第四代光学技术突破了平面光学的局限性

平面4G光学技术通过微米级厚度、清晰且无雾的薄膜，在不同的光学模式之间切换，实现了对宽带光的更高控制。

NELSON TABIRYAN——高级测量公司的光束工程部将这种微米级厚度的薄膜涂覆在平面玻璃基板上，能够以与棱镜相同的方式偏转光束。这种薄膜可以在分子级别上制成结构光滑，并且像熔融石英或蓝宝石的抛光窗口一样清晰且无雾。

由 BEAM Engineering for Advanced Measurements Co. 提供

这些平面棱镜和透镜，以及光学涡旋、轴锥镜、图案化相位板、光束整形器和众多定制光学元件，相比经典的光学窗口具有更宽的透射光谱，因此适用于各种要求苛刻的应用。其中许多应用涉及高能激光束，并在恶劣的环境条件下进行，包括太空和战场。

构成这类光学器件的组件和设备标志着基础光学技术的一场革命。自世纪之交以来，这一革命性的标志在于实现了在很大角度范围内对宽带光进行控制而不产生吸收和散射损失，能够在不同光学状态之间切换而不依赖于光的偏振，并且能够实现大孔径。

在厚度与光的波长相当的薄膜中，对于很大范围的角度，在可见光和红外波段获得了超过99%的衍射效率，这看似违背了传统光学的教科书性质。然而，这种组合是衍射波片所固有的——衍射波片是一种光学薄膜，其光学非对称轴具有空间变化的取向。对于满足半波延迟条件的波长，圆偏振光束穿过波片时，其相位会根据光学轴的对齐模式进行调制。

因此，可以在偏振器之间揭示的分子对齐模式决定了衍射波片的光学功能（图1）。

图 1.衍射波片透镜 （a） 和锥透镜 （b） 中光学各向异性轴的对准图案。除非通过偏振器 （d） 查看，否则组件显示为透明窗口 （c）。由 BEAM Engineering for

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4G：终极平面光学

平面光学的普及是前三代光学技术迭代发展的结果：形状调制（第一代）；折射率调制，如梯度折射率透镜（第二代）；以及有效双折射调制，如液晶显示器（LCD，第三代）。虽然最初是为了克服LCD因偏振器吸收导致的低光效率而开发，但标志着第四代光学的衍射波片现在已被应用于增强现实（AR）/虚拟现实（VR）眼镜、自适应眼科眼镜和激光雷达中。其应用领域横跨国防/航空航天、制造业和遥感技术3。

谷歌XR工程总监、2023年SPIE主席伯纳德·克雷斯指出，光学领域没有“摩尔定律”。换句话说，与半导体器件领域不同，自然界本身并没有提供其他控制光的机会（引力除外）。

液晶最适合用于制造4G光学元件。首先，它们的高弹性——液晶不会“断裂”——使得能够使用快速工艺和廉价材料以微米级分辨率生产光学非对称轴的调制结构。其次，液晶的光学非对称性——即光在平行和垂直于液晶光学轴方向上的折射率差异——与水蒸发过程中折射率的变化一样大甚至更大。因此，微米级的液晶层可以对光谱的不同部分引入半波延迟到光束中。

此外，液晶材料从紫外线到中红外（MIR）波长范围内都具有高度透明性。甚至在长波红外（LWIR）和太赫兹波段也存在透射线，并且相同的材料可用于生产不同波段的光学元件。这意味着，每平方厘米孔径仅需数毫克液晶材料的一小部分即可生产半波延迟薄膜和涂层，从而支持高效和高光强的棱镜和透镜。分子对齐的空间调制通常使用紫外-可见蓝光产生，即使在单个激光脉冲下或在阳光下，也能获得每平方厘米1毫焦耳（mJ/cm²）的微小曝光能量。

液晶在4G光学制造中的优势也延伸到了液晶聚合物薄膜。这些薄膜可以被释放并转移到不同的基板上，或者被装框成薄膜光学元件；生产中使用的基板是完全可回收的。

定制光学元件和当天交付

衍射波板中可以集成的延迟、对齐和/或薄膜数量使其衍射效率具有广泛的定制范围。这提供了在所需波段内控制光束传播而不影响波段外光传播的机会。通过这种方式制造的光谱选择性透镜被组合在单个薄膜中，以将RGB波长的光聚焦到同一焦平面上，如图2所示，该图还显示了通过多色4G透镜获得的白光LED阵列的图像。

图 2.光谱选择性摆线衍射波片的功能 — 仅偏转特定光谱带的棱镜平面类似物（顶行）。示意图显示了由平面透镜组成的多光谱透镜的结构，这些平面透镜针对入射

白光的不同光谱分量的衍射进行了优化，以及在由具有圆形 LED 分布的手电筒（底行）照亮的这种透镜的焦点中获得的图案。由 BEAM Engineering for Advanced

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图3中的光谱代表了针对圆偏振光的紫外和可见光宽带光学以及针对非偏振光的宽带红外光学而优化的衍射波片。基本的衍射波片可以将非偏振光或线偏振光衍射成两束正交圆偏振光。这一特性被用于例如瞬时偏振测量和圆二色光谱测量中。衍射波片的结构、等分子对齐平面的倾斜角以及材料的双折射可以选择性地满足其中一束衍射光的布拉格条件，以及“反布拉格”条件，后者会消除第二束光的衍射。然后，可以将这样的薄膜组合起来，实现与偏振无关的偏转或透镜功能，同时不牺牲衍射效率。

图 3.衍射波片的光谱表征。针对 UV 波长优化的衍射波片 （a）;可见光宽带衍射波片的效率（注意 98% 到 100% 的比例）（b）;非偏振光的效率（以前的光谱与圆偏

振有关） （c）;具有抗反射 （AR） 涂层的液晶聚合物波片 （d）;通过光学元件观察黑白铅笔 （e） 来演示可见宽带摆线衍射波片的性能。由 BEAM Engineering for

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图3还展示了在液晶聚合物上沉积的抗反射（AR）涂层可使衍射波片的透过率接近100%。液晶聚合物具有连续且光滑的表面，以及极高的机械强度、耐热性和耐化学性，使得这种沉积成为可能。如此宽的光谱带宽进而转化为高效率的宽角度范围：在白色环境光照射下，墙上的时钟图像即使在极端/陡峭的角度下也不会通过宽带4G棱镜泄漏（见图4）。由于衍射效率高，人们可以通过肉眼直接（无需暗色滤光眼镜）观察通过摆线衍射波片观察到的太阳（见图5）。

光学各向异性轴的相位与排列模式之间的简单关系意味着4G光学的物理建模只需几分钟，并且可以无需复杂公式即可呈现。简而言之，相位等于取向角的两倍。

自20世纪50年代以来已知的该相位被称为几何相位（和/或潘查拉特南相位，和/或潘查拉特南-贝里相位）。然而，影响光传播的是空间调制，而非相位本身。这一观点在几何相位研究的早期并未被认识到。衍射波板的替代名称可能阻碍了这项技术的发展，用复杂的定义和描述掩盖了其相对简单性。

无论如何，所需功能的4G光学元件都可以在短时间内，甚至在大面积内进行建模、设计和生产。如今的制造技术仍与成熟的LCD制造技术有许多共通之处。这在基于液晶的可切换4G光学元件中尤为明显，例如焦距可切换的透镜、光束整形器可切换的装置以及偏转角度可切换的棱镜。

此外，LCD行业的成熟确保了液晶物理和化学已被充分了解，针对所有不同电光特性的优化材料均可获得，而且成本通常较低。甚至可以用大约100美元/毫升的价格购买到专用液晶，这一数量足以生产1000平方厘米的透镜。

图 4.摆线衍射波片涂覆在 2 英寸的玻璃基板上。直径。它离开光束 （a） 并被带入光束 （b），使其偏转为棱镜。通过以大角度观察墙上时钟的衍射图案，证明了非

常大角度下的高效率 （c， d）。未观察到泄漏。由 BEAM Engineering for Advanced Measurements Co. 提供。

图 5.通过一对衍射波片对太阳进行成像。由 BEAM Engineering for Advanced Measurements Co. 提供。

关键制造技术，包括旋转涂布机和喷墨涂布机、偏振全息系统、空间光调制器以及更专业的空间光偏振调制器，也都以实惠的价格广泛供应。由于采用了偏振全息术，这些元件中的一部分也被称为偏振光栅，尽管并非所有偏振光栅都是衍射波片。

最终，大规模生产无需依赖敏感的全息记录系统即可实现。使用偏振光刻——即通过低功率非相干光源和偏振转换器掩模进行打印——是一种已确立的大规模制造方法。

反射式几何相位光学

液晶还能在反射中实现几何相位调制，这为部署这些光学元件提供了更多机会。当圆偏振光从手性液晶形成的螺旋带隙反射时，这种特性就会显现，其中周期性结构提供布拉格反射。同时，分子排列模式的螺旋性质使带隙对光的圆偏振的手性敏感；即只有当光的波长在带隙内，且根据螺旋的手性圆偏振时，光才会被反射。

正交圆偏振光和非带隙波长的光在穿过材料时不受影响。这样，手性液晶就起到了完美的反射式圆偏振器的作用。

此外，由于螺旋绕其轴旋转会改变圆偏振入射光在反射时的相位，因此螺旋排列的空间调制可以在反射时聚焦、偏转或以其他方式操控光。与透射光学元件一样，通过结合右旋和左旋手性液晶，可实现与偏振无关的性能；通过结合不同布拉格波长的手性液晶或通过改变螺旋结构，可实现光谱宽带性能。从制造的角度来看，并且最终对于光学元件的性能而言，无需保持半波延迟条件带来了显著优势。

手性液晶的布拉格光栅具有0.1及以上的有效折射率调制，而传统（玻璃）体积布拉格光栅的有效折射率调制仅为0.001及以下。这具有重要意义。首先，与传统布拉格光栅需要数毫米厚度相比，仅在几微米的薄膜中即可获得高对比度反射。其次，对于可见光波长，带隙的宽度可宽达约10至50纳米。第三，手性液晶的带隙不具有传统体积布拉格光栅的高角度选择性。此外，手性液晶的布拉格波长和带隙宽度都可通过材料工程或外部条件轻松控制。

4G光学与超光学

通常，在不连续结构中，如菲涅耳透镜和金属透镜（此处指所有超表面光学技术），未衍射光以雾的形式存在于图像中，这限制了这些元件的光学性能。在光学成像中，特别是用于成像应用的光学元件的功能中，未聚焦光的部分是一个核心考量因素。

结构的不连续性对金属透镜的效率设置了基本限制。同样，金属透镜技术的功能限制涉及不同的考量因素，每一个都可能影响性能。这些因素包括无法在各种菲涅耳数范围内提供接近衍射极限的性能，以及无法同时实现大聚焦功率和宽带响应。

金属透镜的制造仍然是一个瓶颈，因为其结构由数十亿个不同形状和大小的支柱组成，不可避免地存在缺陷。即使在红外波长下也是如此。相比之下，4G光学元件只需通过控制液晶层的厚度，即可为蓝光甚至紫外光波长制造。金属透镜在建模和模拟阶段也存在挑战，这两个阶段都需要大量的计算资源。

与金属透镜的可制造性相关的进一步问题涉及成本考量。开发所谓的主金属透镜（理论上可用于廉价复制）受到图案从抗蚀剂转移到硅的过程中保持纳米-微支柱特征清晰度的需求的阻碍。例如，据报道，效率从45%（主透镜）降低到6%（纳米压印复制品）。

最后，还有时间方面的考量。超表面的制造通常涉及多个耗时的处理步骤，并可能使用危险材料。

光学的圣杯

光学的圣杯——一种像透镜和棱镜那样清晰且高效的光学元件，但不像它们那样厚重，同时克服了衍射光学和超表面的效率和带宽限制——现已触手可及。这项技术在研发、学术和工业领域的应用日益广泛，这三个领域的成员目前都在积极参与4G光学和光学元件的开发。

这一发展是由直接满足许多现代技术即时需求的新机遇所推动的，这些机遇使得能够制造出可切换多个焦距的大型且轻薄的增透眼镜；电子可切换眼科镜片；用于自主导航的非机械激光雷达；用于高能激光的超轻且紧凑的光束导向器；以及用于将输入光动态处理成具有所需传播和偏振特性的光的光子芯片。NASA、DARPA和其他先进技术组织正在开发和支持从用于系外行星成像的衍射帆和日冕仪掩模到无线能量传输的空中网络的各种应用。

这些成就以及高度的技术成熟度在很大程度上是产业界、高科技组织、军事研究和研发机构之间合作的结果。NASA、美国陆军、DARPA以及特别是空军研究实验室的支持和积极参与，使得能够建立这项技术的关键功能材料基础，并完善制造工艺，以满足波片和现代应用所需的光学质量对严格生产公差的要求。