前沿：全自由度液晶全息器件助力轻薄增强现实近眼显示

研究背景

      随着数字经济的兴起，人们和数字世界交互的需求与日俱增。近几十年来，在芯片和集成电路上的改进使得移动设备的计算能力获得了数个数量级的飞跃。然而在显示方面，现有的2D平板显示的信息承载能力和世纪初的相比却并不存在数量级上的提升。反观，近期兴起的虚拟现实和增强现实则为人们提供了一个深层的3D交互平台，如苹果Vision Pro、Pico 4、微软Hololens 2等。虚拟/增强现实有希望大大增加人们和3D虚拟世界的信息交互带宽，从而进一步构建结合人工智能、高速通信等的下一代数字平台。而在虚拟/增强现实中，如何实现超轻薄的显示系统一直是一项重大挑战。因为受到光学守恒量的底层物理限制，传统几何光学在同时实现大视野图像和轻薄体积两个方面存在相互制约。因此开发新型的光学元器件和对应的显示系统是近眼显示的一大重要方向。而全息器件作为一种平面光学器件，其微米级的厚度能够大大降低光学系统的体积，从而有希望实现超轻薄的近眼显示。

论文导读

      1971年的诺贝尔物理学奖得主丹尼斯·加博尔(Dennis Gabor)发明了全息摄影。全息技术也因此迎来一波蓬勃发展。然而，传统的全息光学器件(如卤化银，光致聚合物，液晶分散体全息等)都是依赖于直接将干涉光的空间条纹记录到全息材料之中。因为最终全息器件完全由记录时的干涉条纹决定，难以实现后期的调控，使得其在一些成像和显示系统中的应用受限。并且其较小的折射率调制度(~0.05)也导致了较小的角度带宽，从而限制了其成像性能。而近期新兴的偏振全息液晶器件则将全息信息的记录和器件形成这两个过程分开：纳米级厚度的光取向层负责记录全息偏振场信息，而拥有光学衍射性质的液晶层则由液晶的自组装来形成。这两个独立的器件形成过程就使得分别对每一个过程的操控和调控成为可能。并且该偏振全息液晶器件拥有较大的折射率调制度(~0.2)和动态调制能力，适用于高性能的新型近眼显示。相关工作以“Full degree-of-freedom polarization hologram by freeform exposure and inkjet printing”为题于2023年10月13日发表在 PhotoniX 上。

主要研究内容

      在该工作中，来自北京理工大学的熊江浩教授等人利用自由曲面曝光和喷墨打印，全面解锁了偏振全息液晶器件的制备自由度。全息元件的自由度主要分为平面内的自由度和垂直平面的自由度，前者决定面内每个点的衍射方向，而后者决定衍射效率以及其他光学响应。自由曲面拥有着高度的设计自由度，从而能够产生任意的波前。利用自由曲面进行光取向层的全息曝光，能够实现面内的自由度。喷墨打印利用压电效应，将溶液精确地涂覆到基底上，能够实现局域的液晶材料调控。利用喷墨打印涂覆液晶材料，并且结合液晶的自组装性质，能够实现垂直平面的制备自由度。两者结合，便能够实现全自由度的偏振全息液晶器件的制备。为了验证该制备方法，研究团队制备了全彩的偏振全息液晶光耦合器并搭建了对应的视网膜扫描显示系统。其中，自由曲面曝光被用于矫正显示系统的红绿蓝波长和光取向记录波长的错配导致的像差。而喷墨打印则被用于逐点调控液晶薄膜的布拉格衍射峰，从而消除各个颜色通道之间的串扰。

技术突破

      首先，研究团队提出了设计曝光自由曲面和校准曲面的方法。首先，通过对全息器件的相位函数的优化，实现希望的成像效果。然后，将相位函数放置于曝光光路中，并优化曝光自由曲面，使得最终入射光和出射光皆为平行光，这与实际曝光的情况一致。最后，考虑到该自由曲面在实际曝光光路中如何精确放置的问题，团队提出利用周围的8个校准曲面将入射光聚焦到样品周围的四个点。这样就能够在搭建光路时精确调整自由曲面的放置位置和角度，使得其与仿真情况一致。

      另一方面，通过喷墨打印可以逐点控制偏振全息液晶器件的衍射性质，抑制其他衍射杂光。在本工作中，通过调节配比喷墨打印的溶剂材料，实现了良好的打印线轨迹，从而制备了高质量的样品。测量结果表示，通过局域控制手性分子浓度，可以实现对其他两个波长衍射效率的抑制。

观点评述

      本工作解锁了偏振全息液晶器件的制备自由度，结合该器件本身的高角度/波长带宽、偏振选择性、动态调制性等特有优势，有望为新型近眼显示的设计和制备提供新思路。典型应用包括：虚拟现实pancake光学，变焦光场显示，增强现实波导显示，视网膜扫描显示，全息显示等。

主要作者

      熊江浩，北京理工大学特别副研究员，博士毕业于美国中佛罗里达大学，导师为吴诗聪（Shin-Tson Wu）。研究领域主要为偏振全息液晶器件，虚拟/增强现实，近眼显示，3D光场显示等。目前以第一/通讯作者在Light: Science and Applications, eLight, PhotoniX, Optics Letters, Optics Express等期刊上发表论文14篇，SCI引用1100余次。获得的奖项包括FRLR-ILCS液晶研究钻石奖，JSID年度最佳论文奖，两次SID杰出论文奖等。

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