近日，ACS Photonics雜志報道了廈門大學陳鷺劍教授、胡學佳助理教授團隊獲得的新工作 (ACS Photonics 2025, 12, 5, 2583-2594)，相關成果“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調(diào)制策略為微透鏡陣列的組裝和光學調(diào)制提供了強大工具，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，制造成本低且設計緊湊。

該工作利用晶萃光學JCOPTIX提供的偏振光學元件，展示了一個偏振相關和偏振無關可動態(tài)切換的，并具備對不同偏振態(tài)物體進行選擇性成像能力的液晶微透鏡陣列。

微透鏡陣列技術的靈感最早來源于昆蟲的復眼結(jié)構(gòu)。微透鏡和微透鏡陣列的尺寸范圍從微米到毫米，是光學系統(tǒng)的重要組件。它具有大視場、高效率和易于集成等優(yōu)點，相較于傳統(tǒng)的大型透鏡具有顯著優(yōu)勢。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現(xiàn)局部觀察、跟蹤或掃描成像，無法滿足實際應用中對靈活調(diào)整的需求。 液晶作為優(yōu)秀的光學軟材料，對光、電、磁場等外部刺激有響應，其可調(diào)的光學各向異性（雙折射特性），在成像、顯示和偏振相關應用中極具潛力，基于液晶的微透鏡陣列及相關偏振器件已被廣泛研究。但在實際應用中仍存在問題，如單分散液晶液滴緊密堆積且自由移動，導致其分子在三維球形空間的取向難以精確控制，同時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)。

為了解決上述問題，研究人員通過基于多場的光學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)則的勢阱晶格，通過梯度輻射力逐個捕獲液晶液滴透鏡，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千個透鏡單元的陣列組裝。頻率調(diào)制可調(diào)整波場，將微透鏡捕獲到具有可變周期的均勻陣列中，實現(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。

微透鏡陣列技術的靈感最早來源于昆蟲的復眼結(jié)構(gòu)。微透鏡和微透鏡陣列的尺寸范圍從微米到毫米，是光學系統(tǒng)的重要組件。它具有大視場、高效率和易于集成等優(yōu)點，相較于傳統(tǒng)的大型透鏡具有顯著優(yōu)勢。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現(xiàn)局部觀察、跟蹤或掃描成像，無法滿足實際應用中對靈活調(diào)整的需求。 液晶作為優(yōu)秀的光學軟材料，對光、電、磁場等外部刺激有響應，其可調(diào)的光學各向異性（雙折射特性），在成像、顯示和偏振相關應用中極具潛力，基于液晶的微透鏡陣列及相關偏振器件已被廣泛研究。但在實際應用中仍存在問題，如單分散液晶液滴緊密堆積且自由移動，導致其分子在三維球形空間的取向難以精確控制，同時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)。

為了解決上述問題，研究人員通過基于多場的光學各向異性液晶透鏡單元組裝和調(diào)制，制備出了可重構(gòu)且偏振相關的可調(diào)微透鏡陣列。基于表面駐波（SSAW）的裝置被用于形成規(guī)則的勢阱晶格，通過梯度輻射力逐個捕獲液晶液滴透鏡，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千個透鏡單元的陣列組裝。頻率調(diào)制可調(diào)整波場，將微透鏡捕獲到具有可變周期的均勻陣列中，實現(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。

通過聲場組裝并由磁場調(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，在微米級物質(zhì)的操控和圖案化方面表現(xiàn)出強大的能力。通過采用各種換能器設計和信號配置，可以靈活地控制波場。在表面駐波裝置中構(gòu)建周期性聲勢阱，波場中的微透鏡會被推向聲壓節(jié)點，并被聲勢阱中聲輻射力穩(wěn)定捕獲。圖1b展示了偏振光學顯微鏡下觀察的均勻的液晶液滴微透鏡陣列，每個液滴占據(jù)一個獨特的節(jié)點，幾乎沒有空位或聚集現(xiàn)象。圖1c描繪了磁性納米顆粒在缺陷處的聚集情況。通過控制施加的磁場，可以迫使液晶液滴旋轉(zhuǎn)，而極軸也會相應地轉(zhuǎn)動，進而調(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。當極軸垂直于水平面時，液晶分子取向平行于入射光傳播方向，對入射光沒有偏振選擇性。 然而，當極軸垂直于入射光傳播方向時，液晶分子主要朝一個水平方向排列，表現(xiàn)出偏振選擇性。通過這種方式的磁調(diào)控，實現(xiàn)了偏振相關和偏振無關成像的靈活調(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)的物體進行選擇性成像。實驗中，選用帶有紅色蝴蝶和綠色毛毛蟲圖案的掩模作為觀察對象，并在兩個圖案上方分別貼上兩個偏振方向相互正交的偏振膜。當入射光穿過蝴蝶和毛毛蟲圖案以及偏振膜后，其偏振態(tài)會分裂為兩個相互正交的角度。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。通過磁場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)的物體進行選擇性成像，并且這種成像效果可通過外部磁場進行調(diào)節(jié)。

這項工作展示了通過聲組裝實現(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。在聲波場中，通過調(diào)整信號配置靈活構(gòu)建和調(diào)制勢場，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，其各向異性的光學特性可通過外部磁場靈活控制。結(jié)果表明，液晶液滴微透鏡的極軸可以實現(xiàn)任意方向的取向，從而表現(xiàn)出多種偏振相關性，并具備對不同偏振態(tài)物體進行選擇性成像的能力。這種基于聲磁的多場策略為微透鏡陣列組裝和光學調(diào)制提供了強大的工具，與固體透鏡相比具有高度的靈活性，分別實現(xiàn)了僅基于磁場的微透鏡單元旋轉(zhuǎn)和基于聲波場的平移。該策略在微型光學器件領域展現(xiàn)出巨大潛力，有望推動可調(diào)諧和偏振選擇成像領域的發(fā)展。

廈門大學電子科學與技術學院2024級碩博連讀生朱慶騏為本文第一作者，陳鷺劍教授、胡學佳助理教授為本文共同通訊作者。廈門大學李森森副教授、碩士研究生王帥和碩士畢業(yè)生吳倩對本文亦有重要貢獻。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃（2022YFA1203700）和國家自然科學基金項目（62204212，62075186，62175206，62475223），以及福建省自然科學基金（2022J05014）的支持。

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