Fabrication of liquid crystal optical elements based on SLM projection splicing technology

YU Li-hong; SHEN Dong; ZHENG Zhi-gang

doi:10.37188/CJLCD.2022-0153

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Fabrication of liquid crystal optical elements based on SLM projection splicing technology

Device Physics and Device Preparation | 更新时间：2022-12-07

- Fabrication of liquid crystal optical elements based on SLM projection splicing technology
- Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays Vol. 37, Issue 9, Pages: 1132-1139(2022)
- 作者机构：
  
  1.华东理工大学物理学院，上海 200237
  2.华东理工大学材料科学与工程学院，上海 200237
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(61822504;51873060;62035008);Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission(2021-01-07-00-02-E00107);“Shuguang Program” of Shanghai Education Development Foundation and Shanghai Municipal Education Commission(21SG29)
- DOI：10.37188/CJLCD.2022-0153
  CLC： 0753⁺.2
- Received：28 April 2022，
  
  Revised：10 May 2022，
  
  Published：05 September 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
YU Li-hong, SHEN Dong, ZHENG Zhi-gang. Fabrication of liquid crystal optical elements based on SLM projection splicing technology[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(9): 1132-1139.
DOI：

YU Li-hong, SHEN Dong, ZHENG Zhi-gang. Fabrication of liquid crystal optical elements based on SLM projection splicing technology[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(9): 1132-1139. DOI： 10.37188/CJLCD.2022-0153.

摘要

提出了一种以硅基液晶空间光调制器（LCOS SLM，以下简称SLM）为基础的投影拼接式光取向技术。通过结合SLM和二维移动平台可以实现任意尺寸、任意几何相位图案化分布的液晶光学元件的制备。基于此技术，通过连续扫描曝光的方法制备了多种液晶光学元件：一维偏振光栅、二维光栅、微透镜阵列和全息图。实验结果表明：通过该技术可以实现连续相位分布的光学元件的制备和扩大光学元件的口径；尺寸为25.4 mm×25.4 mm的一维偏振光栅的衍射效率达到98.32%，且各区域误差不超过1%；可以仅改变加载到SLM上的曝光图样，实现二维周期性或其他复杂图案的液晶光学元件的制备。基于SLM的投影拼接式光取向技术具有高分辨率、高效率、工艺简单、可实现任意尺寸光学元件制备等特点，可以进一步推动液晶光学元件的发展和实际应用。

Abstract

This paper proposed a projection splicing photo-alignment technology based on a liquid crystal on silicon spatial light modulator （LCOS SLM）. By combining SLM and two-dimensional translation stage， the fabrication of liquid crystal optical elements with arbitrary size and arbitrary Pancharatnam-Berry phase pattern can be realized. Based on this technology， a variety of liquid crystal optical elements were fabricated by continuous scanning exposure method， such as one-dimensional polarization grating， two-dimensional grating， microlens array and hologram. The experimental results show that： this technology can realize the fabrication of optical elements with continuous phase distribution and enlarge the aperture of optical elements； the diffraction efficiency of a one-dimensional polarization grating with a size of 25.4 mm×25.4 mm reaches 98.32%， and the error in each area does not exceed 1%； the liquid crystal optical elements with two-dimensional periodicity or other complex pattern can be fabricated only by changing the exposure pattern loaded to the SLM. The SLM-based projection splicing photo-alignment technology has the characteristic of high resolution， high efficiency， simple process， and can realize the fabrication of optical elements of any scale， which can further promote the development and practical application of liquid crystal optical elements.

关键词

Keywords

references

刘澍鑫，庄仲森，李燕，等 . 基于单步曝光的光配向液晶器件研究及应用［J］. 液晶与显示， 2021 ， 36 （ 6 ）： 761 - 771 ． doi: 10.37188/CJLCD.2021-0032 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0032

LIU S X ， ZHUANG Z S ， LI Y ， et al . Research and application： liquid crystal devices fabricated by single-exposure photoalignment ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 761 - 771 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0032 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0032

MEAD C A . “ Block diagonalization” as generalization of Pancharatnam-Berry phase relation for multidimensional spaces ［J］. Physical Review A ， 1991 ， 44 （ 3 ）： 1473 - 1476 . doi: 10.1103/physreva.44.1473 http://dx.doi.org/10.1103/physreva.44.1473

YU H ， ZHOU Z Y ， QI Y L ， et al . Pancharatnam-Berry optical lenses ［J］. Journal of the Optical Society of America B ， 2019 ， 36 （ 5 ）： D107 - D111 . doi: 10.1364/josab.36.00d107 http://dx.doi.org/10.1364/josab.36.00d107

ZHAN T ， LEE Y H ， TAN G J ， et al . Pancharatnam-Berry optical elements for head-up and near-eye displays ［Invited］［J］. Journal of the Optical Society of America B ， 2019 ， 36 （ 5 ）： D52 - D65 . doi: 10.1364/josab.36.000d52 http://dx.doi.org/10.1364/josab.36.000d52

FÖLLING J ， BOSSI M ， BOCK H ， et al . Fluorescence nanoscopy by ground-state depletion and single-molecule return ［J］. Nature Methods ， 2008 ， 5 （ 11 ）： 943 - 945 . doi: 10.1038/nmeth.1257 http://dx.doi.org/10.1038/nmeth.1257

YIN K ， ZHAN T ， XIONG J H ， et al . Polarization volume gratings for near-eye displays and novel photonic devices ［J］. Crystals ， 2020 ， 10 （ 7 ）： 561 . doi: 10.3390/cryst10070561 http://dx.doi.org/10.3390/cryst10070561

XIONG J H ， WU S T . Planar liquid crystal polarization optics for augmented reality and virtual reality： from fundamentals to applications ［J］. eLight ， 2021 ， 1 （ 1 ）： 3 . doi: 10.1186/s43593-021-00003-x http://dx.doi.org/10.1186/s43593-021-00003-x

XIONG J H ， HSIANG E L ， HE Z Q ， et al . Augmented reality and virtual reality displays： emerging technologies and future perspectives ［J］. Light： Science & Applications ， 2021 ， 10 （ 1 ）： 216 . doi: 10.1038/s41377-021-00658-8 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-021-00658-8

LIN D M ， FAN P Y ， HASMAN E ， et al . Dielectric gradient metasurface optical elements ［J］. Science ， 2014 ， 345 （ 6194 ）： 298 - 302 . doi: 10.1126/science.1253213 http://dx.doi.org/10.1126/science.1253213

KIM J ， LI Y M ， MISKIEWICZ M N ， et al . Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts ［J］. Optica ， 2015 ， 2 （ 11 ）： 958 - 964 . doi: 10.1364/optica.2.000958 http://dx.doi.org/10.1364/optica.2.000958

LEE G Y ， HONG J Y ， HWANG S H ， et al . Metasurface eyepiece for augmented reality ［J］. Nature Communications ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 4562 . doi: 10.1038/s41467-018-07011-5 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07011-5

ZHAN T ， LEE Y H ， WU S T . High-resolution additive light field near-eye display by switchable Pancharatnam-Berry phase lenses ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 4 ）： 4863 - 4872 . doi: 10.1364/oe.26.004863 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.004863

LEE Y H ， YIN K ， WU S T . Reflective polarization volume gratings for high efficiency waveguide-coupling augmented reality displays ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 22 ）： 27008 - 27014 . doi: 10.1364/oe.25.027008 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.027008

CHEN P ， MA L L ， DUAN W ， et al . Digitalizing self‐assembled chiral superstructures for optical vortex processing ［J］. Advanced Materials ， 2018 ， 30 （ 10 ）： 1705865 . doi: 10.1002/adma.201705865 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201705865

LIN T G ， XIE J ， ZHOU Y J ， et al . Recent advances in photoalignment liquid crystal polarization gratings and their applications ［J］. Crystals ， 2021 ， 11 （ 8 ）： 900 . doi: 10.3390/cryst11080900 http://dx.doi.org/10.3390/cryst11080900

GAO K ， MCGINTY C ， PAYSON H ， et al . High-efficiency large-angle Pancharatnam phase deflector based on dual-twist design ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 6 ）： 6283 - 6293 . doi: 10.1364/oe.25.006283 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.006283

HUANG Y H ， LI M S ， KO S W ， et al . Helical wavefront and beam shape modulated by advanced liquid crystal q -plate fabricated via photoalignment and analyzed by Michelson’s interference ［J］. Applied Optics ， 2013 ， 52 （ 26 ）： 6557 - 6561 . doi: 10.1364/ao.52.006557 http://dx.doi.org/10.1364/ao.52.006557

SHI Y ， LAI Y M ， LIU Y J ， et al . Two-dimensional liquid crystal polarization grating via linearly polarized light modified multi-beam polarization interferometry ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 9 ）： 13061 - 13071 . doi: 10.1364/oe.27.013061 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.013061

SHI Y ， LIU Y J ， SONG F ， et al . Photoalignment-induced two-dimensional liquid crystal polarization structure via multi-beam polarization interferometry ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 6 ）： 7683 - 7692 . doi: 10.1364/oe.26.007683 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.007683

NERSISYAN S R ， TABIRYAN N V ， STEEVES D M ， et al . Characterization of optically imprinted polarization gratings ［J］. Applied Optics ， 2009 ， 48 （ 21 ）： 4062 - 4067 . doi: 10.1364/ao.48.004062 http://dx.doi.org/10.1364/ao.48.004062

FU W X ， ZHOU Y Q ， YUAN Y D ， et al . Generalization of Pancharatnam-Berry phase interference theory for fabricating phase-integrated liquid crystal optical elements ［J］. Liquid Crystals ， 2020 ， 47 （ 3 ）： 369 - 376 . doi: 10.1080/02678292.2019.1655172 http://dx.doi.org/10.1080/02678292.2019.1655172

CHEN P ， JI W ， WEI B Y ， et al . Generation of arbitrary vector beams with liquid crystal polarization converters and vector-photoaligned q-plates ［J］. Applied Physics Letters ， 2015 ， 107 （ 24 ）： 241102 . doi: 10.1063/1.4937592 http://dx.doi.org/10.1063/1.4937592

MISKIEWICZ M N ， ESCUTI M J . Direct-writing of complex liquid crystal patterns ［J］. Optics Express ， 2014 ， 22 （ 10 ）： 12691 - 12706 . doi: 10.1364/oe.22.012691 http://dx.doi.org/10.1364/oe.22.012691

FU W X ， ZHOU Y Q ， YUAN Y D ， et al . Symmetric Airy vortex and symmetric Airy vector beams ［J］. Liquid Crystals ， 2021 ， 48 （ 4 ）： 484 - 490 . doi: 10.1080/02678292.2020.1789923 http://dx.doi.org/10.1080/02678292.2020.1789923

WU H ， HU W ， HU HC ， et al . Arbitrary photo-patterning in liquid crystal alignments using DMD based lithography system ［J］. Optics Express ， 2012 ， 20 （ 15 ）： 16684 - 16689 . doi: 10.1364/oe.20.016684 http://dx.doi.org/10.1364/oe.20.016684

JI W ， LEE C H ， CHEN P ， et al . Meta-q-plate for complex beam shaping ［J］. Scientific Reports ， 2016 ， 6 ： 25528 . doi: 10.1038/srep25528 http://dx.doi.org/10.1038/srep25528

曹慧敏，吴赛博，王靖阁，等 . 光取向液晶微结构及其光子元件［J］. 液晶与显示， 2021 ， 36 （ 7 ）： 921 - 938 ． doi: 10.37188/CJLCD.2021-0004 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0004

CAO H M ， WU S B ， WANG J G ， et al . Photoalignment enabled liquid crystal microstructures for optics and photonics ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 921 - 938 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0004 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0004

邹朋飞，魏冰妍，杨淑蕾，等 . 光控取向技术应用于液晶非显示领域的若干进展［J］. 液晶与显示， 2017 ， 32 （ 6 ）： 411 - 423 ． doi: 10.3788/yjyxs20173206.0411 http://dx.doi.org/10.3788/yjyxs20173206.0411

ZOU P F ， WEI B Y ， YANG S L ， et al . Some progresses of photoalignment technique applied in liquid crystal nondisplay field ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 411 - 423 . （in Chinese） . doi: 10.3788/yjyxs20173206.0411 http://dx.doi.org/10.3788/yjyxs20173206.0411

DE SIO L ， ROBERTS D E ， LIAO Z ， et al . Digital polarization holography advancing geometrical phase optics ［J］. Optics Express ， 2016 ， 24 （ 16 ）： 18297 - 18306 . doi: 10.1364/oe.24.018297 http://dx.doi.org/10.1364/oe.24.018297

LI Y ， LIU Y D ， LI S D ， et al . Single-exposure fabrication of tunable Pancharatnam-Berry devices using a dye-doped liquid crystal ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 9054 - 9060 . doi: 10.1364/oe.27.009054 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.009054

ECKHARDT S K ， BRUZZONE C L ， AASTUEN D J W ， et al . 3M PBS for high-performance LCOS optical engine ［C］// Proceedings of SPIE 5002 ， . Santa Clara， CA， USA ： SPIE ， 2003 . doi: 10.1117/12.485562 http://dx.doi.org/10.1117/12.485562

YERALAN S ， GUNTHER J ， RITUMS D L ， et al . Switchable Bragg grating devices for telecommunications applications ［J］. Optical Engineering ， 2002 ， 41 （ 8 ）： 1774 - 1779 . doi: 10.1117/1.1486457 http://dx.doi.org/10.1117/1.1486457

STENHOLM S . Polarization coding of quantum information ［J］. Optics Communications ， 1996 ， 123 （ 1/3 ）： 287 - 296 . doi: 10.1016/0030-4018(95)00527-7 http://dx.doi.org/10.1016/0030-4018(95)00527-7

LIM Y L ， BEIGE A ， KWEK L C . Repeat-until-success linear optics distributed quantum computing ［J］. Physical Review Letters ， 2005 ， 95 （ 3 ）： 030505 . doi: 10.1103/physrevlett.95.030505 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.95.030505

ARAI J ， KAWAI H ， OKANO F . Microlens arrays for integral imaging system ［J］. Applied Optics ， 2006 ， 45 （ 36 ）： 9066 - 9078 . doi: 10.1364/ao.45.009066 http://dx.doi.org/10.1364/ao.45.009066

VEKSHIN M M ， LEVCHENKO A S ， NIKITIN A V ， et al . Glass microlens arrays for Shack-Hartmann wavefront sensors ［J］. Measurement Science and Technology ， 2010 ， 21 （ 5 ）： 054010 . doi: 10.1088/0957-0233/21/5/054010 http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/21/5/054010

WIPPERMANN F ， RADTKE D ， AMBERG M ， et al . Integrated free-space optical interconnect fabricated in planar optics using chirped microlens arrays ［J］. Optics Express ， 2006 ， 14 （ 22 ）： 10765 - 10778 . doi: 10.1364/oe.14.010765 http://dx.doi.org/10.1364/oe.14.010765

Views

465

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Research and application: liquid crystal devices fabricated by single-exposure photoalignment

Research and application： liquid crystal devices fabricated by single-exposure photoalignment

Subwavelength gold gratings refection phase modulated by liquid crystals

Related Author

Yi-kai SU

Ze-kun YAN

Yan LI

Zhong-sen ZHUANG

Shu-xin LIU

Zhong-sen ZHUANG

Shu-xin LIU

Yan LI

Related Institution

Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University

Department of Electronic Engineering， Shanghai Jiao Tong University

Key Laboratory of Intelligent Computing & Signal Processing， Ministry of Education， Anhui University

State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications， Beijing University of Posts and Telecommunications

Key Laboratory of Optical Information Detecting and Display Technology of Zhejiang Province

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China 130033 Postal code：130033
Tel：0431-86176059 Email：yjxs@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰