研究前沿｜电控可切换连续相位液晶菲涅尔波带片：双光子直写实现24/48mm双焦切换

2026 年，牛津大学工程科学系 Zhiyu Xu、Stephen M. Morris 团队在《Light: Science & Applications》发表研究，提出一种在可聚合向列液晶层内直接写入连续相位菲涅尔波带片的创新方案。不同于传统二值液晶衍射元件，该工作利用双光子聚合直写技术，将连续三维相位轮廓精准锁定在 20 μm 厚的液晶层中，使器件可通过电压调控实现多状态切换：在 0 Vpp、2.1 Vpp 和 10 Vpp 下，分别对应短焦、长焦与聚焦关闭态，同时兼顾了更高的聚焦效率与电控重构能力。

本工作系统展示了连续相位液晶菲涅尔波带片（FZP）的设计、制备与性能表征。团队在带有反平行摩擦取向层的 ITO 玻璃液晶盒中，填充了由 78 wt.% E7、20 wt.% RM257 和 1 wt.% IR819 组成的可聚合向列液晶混合物；并在高电压预取向条件下，采用 780 nm 双光子聚合直写（TPP-DLW）技术，在液晶层内部构建聚合网络，将目标空间相位分布直接写入器件。

针对 2π 相位包裹器件，团队制备了直径 600 μm、设计焦距 30 mm 的连续相位 FZP，实验证明其焦点强度约为同尺寸传统二值 FZP 的 1.96 倍，显著提升了聚焦效率。在此基础上，团队进一步将相位深度扩展至 4π 包裹，制备出直径 1.2 mm、设计短焦距 24 mm 的电控可调器件：器件在 0 Vpp 下呈现约 4π 相位深度，对应 24 mm 焦距；在约 2.1 Vpp 下相位幅度收缩至约 2π，同一结构可切换至 48 mm 长焦状态；而在 10 Vpp 下，聚焦功能则基本关闭。

数字全息显微、偏振显微与远场光学测量结果共同表明，这种写入式连续相位方案不仅实现了稳定的离散双焦切换，还兼具较高的光学效率。补充稳定性测试显示，器件在连续工作 24 h、累计开关循环超过 1.4×10³ 次后，性能漂移低于 1%，展现出优异的可靠性；但其上升时间约 6.734 s、下降时间约 0.245 s，说明器件的响应切换速度仍存在优化空间。

图 1. 在可聚合液晶（LC）中制备菲涅尔波带片（FZP）。a 在可聚合液晶盒中使用双光子聚合直接激光写入（TPP-DLW）制备连续相位 FZP 的示意图。TPP-DLW 通过在液晶层内触发双光子聚合来锁定液晶（LC）指向矢，从而形成刚性聚合物网络。制备过程通常在液晶上施加高电压条件下进行，以获得垂直取向。b 未施加外加电场时已制备好的连续相位 FZP 示意图，以及由局域聚合物网络锁定为垂直取向的液晶区域。

图 2. 激光写入菲涅尔波带片（FZP）设计与制备所用参数。a 所设计 FZP 的未包裹相位分布。b 显示 2π rad 范围内周期性不连续的包裹相位分布。c 使用 Euler-Lagrange 弛豫方法得到的液晶层内 Δϕ 与聚合高度之间的关系（见“Materials and methods”）。d 根据优化后的聚合参数计算得到的 FZP 重构高度轮廓。e 连续相位 FZP 的相位轮廓二维模拟，以及 f 对应的 x-y 平面聚合高度轮廓。

图 3. 在不同电压条件下制备菲涅尔波带片。连续相位 FZP 在写入电压分别为（a）V = 0 Vpp 和（b）V = 100 Vpp 时获得的代表性偏振光学显微镜（POM）图像（在显微镜卤素灯之后插入 660 nm 至 694 nm 红色带通滤光片）。白色单箭头表示偏振片（P）和检偏器（A）的方向，黄色单箭头表示取向层的摩擦方向。

图 4. 2π 包裹连续相位菲涅尔波带片。a 包裹连续相位向列液晶 FZP 的模拟 POM 图像。b 实验中在交叉偏振片下观察到的已制备连续相位 FZP 的 POM 图像。该 FZP 的直径为 600 µm，在 20 µm 厚液晶盒中的焦距为 f = 30 mm。a、b 中黑色和白色箭头分别表示偏振片（P）和检偏器（A）的方向。黄色单箭头表示向列液晶器件的摩擦方向。图样中的圆形颗粒为间隔珠，用于保持液晶盒厚度。c 由数字全息显微镜测得结果提取的 FZP 相位轮廓。

图 5. 二值与连续 2π rad 包裹菲涅尔波带片的聚焦特性。a 当激光写入的 FZP 被 633 nm He-Ne 激光照明时，焦平面的图像。左图显示未施加电压时（此时 FZP 处于有效工作状态）xy 平面的焦斑以及对应的 xz 和 yz 平面图像。右图显示施加 10 Vpp 电压时焦斑消失，从而使 FZP 失活。b 激光写入连续相位 FZP 与具有相同焦距和器件直径的二值 FZP（见“Materials and methods”）在焦平面的归一化强度。

图 6. 2π 与 4π rad 包裹连续相位菲涅尔波带片的模拟比较。实线蓝色曲线为焦距 f = 24 mm 的 4π rad 包裹 FZP 的模拟相位轮廓，虚线红色曲线为焦距 f = 48 mm 的 2π rad 包裹 FZP 的模拟相位轮廓。

图 7. 4π rad 连续相位菲涅尔波带片。a 激光写入的 4π rad 包裹连续相位 FZP 的 POM 图像，其直径为 1.2 mm，焦距为 f = 24 mm。b 使用数字全息显微镜（DHM）提取的对应 FZP 相位轮廓。c 沿 b 中红色虚线方向得到的 4π rad 包裹连续相位 FZP 相位剖面。图中同时给出了 4π 与 2π rad 包裹连续相位情形下的模拟与实验结果。

图 8. 4π rad 包裹连续相位菲涅尔波带片的聚焦特性（模拟与实验）。a 为 4π rad 包裹 FZP、b 为最大相位被压缩后的 4π rad 包裹 FZP，在设计焦距 f = 24 mm 处的模拟焦斑及其在 XZ 和 YZ 平面内的传播。c、d 分别为与 a、b 对应构型下获得的实验结果。

图 9. 激光写入的 4π rad 包裹连续相位菲涅尔波带片的聚焦行为。结果对应直径为 1.2 mm、焦距为 f = 24 mm 的 FZP，在三种不同施加电压和三种不同传播距离下的表现。

图 10. 利用具有变焦行为的连续相位 FZP 进行成像。通过施加不同电压，FZP 的焦距可在 f = 24 mm 和 f = 48 mm 之间切换。

总结