基于液晶的平面可调超透镜及其在远场超分辨成像中的应用研究

Far-field super-focusing beyond diffraction limit and super-resolution imaging are of vital importance to both scientific research and industrial applications. Although the planar metalens has attracted extensive interests due to its novel design principle and capability of integration, the fabrication of the metalens such as metasurface lens is extremely expensive and time-consuming, which can only be done by limited labs with excellent fabrication facilities around the world. Hence, it is of great importance to develop metalens which can focus beyond the diffraction limit and can be fabricated by an efficient and cost-effective approach. Based on the previous studies on planar ultrathin lens and super-focusing, this project aims to design a novel planar tunable lens with super-focusing properties based on Pancharatnam-Berry phase and liquid crystal. High-accuracy photoalignment method with micron-sized resolution will be adopted to tune the directors of the liquid crystal according to the phase profile of the lens, thus leading to a fast and cost-effective roadmap to fabricate the planar metalens. Moreover, this work aims to design electrically-tunable liquid crystal metalens with focal length f>200um, NA>0.9, FWHM<0.4λ and efficiency >80% based on optimizing its spatially-variant phase profile. The application of this kind of metalens in far-field super-resolution imaging will be also investigated. This research will benefit the study of liquid crystal lens and far-field super-resolution imaging in the visible range.

实现可见光波段的远场超衍射极限聚焦和超分辨成像对科学研究和工程应用都具有重要意义。尽管近年来平面超透镜由于理论上的创新和便于集成等特点备受关注，但该类型超透镜的加工制备异常昂贵且耗时，目前全球仅有少数顶级实验室有制备能力。因此，探索研究一种较低成本且能快速被制备的超衍射透镜具有重大意义。在前期研究的基础上，本项目拟开发基于Pancharatnam–Berry相位和液晶的可调超衍射极限透镜，通过高精度的空间微畴光取向技术调制液晶指向矢，使其满足超衍射聚焦透镜的相位分布，从而实现快速廉价的制备液晶超透镜的方法。此外，拟通过设计相干条件，制备得到满足远场（f>200um）、数值孔径NA>0.9、焦斑尺寸FHWM<0.4λ的高效率（>80%）的可电调的液晶超透镜，并探索该类新型的液晶透镜在远场超分辨成像中的应用。该项目的研究对液晶光学透镜和纯光学的远场超分辨成像等方面具有重要意义。

随着集成光学技术的迅速发展，产业界和科学研究均对光子元件的轻薄化、小型化提出了更高的要求，虽然无机材料型超透镜在传感、显示、通信和成像等系统中被广泛应用，但其制备成本昂贵且耗时。因此，亟需探究一种低成本且能快速制备的超衍射透镜及其材料体系。本项目基于液晶材料和高精度光控取向技术，研究了液晶材料实现PB相位及对相干光高效率相位调控机制，揭示液晶材料体系及其指向矢与取向层、液晶层厚度和外加电压的互相影响机制。项目组基于Landau-de Gennes 模型，提出了准确求解液晶器件的指向矢分布的非均匀网格法，在理论上建立了液晶指向矢与各影响因子之间的数学模型，实现了光取向液晶光子学器件的高效、准确的模拟仿真。基于液晶光子学器件的理论模型和高效的模拟仿真方法，项目组获得了高效优化设计液晶超透镜的方法和相应的优化算法代码，设计优化得到多组满足设计要求的液晶超透镜的相位分布。此外，项目组研究了液晶超透镜的制备工艺并进行了参数优化，采用偶氮苯类光取向剂SD1、405nm蓝光、数字微镜DMD和六轴云台对液晶盒子进行空间各向异取向，实现了将所需设计的PB相位分布赋予SD1取向层和液晶层分子，制备得到了可调型液晶超透镜和膜型液晶超透镜，并搭建了测试光路，验证了其在单波长连续型激光照射下的远场聚焦效果。该项目的研究为液晶超透镜的模拟仿真和定制化设计奠定了坚实的基础，推动了有机材料型超透镜的理论和应用发展。