液晶与显示·封面 | 基于光取向技术的液晶螺旋达曼波带片

液晶兼具液体的流动性与晶体的各向异性，其光学性质在电、磁、热、光等外场刺激下灵活可调。随着微加工技术的发展，人们逐渐能够在微纳尺度精准操控液晶分子的空间排列。例如，电极微结构利用电场操控液晶倾角，已在液晶显示器、空间光调制器中得到广泛应用。而光取向微结构可实现任意的液晶方位角分布，为光场多维度调控（振幅、相位、偏振、轨道角动量等）提供了新途径。

涡旋光是一种典型的轨道角动量光束，通常携带角向渐变的螺旋相位，呈现出“甜甜圈”状的光强分布。而涡旋光的阵列化有利于高效并行操作，有望应用于复用光通信、多微粒操控、并行激光加工等领域。近年来，对涡旋光阵列的研究逐渐从横向、低维拓展至纵向（沿光传播方向）、三维，但现有的纵向操控技术仍存在效率受限、偏振敏感、功能单一等局限性。

近日，南京大学陈鹏副教授、陆延青教授课题组采用图案化的光取向液晶，设计并制备出液晶螺旋达曼波带片，用于高效产生拓扑荷数逐级变化的纵向涡旋光阵列。详细研究了螺旋达曼波带片的设计方法、正交取向液晶的工作机制，展示了液晶螺旋达曼波带片的独特性质与多样功能。通过调节液晶盒上的外加电压，可实现对器件开关态的灵活调控；通过改变入射光模式或翻转该器件，可对产生的纵向涡旋光阵列进行多功能变换。该研究成果以“基于光取向技术的液晶螺旋达曼波带片”为题发表于《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2023年第1期，并被选作封面文章。

图1：《液晶与显示》2023年第1期封面

▍液晶螺旋达曼波带片的设计与制备

首先，研究人员基于达曼编码技术，设计出一种1×5螺旋达曼波带片的二值相位分布。达曼编码是一种常用的光束阵列化技术。若对线性梯度相位进行达曼编码，就能得到达曼光栅结构，常用于产生横向等能量光阵列。而对菲涅尔透镜相位与螺旋相位之和进行达曼编码，就能得到二值化的螺旋达曼波带片结构（图2（a））。结合聚焦透镜，该结构可在纵向产生若干能量相等、拓扑荷数各异的聚焦涡旋光，即纵向涡旋光阵列。

正交取向液晶是实现二值相位分布的有力途径，研究人员借助光取向剂SD1及动态掩模紫外曝光系统，对液晶盒进行了图案化的正交光取向。SD1取向层的曝光过程分为两步：第一步为0°线偏振紫外光的均匀曝光，由于SD1分子倾向于与紫外光线偏振方向垂直，该步骤可使SD1获得均一取向；第二步为90°线偏振紫外光的图案化曝光，由于SD1具有可擦写性，第二步曝光区域内的SD1将重新取向，并最终与相邻初始曝光区域垂直。曝光结束后，向盒中灌入向列相液晶。SD1诱导液晶分子与之平行排列，制得正交取向的液晶螺旋达曼波带片（图2（b）~（d））。

图2：1×5液晶螺旋达曼波带片的设计图与实物图
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):1-9. Fig.1

▍纵向涡旋光阵列的多功能操控

当对液晶螺旋达曼波带片施加1 kHz、3.00 V的方波交流电时，器件达到半波条件，聚焦透镜的焦点附近产生了纵向涡旋光阵列（图3（a））。5个等能量焦点处，分别观测到不同形貌的光斑，大小不一的中心暗核验证了拓扑荷数的逐级变化。图3（b）（c）分别展示了理论仿真和实验测得的竖直子午面（y−z平面）的光强分布，可清楚地看到5个聚焦的纵向级次。此外，这种液晶螺旋达曼波带片还具有动态开关特性以及多样的拓扑荷数变换功能：

（1）动态开关特性

动态开关是液晶螺旋达曼波带片的独有优势。当施加1 kHz、1.82 V的方波交流电时，器件满足全波条件，呈现关态，光束只受到聚焦透镜的作用，仅产生一个实心焦点（图3（d））。因此，只要让液晶盒的外加电压在3.00 V和1.82 V之间切换，就能控制液晶螺旋达曼波带片的开关态，从而实现对纵向涡旋光阵列的动态调控。

（2）拓扑荷数加减运算

通过改变入射光的拓扑荷数，可以对液晶螺旋达曼波带片产生的光场进行拓扑荷数的加减运算，实现纵向涡旋光阵列的多功能变换。例如，以拓扑荷数+1的涡旋光入射液晶螺旋达曼波带片，5个级次涡旋光的拓扑荷数将同时加1，拓扑荷数原本为−1的涡旋光将转变为拓扑荷数为0、无中心暗核的高斯光。

（3）拓扑荷数反转变换

若将光路中的液晶螺旋达曼波带片水平或竖直翻转一次，依然能产生拓扑荷数逐级变化的1×5纵向涡旋光阵列，但相应位置涡旋光的拓扑荷数将发生反转，原本的拓扑荷数分布−2、−1、0、+1、+2将变为+2、+1、0、−1、−2。这就意味着，通过翻转液晶盒，同一个液晶螺旋达曼波带片可以变换出两种不同拓扑荷数分布的纵向涡旋光阵列。

图3：（a）液晶螺旋达曼波带片产生的1×5纵向涡旋光阵列；（b）（c）竖直子午面模拟和实验光强分布；（d）关态衍射光斑
图源：液晶与显示, 2023, 38(1):1-9. Fig.3

▍总结与展望

该工作提出的液晶螺旋达曼波带片能够动态调控纵向涡旋光阵列，按需实现拓扑荷数的加减运算与反转变换，兼具低成本、高效率、电光可调等独特优势。该器件展现了液晶在多维光场调控领域的潜力，提升了涡旋光的操控维度，有望应用于光通信、微粒操控、激光加工等前沿领域。当然，除了文中采用的向列相液晶，手性液晶材料也可用于涡旋光纵向/三维阵列的操控。以胆甾相液晶为代表的手性液晶具有更加多元的刺激响应特性，与光取向技术相结合，有望进一步增加涡旋光调控器件的功能维度。

| 论文信息 |

刘思嘉，张逸恒，朱琳，陈鹏，陆延青. 基于光取向技术的液晶螺旋达曼波带片[J]. 液晶与显示, 2023, 38(1):1-9.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0178

| 通讯作者介绍 |

陈鹏，南京大学副教授，国家优秀青年科学基金获得者。2014年、2019年在南京大学先后取得学士、博士学位，2021年晋升副教授。主要从事液晶与微纳光学方面的研究，在液晶态微纳结构的设计构筑、特种光场的按需调控、智能动态光学元器件的开发应用等方面积累了研究经验。已发表论文60余篇，其中第一/通讯作者20余篇，包括 Nature Commun.、Light Sci. Appl.、Adv. Mater.、Laser Photon. Rev.等，封面5篇，2019、2020年连续入选“中国光学十大进展”。授权发明专利13项，已转让2项。担任《液晶与显示》青年编委、Crystals专刊编辑，主持国家重点研发计划（青年科学家项目）、基金委优青/面上/青年、JKW等项目，曾获中国光学学会光学优博、王大珩光学奖、江苏青年光学科技奖等。
E-mail: chenpeng@nju.edu.cn

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