撰稿|由课题组供稿
近日，武汉大学电子信息学院郑国兴教授课题组与南京大学现代工学院陆延青教授课题组在新型液晶元器件领域取得新进展，通过在液晶分子取向排布中引入马吕斯定律的拓展——转角简并性，实现了光波振幅和相位的独立调控，在保留液晶平板显示功能且不增加元件的前提下，额外增加了独立的全息投影功能，实现了超紧凑液晶多功能器件的突破。相关研究成果以“Multifunctional Liquid Crystal Device for Grayscale Pattern Display and Holography with Tunable Spectral-Response”为题，发表于国际期刊《Laser & Photonics Reviews》(DOI: 10.1002/lpor.202100591)上。论文通讯作者为武汉大学郑国兴教授/李子乐特聘研究员和南京大学陈鹏副教授，共同第一作者为武汉大学博士生陈奎先/周舟和南京大学博士生徐春庭，胡伟教授对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等资助完成。
液晶作为一种介于固体与液体之间的中间物质态，既具有晶体的各向异性，又具有液体的流动性，以其优越的物理特性，广泛应用于生产生活和科学研究。其中，以液晶材料为基础的平板显示技术由于轻便、集成度高以及画质好等特点，广泛应用于生活中常见的手机、电脑、电视等电子产品中，在当前的平板显示技术中占有主导地位。然而，受限于液晶设计自由度，目前市面上主流的液晶器件大多只能实现强度或相位的单一操控，这种限制导致液晶器件只具有单一功能，例如平板显示或全息投影。近年来，科学家们为了实现液晶器件功能的拓展，将液晶分子与振幅/相位调制器相结合组成超晶胞单元达成多参量调控，对液晶平板显示器与微透镜阵列或光栅进行集成，提出了新型的融合显示技术，极大地丰富了消费电子市场对AR/VR等新兴应用的需求。然而，这种功能上的扩展是通过在液晶器件上附加许多额外的复杂光学元件实现的，降低了液晶器件的紧凑性和可靠性，因而需要在紧凑性、成本和多功能性之间找到平衡。
众所周知，马吕斯定律是液晶平板显示技术中逐像素调制光强度的基本定律，即通过设置液晶分子的平面内取向角来实现出射光强度的调制。课题组合作研究发现，液晶分子的平面内取向角和强度之间存在着非单射的映射关系，即对于某个光强度来说，液晶分子在平面内取向角存在多个角度选项（称之为转角简并性）。有趣的是，该角度选项可作为PB相位（Pancharatnam-Berry phase）的设计自由度而赋予液晶额外的相位调节功能，从而在不增加任何额外光器件的前提下，赋予液晶分子新的自由度来独立地操控入射光的相位和强度。以这种独立的双操控模式为基础，可以融合设计近场平板图像显示和远场全息图像显示，在保证液晶器件高集成度和超紧凑性的同时，实现了液晶器件功能的突破。此外，这种新颖的双操控设计模式仅以液晶分子的平面内取向角为基础，随着外加电压的变化，液晶分子会发生倾斜，其平面外取向角会在0至90度之间变化，使得其各向异性发生变化。因此，在融合显示的同时，同样具有波长可调节和开关的功能，即通过外加电压在整个可见光范围内进行动态调制，这使得多功能液晶器件更有利于实际应用。
图1（a）液晶分子平面内取向角信息复用原理示意图。（b）液晶分子平面外取向角光谱电控可调节特性示意图。（c）不同外加电压下多功能液晶器件动态切换示意图。
图2 液晶多功能器件设计流程
图3（a）液晶分子的偏振转化效率随波长和外加电压的变化关系示意图。（b）波长为630nm，530nm和480nm时偏振转化效率随外加电压变化的示意图。（c-t）波长为630nm，530nm和480nm时近场平板显示图像和远场全息显示图像随外加电压变化的实验结果
http: //onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100591
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