近日，南京大學(xué)陳鵬副教授、陸延青教授團(tuán)隊在液晶平面光子學(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Light-Addressable Polychromatic Holographic Display via Multi-Encoded Chiral Superstructures”為題在線發(fā)表于Advanced Functional Materials，該成果通過引入一種光響應(yīng)手性液晶微結(jié)構(gòu)材料，構(gòu)建了一個低功耗、高集成的全光調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了無需電極、僅靠光就能動態(tài)調(diào)控光的多功能平臺，為多維度信息存儲和多波長彩色全息顯示等應(yīng)用提供了新技術(shù)。

工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的寬波段四分之一波片，配合寬波段線偏振片可實現(xiàn)對入射光偏振態(tài)（左旋/右旋圓偏振）的選擇性調(diào)節(jié)，并覆蓋整個可見光波段。

研究背景

光尋址技術(shù)由于其獨特的空間分辨能力和非接觸式操作，在空間光調(diào)制器和傳感系統(tǒng)有廣泛應(yīng)用。通常涉及將光信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行處理，然后再轉(zhuǎn)為光信號輸出，這需要復(fù)雜的加工工藝以及多個外接設(shè)備，不僅限制了信息處理的速度，也降低了系統(tǒng)緊湊性。為應(yīng)對高速數(shù)據(jù)通信和多通道信號處理的迫切需求，新一代光信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，全光調(diào)制技術(shù)也應(yīng)運而生，為“光控電控光”邁向“光控光”提供新思路。全光調(diào)控系統(tǒng)因其非接觸、快響應(yīng)、高空間分辨率等優(yōu)勢，被許多人認(rèn)為是突破傳統(tǒng)電光調(diào)控瓶頸的可行路徑。

然而，當(dāng)前多數(shù)全光調(diào)控技術(shù)依賴非線性材料和高功率泵浦光源，面臨能耗高、響應(yīng)慢、熱穩(wěn)定性差等諸多挑戰(zhàn)。光敏膽甾相液晶作為一種手性光子晶體材料，既可調(diào)控光，也可被光調(diào)制，為全光調(diào)控技術(shù)提供了一個嶄新的媒介。膽甾相液晶具備獨特的自組裝螺旋結(jié)構(gòu)，能對圓偏振光進(jìn)行選擇性布拉格反射，并攜帶可編碼的幾何相位信息。引入光敏手性劑后，在毫瓦級光強(qiáng)刺激下即可實現(xiàn)布拉格反射帶的動態(tài)調(diào)節(jié)。同時，由于反射光攜帶可編碼的幾何相位信息，通過設(shè)計液晶分子的排列結(jié)構(gòu)可以控制反射光的局部相位。受到上述光敏手性液晶綜合特性的啟發(fā)，研究團(tuán)隊將光敏膽甾相液晶引入全息顯示，并進(jìn)一步探索其在多波長并行處理的潛力，有望為全光調(diào)控提供新的實現(xiàn)途徑。

設(shè)計原理

膽甾相液晶是一種典型的液晶中間相，其特點是自組裝形成螺旋結(jié)構(gòu)。棒狀膽甾相液晶分子在納米尺度上自組裝成周期性手性結(jié)構(gòu)，使其具備獨特的偏振選擇性布拉格反射特性。由于膽甾相液晶對外場刺激具有高度敏感性，其布拉格反射帶可被動態(tài)調(diào)節(jié)。其中，光外場刺激具有高空間和時間分辨率，且控制方式為非接觸式，為實現(xiàn)寬帶且靈活的全光調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。為了賦予膽甾相液晶光響應(yīng)特性，我們將光敏手性劑（CHAD-3C-R）與向列相液晶（HAE635055）按比例混合。該手性劑在紫外/可見光照射下會發(fā)生光致異構(gòu)化反應(yīng)，從而實現(xiàn)布拉格反射中心波長的調(diào)節(jié)。我們通過透射光譜和顯微反射圖像評估膽甾相液晶的光響應(yīng)性能，結(jié)果表明其在可見至近紅外波段具有廣泛的可調(diào)節(jié)范圍。此外，該樣品顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和色彩保真度，為后續(xù)實現(xiàn)多波長并行調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

為實現(xiàn)目標(biāo)全息顯示，我們需要對膽甾相液晶進(jìn)行預(yù)處理，將目標(biāo)全息圖像以相位編碼的形式存儲在液晶超結(jié)構(gòu)中。首先使用Gerchberg-Saxton算法進(jìn)行相位設(shè)計，該算法在物體面與成像面之間，通過傅里葉變換迭代傳播輸入與輸出的復(fù)振幅波前，并在每一步中施加振幅限制，最終收斂得到相位分布，可用于生成用于光學(xué)重構(gòu)的全息圖。這些計算出的相位圖案隨后通過幾何相位效應(yīng)編碼在膽甾相液晶分子的表面取向中，幾何相位大小為表面液晶分子取向角的二倍，其符號取決于輸入光的偏振態(tài)及膽甾相液晶的手性旋向。最后，結(jié)合光配向技術(shù)與高分辨率數(shù)字微鏡裝置，我們可以精確地錨定CLC分子的表面取向，從而實現(xiàn)全息信息在液晶結(jié)構(gòu)中的預(yù)編碼。

研究亮點

圖1. 基于光敏膽甾相液晶的可尋址、多波長、全光信息處理

南京大學(xué)陳鵬副教授、陸延青教授團(tuán)隊在前期光響應(yīng)手性液晶微結(jié)構(gòu)材料 Nature Commun. 10, 2518 (2019)；Laser Photonics Rev. 16, 2200011 (2022) 的研究基礎(chǔ)上，提出了一種預(yù)編程的光敏膽甾相液晶超結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)光存儲、光尋址、光讀取的功能集成，并以全息術(shù)為例，展示了多波長全光調(diào)控功能。如圖1所示，光敏膽甾相液晶在紫外光的刺激下形成空間非均勻的螺距分布結(jié)構(gòu)，從而反射不同波長的光。進(jìn)一步結(jié)合液晶分子面內(nèi)排列的全息編碼，可實現(xiàn)多波長并行的“成長”系列彩色全息圖像。

（1）光存儲、光尋址、光讀取的有機(jī)融合

該系統(tǒng)基于光誘導(dǎo)螺距調(diào)控與分子取向編程，實現(xiàn)了三個功能模塊的全光集成，如圖2所示。光存儲：通過光控取向技術(shù)寫入全部預(yù)設(shè)全息圖案，排列成陣列形式，陣列中的每一個區(qū)域可以單獨存儲一張全息圖。光尋址：通過紫外/可見光掩模曝光，局域改變液晶螺距分布，決定哪些區(qū)域可反射可見光以及反射光的波長范圍。光讀取：探測光在各通道反射回攜帶有相位與波長信息的光，實現(xiàn)圖像讀取與重構(gòu)。

圖2. 光存儲、光尋址、光讀取的功能集成光路示意圖

（2）“光控光”的多維調(diào)控

利用光的偏振態(tài)實現(xiàn)液晶分子排列取向的控制，進(jìn)而調(diào)控幾何相位，賦予反射光精確的波前結(jié)構(gòu)；利用光的光強(qiáng)空間分布實現(xiàn)對相位陣列的尋址功能，決定每個通道的局域開關(guān)狀態(tài)；利用光的功率調(diào)節(jié)光敏液晶的光致異構(gòu)化速率，從而控制反射光中心波長的響應(yīng)速度；利用驅(qū)動光的波長區(qū)分調(diào)控變化方向（紫外光誘導(dǎo)紅移、綠光/熱弛豫引起藍(lán)移），實現(xiàn)反射光波長的動態(tài)可逆調(diào)控。

（3）多波長并行信息顯示

該系統(tǒng)不僅可在不同通道實現(xiàn)不同全息圖案的顯示，而且支持多波長并行彩色全息圖像的顯示與調(diào)控。通過對不同通道不同程度的螺距操控，成功實現(xiàn)了540 nm（綠色）、585 nm（黃色）、625 nm（紅色）等多個波段的同時反射，呈現(xiàn)出彩色全息（圖3）。在實驗中，展示了主題為“成長”的五階段彩色全息圖案的復(fù)現(xiàn)與切換，驗證了高度集成、可動態(tài)演化的多色全息顯示能力。同時，經(jīng)過巧妙的設(shè)計，近場的結(jié)構(gòu)色圖案與遠(yuǎn)場的全息衍射顯示遙相呼應(yīng)，字母A至E分別對應(yīng)幼兒、少年、青年、成年、老年五個不同的人類/樹木成長階段。這種多波長并行操控不僅豐富了顯示的色彩維度，更提升了信息存儲的密度和自由度。

圖3. 多波長并行彩色全息顯示（遠(yuǎn)場）與彩色結(jié)構(gòu)色顯示（近場）

該工作實現(xiàn)了在一個單層光敏液晶材料中完成信息的寫入（編碼）、定位（尋址）和讀?。@示），打通了“光控光”信息處理的全鏈路，無需額外的電極與電源連接，便于集成和輕量化設(shè)計。低功耗、快響應(yīng)、可大面積制備等特性，有助于走向?qū)嶋H應(yīng)用。該工作不僅提升了光信息處理系統(tǒng)的緊湊性，也為先進(jìn)顯示、光通信、加密存儲、光計算等前沿領(lǐng)域提供了新手段。

南京大學(xué)為該工作的獨立完成單位，現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生朱琳為論文的第一作者，陳鵬教授、陸延青教授為共同通訊作者，研究生劉思嘉、張逸恒、陳聞、朱棟、孫睿對本文亦有重要貢獻(xiàn)。該研究由國家重點研發(fā)計劃（青年科學(xué)家項目）、國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金等資助完成。

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。