前沿进展 | 基于魔镜原理的平面光学液晶

研究背景

早在几千年前，中国、日本工匠制作的铜镜，在反射成像时表现为普通的平面镜，但在阳光直射的情况下会产生另一种扭曲的图像。直到20世纪初，科研人员才弄清楚该现象的成因：当入射光垂直入射时，镜面产生微形变，形成微妙的抛物线镜，使得投射到镜子背面的图像产生微小变化，形成一个与镜子背面的图案相对应的图像，二者叠加产生的图像会扭曲和形变。类似的现象还有当太阳从窗户上反射到下面的街道时会产生扭曲图像。尽管窗户看起来很平坦，透过它观察，并没有明显地图像扭曲，但由于边缘的张力而产生的轻微形变，导致了反射图像的不均匀。20世纪末，魔镜原理激发了一种用于检测硅片表面变形的测量技术（以日本的 "奇迹之镜 "命名，又称为Makyoh Topography），与其他测量技术（如干涉仪、原子力显微镜）相比，这种方法的优点是非常简单和实用。

研究创新点

近日，加拿大渥太华大学Hufnagel等人在Optica上发表了以“Flat Magic Window” 为题的研究论文。研究人员受魔镜原理的启发，开发出了基于液晶偏振的平面魔镜—一种透明器件，当在特定方向的光照射下，可以显示其隐藏的图像。该工作通过将液晶与反射性的空间光调制器(SLM)（图1a）和Pancharatnam-Berry光学相位元件（PBOE）（图1b）集成，展示了如何用平面光学设备实现魔镜 。通过改变外加电压转动液晶分子与入射光的角度调谐出射光。在 SLM情况下，液晶分子围绕垂直于光束传播方向的轴旋转；在PBOE情况下，液晶分子围绕平行于光束传播方向的轴旋转。

图1 基于魔镜的平面光学液晶显示原理示意图

该魔镜是通过日本滨松公司提供的SLM实现的，其屏幕分辨率为800 pixel × 600 pixel。图2b展示了魔镜的实验装置细节，通过给出的图像，可以计算出镜子所需的相位图。该相位图的坡度可以自由增加，可以看成是改变了镜子的凹度（图2a），从而导致图像形成的速度发生改变。

图2（a）相图计算原理示意图；（b）实验装置示意图

在制作出魔镜后，研究人员使用相机测量了其产生的光强度模式。当用激光束照射时，镜子会产生可见的图像，即使相机与镜子之间的距离发生变化，该图像也能保持稳定。此外，魔镜在LED 为光源照明的情景下也会产生清晰的图像（图3），印证了该魔镜可以广泛地应用于现实生活当中。研究人员还提出，基于液晶的平面光学魔镜有朝一日可以创造出一种可重新配置的版本，用于制作动态艺术魔镜或电影。获得长焦距的能力也可以使该方法对 3D 显示有用，即使从不同距离观看也能产生稳定的 3D 图像。

图3 以LED为光源，不同极化输入模式下魔镜输出图像的变化比较

总结与展望

通过折射率分布不均匀的液晶分子对入射光进行波前调制，该工作创新性地实现了基于平面光学的液晶魔镜。研究人员正在努力使用该方法来制造量子魔板，例如，其中两个板可以创建量子纠缠图像，可以用来研究新的量子成像协议。此外，研究人员也在探索使用液晶以外的方法制造魔镜的可能性，例如，使用消色性和偏振不敏感的介电超表面替代液晶分子，可以进一步缩小魔镜的尺寸，同时增大其波长响应带宽，这也带来一种将魔镜的厚度缩小到亚波长尺度的新的可能。

文献信息：

Hufnagel et al., Flat Magic Window, Optica., 9:5, 479-484, 2022.

DOI: 10.1364/OPTICA.454293

科学编辑 | Yazhong Wang

编辑 | 金梦菲菲

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