液晶（LCs）作为一类兼具内禀光学各向异性与对外部刺激卓越响应能力的多功能软物质，已成为先进光场操控与集成光子学的重要平台。该综述总结了微结构液晶器件的最新进展，涵盖其基本性质、关键自由度以及可调光场控制的主要策略。重点聚焦三个核心研究方向：基于液晶的波导中的线性光学控制、借助空间光孤子（spatial optical solitons）的非线性操控，以及液晶微液滴中的激光发射。全文的中心主题在于，液晶系统凭借动态、可重构的体系结构，能够突破传统固态光子学在几何构型与功能实现上的限制。展望未来，该领域有望在多场耦合机制、低损耗快速响应液晶材料开发以及光计算、自适应光学等实际应用方面取得突破，从而在基础光学与下一代集成光子技术之间构建关键桥梁。
1 Introduction
引言部分首先界定了液晶（LCs）的物质属性：其处于各向同性液体与晶体固体之间的介相（mesophase），在特定温区内表现出部分分子取向有序。正是这种可编程超分子结构、显著光学各向异性以及对电场、磁场、热场和界面锚定等外界刺激的高敏感性，使液晶成为先进光场调控的重要软物质平台。文章指出，基于液晶的空间光调制器（SLMs）已经在自由空间复杂结构光生成中取得成熟应用，其核心机制是借助液晶双折射的空间可寻址性与电可调性，实现对相位、振幅和偏振等多自由度（DoF）的精确塑造。进一步地，光配向技术与几何相位（Pancharatnam–Berry phase）的结合，使平面微结构液晶器件在多维光场操控方面展现出与先进超表面相当的性能；而液晶与超表面的混合集成，则推动了动态波束偏转、自适应全息以及可重构手性响应等新型元光学系统的发展。
在此基础上，作者强调，相较于自由空间光学，基于液晶导波传播的片上光场控制仍发展不足，主要受限于液晶材料的本征光损耗、光子线路与液晶波导之间低效的端面耦合，以及复杂光场操控时模态灵活性的不足。然而，液晶波导与腔体兼具光流体（optofluidic）属性、电可调折射率与强光学非线性，已经推动空间光孤子、光分叉流等基础现象与调制器、可调谐激光器、光谱滤波器等器件功能之间的贯通。引言最后明确了全文结构：围绕线性光学、非线性光学和微激光三个方向，综述微结构液晶中光的产生、传播与调制机制，并对未来液晶波导光学的发展方向作出展望。
2 Basic Properties of Liquid Crystal Platforms and Device Fabrications
本节从材料物理基础与器件实现两方面概述微结构液晶平台。文章指出，液晶介导光学控制的根本在于其内禀光学各向异性与长程取向有序。平面光子器件性能高度依赖于液晶材料参数，包括双折射、介电各向异性、弹性常数和电光响应时间等，它们共同决定相位调制深度、驱动电压、开关速度与光效率。作者比较了向列相、近晶相、胆甾相、蓝相以及新近发展的铁电向列相等不同液晶体系，指出实际器件设计中的材料选择往往不是单一参数最优，而是折射率、双折射大小及符号、介电各向异性大小及符号以及动态响应特性的折中结果。
文章进一步讨论了若干先进液晶材料平台。向列液晶因其成熟的电光行为和集成策略仍被广泛采用，但在响应速度、驱动电压与多物理场兼容性方面存在局限。蓝相液晶（BPLCs）因具备三维（3D）光子晶体结构、巨大克尔非线性和亚毫秒级响应，在高速、偏振无关调制以及可调谐滤波、激光、全息衍射元件中具有突出潜力。聚合物稳定蓝相液晶在近红外和通信波段的相位调制与波长选择方面表现出较强应用前景。纳米颗粒掺杂液晶则通过引入高介电常数氧化物、等离激元金属纳米粒子或碳纳米管等，改善介电各向异性与旋转黏滞性，在保持近红外透明性的前提下实现更快电光切换。聚合物稳定液晶（PSLCs）通过在液晶主体中原位光聚合形成稀疏网络，可增强热稳定性、力学稳健性与双稳态或记忆功能，但同时也可能带来阈值升高和散射损耗增加。作者特别指出，这些所谓“高速”“低损耗”优势并非材料天然具备，而是依赖精细参数优化后才能实现。
2.1 Degrees of Freedom in Optical Field Manipulation
本小节围绕液晶对光场多个自由度的调控能力展开。作者指出，在平面光子结构中，液晶主要可实现对传播方向、相位和偏振三类基本自由度的动态控制。对均匀各向异性液晶波导中的单色平面波，文章以指向矢（director）描述分子平均取向，并区分常光与非常光两种本征偏振模，强调导引与操控通常集中在利用空间变化指向场调控非常光的有效折射率。该近似在傍轴条件下成立，更精确的光线传播则需借助拉格朗日或哈密顿光线追迹方法分析。
在传播方向控制方面，作者指出体液晶波导因传播损耗较大而较少直接用于实际导光，当前主流方案是将液晶作为低损耗固态介质波导的可调包层，利用倏逝场与液晶双折射耦合来实现高效可重构相位与波束控制。文中列举了基于分段电极的液晶包层波导宽角扫描、固态LiDAR以及可见光集成光学相控阵等实例，并指出液晶与介质超表面的耦合可进一步增强远场辐射图样与成像功能的动态可塑性。
在相位控制方面，液晶作为可调双折射介质，可在器件平面内提供像素级连续可编程相位延迟。文章介绍了液晶浸润光子晶体波导马赫–曾德尔干涉仪、铁电液晶包层硅脊波导相位器等代表性工作，并指出此类机制同样支撑自由空间SLM在全息成像、波束整形与光操纵中的广泛应用。进一步地，可重构任意延迟器阵列通过级联低功能单元，已能实现椭圆偏振延迟参数的全动态控制，并用于复杂结构光场的虚拟像素级生成。
在偏振控制方面，液晶本质上是电可调各向异性延迟器，能够对两正交偏振分量施加可控相位差，从而实现任意偏振态之间的变换与合成。作者总结了液晶嵌入飞秒激光直写波导实现片上偏振调制的研究进展，并指出在自由空间系统及液晶–超表面混合平台中，这类偏振操控还可与几何相位机制结合，用于动态生成圆偏振光、矢量光束与全庞加莱（Full Poincaré）光场。
2.2 Primary Approaches for Tunable Optical Field Manipulations
本小节归纳了液晶光场调控的主要实现路径，其核心均在于分子取向重构引起折射率分布或介电张量空间分布的变化。电场调控是最成熟、应用最广的策略，液晶分子在介电各向异性驱动下趋于沿外加电场取向，通过透明电极或面内叉指电极可以在器件平面内建立复杂电场，实现连续且像素化的相位、偏振和传播方向控制。除电场外，磁场和机械应力也可用于液晶取向调制，磁控液晶集成超表面的工作表明，此类无接触调控方式可在无需复杂预取向层或结构化电极的条件下实现连续响应。
热调控则利用液晶光学各向异性对温度尤其是相变点附近温度的高度敏感性。除了直接通过折射率变化实现宽带或共振光响应，温度还可诱导液晶结构重构，例如在手性液晶和图案化基底中形成有序拓扑缺陷与拓扑孤子阵列，从而调控透射光的偏振与相位分布。光配向与光刻化策略则是构建微结构液晶的重要方法。文章详细讨论了基于偶氮染料尤其是SD1类材料的光配向机制，指出线偏振光驱动的反复反式–顺式异构化能够精确设定易轴方向与锚定强度，并将这种取向信息稳定传递到液晶体相内部，从而实现亚微米尺度的可设计指向场。结合数字微镜器件（DMD）或SLM的无掩模数字投影后，可直接预定义复杂取向纹理，为高维光场编码和非线性结构光生成奠定基础。
作者还讨论了静态结构调控与液晶–微纳光子结构混合集成，包括光栅、光子晶体、超表面和微腔等。此类结构将静态纳米结构的确定性光学响应与液晶软物质的场响应可调性结合，可用于带隙调制、共振模式切换以及主动滤波和开关。文章随后强调，多数既有研究仍停留在单一物理场控制框架，而实际器件中电、热、光、磁等多场往往同时存在并相互耦合，导致光场本身也能反过来重塑液晶指向分布。围绕电–热、光–热以及光–电耦合，作者列举了若干多场协同调控液晶光子器件的进展，并指出此类问题需要在Frank–Oseen弹性理论或张量动力学框架下联立求解麦克斯韦方程、热传输与指向场演化。最后，本小节将光损耗视为液晶片内光场调制的核心瓶颈，从材料优化、结构工程和混合集成三个层面综述了降低吸收、抑制指向涨落散射和减小模场重叠损耗的基本思路。
2.3 Implementation and Fabrication Methods of Microstructured Liquid Crystals
本小节关注微结构液晶的实际制备与实现。作者指出，平面液晶光子器件的功能落地不仅依赖驱动机制，也高度依赖定义分子取向、空间约束和光学界面的微结构加工策略。光配向是一种非接触且高分辨率的取向定义方法，可借助偏振光曝光在光响应取向层中写入任意平面指向分布；利用DMD投影的无掩模图案化方案则进一步提升了灵活性与可重构性。与表面定义取向不同，热驱动自组装利用材料自身有序化过程，在向列相–近晶A相转变中诱导拓扑缺陷的自发形成和演化，为构筑复杂微结构提供了另一条路径。作者通过对比摩擦取向、全息干涉曝光、SLM/DMD投影、微纳光刻、反应型液晶固化、弹性自组织和热诱导等方法，指出不同方案在空间分辨率、结构复杂性、可扩展性和片上兼容性方面各有侧重，也共同体现出液晶平面光子器件并非传统刚性集成光子平台的简单延伸，而是一个依靠分子取向可编程性实现连续调制、多自由度耦合与低功耗重构的新型光子体系。
3 Linear-Optic Field Control in Liquid Crystal Waveguides
第三部分转入液晶波导中的线性光学控制。作者指出，液晶在片上光场操控中的价值，正日益体现在其与成熟集成光子平台的融合，以及以液晶本体为导波媒质的软物质波导新范式之中。
3.1 Hybrid Liquid-Crystals-Dielectric Waveguides
在混合液晶–介质波导中，高折射率介质负责低损耗光约束，液晶则通过包层、狭缝或填充通道形式提供可重构调谐。文章回顾了早期代表性成果，包括向硅中空波导中填充向列液晶E7并通过垂直电场调节分子倾角，以实现超过30 dB的可调衰减；以及利用液晶作为/Si V形槽结构中的波导核心，通过电光效应实现高消光比低功耗开关。后续研究进一步扩展到硅或氮化硅环形谐振器、狭缝波导和耦合结构，实现了谐振波长、相位和耦合强度的动态调节。材料层面的拓展如铁电向列液晶引入硅条形波导，也被认为有望提升相位调制效率、降低驱动电压并提高带宽。尽管如此，作者明确指出，这类混合体系中液晶更多扮演“可调材料参数层”的角色，受限于刚性硅波导几何边界，其在复杂路由、连续波前重构和多端口可编程导引方面自由度仍有限，因此研究重心开始转向液晶自身构成导波结构的软物质波导。
3.2 Liquid Crystal Soft-Matter Waveguides
液晶软物质波导不同于传统依赖材料界面或微纳几何约束的导波系统，它通过在连续介质中设计各向异性取向分布，构造等效折射率势场来实现光约束。这里的导光不再依赖离散折射率突变，而是来源于由液晶指向场塑造的光学势阱，因此天然具备无界面和可重构特征。文章指出，随着对液晶光学各向异性与取向工程理解的深化，研究已从“在刚性波导中嵌入液晶”转向“由液晶本身形成导光通道”。例如，在液晶硅基（LCoS）平台中，通过像素化电压图案可以在同一芯片上动态“绘制”直波导、分束器和马赫–曾德尔干涉仪，实现光路的实时重构。另一方面，具有发光特性的液晶材料也为主动液晶波导提供了新思路，某些体系甚至在升温条件下降低光损耗。
在具体实现上，光配向技术可在均匀厚度液晶薄膜中以微米级精度写入面内取向纹理，从而形成二维（2D）梯度折射率液晶波导。文章总结了通过空间变化取向构建直波导、弯曲波导和环形谐振结构的工作，指出在这类系统中，光约束来源于平滑取向纹理产生的各向异性折射率梯度，因此设计自由度显著高于传统刚性波导。研究表明，通过精心设计的取向图案，可以实现180°波束偏折、多端口功率分配等复杂片内路由功能。作者同时强调，偏振选择性是液晶导光机制的内禀属性，偏振不只是输入条件，更是实现路径选择和功能编码的主动自由度；在某些特定结构如聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道约束液晶中，也可通过近似各向同性有效折射率分布实现近偏振无关传输。
3.3 Topological Defect Waveguides of Liquid Crystals
本小节讨论液晶拓扑缺陷对光导引的独特作用。作者首先从物理上区分了奇异拓扑缺陷与非奇异拓扑缺陷：前者通常为点缺陷或向错线，具有
+1、
−1或半整数等拓扑电荷，核心处指向场不定义；后者如壁缺陷和拓扑孤子则拓扑电荷为零，通过向第三维逃逸或形成壁状、环状扭转结构来消解取向失配。液晶拓扑缺陷操控光场的根本机制，在于缺陷诱导的指向场拓扑畸变与介质光学各向异性之间的强耦合。一方面，诸如向列涡旋之类的拓扑纹理能够通过几何相位机制赋予传播光以依赖拓扑电荷的Pancharatnam–Berry相位梯度，实现波前整形；另一方面，不论奇异或非奇异缺陷，空间变化的指向场都会重构局域有效折射率，形成等效梯度折射率势场，从而诱导反射、折射、全反射与定向导引。除此之外，缺陷与光孤子之间还可通过局域偏折和非局域弹性场重叠产生动量交换与有效力学相互作用，为轨迹弯曲、局域束缚和周期调制提供新的控制维度。
在奇异缺陷导光方面，文章重点介绍了液晶涡旋。相关理论工作将缺陷指向分布映射到二维（2D）黎曼度量，并结合费马原理解释其“拓扑透镜”行为。实验上，研究者已通过光图案化技术将液晶涡旋固定在预设位置，其中绕转数q与初始方位角是决定导波特性的关键参数：在轴对称q=1涡旋中，平行入射光可表现为会聚或发散；半整数涡旋则引起非对称偏折，且偏折角会随液晶双折射增大而增强。更进一步，当液晶涡旋构成有序阵列后，其操控能力显著扩展。例如，q=1涡旋阵列在自由能最小化驱动下可分裂为半整数涡旋的六角排布，并形成能够实现大角度弯折、曲折传播乃至闭环局域的“拓扑门”；准六角半整数阵列还能诱导闪电状或锯齿状传播轨迹，并可通过微调入射位置实现通道切换。作者强调，此类拓扑操控具备良好的动态可重构性，电场可通过调节液晶指向场重塑涡旋形貌，实现连续可调的波束偏折。整体而言，这一部分表明，拓扑缺陷不仅是液晶中的有趣基础结构，也正成为实现自适应波束操控、通信和其他先进光子功能的重要手段。
