锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司专注于发展高端科研仪器集成化，目前是国内外唯一可以提供整个科研仪器系统集成化的供应商，为客户提供优质、高效的服务。本期公众号非常荣幸地邀请到南京大学胡伟教授为大家介绍基于微结构液晶的软光子元件。欢迎更多的专家学者、研究生和我们一起分享研发经验和科研成果，共同提高，为光学事业做出贡献！
作者简介：
胡伟，南京大学教授、博导。从事液晶软光子学研究，专注于液晶介观超结构序构、光寻址液晶调光技术、军民用液晶元件三方面。已在Nat. Commun., Adv. Mater., Light Sci. Appl., ACS Nano等期刊发表论文135篇（被引3300余次，h因子34），主持国家自然科学基金重点项目、优秀青年基金、江苏省杰出青年基金等，研究成果两次获评中国光学十大进展、江苏省科学技术一等奖。还担任中国物理学会液晶分会委员、中国激光杂志社青年编辑委员会委员，Sci. Rep., Appl. Sci.,《液晶与显示》等期刊编委，Opt.Express, Chin. Opt. Lett.专刊编辑。指导学生荣获江苏省优博（两人次）、中国光学学会优博、王大珩光学奖等。
波前调制是众多光学元件的物理基础，在光学应用中处于核心位置。完整波前包含光强度、偏振和相位等各参量的时空分布，其中相位的空间调制在光学应用中扮演着至关重要的角色。相位的局域控制有三种不同途径：(1) 动力学相位，因光程改变导致的相位，与偏振态无关；(2) 共振相位，通过设计金属或介质微纳共振结构，实现的特定波长的相位调制；(3) 几何相位，因偏振态改变导致的相位，依赖于偏振态的演化路径。传统光学元件依赖于光在介质中传播的光程差异(动力学相位)，由介质的折射率和几何路径决定，这通过对各种光学材料进行整形加工来实现，如透镜、棱镜等，对体积重量都带来限制。
现代光子技术正朝向小型化、集成化发展。近二十年来，在先进微加工技术的推动下，人们在微纳尺度操控光的能力获得了前所未有的发展，新的物理原理与设计思想层出不穷。超构表面(Metasurface)就是一种突破传统的新原理，它通过亚波长结构单元(散射体，也称光学天线)的局域共振引入光学性质的突变，打破了传统光学元件对传播相位的依赖。通过设计光与共振单元的相互作用，定制散射体阵列组成特定超表面来实现光波前控制，并发展出广义Snell定理，极大地推动了超薄平面光子学的发展。基于共振相位的超构器件工作带宽较窄，研究人员开发了基于几何相位(又称Pancharatnam-Berry相位)的超表面设计，使得带宽获得提升。利用结构参数相同但空间取向不同的各向异性光学天线来引入几何相位，用琼斯矩阵推导得出圆偏光经过取向角为θ的光学天线后，偏振反向并携带上2θ的几何相位，其转化效率与光程有关。金属散射体的谐振属性与材料的固有损耗均限制了其效率。研究人员选用高折射率的亚波长散射体构成的全介质超表面来解决这一问题。但目前效率90%以上的研究都只停留在红外波段，与此同时，超构器件一旦制备其功能随即固定，缺乏灵活性。因此，可见光低损耗、主动调控超构器件尚需发展新原理和设计方案。
调光技术经历了从宏观到微观、从简单到复杂的过程。超构器件的功能实现所依赖的空间光场调控，需要改变光学天线的几何特征以获得所需的电磁多极次分布。人工微结构加工工艺繁琐、大面积生产尚不成熟，尤其是对可见光波段亚波长结构单元进行动态调控难度极大，目前尚无成熟方案，这使得微结构器件的优势未得以充分地发挥。目前，如何利用微纳结构实现高效率、宽波段、多维度联合主动调控的平面光子元件，解锁波长与功能限制，已成为现代光子技术发展进程中公认的难题。
与微加工相比，自组装更适于低成本、高效率地制备复杂的微纳结构体系。自然界中许多有趣的现象都可以从组装结构中找到答案。例如，荷叶表面的疏水性和自清洁功能，即所谓的“荷叶效应”，珠母贝在抗破裂方面的出色表现，均得益于精细的多层级有序结构。精妙的DNA长链更是为大千世界万千物种的延续与进化提供了可靠的支撑。近些年来，科研人员不断受到自然结构的启发，创造出了许多性质新颖的材料。
液晶像晶体一样呈现光学(Δn)、介电(Δε)等物理性质的各向异性。通过外场调节液晶指向可使透过光的相位延迟量发生变化，从而对光的偏振态或透过率进行调节。向列相液晶以其优异的电光特性，被用于动态相位调制。液晶空间光调制器通过电寻址控制不同像素的液晶倾角进行相位或振幅动态编码，可以替代传统一大堆的光学与机械件。但传统的LCoS技术因像素尺寸大、成本高和光损伤阈值低等诸多限制，难以满足先进光场调控的需求。近年来迅速发展的液晶几何相位光子技术使其更加受到关注。其通过激光直写、圆偏振干涉、超表面偏振掩模、DMD动态掩模等曝光技术将偏振信息记录为光配向剂的取向信息，进而实现液晶面内指向(方位角)的精确控制，并进行位相/强度/偏振的点对点控制。近年来，南京大学液晶与光子技术研究中心在此领域做出了一系列开创性的研究。我们开发了一项光控液晶图案化取向技术，其基于数字微镜阵（DMD）缩微投影装置点对点多步曝光写入不同偏振信息，利用SD1光配向剂的偏振敏感特性来记录取向，进而操控液晶方位角实现微结构图案的灵活制备。通过合理设计取向微结构，可实现光波前信息的任意操控。这些元件较比传统的电寻址空间光调制器体现出空间分辨率、开孔率、透过率高，响应速度快、工作波段宽、耐光损伤阈值高等优势。依托该技术，我们制备了叉形光栅、达曼叉形光栅等二元光学元件，显著提升了涡旋光场的模式转化效率和光束质量，并展现出可重构和偏振无依赖等特性。利用独创的多步层叠曝光工艺，研制了系列几何位相光学元件。通过合理预设液晶平面结构取向，诱导液晶组装实现特定的折射率平面分布，制备出均质、各向异性、动态可调的光波导，为可编程集成光子芯片提供了可行的方案。制备实现了第一个类可见光元件结构的电控可调太赫兹波片，并验证了其偏振转换性能，为液晶太赫兹可调元件的设计制备开拓了全新思路。进一步利用液晶聚合物薄膜自身的柔性赋予太赫兹元件良好的柔韧性以及形变诱发的可调谐特性，在太赫兹成像、探测、通讯等方面都具有广阔的应用前景。我们还将技术推广到强激光整形调制等国防军事应用并实现产业化，有望在模分复用光通讯、光镊、激光雷达、微纳加工、量子信息处理等领域得到广泛的应用。
图1 电寻址液晶空间光调制器与光寻址液晶空间光调制器对比，光寻址液晶调光技术在液晶微结构元件制备及光场调控中的应用
液晶独特的分子结构和分子间的特异相互作用赋予了其灵活的自组装行为，能够形成形式多样的多层级结构，并呈现出独特的光学性质。胆甾相液晶(Cholesteric LC, CLC)以棒状分子的周期性螺旋为结构特征，其螺距处于光波长量级（~102 nm）。该类结构对与其螺旋方向相同的圆偏振光表现出高效的、选择性的宽带Bragg反射效应。利用CLC在Bragg反射带内对相同旋性的圆偏振光反射率相等这一特性，可以打破传统液晶光学元件的波长依赖性。光配向技术大大丰富了CLC空间指向分布的设计操控，通过配向合理诱导螺旋超结构，可实现对反射光几何相位的局部调制获得宽频光子元件。我们利用光控胆甾相液晶自组装螺旋超结构开发出宽带多路并行的OAM处理器，实现了OAM混合态的模式解复用与在线无损检测，这提供了一种简单实用的宽波、高效、大容量、在线式OAM并行处理的途径。进一步，向胆甾相液晶组装微结构中引入光响应分子开关，实现了光控的反射带在宽至1300 nm范围内的连续移动及材料体系的手性反转，并由此带来了反射几何相位的反转，实现了工作波段连续可调、共轭相位分布光控变换的平面光子元件，在可调控平面光子学方向迈出了关键的一步。上述研究工作开创了基于可控液晶组装微结构的动态光子调控研究，使得通过外场操控液晶组装微结构实现高效、宽带、动态平面光子学成为一种可行的方案。
图2 基于微结构液晶的软光子元件
我们充分利用液晶材料的不同特性，设计制备了性能各异的液晶软光子元件。利用液晶聚合物展示了柔性、多功能的太赫兹平面光子元件和可动态连接的光波导元件。基于胆甾相液晶的手性选择的宽光子带隙，实现了对宽波段、多路复用的涡旋光的实时检测。而进一步引入光控分子开关，可实现动态平面液晶光子学元件。基于微结构液晶开发的软光子学元件呈现出三方面的优势：(1) 结构塑性：光轴在取向、电场诱导下自主定义；(2) 动态调谐：刺激响应实现波长与功能的动态调谐；(3) 机械柔性：聚合物稳定/液晶聚合物方案实现超轻薄柔性光子学元件。展望液晶软光子学元件的未来，及时编程的几何相位平面光子元件与动态连接的光子芯片均将成为现实。该方面的系统研究，有望解锁平面光子元件的波长与功能限制，激发我国在光子科学与技术的原始创新，最终催生出产业的硕果！
再次感谢南京大学胡伟教授，在百忙中给读者介绍基于微结构液晶的软光子元件的研发工作，祝胡老师教授团队未来取得更大的成绩！