导读

在增强现实、虚拟现实紧凑成像和自适应光学等应用中，光学系统迫切需要能够在有限体积内实现高效变焦的超薄器件。传统机械调焦方案体积大、响应慢，而二值衍射透镜虽然轻薄，却常因相位不连续而带来效率损失。近日，牛津大学工程科学系Zhiyu Xu与Stephen M. Morris团队提出一种电控可切换连续相位液晶菲涅耳波带片：研究人员利用飞秒激光双光子聚合直写，在液晶层内部构建三维聚合物网络，以锁定平滑连续的相位分布，使器件在保持超薄结构的同时，实现高效率聚焦、焦距切换以及电学开关控制。该工作为下一代轻量化、低功耗、可重构平面光学器件提供了新的实现路径，以“Electrically switchable continuous phase liquid crystal Fresnel zone plate”为题，发表在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

液晶材料兼具各向异性光学响应与外加电场可调特性，因此长期被视为实现可重构平面光学的重要候选体系。然而，传统液晶菲涅耳器件多采用二值或分段近似相位设计，虽然制备相对直接，但由于相位轮廓存在突变，光能往往分散到高阶衍射级次中，限制了主焦点效率和成像质量。另一方面，若要在液晶体系中直接实现真正平滑的连续相位分布，又需要在微尺度空间内精确写入并稳定保持分子取向，这在材料设计和微纳制造上都具有显著挑战。为突破上述限制，研究团队将可聚合向列型液晶与双光子聚合三维打印技术结合，在液晶内部选择性写入聚合网络，使局部液晶取向被永久锁定，而非聚合区域仍能在外加电压作用下发生重取向。基于这一思路，器件既能获得连续相位调控带来的高效率优势，又能够保留液晶材料特有的电可调功能。

研究亮点

亮点一：实现真正连续相位的液晶菲涅耳波带片。

研究团队通过飞秒激光在液晶层内部直接构建三维聚合物网络，形成对液晶指向矢的空间选择性约束，从而写入接近理想设计的连续相位轮廓。与传统二值菲涅耳透镜相比，这种方案显著减少了由相位台阶引起的衍射损耗，为高质量聚焦奠定了基础。

图1：基于飞秒激光三维打印的连续相位液晶菲涅耳区板制备。

亮点二：实现电学ON/OFF切换，并显著提升聚焦效率。

针对2π包裹相位器件，实验表明其在零电压下可形成清晰强焦点，而在较高驱动电压下，液晶有效双折射被抑制，焦点随之消失，实现了明确的电控开关行为。由于横向相位分布连续，同等孔径和焦距条件下，其主焦点强度相比二值菲涅耳透镜提高约80%，显示出连续相位设计在能量利用方面的明显优势。

图2：基于连续相位菲涅耳透镜的电开关切换及效率提升。

亮点三：由4π包裹相位实现离散可变焦功能。

研究进一步将连续相位策略扩展到4π包裹设计，使器件在不同电压下依次表现为24 mm近焦态、48 mm远焦态以及关闭态，构成“近焦—远焦—关闭”的三状态工作模式。这意味着无需机械移动元件，仅通过电压调节即可完成焦距切换，为紧凑型变焦系统提供了新的器件架构。

图3：4π包裹透镜在 24 mm 和 48 mm 焦距之间的离散式变焦切换。

亮点四：提出兼具高性能与可扩展性的液晶平面光学平台。

该研究不仅验证了连续相位液晶衍射透镜的基本物理可行性，也表明双光子聚合直写能够成为液晶内部微结构高保真写入的有效工具。作者指出，未来通过进一步减薄液晶层厚度、优化材料配方，并结合并行激光写入或压印复制等方法，有望同时提升响应速度与制造规模。

总结与展望

这项研究展示了通过三维打印精确塑造液晶内部聚合网络，可在超薄器件中实现连续相位调控、电学开关以及离散变焦等多重功能。相较于传统依赖机械位移的调焦系统，该方案结构更轻薄、功耗更低，也更适合集成到近眼显示、便携成像、自适应光学和光束整形等平台中。随着液晶材料体系、微纳制造精度以及大面积复制工艺的进一步发展，这一技术有望从实验室概念验证迈向实用化可重构平面光学器件。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02251-3