光取向液晶微結(jié)構(gòu)及其光子元件

曹慧敏，吳賽博，王靖閣，胡 偉*

(1.南京大學(xué) 現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093；2.菏澤職業(yè)學(xué)院，山東 菏澤 274000)

1 引 言

液晶(liquid crystal,LC)是介于液體和晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)，同時(shí)具有液體的流動(dòng)性和晶體的各向異性。20世紀(jì)中期以來(lái)，液晶廣泛應(yīng)用于平板顯示領(lǐng)域，應(yīng)用范圍從小尺寸的手機(jī)、筆記本，到大尺寸的液晶電視、投屏電視。而21世紀(jì)初，隨著液晶技術(shù)的發(fā)展與革新，液晶進(jìn)一步在平面光學(xué)元件、結(jié)構(gòu)光場(chǎng)、全光互連、模分復(fù)用光通信、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、激光跟瞄系統(tǒng)等方面展現(xiàn)出巨大潛力[1-2]。目前，液晶研究正逐步從信息顯示拓展到液晶光子學(xué)領(lǐng)域[3]。

液晶包含多種相態(tài)，如向列相、近晶相、膽甾相、藍(lán)相等。不同液晶相具有特征的位置序與取向序。組成向列相液晶的棒狀分子，局部長(zhǎng)軸互相平行，質(zhì)心位置混亂無(wú)序。分子可以沿長(zhǎng)軸方向任意移動(dòng)，因此向列相液晶(nematic LC,NLC)黏度小、流動(dòng)性大。指向矢空間排布會(huì)導(dǎo)致物理性質(zhì)，尤其是光學(xué)性質(zhì)的各向異性分布。近晶相液晶(smectic LC,SLC)的分子呈層狀排列，層內(nèi)分子長(zhǎng)軸互相平行，方向與層法線(xiàn)一致或呈特定傾角。在對(duì)抗性邊界條件下，互相平行的分子層將發(fā)生空間彎曲并形成各種缺陷陣列。膽甾相液晶(cholesteric LC,CLC)分子指向平行于分子層平面，相鄰層分子有一固定的夾角，形成周期性的螺旋結(jié)構(gòu)。因此，膽甾相液晶表現(xiàn)出一維光子晶體特征，可以選擇性反射與自身結(jié)構(gòu)旋性相同的圓偏振光，并具有寬帶布拉格反射特性[4]。藍(lán)相(blue phase,BP)是位于膽甾相和各向同性相之間極窄溫區(qū)內(nèi)的一種液晶相態(tài)，是由雙重扭曲螺旋柱堆疊而成的立方晶格結(jié)構(gòu)[5]。不同液晶相會(huì)自組裝產(chǎn)生獨(dú)特的疇結(jié)構(gòu)，得益于液晶物理性質(zhì)的各向異性，這些疇結(jié)構(gòu)通常具備特殊的形態(tài)學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)等特征[6]。

液晶分子組裝是一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，極易受到界面錨定、外場(chǎng)波動(dòng)等環(huán)境因素的影響，難以精確控制液晶微結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)的大面積制造。液晶取向技術(shù)有利于液晶微結(jié)構(gòu)的控制，但傳統(tǒng)的摩擦取向技術(shù)是接觸式的，易造成樣品損傷并產(chǎn)生靜電及微小的灰塵，破壞結(jié)構(gòu)的有序性。為克服這些不足，非接觸式取向技術(shù)如離子束取向、斜向蒸鍍氧化硅和光取向等應(yīng)運(yùn)而生。其中，光取向技術(shù)因其適用于高分辨的結(jié)構(gòu)表面與曲面取向而最受關(guān)注[7]。光取向的一般原理是用線(xiàn)偏振光誘發(fā)取向劑分子的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生定向排列，進(jìn)而將這種秩序通過(guò)分子間相互作用傳導(dǎo)給液晶材料從而實(shí)現(xiàn)取向控制。光敏偶氮苯磺酸鹽染料SD1是常用的一種取向劑，其分子長(zhǎng)軸傾向于垂直于入射紫外或藍(lán)光的線(xiàn)偏振方向排列，進(jìn)而取向鄰近的液晶。SD1具有良好的可擦寫(xiě)性，只記錄最后一次的偏振信息，因而特別適用于可重構(gòu)的液晶圖案化取向。光取向技術(shù)可分為兩大類(lèi)，一是利用雙光束或多光束干涉曝光一步產(chǎn)生目標(biāo)圖案，優(yōu)點(diǎn)是效率高、分辨率高，缺點(diǎn)是取向圖形單一；二是利用分步曝光，如激光直寫(xiě)、動(dòng)態(tài)掩膜曝光實(shí)現(xiàn)復(fù)雜甚至任意圖案的寫(xiě)入。

我們基于數(shù)控微鏡陣(digital micro-mirror device,DMD)自主開(kāi)發(fā)了縮微投影曝光系統(tǒng)[8]，利用其向SD1寫(xiě)入取向信息可實(shí)現(xiàn)高分辨任意液晶微結(jié)構(gòu)的制備。該技術(shù)為本中心的諸多科研工作提供了核心技術(shù)支撐。下面將結(jié)合中心近幾年的具體研究工作，從多層級(jí)液晶疇構(gòu)筑、光尋址液晶調(diào)光技術(shù)、光通信與太赫茲液晶元件三方面進(jìn)行系統(tǒng)介紹，綜述了光取向液晶微結(jié)構(gòu)及其光子元件的最新研究進(jìn)展。

2 多層級(jí)液晶疇構(gòu)筑

液晶自組裝微結(jié)構(gòu)能夠帶來(lái)多種新穎的性能，然而，該類(lèi)微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑非常具有挑戰(zhàn)性。我們基于DMD動(dòng)態(tài)掩膜光取向，能將“自下而上”的液晶自組裝與“自上而下”的光取向相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)各相態(tài)多層級(jí)液晶疇結(jié)構(gòu)的精確靈活操控(圖1)。通過(guò)預(yù)設(shè)二維面內(nèi)取向，可以誘導(dǎo)近晶層的空間彎曲，進(jìn)而控制疇的尺寸、形狀、排列與晶格對(duì)稱(chēng)性。結(jié)合外場(chǎng)激勵(lì)或錨定條件，可以控制膽甾相液晶螺旋軸的面內(nèi)朝向，進(jìn)而形成規(guī)則的指紋織構(gòu)。對(duì)藍(lán)相液晶進(jìn)行微區(qū)取向，可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)相單晶疇的圖案化與微域化。這些多層級(jí)液晶疇為光子元件的設(shè)計(jì)制備提供了全新思路并拓寬了其應(yīng)用場(chǎng)景[10]。

圖1 (a)近晶相，(b)膽甾相，(c)藍(lán)相液晶的指向矢分布示意圖與顯微織構(gòu)圖[5,9]。Fig.1 Typical director distributions and microscopic textures of (a)smectic,(b)cholesteric,and (c)blue phase LCs [5,9].

2.1 近晶A相分子層彎曲控制

近晶A相是一種典型的近晶相態(tài)，其層內(nèi)分子長(zhǎng)軸垂直于層面，分子質(zhì)心位置無(wú)序。對(duì)抗性邊界錨定導(dǎo)致近晶A層曲率發(fā)生變化，形成的杜賓環(huán)面圍繞正交平面內(nèi)的共軛缺陷對(duì)(共焦橢圓和雙曲線(xiàn)的一支)層疊，對(duì)應(yīng)到偏光顯微鏡下的焦錐疇織構(gòu)(focal conic domain,FCD)(圖2(a))[6,11]。對(duì)于底面隨機(jī)面內(nèi)取向、另一側(cè)垂直取向的液晶層，其缺陷線(xiàn)退化成底面的一個(gè)圓與經(jīng)過(guò)圓心并垂直于底面的一條直線(xiàn)，呈現(xiàn)環(huán)曲面焦錐疇織構(gòu)(toric FCD,TFCD)(圖2(b))，該結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的獨(dú)特功能特性使得它們可用于粒子操控[12]、微透鏡[13]、超疏水表面[14]。

圖2 (a)FCD與(b)TFCD的層狀結(jié)構(gòu)示意圖[15-16]Fig.2 Schematic diagrams of lamellar structures of (a)FCDs and (b)TFCDs[15-16]

傳統(tǒng)的焦錐疇產(chǎn)生與操控方法，如摩擦取向[17]、微通道限制[18]、熱升華[19]等，往往過(guò)程復(fù)雜且缺乏靈活性。利用光取向預(yù)設(shè)二維取向，結(jié)合空氣界面處的垂直錨定，精確操控液晶層的三維空間彎曲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)疇結(jié)構(gòu)的靈活控制。通過(guò)在光柵狀結(jié)構(gòu)中設(shè)置取向±45°交替分布，誘導(dǎo)液晶組裝產(chǎn)生了半環(huán)面焦錐疇陣列(hemitoric FCD,HFCD)(圖3(a,b))。該結(jié)構(gòu)在保持TFCD缺陷特征的同時(shí)，打破了其固有的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，賦予了疇結(jié)構(gòu)全新的操控維度——朝向。通過(guò)預(yù)設(shè)平面取向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)HFCD位置、尺寸、朝向以及晶格對(duì)稱(chēng)性的靈活控制[20]。同時(shí)，結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的破缺導(dǎo)致了HFCD對(duì)入射光偏振的敏感性，呈現(xiàn)出偏振依賴(lài)的衍射效應(yīng)(圖3(c,d))。此外，TFCD因其由中心至邊緣從水平到豎直梯度變化的指向矢分布，而呈現(xiàn)會(huì)聚型變折射率透鏡的效果[21]。通過(guò)引入非對(duì)稱(chēng)多疇取向單元，我們構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)畸變可控的TFCD(distorted TFCD,d-TFCD)，其具有方向依賴(lài)的相位分布，可用作微透鏡陣列?；赿-TFCD微透鏡陣列的偏振敏感性及焦距的尺寸相關(guān)性，我們提出了一種四維信息可視化探測(cè)的方案[22]。我們?cè)O(shè)計(jì)制備了一個(gè)尺寸沿徑向逐漸增大、朝向隨方位角漸變的d-TFCD透鏡陣列(圖3(e,f))。該微透鏡陣列焦距由中心至外圈逐漸增大，而優(yōu)選透鏡相位分布始終沿圓環(huán)的切線(xiàn)方向。這樣，通過(guò)單次拍攝成像，根據(jù)清晰像的位置坐標(biāo)，即可提取出目標(biāo)物體的空間深度信息與偏振信息(圖3(g,h))。結(jié)合微透鏡自身的二維成像能力，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)物體的四維信息探測(cè)(三維空間外加偏振維度)。該液晶微透鏡陣列的偏振選擇性與多焦能力，還賦予了其多路復(fù)用/解復(fù)用偏振信息與深度信息的功能，在光通信領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

圖3 近晶相分層超結(jié)構(gòu)。HFCD的(a)織構(gòu)圖與(b)三維層狀結(jié)構(gòu)示意圖；HFCD正方晶格陣列的偏振選擇性衍射的(c)衍射圖案與(d)衍射效率[20]；d-TFCD圓盤(pán)陣列的(e)尺寸、朝向設(shè)計(jì)示意圖、(f)織構(gòu)圖、(g)對(duì)鏤空“O”成像及其(h)圖像清晰度分布[22]；(i)OS層狀結(jié)構(gòu)及指向矢分布示意圖；(j)彎折OS的織構(gòu)圖與偏振相關(guān)的衍射圖案；(k)彎曲OS，(l)展曲OS，(m)圖案化OS的織構(gòu)圖[23]。Fig.3 Layered superstructures of smectic phase.(a)Textures and (b)3D illustration of lamellar HFCDs;(c)Diffraction pattern and (d)diffraction efficiency of the polarization-dependent diffraction of an HFCD square lattice[20]；(e)Schematic and (f)textures of a d-TFCD array with designed size and orientation；(g)Images of a transmissive “O”mask and (h)corresponding image definition map[22]；(i)Schematic of lamellar OSs and relevant director distributions;(j)Textures and polarization-dependent diffraction pattern of deflecting OSs;Textures of (k)bending OSs,(l)splaying OSs and (m)patterned OSs[23].

油紋(oily streak，OS)是近晶A相液晶中另一種常見(jiàn)的織構(gòu)類(lèi)型，存在于液晶膜厚較薄的情況(～1 μm)。為了平衡界面錨定能、液晶彈性能和表面張力，使整個(gè)體系獲得最小自由能，油紋結(jié)構(gòu)內(nèi)部通常會(huì)生成一系列特征缺陷，如旋轉(zhuǎn)晶界、中心晶界以及相鄰油紋之間的缺陷墻陣列(圖3(i))。在單向面內(nèi)取向情況下，OS的上述線(xiàn)型缺陷傾向于垂直取向方向生長(zhǎng)排布。我們通過(guò)光取向技術(shù)預(yù)設(shè)襯底表面錨定條件，結(jié)合外加電場(chǎng)刺激，實(shí)現(xiàn)了油紋結(jié)構(gòu)缺陷墻的可編程控制[23]。采用交替變化的面內(nèi)取向、連續(xù)變化的徑向取向和角向取向，分別實(shí)現(xiàn)了油紋結(jié)構(gòu)的彎折、彎曲與展曲操控(圖3(j～m))。這些朝向可控的自組裝油紋陣列表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的偏振依賴(lài)衍射特性。圖3(j)展示了彎折OS與結(jié)構(gòu)周期、取向周期相關(guān)的二維衍射分布。通過(guò)設(shè)定空間電場(chǎng)，可靈活地調(diào)諧缺陷墻間距，并能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)缺陷陣列的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)等多維操控。OS拓?fù)淙毕莸目删幊炭刂朴型苿?dòng)全新液晶光子元件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

2.2 膽甾相螺旋軸操控

利用取向控制膽甾相液晶螺旋軸朝向可以實(shí)現(xiàn)指紋織構(gòu)與平面態(tài)織構(gòu)兩種不同的狀態(tài)。其中，指紋織構(gòu)產(chǎn)生于垂直錨定或混合錨定條件下，具有躺倒的螺旋軸分布；而在兩側(cè)面內(nèi)取向的情況下，螺旋軸垂直于兩側(cè)基板，產(chǎn)生平面態(tài)織構(gòu)。利用光取向技術(shù)對(duì)襯底進(jìn)行圖案化配向，再施加適當(dāng)?shù)拇怪彪妶?chǎng)對(duì)液晶指向進(jìn)行控制，可大面積制備膽甾相光柵[24]。在圖案化配向情況下，初始狀態(tài)仍為平面態(tài)織構(gòu)(圖4(a,b))，當(dāng)施加足夠大的電場(chǎng)時(shí)，中間層的液晶將率先掙脫錨定束縛，使螺旋軸發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，變?yōu)榇怪庇诘酌嫒∠虻奶傻孤菪?圖4(c))。由于液晶指向矢沿螺旋軸周期變化，從而在偏光顯微鏡下呈現(xiàn)出干涉色的周期變化而形成指紋織構(gòu)(圖4(d))，并表現(xiàn)出光柵衍射行為。當(dāng)在兩側(cè)基板取向?qū)宇A(yù)設(shè)上下對(duì)準(zhǔn)的角向取向時(shí)，電場(chǎng)誘導(dǎo)下液晶螺旋軸呈現(xiàn)放射狀躺倒(圖4(e))，形成阿基米德螺線(xiàn)型的織構(gòu)(圖4(f))。本工作還系統(tǒng)研究了預(yù)設(shè)取向?qū)l紋方向的影響，證實(shí)光取向技術(shù)可以靈活、任意地操控膽甾相螺旋超結(jié)構(gòu)。該工作開(kāi)辟了軟物質(zhì)自組裝多層級(jí)超結(jié)構(gòu)構(gòu)建的新途徑，豐富了液晶微結(jié)構(gòu)光子元件的種類(lèi)。

光取向還能誘導(dǎo)半開(kāi)放液晶膜生成大面積、高質(zhì)量的指紋結(jié)構(gòu)。摻雜光敏手性劑可實(shí)現(xiàn)指紋織構(gòu)的光控調(diào)諧[25]。我們將摻有ChAD-3c-S光敏手性分子開(kāi)關(guān)的膽甾相液晶旋涂至均勻面內(nèi)取向的襯底上，所得到的半開(kāi)放液晶膜在對(duì)抗性邊界錨定作用下，表層液晶產(chǎn)生周期性波動(dòng)(圖4(g))，進(jìn)而形成指紋織構(gòu)。藍(lán)光刺激誘導(dǎo)分子開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)變化，促使螺旋結(jié)構(gòu)解旋，進(jìn)而導(dǎo)致指紋織構(gòu)發(fā)生面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其最大旋轉(zhuǎn)角達(dá)到987.8°(圖4(h))。我們進(jìn)一步驗(yàn)證了此半開(kāi)放液晶膜在光束偏折(圖4(i))與粒子同步操控(圖4(j))等方面的具體應(yīng)用，展示了其在傳感和微操縱等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖4 膽甾相螺旋超結(jié)構(gòu)的操控。膽甾相平面態(tài)的(a)螺旋結(jié)構(gòu)示意圖與(b)織構(gòu)圖；電場(chǎng)誘導(dǎo)螺旋躺倒后的(c)結(jié)構(gòu)示意圖與(d)指紋織構(gòu)圖；電場(chǎng)誘導(dǎo)下放射狀躺倒的螺旋結(jié)構(gòu)(e)示意圖與(f)阿基米德螺線(xiàn)指紋織構(gòu)圖[24]；(g)半自由膜中分子層的自適應(yīng)變形；(h)指紋織構(gòu)的光控旋轉(zhuǎn)，及其在(i)光束偏折和(j)粒子操控方面的應(yīng)用展示[25]；(k)普通膽甾相與傾斜螺旋膽甾相的結(jié)構(gòu)對(duì)比；(l)電調(diào)傾斜螺旋膽甾相反射光譜及光控手性反轉(zhuǎn)；(m)光控圓偏振反轉(zhuǎn)的激射[26]。Fig.4 Manipulation of cholesteric helical superstructures.(a)Schematic and (b)textures of planar cholesteric state;(c)Schematic and (d)fingerprint textures of electric-field-induced lying helix;(e)Schematic and (f)archimedes spiral fingerprint textures of electric field-induced radial lying helix[24]；(g)Helical layers with a self-adapted distortion in a semi-free film;(h)Light-driven rotation of fingerprint textures,and the demonstration of its applications in (i)beam steering and (j)particle manipulation[25];(k)Comparison of the structures of common helicoidal CLC and heliconical CLC;(l)Electrical manipulation of reflection spectra of heliconical CLC and light-activated chirality inversion;(m)Light-driven laser emission of opposite circular polarizations[26].

平面態(tài)膽甾相液晶具有圓偏光選擇的寬帶布拉格反射特性，反射圓偏振與螺旋結(jié)構(gòu)手性一致，反射波長(zhǎng)位于nop～nep之間，其中no、ne分別是液晶尋常光和非尋常光折射率，p是膽甾相液晶的螺距。通過(guò)向膽甾相液晶中摻雜彎曲型液晶二聚物和光敏手性分子開(kāi)關(guān)，結(jié)合電、光雙重刺激，實(shí)現(xiàn)了傾斜螺旋膽甾相螺距的動(dòng)態(tài)電控與螺旋超結(jié)構(gòu)手性的光控可逆轉(zhuǎn)換，獲得了反射帶寬在整個(gè)可見(jiàn)光波段的正反向連續(xù)可調(diào)[26]。當(dāng)該液晶受到平行于螺旋軸方向的電場(chǎng)刺激時(shí)，在維持旋性的同時(shí)，層內(nèi)分子由面內(nèi)取向轉(zhuǎn)變?yōu)榕c層面呈一定夾角，形成傾斜螺旋結(jié)構(gòu)[27](圖4(k))。此夾角隨外加電場(chǎng)增大而增大，膽甾相螺距相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致反射光譜的藍(lán)移(圖4(l))。光敏手性分子開(kāi)關(guān)在藍(lán)光和綠光的照射下發(fā)生的分子結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致螺旋結(jié)構(gòu)的手性反轉(zhuǎn)。上述特性可用于液晶可調(diào)諧激光的激射調(diào)控。電調(diào)螺距實(shí)現(xiàn)了激射波長(zhǎng)的寬譜調(diào)諧，光控手性反轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)圓偏振的手性切換(圖4(m))。該體系只有在手性態(tài)下才呈現(xiàn)布拉格反射，我們恰當(dāng)控制曝光劑量使材料進(jìn)入解旋狀態(tài)，再施加特定電場(chǎng)，利用圖案化光場(chǎng)曝光，賦予曝光區(qū)域手性，則造成手性螺旋態(tài)和向列相態(tài)(解旋態(tài))的交替共存，呈現(xiàn)出新穎的衍射效應(yīng)。本工作理清了光電聯(lián)合調(diào)控對(duì)傾斜螺旋膽甾相組裝行為的作用規(guī)律，使得多元外場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)控的組裝微結(jié)構(gòu)液晶元件成為可能。

2.3 藍(lán)相單晶疇圖案化

藍(lán)相是一種自組裝的軟光子立方晶體，具有極窄頻率光子局域特性[28-29]。我們通過(guò)一步圖案化取向，曝光區(qū)域?yàn)榫鶆蛎鎯?nèi)取向，未曝光區(qū)域?yàn)闊o(wú)規(guī)取向，上述區(qū)域在降溫過(guò)程中分別誘導(dǎo)藍(lán)相液晶形成單晶疇和多晶疇，從而獲得了微域圖案化的晶疇排列(圖5(a,b))[30]。此圖案化晶格對(duì)各種外部刺激，如：溫度、電場(chǎng)和光輻射，可以做出靈敏的響應(yīng)，反映為光學(xué)性質(zhì)(如反射強(qiáng)度、反射帶和光散射)的顯著變化。如圖5(c)所示，對(duì)方形晶疇陣列樣品施加垂直電場(chǎng)，藍(lán)相晶格的反射色從綠色向紅色轉(zhuǎn)變。這意味著調(diào)節(jié)加載電壓，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同入射波長(zhǎng)的選擇性衍射(反射)。本工作還制備了叉形光柵、圓形光柵、艾里模板(圖5(d))等結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了其反射光的衍射行為，展示了該體系在窄帶反射光子元件中的應(yīng)用潛力。

圖5 藍(lán)相單晶疇圖案化。(a)藍(lán)相液晶盒圖案化取向示意圖；(b)藍(lán)相單晶疇與多晶疇分布示意圖；(c)電致藍(lán)相反射波長(zhǎng)紅移；(d)圖案化藍(lán)相單晶疇[30]。Fig.5 Patterning of BP crystallographic domain.(a)Schematic of a photoaligned BP cell;(b)Schematic of the distribution of BP crystallographic and polycrystalline domains;(c)Electric field-induced red-shifting of reflective wavelength of BP;(d)Patterned BP crystallographic domains[30].

除了上述常見(jiàn)液晶相態(tài)，我們還利用SD1實(shí)現(xiàn)了對(duì)液晶共軛聚合物的光取向[31]。通過(guò)圖案化取向芴-苯并噻二唑交替共聚物F8BT和F8BT/Red-F二元共混體系，誘導(dǎo)聚合物長(zhǎng)鏈局部有序取向，實(shí)現(xiàn)了多種微米級(jí)光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備，并展示出優(yōu)異的光致發(fā)光特性。這拓寬了光取向技術(shù)的應(yīng)用，豐富了聚合物半導(dǎo)體光電子器件的制備手段。

3 光尋址液晶調(diào)光技術(shù)

對(duì)光波各自由度的調(diào)制是光學(xué)元件的物理基礎(chǔ)，在光學(xué)應(yīng)用中占據(jù)重要的地位。這些自由度包括幅度、偏振和相位等，其中相位的空間分布至關(guān)重要。利用液晶器件進(jìn)行的相位調(diào)制主要分為兩種：動(dòng)態(tài)相位和幾何相位。動(dòng)態(tài)相位是因光程差改變的相位，與介質(zhì)的折射率和厚度相關(guān)；而幾何相位源自光子的自旋軌道耦合，它的大小可以利用瓊斯矩陣進(jìn)行精確計(jì)算，通常與元件的局域光軸角度成比例[32]。

3.1 動(dòng)態(tài)相位

液晶具有光學(xué)各向異性，其有效折射率依賴(lài)于液晶指向矢與入射偏振的角度關(guān)系。因此，同一偏振經(jīng)過(guò)不同取向的液晶疇會(huì)產(chǎn)生光程差，控制液晶盒內(nèi)不同區(qū)域的指向矢分布即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光的相位整形。基于動(dòng)態(tài)相位的典型液晶調(diào)光元件有液晶光柵、叉形光柵、達(dá)曼光柵等，這些元件可以基于二值化的液晶取向來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 液晶光柵

光取向液晶光柵的基本結(jié)構(gòu)特征是液晶面內(nèi)取向的周期性交替排列，相應(yīng)的折射率分布導(dǎo)致的相位延遲量差異引發(fā)光的衍射。我們利用光取向技術(shù)實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)依賴(lài)的液晶光柵。具體通過(guò)兩步正交偏振曝光同時(shí)引導(dǎo)液晶盒兩側(cè)基板的取向，實(shí)現(xiàn)相鄰區(qū)域液晶指向矢的正交平面取向[33](planar alignment,PA)(圖6(a))。制備而成的一維(one-dimensional,1D)(圖6(b))或者二維(two-dimensional,2D)(圖6(c))相位光柵，其衍射效率可通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)諧(圖6(d))，因?yàn)閛光和e光經(jīng)歷完全相同的相位分布，所以該類(lèi)正交平面取向光柵具有偏振無(wú)依賴(lài)的衍射特性(圖6(e))，并展現(xiàn)出高透射率(～92%)、高衍射效率(>31%)以及高光學(xué)開(kāi)關(guān)比(>150)等特點(diǎn)。如果先用光取向分別曝光基板制成扭曲向列相(twisted nematic,TN)液晶盒，再覆上光刻模版進(jìn)行曝光，將透光區(qū)域改寫(xiě)為斜45°PA，灌入液晶后，則形成交替TN-PA的液晶光柵[34](圖6(f))。沿TN取向方向在前后基板外側(cè)貼附偏光片，加電后這類(lèi)光柵可同時(shí)對(duì)相位和振幅進(jìn)行調(diào)制。我們分別制備了1D和2D的TN-PA液晶光柵，它們的1級(jí)衍射強(qiáng)度均可通過(guò)外加電場(chǎng)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。并且在加電的過(guò)程中，光柵會(huì)呈現(xiàn)4種獨(dú)特的透光狀態(tài)(圖6(g))，有望應(yīng)用于光學(xué)邏輯元件。我們進(jìn)一步基于瓊斯矩陣模擬了交替TN-PA液晶光柵的出射相位與振幅隨電場(chǎng)的變化，并基于傅里葉變換模擬了電壓、盒厚相關(guān)的光柵衍射效率[35]。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了液晶光柵參數(shù)，提高了光柵性能。除了普通的向列相液晶，該類(lèi)技術(shù)還可引入雙頻液晶與鐵電液晶[36]，實(shí)現(xiàn)更加快速(亞毫秒量級(jí))的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與更高消光比，滿(mǎn)足光開(kāi)關(guān)等快速響應(yīng)元件的需要[37-38]。

圖6 液晶光柵。(a)正交PA液晶盒示意圖；(b)一維和(c)二維液晶相位光柵顯微圖；(d)0級(jí)和1級(jí)V-T曲線(xiàn)；(e)0°和90°偏振入射時(shí)，1級(jí)衍射光強(qiáng)的電場(chǎng)相關(guān)性[33]；(f)交替TN-PA液晶盒示意圖；(g)二維TN-PA液晶光柵的4種狀態(tài)(圖片尺寸均為300 μm× 300 μm)[34]。Fig.6 LC gratings.(a)Schematic cell structure of an orthogonal-PA cell;micrographs of (b)1D and (c)2D LC phase gratings;(d)V-T curves of 0th and 1st orders;(e)Dependencies of 1st order diffraction intensity on electric field for 0° and 90° incident polarizations[33];(f)Schematic of an LC cell with TN-PA;(g)Four states of a 2D TN-PA LC grating (all image sizes are 300 μm× 300 μm) [34].

3.1.2 叉形光柵

叉形光柵是渦旋光和平面波干涉的全息圖，通過(guò)高斯光照射叉形光柵會(huì)在衍射級(jí)上產(chǎn)生拓?fù)浜蒻與級(jí)次相對(duì)應(yīng)的渦旋光束[39]。渦旋光束具有獨(dú)特的螺旋形相位，光子攜帶m?的軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM)[40]。叉形光柵的中心區(qū)域存在位錯(cuò)，形狀類(lèi)似一個(gè)叉子，故稱(chēng)作叉形光柵。利用動(dòng)態(tài)掩膜曝光系統(tǒng)將叉形光柵圖案記錄到取向?qū)?，另一層采用垂直配向，制備正交混合取?hybrid alignment nematic,HAN)的液晶叉形光柵(圖7(a))[41]。線(xiàn)偏振入射以后，在其衍射級(jí)產(chǎn)生渦旋光束，衍射效率可通過(guò)控制電壓調(diào)諧，能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)。加電調(diào)節(jié)最大衍射效率可達(dá)37%(圖7(b))，而加電10 V以上，則只有0級(jí)光斑，高階衍射被抑制，呈現(xiàn)關(guān)態(tài)(圖7(c))。對(duì)于不同入射波長(zhǎng)，衍射效率可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行優(yōu)化(圖7(d))。與前面正交PA光柵類(lèi)似，這類(lèi)正交HAN的元件也呈現(xiàn)出優(yōu)秀的偏振無(wú)依賴(lài)特性(圖7(e))。該方案的取向圖案與光束拓?fù)涮匦钥梢造`活設(shè)計(jì)，為提高開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度，還可進(jìn)一步引入鐵電液晶[42]。

圖7 液晶叉形光柵、達(dá)曼光柵及達(dá)曼渦旋光柵。(a)正交混合配向叉形光柵顯微圖；光渦旋(b)開(kāi)態(tài)和(c)關(guān)態(tài)；(d)不同波長(zhǎng)(e)不同偏振的V-η曲線(xiàn)[41]；(f)二維達(dá)曼光柵顯微圖[45]；(g)圓形達(dá)曼光柵的相位圖[46]；(h)m=1的1×5達(dá)曼渦旋光柵的相位圖案；(i)達(dá)曼渦旋光柵局部正交平面取向示意圖；二維達(dá)曼渦旋光柵(j)、(k)顯微圖及對(duì)應(yīng)(l)632.8 nm、(m)532 nm入射波長(zhǎng)的衍射圖案[48]。Fig.7 LC fork gratings,Dammann gratings and DVG.(a)Micrograph of orthogonal-HAN fork gratings;(b)on and (c)off state of the optical vortex;V-η curves at different (d)wavelengths and (e)polarizations[41]；(f)Micrograph of a 2D Dammann grating[45];(g)Phase pattern of a circular Dammann grating[46]；(h)Phase pattern of 1×5 DVG with m=1;(i)Schematic of local orthogonal planar alignment of a DVG;(j)，(k)Micrographs of a 2D DVG and its diffraction patterns at wavelength of (l)632.8 nm and (m)532.0 nm[48].

3.1.3 達(dá)曼叉形光柵

液晶光柵與液晶叉形光柵一個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)相位轉(zhuǎn)變點(diǎn)(取值0.5)，利用達(dá)曼光柵的相位分割原理，在一個(gè)周期內(nèi)選取特定數(shù)量與位置的相位轉(zhuǎn)變點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)光柵各衍射級(jí)次的效率，比如產(chǎn)生特定級(jí)次等能量的陣列[43]。除了通常的達(dá)曼光柵[44-45](圖7(f))，還可以將達(dá)曼光柵的相位分割原理拓展到圓形光柵和叉形光柵，分別實(shí)現(xiàn)圓形達(dá)曼光柵(圖7(g))[46]和達(dá)曼叉形光柵[47]。我們利用光取向制備了正交PA的達(dá)曼叉形光柵(Dammann vortex gratings,DVG)，實(shí)現(xiàn)了可電控開(kāi)關(guān)且偏振無(wú)依賴(lài)的1D(圖7(h,i))和2D(圖7(j,k))渦旋光束陣列的產(chǎn)生[48]。調(diào)諧電場(chǎng)可以針對(duì)特定波長(zhǎng)優(yōu)化衍射效率，圖7(l,m)分別展示了2D達(dá)曼光柵在632.8 nm和532.0 nm時(shí)的衍射圖案，光斑陣列的拓?fù)浜煞植紴閚xmx+nymy，其中nx和ny分別代表x和y方向上的衍射級(jí)次，mx和my分別代表叉形光柵x和y方向上的拓?fù)浜?。該達(dá)曼叉形光柵制備方案可以靈活操控渦旋光的拓?fù)浜蒻與徑向指數(shù)p，拓展了OAM產(chǎn)生、操控和檢測(cè)等方面的應(yīng)用。

3.2 透射式幾何相位

幾何相位是伴隨圓偏振反轉(zhuǎn)過(guò)程而產(chǎn)生的與光軸指向關(guān)聯(lián)的相位類(lèi)型，可以很方便地通過(guò)預(yù)設(shè)液晶方位角來(lái)實(shí)現(xiàn)精確操控。液晶光取向技術(shù)便于實(shí)現(xiàn)指向矢的面內(nèi)連續(xù)變化，進(jìn)而產(chǎn)生相位梯度的連續(xù)漸變，理論上在半波條件下可以達(dá)到100%的相位轉(zhuǎn)化效率。大多數(shù)幾何相位元件液晶厚度在光波長(zhǎng)量級(jí)，且為平整表面，因此微結(jié)構(gòu)液晶光學(xué)元件是平面光學(xué)元件的一種，有利于光學(xué)元件的小型化與集成化。基于向列相液晶體系實(shí)現(xiàn)了多種新穎的幾何相位元件，包括液晶偏振光柵、液晶q波片，q波片還可進(jìn)一步與多種相位疊加獲得產(chǎn)生特殊光場(chǎng)的元件，這些均屬于透射式幾何相位元件的范疇。

3.2.1 液晶偏振光柵

液晶偏振光柵所對(duì)應(yīng)的指向矢方位角在每個(gè)周期內(nèi)從0°連續(xù)變化到180°(圖8(a))，而在垂直液晶盒的方向上指向矢平行排列；從而引入了傾斜的相位分布。我們基于多步重疊曝光技術(shù)在雙頻液晶體系中制備了液晶偏振光柵[49]，驗(yàn)證了快速響應(yīng)的光開(kāi)關(guān)。在半波條件下，±1級(jí)間的能量分布取決于入射偏振。線(xiàn)偏振入射會(huì)導(dǎo)致能量均勻分配到±1級(jí)(圖8(b))，左旋圓偏振入射時(shí)，只產(chǎn)生+1級(jí)的右旋圓偏光(圖8(c))，而右旋圓偏振則恰恰相反(圖8(d))。衍射效率電壓可調(diào)(圖8(e))，恰當(dāng)選取電壓值，可通過(guò)切換頻率實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的快速控制。這類(lèi)快速響應(yīng)的液晶偏振光柵在寬視角顯示、大角度光束偏折、偏振分束等領(lǐng)域有望獲得廣泛的應(yīng)用[50]。

圖8 液晶偏振光柵、q波片及叉形偏振光柵。(a)偏振光柵的液晶指向矢分布；(b)線(xiàn)偏光、(c)左旋圓偏光和(d)右旋圓偏光入射的衍射圖案；(e)相反圓偏振入射的V-η曲線(xiàn)[49]；(f)q值角向變化的q波片及其產(chǎn)生的對(duì)稱(chēng)性破缺的光場(chǎng)；(g)α0徑向變化的q波片及其產(chǎn)生的多環(huán)光場(chǎng)；(h)q值徑向變化的q波片及其產(chǎn)生的颶風(fēng)狀光場(chǎng)[51]；(i)m=2的液晶叉形偏振光柵的織構(gòu)圖；(j)叉形偏振光柵的衍射特性示意圖；(k)0和±1級(jí)的V-η曲線(xiàn)；(l)2.31 V電壓下偏振相關(guān)的衍射效率圖，插圖是曲線(xiàn)上相應(yīng)顏色圓圈所對(duì)應(yīng)的衍射圖案[52]。Fig.8 LC polarization grating,q-plate and FPG.(a)LC director distribution of a polarization grating;diffraction patterns for (b)linearly,(d)left circularly and (e)right circularly incident polarization;(e)V-η curves of opposite circular polarizations[49]；Micrographs of meta-q-plates with (f)azimuthally variant q,(g)radially variant α0 and (h)radially variant q,and corresponding optical fields with (f)Symmetrical,(g)multi-ringed and (h)hurricane transverse profiles,respectively[51]；(i)Texture of a LC FPG with m=2;(j)Schematic diffraction property of an FPG;(k)V-η curves of 0th and 1st orders;(l)Polarization-dependent diffraction efficiency at 2.31 Vrms,and inserts show diffraction patterns of different θ marked in the curves[52].

3.2.2 液晶q波片

液晶q波片可以高效率地直接將平面波轉(zhuǎn)換為渦旋光和矢量光。它的本質(zhì)是一個(gè)半波片，其液晶指向矢隨空間位置發(fā)生變化，滿(mǎn)足α(φ)=qφ+α0。q和α0兩個(gè)參數(shù)共同決定了q波片面內(nèi)指向矢的空間分布，前者描述指向矢方位角隨角度變化的快慢，后者是極軸上液晶指向矢的起始方向。根據(jù)瓊斯矩陣可以計(jì)算出q波片對(duì)波前的調(diào)控效果：入射圓偏振反向，并附加上螺旋形相位，其拓?fù)浜蒻=2σq，其中σ=±1，與入射光的圓偏振旋向有關(guān)；入射線(xiàn)偏振，出射光為兩個(gè)正交圓偏振分量的疊加，形成空間上周期漸變分布的線(xiàn)偏振光，即矢量渦旋。q波片由于其確定的q和α0，只能產(chǎn)生一束特定的渦旋光。我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了meta-q波片，可實(shí)現(xiàn)角向或徑向變化的q以及空間不同的α0[51]，能夠點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地操控光的空間自由度(偏振與相位)，從而產(chǎn)生更加復(fù)雜和新穎的光場(chǎng)。其中，q角向變化可以產(chǎn)生橢圓形或?qū)ΨQ(chēng)性破缺的光場(chǎng)(圖8(f))；α0徑向變化可以產(chǎn)生多環(huán)光場(chǎng)(圖8(g))；q徑向變化可以產(chǎn)生颶風(fēng)形狀的光場(chǎng)(圖8(h))。Meta-q波片設(shè)計(jì)極大地?cái)U(kuò)展了對(duì)渦旋光的操控能力，為光學(xué)操縱、OAM信息技術(shù)、量子光學(xué)等領(lǐng)域的研究奠定了基礎(chǔ)。

3.2.3 液晶q波片的拓展

將q波片與其他相位如達(dá)曼二值化相位進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，可以獲得更加新穎的液晶光學(xué)元件，如液晶叉形偏振光柵(fork polarization grating,FPG)、達(dá)曼q波片(Dammannq-plate,DQP)、圓形達(dá)曼q波片(circular Dammannq-plate,CDQP)及達(dá)曼渦旋q波片(Dammann vortexq-plate,DVQP)等，拓展了液晶q波片的類(lèi)型和應(yīng)用。我們將q波片與偏振光柵進(jìn)行相位疊加，制備了叉形偏振光柵(圖8(i))[52]，在±1級(jí)獲得純的渦旋光束(圖8(j))。線(xiàn)偏振入射時(shí)，外加電場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)0級(jí)與±1級(jí)次間的切換以及能量分布的連續(xù)調(diào)節(jié)(圖8(k))，±1級(jí)產(chǎn)生的渦旋光其拓?fù)浜珊蛨A偏振都是相反的；圓偏振入射時(shí)，光束偏向其中的一級(jí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的渦旋光轉(zhuǎn)化效率高達(dá)98.5%(圖8(l))。

叉形偏振光柵只能對(duì)±1級(jí)兩束渦旋光進(jìn)行操控，缺乏多光束并行處理的能力。為了解決這一問(wèn)題，我們將q波片與達(dá)曼光柵相位集成(圖9(a,b))，制備了達(dá)曼q波片[53]。通過(guò)調(diào)控q波片的拓?fù)浜珊瓦_(dá)曼光柵的階數(shù)與對(duì)稱(chēng)性，可靈活控制相應(yīng)高階龐加萊(higher-order Poincaré,HOP)球光束陣列的級(jí)數(shù)與晶格對(duì)稱(chēng)性。圖9(c)展示了m=1，7 × 7的達(dá)曼q波片及其產(chǎn)生的渦旋光束陣列，圖9(d)展示了m=6，2 × 2的達(dá)曼q波片及其產(chǎn)生的矢量光束陣列。達(dá)曼q波片可以實(shí)現(xiàn)光子自旋角動(dòng)量(spin angular momentum,SAM)(與圓偏振相關(guān))與OAM(與相位螺旋相關(guān))的并行操控，電控可對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)HOP上任意狀態(tài)。渦旋光束形似甜甜圈的強(qiáng)度分布通常會(huì)因m而不同，這給光學(xué)操縱、模式復(fù)用光通信等帶來(lái)了不利影響。將圓形達(dá)曼光柵與q波片進(jìn)行相位集成，所得的圓形達(dá)曼q波片可以完美地解決這一問(wèn)題[54]。如圖9(e,f)所示，我們用不同拓?fù)浜傻膱A形達(dá)曼q波片產(chǎn)生了一系列的渦旋光和矢量光，它們具有相同的半徑。進(jìn)一步引入高階圓形達(dá)曼光柵與不同m的q波片進(jìn)行組合，可以產(chǎn)生半徑與m無(wú)關(guān)的多環(huán)HOP光束(圖9(g))。也可以將q波片與達(dá)曼渦旋光柵的相位進(jìn)行集成，制備達(dá)曼渦旋q波片[55]，從而產(chǎn)生了多達(dá)24個(gè)獨(dú)立通道的混合階龐加萊球(hybrid-order Poincaré sphere,HyOPS)光束陣列(圖9(h～k))，為并行光操縱與超寬帶數(shù)據(jù)傳輸提供了支持。q波片與各種特殊相位的疊加賦予了渦旋光偏折、聚焦/發(fā)散、陣列生成等功能，極大豐富了渦旋光場(chǎng)的生成能力。

圖9 達(dá)曼q波片、圓形達(dá)曼q波片及達(dá)曼渦旋q波片。2×2達(dá)曼光柵、m=1的q波片相位及其疊加而成的達(dá)曼q波片的(a)光軸分布與(b)中心區(qū)域光軸分布示意圖；(c)m=1的7×7達(dá)曼渦旋q波片及其左旋偏振光入射的衍射圖案；(d)m=6的2×2達(dá)曼渦旋q波片及其線(xiàn)偏光入射時(shí)的衍射圖案(經(jīng)過(guò)正交檢偏器)[53]；(e)m=2、(f)m=4的1級(jí)與(g)m=2的3級(jí)圓形達(dá)曼q波片的顯微圖和衍射圖案(入射偏振和檢偏方向分別用白色箭頭和黃色箭頭指示)[54]；5×5達(dá)曼渦旋q波片的(h)理論光軸分布圖、(i)偏光顯微圖及(j)圓偏振光、(k)線(xiàn)偏振光入射時(shí)的光強(qiáng)分布(經(jīng)過(guò)豎直檢偏器)[55]。Fig.9 LC DQP,CDQP and DVQP.(a)，(b)Optical axis distributions of a 2×2 Dammann grating,a q-plate with m=1 and corresponding integrated DQP;(c)a 7×7 DQP with m=1 and its diffraction pattern with left circular incident polarization;(d)2×2 DQP with m=6 and its diffraction pattern with linearly polarized incident light (detected with orthogonal polarizers) [53]；A micrograph and diffraction patterns of (e)1st LC CDQP with m=2,(f)1st LC CDQP with m=4,(g)3rd LC CDQP with m=2 (The white and yellow arrows indicate the polarization states of incident light and the direction of the analyzer,respectively) [54]；(h)Theoretical distribution of optical axes,(i)POM image of a 5×5 DVQP and its diffraction pattern with (j)circular and (k)linear polarization (detected with a 90° analyzer) [55].

3.3 反射式幾何相位

上述基于向列相液晶的幾何相位元件，需調(diào)諧電場(chǎng)匹配特定波長(zhǎng)的半波條件，從而獲得最大衍射效率。偏離該波長(zhǎng)，則轉(zhuǎn)化效率下降。膽甾相液晶具有圓偏振選擇的寬帶布拉格反射特性，操控起始配向，可以制備寬帶的反射式幾何相位元件[56-59]，實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)位于nop～nep之間的光波的寬帶等效相位調(diào)制。靈活設(shè)定位相，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。將偏振光柵的取向?qū)懭肽戠尴嘁壕?，可?shí)現(xiàn)寬帶等效的圓偏振選擇性的光束偏折[56]；寫(xiě)入球面透鏡的相位分布可以制備聚焦/發(fā)散的反射型透鏡[56]；此外，還可基于螺旋相位實(shí)現(xiàn)反射式渦旋光的產(chǎn)生[58]。上述反射式幾何相位元件的工作帶寬和功能都是固定的。我們向膽甾相液晶中引入光敏手性分子開(kāi)關(guān)和具有相反手性的手性劑[60]，通過(guò)藍(lán)光和可見(jiàn)光照射動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)膽甾相螺旋超結(jié)構(gòu)的螺距并實(shí)現(xiàn)手性反轉(zhuǎn)(圖10(a))，從而賦予了該類(lèi)元件連續(xù)可調(diào)的反射光譜和共軛轉(zhuǎn)換的相位分布。實(shí)現(xiàn)了一系列功能可開(kāi)關(guān)、帶寬可調(diào)的動(dòng)態(tài)平面光子元件的制備，如偏振光柵、艾里模板和q波片，并驗(yàn)證了其光束偏折，艾里光束(圖10(b,c))、渦旋光產(chǎn)生(圖10(d,e))的功能。這些動(dòng)態(tài)平面光子元件在寬帶相位調(diào)制應(yīng)用方面具有重要意義。

圖10 光控CLC光子帶隙調(diào)諧及手性反轉(zhuǎn)。(a)藍(lán)光和綠光驅(qū)動(dòng)的CLC超結(jié)構(gòu)演變；艾里光束發(fā)生器在(b)2 s和(c)45 s藍(lán)光照射下的顯微圖及衍射圖案；q=1/2的CLC q波片在(d)2 s和(e)45 s藍(lán)光照射下的功能示意圖、相位分布圖、顯微圖及OAM探測(cè)[60]。Fig.10 Light-driven manipulation of CLC photonic band gap and inversion of chirality.(a)Structural evolution of CLC superstructures driven by blue and green light;Micrographs and diffraction patterns of an Airy beam generator irradiated by blue light for (b)2 s and (c)45 s;Schematic illustrations,phase profiles,micrographs and OAM detection of a CLC q-plate with q=1/2 irradiated by blue light for (d)2 s and (e)45 s[60].

4 光通信與太赫茲液晶元件

液晶的介電和光學(xué)各向異性可以覆蓋從紫外到微波的廣闊波段。得益于液晶的刺激響應(yīng)特性，通過(guò)外場(chǎng)(電、光、熱等)可以靈活地調(diào)控液晶指向矢空間分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的相位、強(qiáng)度、偏振等自由度的調(diào)控。目前，對(duì)于液晶光子元件的研究和開(kāi)發(fā)逐漸從可見(jiàn)光波段向長(zhǎng)波區(qū)域，如通信波段、太赫茲波段乃至微波波段延伸，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的液晶可調(diào)無(wú)源光器件如光開(kāi)關(guān)、濾波器、偏振控制器等。隨著工作波段向長(zhǎng)波拓展，液晶光子元件的發(fā)展也面臨一系列新的挑戰(zhàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與材料的選擇都提出了更高的要求。面向光通信與太赫茲波段的液晶光子元件成為目前熱門(mén)的研究領(lǐng)域。

4.1 光通信元件

光通信是以光波為載波的通信技術(shù)，是目前網(wǎng)絡(luò)通信的基本模式，而光通信元器件則是構(gòu)建光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。隨著光通信元件在光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中應(yīng)用比例的增加，它們正朝著小型化、集成化方向發(fā)展。液晶材料因其優(yōu)良的電光特性可用于開(kāi)發(fā)各種可調(diào)諧無(wú)源光子元件。相比于傳統(tǒng)電光晶體元件，液晶光子元件具有驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、重量輕等優(yōu)勢(shì)。液晶光子元件的引入，為光通信技術(shù)提供了更為便捷的操控手段，促進(jìn)了光通信技術(shù)的發(fā)展。我們實(shí)現(xiàn)了液晶光開(kāi)關(guān)、退偏器與動(dòng)態(tài)波導(dǎo)等光通信元件，并基于微結(jié)構(gòu)液晶開(kāi)發(fā)了面向OAM復(fù)用的元器件。

4.1.1 液晶光開(kāi)關(guān)

光開(kāi)關(guān)是進(jìn)行光信號(hào)動(dòng)態(tài)控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)互聯(lián)的關(guān)鍵通信器件。前面介紹的基于光取向技術(shù)實(shí)現(xiàn)了正交PA液晶光柵[33]與交替TN-PA取向的液晶光柵[34]，兩者均可通過(guò)外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)衍射級(jí)次開(kāi)關(guān)態(tài)的切換。為了提高開(kāi)關(guān)的響應(yīng)速度，我們將雙頻液晶引入到光柵型光開(kāi)關(guān)的制備中[37]，如圖11(a,b)所示，液晶盒的一側(cè)為正交的圖案化面內(nèi)取向，另一側(cè)為均一的垂直取向，組成正交的HAN結(jié)構(gòu)。雙頻液晶對(duì)低頻和高頻電場(chǎng)分別呈現(xiàn)正和負(fù)介電各向異性，因此在較高電壓(30 V)下，光開(kāi)關(guān)可以根據(jù)頻率的高低敏感地切換開(kāi)關(guān)態(tài)。測(cè)得開(kāi)和關(guān)的時(shí)間分別為350 μs和600 μs(圖11(c))，均達(dá)到了亞毫秒級(jí)別。進(jìn)一步將偏振光柵取向結(jié)構(gòu)引入雙頻液晶，制備的光柵可以大幅提高光能利用率[49]。

4.1.2 液晶退偏器

光學(xué)系統(tǒng)在某些特定情形下，會(huì)產(chǎn)生偏振相關(guān)的增益、損耗，并帶來(lái)負(fù)面的影響。退偏器可將偏振光轉(zhuǎn)化為非偏振光，廣泛應(yīng)用于對(duì)偏振敏感的系統(tǒng)和儀器中。我們基于光軸方向隨機(jī)排列的半波片陣列設(shè)計(jì)了一種液晶退偏器[61]，它展現(xiàn)出良好的寬帶與偏振不敏感特性。圖11(d)是液晶退偏器的示意圖，每個(gè)方格代表一個(gè)均勻取向的單元，不同的灰度表示不同的光軸指向(液晶指向矢方向)。它相當(dāng)于一組光軸隨機(jī)分布的半波片，偏振光經(jīng)過(guò)該退偏器后，不同位置半波片對(duì)偏振改變不同的角度，出射光則成為偏振方向隨二維空間隨機(jī)變化的混合光場(chǎng)，從而達(dá)到降低偏振度(degree of polarization,DOP)的效果。該液晶退偏器對(duì)任意入射偏振的1 550 nm激光實(shí)現(xiàn)退偏，出射后的DOP小于5%。此外，對(duì)1 520 ～ 1 610 nm (C+L波段)寬波段復(fù)色光源也展現(xiàn)出很好的退偏效果(圖11(e))。

4.1.3 液晶動(dòng)態(tài)波導(dǎo)

片上集成光子芯片在光信息處理、光通訊與傳感等領(lǐng)域占據(jù)重要的地位。傳統(tǒng)的集成光子芯片的架構(gòu)和功能都是固定的，一旦局部損壞，整個(gè)芯片功能即被破壞。我們?cè)O(shè)計(jì)了多種全液晶波導(dǎo)[62]，憑借其外場(chǎng)可調(diào)特性，有望為動(dòng)態(tài)可編程光子芯片提供支持。我們通過(guò)預(yù)設(shè)圖案化取向控制材料的折射率空間分布，制造了直波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)(圖11(f,g))以及環(huán)形諧振器(圖11(h))。我們還證實(shí)了這類(lèi)液晶波導(dǎo)的熱調(diào)諧特性與偏振依賴(lài)性。如圖11(i)所示，在23 ℃時(shí)，波導(dǎo)呈現(xiàn)良好的導(dǎo)光特性，當(dāng)溫度升至58 ℃，波導(dǎo)關(guān)閉。該波導(dǎo)展示出強(qiáng)烈的偏振依賴(lài)性，當(dāng)入射y方向的線(xiàn)偏振，傳輸損耗最小；偏離此值，損耗增加；當(dāng)入射偏振垂直于y軸時(shí)，波導(dǎo)完全關(guān)閉(圖11(j))。該工作提出的液晶動(dòng)態(tài)波導(dǎo)可將分立的功能元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接，有望實(shí)現(xiàn)可編程的光子芯片。

圖11 液晶光開(kāi)關(guān)、退偏器及動(dòng)態(tài)光波導(dǎo)。(a)正交HAN液晶盒示意圖；(b)y-z平面的液晶指向矢分布示意圖；(c)信號(hào)頻率變換引發(fā)的開(kāi)關(guān)[37]；(d)液晶退偏器的示意圖(灰度指示光軸方向)；(e)不同偏振入射液晶退偏器的偏振度結(jié)果[61]；(f)彎曲波導(dǎo)和(h)環(huán)形諧振器的液晶指向矢分布設(shè)計(jì)圖、顯微圖和實(shí)驗(yàn)探測(cè)圖；(g)彎曲波導(dǎo)液晶膜三維結(jié)構(gòu)示意圖；液晶直波導(dǎo)的(i)熱調(diào)諧性與(j)偏振相關(guān)性[62]。Fig.11 LC optical switch,depolarizer and dynamic waveguide.(a)Schematic of an orthogonal-HAN cell;(b)LC director distribution in y-z plane;(c)Switch performance with respect to the signal frequency[37].(d)Schematic of an LC depolarizer (gray scales indicate the directions of optical axes);(e)DOP results at different incident polarization[61]；Designed LC director distributions,micrographs and experimental images of (f)a bending waveguide and (h)a ring resonator;(g)3D schematic illustration of a bending waveguide;(i)Thermal switchability and (j)polarization dependency[62].

4.1.4 OAM產(chǎn)生與檢測(cè)

除了光的相位、振幅、波長(zhǎng)等參數(shù)，渦旋光攜帶的OAM賦予了光調(diào)控一種新的維度。然而，現(xiàn)有的渦旋光產(chǎn)生與檢測(cè)技術(shù)都對(duì)波長(zhǎng)敏感，限制了OAM模式復(fù)用技術(shù)與現(xiàn)行的波分復(fù)用技術(shù)的兼容性。我們將達(dá)曼渦旋光柵的設(shè)計(jì)引入膽甾相液晶制備了OAM模式處理器[63]，得益于膽甾相液晶布拉格反射帶來(lái)的寬帶等效率幾何相位調(diào)制，驗(yàn)證了寬帶渦旋光的產(chǎn)生與檢測(cè)。圖12(a)展示了一個(gè)2×5的達(dá)曼渦旋光柵，它具有雙重拓?fù)浜桑琺x=1，my=3。該達(dá)曼渦旋光柵的等效率工作帶寬達(dá)到116 nm(圖12(b))，覆蓋從綠光(525 nm)直至紅光(641 nm)的可見(jiàn)波段。它的衍射圖案是2×5的渦旋光陣列(圖12(c))，每一級(jí)次攜帶的拓?fù)浜蒻=nx+3ny，這里m的范圍為-5～5。渦旋光的模式檢測(cè)也是OAM模式處理的核心內(nèi)容之一。當(dāng)入射m=+1的渦旋光時(shí)，與高斯光入射產(chǎn)生的衍射圖案相比，所有衍射級(jí)次的m都增加了1，而原本具有拓?fù)浜蒻=-1的級(jí)次(+2，-1)恢復(fù)成了高斯光束(圖12(d))，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射渦旋光拓?fù)浜?m=+1)的檢測(cè)。該方法同樣適用于混合OAM模式的產(chǎn)生與并行無(wú)損檢測(cè)(圖12(e,f))。本方案寬帶、高效，在元器件層面實(shí)現(xiàn)了模式復(fù)用技術(shù)與波分復(fù)用技術(shù)的兼容，在光通信領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

圖12 OAM產(chǎn)生與檢測(cè)。(a)膽甾相達(dá)曼渦旋光柵顯微圖片；(b)膽甾相材料的線(xiàn)偏光透射光譜；(c)對(duì)4種不同波長(zhǎng)同時(shí)衍射的圖案；(d)m=+1渦旋光的衍射圖案(單拓?fù)浜蓹z測(cè))；(e)用于產(chǎn)生m=+1和m=+4混合態(tài)的q波片(q=0.5+2)的顯微圖及對(duì)應(yīng)的(f)入射光、透射光和反射光強(qiáng)度分布(多拓?fù)浜刹⑿刑綔y(cè))[63]。Fig.12 Generation and detection of OAM.(a)Micrograph of a CLC DVG;(b)Transmission spectra of the CLCs for linearly polarized light;(c)Diffraction patterns at four different wavelengths;(d)Diffraction patterns of incident vortex beam with m=+1 (single m detection);(e)Image of a multi-q-plate with q=0.5+2 used to generate incident vortex beam with m=+1 and m=+4，and (f)corresponding intensity images of the incident,transmitted light and reflective demultiplexing patterns (multiplexed m detection) [63].

4.2 太赫茲元件

太赫茲波指的是頻率在0.1 ～ 10 THz(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為3 ～ 0.03 mm)的電磁波，介于微波和紅外之間。液晶可調(diào)太赫茲元件一直是人們追求的目標(biāo)，但其面臨兩個(gè)難題：一是ITO等在可見(jiàn)和通訊波段常用的透明導(dǎo)電材料到了THz頻段不再透明，缺乏替代材料；二是液晶雙折射率到了THz頻段顯著降低，半波相位調(diào)制需要毫米級(jí)的液晶厚度，給配向帶來(lái)難度。由于太赫茲具有光子能量低、脈沖寬度窄、時(shí)空相干性強(qiáng)、輻射帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)損成像、等離子體探測(cè)與太赫茲通信等方面具有巨大潛力[64]。這對(duì)液晶元件也是前所未有的機(jī)遇。我們面對(duì)上述挑戰(zhàn)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)制備了一系列液晶太赫茲元件，包括波片、完美吸收器、濾波器、色散可調(diào)液晶超透鏡及多種太赫茲平面光子元件，并展現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性與可靠性。

4.2.1 太赫茲波片

波片是由具有雙折射特性的材料制備而成的光學(xué)元件，可以用來(lái)改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)。太赫茲波沿波片光軸和垂直于光軸方向的偏振分量分別感受ne和no，從而產(chǎn)生相位延遲，導(dǎo)致出射偏振的改變。對(duì)于給定厚度的波片，其相位延遲量是固定的，出射偏振通過(guò)改變?nèi)肷渚€(xiàn)偏振與波片光軸之間的夾角進(jìn)行調(diào)諧。而用液晶制作的波片由于其電光性質(zhì)，導(dǎo)致其相位延遲量可以通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)諧。我們采用亞波長(zhǎng)金屬線(xiàn)柵作為偏振選擇的電極，選用太赫茲大雙折射率液晶NJU-LDn-4作為波片介質(zhì)材料，其取向方向與金屬線(xiàn)柵呈45°，盒厚250 μm，多孔石墨烯作為另一面偏振無(wú)依賴(lài)的透明電極，由此制備了寬帶調(diào)諧的液晶太赫茲波片(圖13(a))[65]。對(duì)該波片施加電場(chǎng)，可以在2.1 THz以上實(shí)現(xiàn)半波片功能，在1.1 THz以上實(shí)現(xiàn)1/4波片功能(圖13(b))。我們驗(yàn)證了其在2.1 THz處的電控偏振演化過(guò)程(圖13(c))，在0 V和8.8 V時(shí)分別對(duì)應(yīng)1/4波片和半波片。此外，通過(guò)層疊液晶盒可以顯著增加相位調(diào)制量、減小工作電壓并拓寬調(diào)諧范圍。

圖13 液晶可調(diào)太赫茲波片、完美吸收器與濾波器。(a)可調(diào)太赫茲波片的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)不同加載電壓下對(duì)應(yīng)的相位延遲與頻率的關(guān)系；(c)2.1 THz處電壓控制的偏振演化[65];(d)可調(diào)太赫茲完美吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖；施加(e)1 V和(f)60 V電壓時(shí)的液晶指向矢分布示意圖；(g)指向矢平行(黑)和垂直(紅)于襯底時(shí)分別對(duì)應(yīng)的反射光譜仿真結(jié)果[66];(h)FP太赫茲濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；(i)不同溫度下濾波器透射率與頻率的關(guān)系[67]。Fig.13 Tunable LC THz waveplate,perfect absorber and filter.(a)Schematic of a tunable LC THz waveplate;(b)Frequency-dependent phase retardation for different operating voltages;(c)Polarization evolution at 2.1 THz controlled by different voltages[65]；(d)Schematic of a THz perfect absorber;LC director distribution under operating voltages of (e)1 V and (f)60 V;(g)Simulations of reflection spectra for LC director parallel (black)and perpendicular (red)to the substrate[66];(h)Schematic of a FP THz filter;(i)Frequency-dependent transmission of the filter at different temperatures[67].

4.2.2 太赫茲可調(diào)完美吸收器

超材料完美吸收器在熱發(fā)射、能量吸收、傳感、空間光調(diào)控等方面具有廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)一般由上下兩層金屬和中間一層介質(zhì)組成，金屬在電磁場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生等離子體振蕩從而引起諧振，它和中間介質(zhì)層共同實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的吸收。超材料的共振往往發(fā)生在極窄的頻段，因此，改進(jìn)吸收器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬帶吸收、多帶吸收及吸收帶可調(diào)諧是器件發(fā)展的重要方向。我們依然選用NJU-LDn-4作為介質(zhì)層，結(jié)合外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了快速調(diào)諧的太赫茲吸收器[66]。吸收器結(jié)構(gòu)如圖13(d)所示，上層是金屬背板，下層是金屬圓片陣列，中間為均一取向的液晶層。外加電場(chǎng)改變液晶指向矢，從未加電時(shí)的均一面內(nèi)取向(圖13(e))轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡碗妶?chǎng)時(shí)的垂直取向(圖13(f))，從而改變介質(zhì)層的折射率，實(shí)現(xiàn)吸收頻率的調(diào)制。模擬結(jié)果表明，該吸收器的吸收頻率可以在0.828 ～ 0.842 THz之間通過(guò)電場(chǎng)連續(xù)調(diào)諧(圖13(g))，在實(shí)驗(yàn)中得到了進(jìn)一步證明。

4.2.3 可調(diào)太赫茲濾波器

太赫茲濾波器可以選擇性地讓某些頻率的太赫茲波透過(guò)，而阻隔其他頻率。液晶可賦予該類(lèi)器件波長(zhǎng)調(diào)諧特性。除了電場(chǎng)導(dǎo)致的指向矢偏轉(zhuǎn)和重排，液晶的溫敏或光敏特性同樣適用于器件功能的靈活操控。我們提出了一種類(lèi)法布里帕羅(Fabry-Pérot,FP)濾波器，它工作在0.1 ～ 0.5 THz頻段，基于折射率對(duì)溫度的敏感性，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的太赫茲濾波器[67]。如圖13(h)所示，該器件由交替的液晶層和金屬板結(jié)構(gòu)組成，中間的液晶層預(yù)設(shè)垂直取向。當(dāng)橫磁波垂直入射到器件表面時(shí)，太赫茲在金屬片上激發(fā)出表面等離激元。沿著兩個(gè)相鄰界面?zhèn)鞑サ碾妶?chǎng)在液晶層內(nèi)部發(fā)生耦合，形成一個(gè)類(lèi)FP腔的濾波器。我們對(duì)該濾波器的透射光譜進(jìn)行了仿真，光譜呈現(xiàn)出一系列分立的尖銳的共振峰(圖13(i))。通過(guò)加熱使液晶折射率降低，器件透射譜的共振峰向高頻移動(dòng)。本工作提供了一種新穎的可調(diào)諧太赫茲濾波器的設(shè)計(jì)方案，在太赫茲成像、傳感、高速通信等方面具有應(yīng)用潛力。

4.2.4 色散可調(diào)超透鏡

伴隨著光學(xué)元件向小型化與集成化方向發(fā)展，基于人工電磁微結(jié)構(gòu)的超表面日益成為平面光子學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。超構(gòu)透鏡是一類(lèi)典型的超構(gòu)器件，它具有較強(qiáng)的色差效應(yīng)，可用于光譜分析與斷層成像[68]。然而，色差效應(yīng)也帶來(lái)了局限性：成像分辨率的降低限制了其全色成像與高光譜成像的潛能，不利于高分辨成像與光譜分析功能的集成。我們將圖案化取向液晶與介質(zhì)超表面集成到一起，首次實(shí)現(xiàn)了色散可調(diào)的液晶超透鏡[69]。如圖14(a)所示，元件上層是由硅柱陣列形成的介質(zhì)超表面，下層是具有預(yù)設(shè)圖案化取向的液晶層。我們對(duì)硅柱陣列的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行特定空間排布獲得透鏡的相位分布。硅柱諧振單元產(chǎn)生線(xiàn)性共振相位色散，根據(jù)消色差透鏡的一般相位分布進(jìn)行理論計(jì)算后設(shè)定液晶指向矢面內(nèi)取向獲得與頻率無(wú)關(guān)的幾何相位調(diào)制，兩種相位結(jié)合以實(shí)現(xiàn)消色差聚焦(圖14(a)左)。當(dāng)施加飽和偏壓時(shí)，液晶指向垂直于介質(zhì)超表面，幾何相位調(diào)制消失，只剩共振相位，超透鏡重新回到色散聚焦?fàn)顟B(tài)(圖14(a)右)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這種液晶超透鏡的寬帶消色差聚焦(圖14(b))和大色散聚焦(圖14(c))的雙功能電控調(diào)諧特性。

圖14 液晶太赫茲色散可調(diào)透鏡、平面光子元件。(a)無(wú)偏壓時(shí)的消色差聚焦態(tài)和加飽和電壓時(shí)的色散聚焦態(tài)示意圖；(b)無(wú)偏壓和(c)加飽和偏壓時(shí)0.9、1.1，1.4 THz處的太赫茲場(chǎng)[69]；(d)相位延遲對(duì)頻率和盒厚的相關(guān)性；(e)不同盒厚時(shí)頻率依賴(lài)的橢圓率及1.4 THz處偏振的演變(黃線(xiàn)標(biāo)出)；(f)光束偏折器、透鏡、貝塞爾光束和渦旋光束發(fā)生器顯微圖及相應(yīng)的液晶指向矢分布或功能示意[70]；(g)太赫茲平面光子元件功能示意圖。Fig.14 LC THz metalens with tunable chromatic aberration and THz planar photonics.(a)The broadband achromatic focusing state without bias and the dispersive focusing state with a saturated bias;Measured THz fields at 0.9,1.1,1.4 THz (b)without applied bias and (c)with a saturated bias[69];(d)Theoretical dependency of phase retardation on frequency and film thickness;(e)Frequency-dependent ellipticity at different film thicknesses and the polarization evolution at 1.4 THz (depicted by yellow line);(f)Micrographs and corresponding LC director distribution or function illustration of THz deflectors,lens,Bessel beam and vortex beam generators;(g)Schematic of THz planar photonics[70].

4.2.5 太赫茲平面光子元件

基于超表面的平面光子元件可以自由調(diào)控太赫茲波前，但設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，這限制了其實(shí)際應(yīng)用。我們基于光取向液晶聚合物(liquid crystal polymer,LCP)薄膜，設(shè)計(jì)并制備了一系列新穎的平面太赫茲光子元件[70]，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低和功能豐富等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合理預(yù)設(shè)LCP指向矢的面內(nèi)分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波前的任意幾何相位調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)各種功能。根據(jù)LCP波片相位延遲量與頻率、厚度的關(guān)系(圖14(d))，可以針對(duì)不同頻率設(shè)計(jì)太赫茲波片，如1/4波片和半波片。隨后，我們實(shí)驗(yàn)證實(shí)了4種不同厚度的液晶波片的偏振轉(zhuǎn)換功能(圖14(e))，在1.4 THz處，厚度為350 μm和700 μm的液晶波片分別具有1/4波片和半波片的效果。通過(guò)預(yù)設(shè)LCP取向，我們分別實(shí)現(xiàn)了太赫茲偏折器、透鏡、貝塞爾光束和渦旋光束發(fā)生器等功能(圖14(f，g))。我們驗(yàn)證了貝塞爾光束超過(guò)10 mm的無(wú)衍射聚焦特性。將貝塞爾光束與渦旋光束相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了攜帶OAM同時(shí)具有無(wú)衍射和自愈特性的太赫茲波束，有望為太赫茲通信提供全新的模式通道，擴(kuò)大無(wú)線(xiàn)通信的容量與效率。

5 總結(jié)與展望

現(xiàn)代光子技術(shù)正朝著小型化、集成化、自適應(yīng)和多功能等方向發(fā)展，液晶光子學(xué)正是順應(yīng)了這一趨勢(shì)。液晶獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和分子間特異相互作用賦予了其靈活的自組裝行為，結(jié)合光取向，能夠形成多種形式的液晶疇結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。液晶像晶體一樣呈現(xiàn)光學(xué)、介電等各向異性，通過(guò)外場(chǎng)調(diào)節(jié)液晶指向矢可使透過(guò)光的相位延遲量發(fā)生變化。液晶幾何相位調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，為平面光子元件的實(shí)現(xiàn)提供了新的實(shí)用途徑?；诠馊∠蚣夹g(shù)實(shí)現(xiàn)液晶面內(nèi)指向的精確控制，可以對(duì)波前進(jìn)行相位、偏振的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)精確控制。液晶的光學(xué)各向異性覆蓋了從紫外到微波的廣闊波段，為液晶光通信與太赫茲元件的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。利用光取向液晶微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟物質(zhì)光子學(xué)的潛力巨大，但仍需揭示液晶光學(xué)材料背后的一系列核心問(wèn)題。目前關(guān)于液晶有序微結(jié)構(gòu)的自組裝動(dòng)力學(xué)、與光相互作用的新效應(yīng)、對(duì)多元外場(chǎng)的響應(yīng)特性，以及主動(dòng)調(diào)控的智能光子元件等方面，尚有不明晰或研究空白。需要廣大同行專(zhuān)家聚焦上述領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，以期促進(jìn)相關(guān)液晶光子科學(xué)與技術(shù)的創(chuàng)新，在新材料、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)理、新設(shè)計(jì)方面做好充足儲(chǔ)備，最終帶動(dòng)液晶產(chǎn)業(yè)向廣大非顯示領(lǐng)域加速拓展。