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导读

胆甾相液晶作为一类典型的液晶相态，表现出诸多有趣的物理化学性质，在光场调控领域亦有广阔的应用前景。此前，陈鹏副教授、陆延青教授团队在基于胆甾相液晶的光子轨道角动量操控【Light Sci. Appl. 11, 135 (2022); Nature Commun. 10, 2518 (2019)】、动态多维全息复用【Adv. Mater. 35, 2301714 (2023); Laser Photonics Rev. 16, 2200011 (2022)】等方面已取得系列成果。胆甾相液晶结构类似于一维手性光子晶体，存在圆偏振选择的光子带隙。当入射光波长恰好位于光子带隙内时，与胆甾相液晶的手性结构旋性相同的圆偏振成分会被反射，而与之相反的圆偏振成分则完全透射。有趣的是，自旋-轨道相互作用会在反射光中引入特殊的几何相位调制，却不影响透射光的相对相位分布。将自旋选择性、半透半反型的几何相位调制原理应用于上述图像处理中，有望实现同步的边缘检测与明场成像。

图1 结构化手性光子晶体实现双模式成像示意图。

南京大学陈鹏副教授、陆延青教授团队与北京航空航天大学段薇博士合作，提出了一种基于结构化手性液晶光子晶体的双模式图像处理元件，实现实时、宽带、同步的边缘检测与明场成像功能（图1），为光学边缘检测技术提供新思路。对于右旋手性的胆甾相液晶，具有特定空间分布的表面指向矢方位角α会在反射的右旋圆偏振光中引入几何相位φ = +2α；而透射的左旋圆偏光仅获得与方位角无关的均一动力学相位。为了在反射端实现边缘检测，研究团队将拓扑荷m = +1的螺旋相位与具有大周期的径向渐变相位叠加，并编码在胆甾相液晶的表面指向矢分布内（图2a）。此时，对反射右旋光的空间频谱进行相位调制，近似地实现输入图案的二阶、各向同性的空间微分操作，从而清晰显示出图案边缘；同时，在透射端，左旋光将保留入射图案信息，呈现出明场成像。因此，该手性液晶元件能够在没有明显串扰的情况下实现两种实时成像模式的同步工作，且成像模式可通过入射光的偏振态动态切换（图2b）。

图2 几何相位设计及基于结构化手性光子晶体的振幅型物体与相位型物体的成像结果。

除了振幅型物体外，对相位型物体的边缘检测也有着重要意义。一个仅含有相位信息的物体对于人眼而言是难以分辨的，典型的例子包括未染色的生物细胞和透明各向异性介质材料，比如液晶微纳结构。研究团队提出的多功能成像元件在相位物体边缘位置可产生两条毗邻的高亮边缘（图2c），意味着执行了二阶微分运算。这种二阶微分运算可以标注出一阶导数中的相位转变点，对物体的振幅和相位变化更加敏感，有助于提取更加精细的边缘及结构细节信息。实验中采用了具有大双折射率的向列相液晶作为母体液晶材料，获得了较宽的光子带隙，覆盖了从蓝色到红色的光谱范围（图3a），光子带隙内的任意波长入射光均达到了高质量、高对比度的双模式成像效果（图3b）。

图3 手性液晶元件的光谱与宽带双模式成像结果。