的掩模产生相应的液晶取向效果，虽然有较高的灵活性，但是存在分辨率受限于掩模本身的问题。直写法则是利用具有偏振特性的激光直接对材料进行取向，可实现微米量级的高分辨率，但是其逐点加工的特点导致其加工效率较低。随后出现了基于数字微反射镜（digitalmicromirrordevice，DMD）的加工方法，能够将逐点加工的方式变为单次曝光一个面，从而提升加工效率。与之不同的是，干涉曝光可以利用传统光学元件形成大面积曝光场

对取向材料进行一次曝光，是目前加工大面积平面液晶光学元件的主要方式。常用到的干涉光路包括双光束光路、Mach-Zehnder光路、Michelson光路和Sagnac光路，以这些光路为基础，加以适当的放大光路即可实现不同尺寸和不同相位分布的液晶平面光学元件。基于干涉曝光的几何相位液晶元件的加工流程简单，具有快速、简单、低成本和大规模制造的特点。

本团队提出的悬链线光学是亚波长光学的一个新兴方向，涉及到悬链线光场和悬链线结构，主要关注悬链线函数在亚波长尺度的新效应和新应用。利用悬链线光场的短波长[67]和长焦深特性[68]，可以构建超分辨成像透镜，在365nm波长下结合多重图形等工艺，实现10nm分辨力[69]。另一方面，利用液晶分子复制悬链线超表面的纳米结构排列，可能是实现大面积大口径平面透镜制造的一种解决方案。当向向列相液晶中施加悬链形矢量光场时，液晶分子的排布可以记录矢量光场的偏振态分布[70]。在一个2π相周期内，液晶分子的取向呈现悬链形[71]。悬链形矢量光场是制备大面积平面透镜的关键，然而在大面积范围内实现高稳定性和高纯度仍然是一个相当大的挑战。

液晶偏振光栅是一种常见的液晶平面光学元件，其超高的工作效率和灵活便捷的可调性能使液晶偏振光栅在光束控制、偏振成像、显示等领域具有重要的研究意义和应用价值。2004年，布朗大学的Crawford研究团队首次利用双光束干涉技术制备了液晶偏振光栅，受限于取向层排列缺陷，其所制备的光栅效率只有10%[72]。通过对取向层和液晶层材料的改善以及结构的优化，液晶偏振光栅的周期、效率、工作带宽、偏转角不断被突破[73-75]。通过不同方向圆偏振光以一定角度相交形成矢量场，可对如偶氮苯一类的光致取向材料进行取向从而对液晶层进行锚定获得高质量的一维光栅（图7a）[75]。在一维光栅的基础上，Grawford团队通过正交排布两个一维光栅实现了二维光栅的制备[76]，Z.H.Peng等人在此基础上制备了不同交叉角度的二维光栅（图7b），以实现更复杂的光束控制[77]。二维光栅能够实现对光信号的多通道、高效率、选择性调控，在光通信、量子计算和光信息安全等领域具有重要的研究意义。在光栅衍射效率方面，通过使用两层手性相反的向列相液晶材料，可以获取宽带高衍射效率的液晶偏振光栅（图7c）[73]。除了光束偏折，通过将液晶偏振光栅和波片、透镜等元件结合，还能实现轨道角动量产生器件和自旋霍尔超透镜等平面光学元件[78]，为多功能的光学器件提供更多的平面化方案。

图 7  液晶偏振光栅。（a）偏振光学显微镜下的一维光栅形貌及分子取向情况[75] ；（b）偏振光学显 微镜下不同交夹角的二维光栅[77]；（c）宽带消色差高效率光栅的分光情况[73]

Fig. 7 Liquid crystal polarization gratings. (a)Polarized optical microscope image of the grating and the  director configuration of LC along the grating[75]; (b) The micrograph of two-dimensional polarisation grating with different crossing angles[77]; (c) Photographs of achromatic LC grating diffraction[73]

液晶透镜作为液晶平面光学元件的另一种形式也逐渐吸引了越来越多的注意，尤其是在AR/VR显示领域研究越来越广泛而深入。与液晶偏振光栅类似，液晶透镜也是向高效率和宽波段发展。Jiang等人利用光模板制备了F数为2，最小周期为1.5μm的液晶透镜并用于显微成像系统（图8a）[79]。Tabiryan等人通过将液晶透镜叠加来实现光学系统变焦和液晶透镜带宽拓展等功能[80,81]。此外，随着光通信和成像领域对分辨率和通信距离等指标越来越高的要求，光学系统中透镜口径也面临更大的挑战。液晶透镜因其天然的高效率优势，结合成熟的旋涂工艺和大面积干涉曝光技术，可以较容易实现大口径液晶平面透镜。然而口径增大也带来了焦距边长从而导致光学系统体积庞大的问题。为此，文一峰等人提出双面液晶缩短液晶透镜的方案，成功将10cm液晶透镜的焦距缩短了50%[82]，为更大口径液晶透镜的紧凑型提供了解决思路（图8b）。除了传统聚焦透镜，液晶平面光学元件还可以加工诸如锥透镜一类的特殊镜片（图8c），且由于其平面加工特性，加工难度较传统镜片的去除加工方式更简单高效。

图 8  液晶透镜。（a）F 数为 2 的微透镜偏振光学显微镜表征图像[79]；（b）双面加工用于缩短大尺 寸液晶透镜焦距[82]；（c）液晶透镜与液晶锥透镜的取向分布图、元件表征图与元件对光的作用效果[83]

Fig. 8 Liquid crystal lenses. (a) A polarized optical microscopy image of the fabricated microlens with f/#=2[79]; (b) Double-sided fabricating for shorten the focal length of large-size liquid crystal lenses[82]; (c) Optical axis profiles, measured polarizing optical micrograph and far-filed results of LC lens and LC axicon[83]

除了光栅和透镜这两种简单相位分布的光学元件，液晶材料还能用于涡旋相位等复杂相位分布。Slussarenko等人通过控制曝光系统中的起偏器和样品台的旋转速度，加工了不同拓扑荷的q-plate（图9a）[84]。南京大学陆延青团队利用DMD实现了任意可控拓扑荷数的超q-plate（图9b）[85]。该团队还利用二维达曼光栅设计了达曼q-plate，将螺旋相位数字化（图9c）[86]。这些都能够赋予液晶几何相位器件更丰富的相位信息，使其在光通信、激光加工、超分辨成像等领域有重要的应用。

图 9  涡旋相位液晶元件。（a）具有不同拓扑电荷的液晶涡旋波片的偏振光学显微镜照片[84]；（b） 聚焦复杂相位分布的涡旋波片（及阵列）的理论表征图及实际实验表征图[85]；（c）基于数字化几何相位的并行光学自旋角动量及轨道角动量编码[86]

Fig. 9 Liquid crystal vortex phase element. (a) Photos of the LC patterns with different topological charges  under crossed polarizers[84]; (b) The experimental and simulated intensity distributions of vector beams generated

by complex LC q-plates (array) [85]; (c) Digitalized geometric phases for parallel optical spin and orbital angular momentum encoding[86]

4 结论与展望

对光的振幅、相位和偏振态等基本参量在亚波长尺度进行高效自由调控，是科研前沿热点之一。矢量光场是近年来提出的新概念，其具有空间偏振态、振幅和相位非均匀分布特性，为研究光与物质相互作用提供一种崭新手段，也推动了一些新特性、新现象和新效应的发现，为微纳光学加工技术提供了新的途径。由于受到矢量光场产生技术等方面因素的制约，目前相关的研究工作才刚刚开始；但已在激光微纳制造、矢量光场曝光等方面展现出广阔的应用前景。近年来，随着超构表面等新型光场调控技术的出现与快速发展，时空多维矢量光场调控成为可能，为光学加工带来了新的契机，有望进一步提升光学加工的性能极限，但仍需重点突破以下几个方面内容：1）开展时空多维矢量光场调控机理与方法研究，突破高效率时空矢量光场的多维定制化调控技术，满足不同光学加工的应用需求。2）开展跨尺度矢量光场调控器件的高效加工技术研究，突破现有器件的波长、效率和时空调制能力单一的性能局限，尤其是针对高功率/脉冲能量激光切割、微孔加工等应用场景的光场调控器件的加工，形成高效率、高一致性的时空多维矢量光场调控能力。3）构建矢量光场与物质相互作用的多维跨尺度理论模型和高时空分辨观测体系，从机理和超快动力学角度研究矢量光场的激光能量吸收、能量转移、材料/组织相变以及结构成形成性过程，从而设计矢量光场的时空分布特性以最大化光学加工的应用极限。随着矢量光场调制技术及其与物质相互作用机理与方法研究的不断深入和进步，基于矢量光场的光学加工技术的未来必将愈发明朗。

文章来源：中国激光,2024,51(12):1202403

文章作者：许丽佳,王青松,付小芳,张其,何琼,赵泽宇,罗先刚

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