近日，ACS Photonics雜志報(bào)道了廈門(mén)大學(xué)陳鷺劍教授、胡學(xué)佳助理教授團(tuán)隊(duì)獲得的新工作 (ACS Photonics 2025, 12, 5, 2583-2594)，相關(guān)成果“Acoustic-Magnetic Tunable Liquid Crystal Microlens Arrays for Polarization-Selective Imaging”展示了一種結(jié)合聲組裝和磁調(diào)制實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)且可調(diào)諧的微透鏡陣列。這種基于聲磁的多場(chǎng)調(diào)制策略為微透鏡陣列的組裝和光學(xué)調(diào)制提供了強(qiáng)大工具，在空間結(jié)構(gòu)操控方面具有高度靈活性，且能夠精確控制液晶液滴內(nèi)部液晶分子排列，制造成本低且設(shè)計(jì)緊湊。

該工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的偏振光學(xué)元件，展示了一個(gè)偏振相關(guān)和偏振無(wú)關(guān)可動(dòng)態(tài)切換的，并具備對(duì)不同偏振態(tài)物體進(jìn)行選擇性成像能力的液晶微透鏡陣列。

微透鏡陣列技術(shù)的靈感最早來(lái)源于昆蟲(chóng)的復(fù)眼結(jié)構(gòu)。微透鏡和微透鏡陣列的尺寸范圍從微米到毫米，是光學(xué)系統(tǒng)的重要組件。它具有大視場(chǎng)、高效率和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的大型透鏡具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，目前多數(shù)微透鏡大都由固體元件構(gòu)成，可重構(gòu)性有限且制備成本高昂，這些傳統(tǒng)方法制造的微透鏡難以實(shí)現(xiàn)局部觀察、跟蹤或掃描成像，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)靈活調(diào)整的需求。 液晶作為優(yōu)秀的光學(xué)軟材料，對(duì)光、電、磁場(chǎng)等外部刺激有響應(yīng)，其可調(diào)的光學(xué)各向異性（雙折射特性），在成像、顯示和偏振相關(guān)應(yīng)用中極具潛力，基于液晶的微透鏡陣列及相關(guān)偏振器件已被廣泛研究。但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在問(wèn)題，如單分散液晶液滴緊密堆積且自由移動(dòng)，導(dǎo)致其分子在三維球形空間的取向難以精確控制，同時(shí)精確控制微透鏡陣列中液晶液滴的空間分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也頗具挑戰(zhàn)。

為了解決上述問(wèn)題，研究人員通過(guò)基于多場(chǎng)的光學(xué)各向異性液晶透鏡單元組裝和調(diào)制，制備出了可重構(gòu)且偏振相關(guān)的可調(diào)微透鏡陣列?；诒砻骜v波（SSAW）的裝置被用于形成規(guī)則的勢(shì)阱晶格，通過(guò)梯度輻射力逐個(gè)捕獲液晶液滴透鏡，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千個(gè)透鏡單元的陣列組裝。頻率調(diào)制可調(diào)整波場(chǎng)，將微透鏡捕獲到具有可變周期的均勻陣列中，實(shí)現(xiàn)靈活的空間結(jié)構(gòu)調(diào)制。此外，在液晶液滴中添加四氧化三鐵納米顆粒和利用液晶的磁各向異性，能夠?qū)σ壕Х肿拥目臻g取向進(jìn)行任意角度的磁性調(diào)節(jié)，有助于在偏振選擇性成像和非偏振選擇性成像之間靈活轉(zhuǎn)換。

微透鏡陣列技術(shù)的靈感最早來(lái)源于昆蟲(chóng)的復(fù)眼結(jié)構(gòu)。微透鏡和微透鏡陣列的尺寸范圍從微米到毫米，是光學(xué)系統(tǒng)的重要組件。它具有大視場(chǎng)、高效率和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的大型透鏡具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，目前多數(shù)微透鏡大都由固體元件構(gòu)成，可重構(gòu)性有限且制備成本高昂，這些傳統(tǒng)方法制造的微透鏡難以實(shí)現(xiàn)局部觀察、跟蹤或掃描成像，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)靈活調(diào)整的需求。 液晶作為優(yōu)秀的光學(xué)軟材料，對(duì)光、電、磁場(chǎng)等外部刺激有響應(yīng)，其可調(diào)的光學(xué)各向異性（雙折射特性），在成像、顯示和偏振相關(guān)應(yīng)用中極具潛力，基于液晶的微透鏡陣列及相關(guān)偏振器件已被廣泛研究。但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在問(wèn)題，如單分散液晶液滴緊密堆積且自由移動(dòng)，導(dǎo)致其分子在三維球形空間的取向難以精確控制，同時(shí)精確控制微透鏡陣列中液晶液滴的空間分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也頗具挑戰(zhàn)。

為了解決上述問(wèn)題，研究人員通過(guò)基于多場(chǎng)的光學(xué)各向異性液晶透鏡單元組裝和調(diào)制，制備出了可重構(gòu)且偏振相關(guān)的可調(diào)微透鏡陣列?；诒砻骜v波（SSAW）的裝置被用于形成規(guī)則的勢(shì)阱晶格，通過(guò)梯度輻射力逐個(gè)捕獲液晶液滴透鏡，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千個(gè)透鏡單元的陣列組裝。頻率調(diào)制可調(diào)整波場(chǎng)，將微透鏡捕獲到具有可變周期的均勻陣列中，實(shí)現(xiàn)靈活的空間結(jié)構(gòu)調(diào)制。此外，在液晶液滴中添加四氧化三鐵納米顆粒和利用液晶的磁各向異性，能夠?qū)σ壕Х肿拥目臻g取向進(jìn)行任意角度的磁性調(diào)節(jié)，有助于在偏振選擇性成像和非偏振選擇性成像之間靈活轉(zhuǎn)換。

通過(guò)聲場(chǎng)組裝并由磁場(chǎng)調(diào)制的偏振選擇性成像液晶微透鏡陣列的示意圖如圖1a所示。聲波具有非接觸、易于集成和靈活性等優(yōu)勢(shì)，在微米級(jí)物質(zhì)的操控和圖案化方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的能力。通過(guò)采用各種換能器設(shè)計(jì)和信號(hào)配置，可以靈活地控制波場(chǎng)。在表面駐波裝置中構(gòu)建周期性聲勢(shì)阱，波場(chǎng)中的微透鏡會(huì)被推向聲壓節(jié)點(diǎn)，并被聲勢(shì)阱中聲輻射力穩(wěn)定捕獲。圖1b展示了偏振光學(xué)顯微鏡下觀察的均勻的液晶液滴微透鏡陣列，每個(gè)液滴占據(jù)一個(gè)獨(dú)特的節(jié)點(diǎn)，幾乎沒(méi)有空位或聚集現(xiàn)象。圖1c描繪了磁性納米顆粒在缺陷處的聚集情況。通過(guò)控制施加的磁場(chǎng)，可以迫使液晶液滴旋轉(zhuǎn)，而極軸也會(huì)相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整赤道平面內(nèi)液晶分子的取向。如圖1d所示，繪制出了水平赤道平面內(nèi)的液晶分子配置情況。當(dāng)極軸垂直于水平面時(shí)，液晶分子取向平行于入射光傳播方向，對(duì)入射光沒(méi)有偏振選擇性。 然而，當(dāng)極軸垂直于入射光傳播方向時(shí)，液晶分子主要朝一個(gè)水平方向排列，表現(xiàn)出偏振選擇性。通過(guò)這種方式的磁調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了偏振相關(guān)和偏振無(wú)關(guān)成像的靈活調(diào)控。

可調(diào)的偏振選擇性成像

為了展示微透鏡陣列能夠?qū)哂胁煌駪B(tài)的物體進(jìn)行選擇性成像。實(shí)驗(yàn)中，選用帶有紅色蝴蝶和綠色毛毛蟲(chóng)圖案的掩模作為觀察對(duì)象，并在兩個(gè)圖案上方分別貼上兩個(gè)偏振方向相互正交的偏振膜。當(dāng)入射光穿過(guò)蝴蝶和毛毛蟲(chóng)圖案以及偏振膜后，其偏振態(tài)會(huì)分裂為兩個(gè)相互正交的角度。具有不同偏振方向的入射光與液晶液滴的極軸取向形成不同夾角。通過(guò)磁場(chǎng)精確控制液滴極軸與攜帶蝴蝶圖像的偏振光之間的夾角，我們可以有效調(diào)節(jié)液晶液滴的選擇性成像性能。如圖3d，3e所示，液晶液滴微透鏡陣列能夠?qū)哂胁煌駪B(tài)的物體進(jìn)行選擇性成像，并且這種成像效果可通過(guò)外部磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

這項(xiàng)工作展示了通過(guò)聲組裝實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)且可調(diào)諧的微透鏡陣列，并利用磁調(diào)制其偏振選擇成像能力。在聲波場(chǎng)中，通過(guò)調(diào)整信號(hào)配置靈活構(gòu)建和調(diào)制勢(shì)場(chǎng)，將微透鏡捕獲到具有不同周期的均勻陣列中。微透鏡由向列相液晶和四氧化三鐵納米顆粒組成，其各向異性的光學(xué)特性可通過(guò)外部磁場(chǎng)靈活控制。結(jié)果表明，液晶液滴微透鏡的極軸可以實(shí)現(xiàn)任意方向的取向，從而表現(xiàn)出多種偏振相關(guān)性，并具備對(duì)不同偏振態(tài)物體進(jìn)行選擇性成像的能力。這種基于聲磁的多場(chǎng)策略為微透鏡陣列組裝和光學(xué)調(diào)制提供了強(qiáng)大的工具，與固體透鏡相比具有高度的靈活性，分別實(shí)現(xiàn)了僅基于磁場(chǎng)的微透鏡單元旋轉(zhuǎn)和基于聲波場(chǎng)的平移。該策略在微型光學(xué)器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，有望推動(dòng)可調(diào)諧和偏振選擇成像領(lǐng)域的發(fā)展。

廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2024級(jí)碩博連讀生朱慶騏為本文第一作者，陳鷺劍教授、胡學(xué)佳助理教授為本文共同通訊作者。廈門(mén)大學(xué)李森森副教授、碩士研究生王帥和碩士畢業(yè)生吳倩對(duì)本文亦有重要貢獻(xiàn)。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFA1203700）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62204212，62075186，62175206，62475223），以及福建省自然科學(xué)基金（2022J05014）的支持。

作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司（JCOPTIX）提供的光學(xué)元件與儀器支持。