南京大學陸延青團隊 Adv. Mater.：動態雙手性超結構實現炫彩全息
手性是自然界中無處不在的奇觀。在自身手性或手性摻雜的作用下，液晶分子也能自發地排列成螺旋形手性結構，稱為膽甾相液晶。這種自組裝螺旋結構能夠引起獨特的自旋選擇性布拉格反射，在顯示器、濾色器、激光器等方面有重要應用價值。近年，光取向技術的發展使人們能夠誘導膽甾相液晶螺旋軸的起始端/末端分子排布，從而產生自旋選擇性的反射式幾何相位。這類光學元件具有寬帶、高效等優勢，為光偏折、光聚焦、光信息處理提供了有力平臺。
對電磁波的頻率/波長、振幅、相位、偏振、橫向分布等維度的按需調控，是當代信息光電子技術的物理基礎。近年來，以高效率、高集成度、多維度、動態可調為核心目標，涌現出眾多新穎的光場調控手段。其中，膽甾相液晶作為一種低成本、易加工的軟物質光學材料，對溫度、電磁場、光照、外力等刺激有著出色的響應性，為動態多維度、平面集成化的光場調控技術開辟了新道路。然而，目前的膽甾相液晶光學元件仍受限于較少的可操控維度或通道數，光學功能較為單一。
近日，南京大學陳鵬副教授、陸延青教授研究團隊在前期手性液晶寬帶平面光子學【Adv. Mater. 30, 1705865 (2018)；Light Sci. Appl. 11, 135 (2022)】和動態平面光子學【Nature Commun. 10, 2518 (2019)；Adv. Mater. 32, 1903665 (2020)】的研究基礎上，提出了一種預編程的雙手性膽甾相液晶納米結構，可實現動態、多色、多通道復用的光操控技術。通過精準構筑雙層相反手性膽甾相液晶的橫向與縱向微納結構，探究了動態、反射式旋光色散效應及自旋解耦的幾何相位獨立調制，實現了多元刺激響應、多維度復用的動態彩色全息，為軟物質光子學提供了新思路和新技術。如圖1所示，相反手性膽甾相液晶形成的分段共存結構可為反射光引入波長相關的偏振旋轉，即反射式旋光色散效應。進一步結合膽甾相液晶的自旋解耦幾何相位調制和多元外場刺激響應性，可實現“中國舞獅”的動態彩色全息。
圖1. 基于雙手性液晶超結構的動態彩色全息示意圖
利用表面誘導聚合的洗去-重填工藝（圖2a），可將右旋的膽甾相液晶聚合物支架與左旋的膽甾相液晶主動層集成于單個液晶盒內。該工作還創造性地提出“二次光圖案化”工藝，通過光取向和光改寫分別賦予右旋、左旋膽甾相液晶層不同的全息圖結構，為兩種圓偏振光編碼獨立的幾何相位，即自旋解耦幾何相位。這種自旋解耦幾何相位為矢量光場的任意操控創造了機會，可實現定制化的矢量全息和線偏振復用全息。
得益于膽甾相液晶豐富的刺激響應性，全息圖像在熱、電場刺激下能夠動態切換（圖2b-c）。初始狀態下，檢偏片清晰地濾出了“LC”（或“NJU”）的圖像，而在特定的溫度或電場下，反射光場的偏振方向整體旋轉90°，于是，檢偏片濾出的圖像切換為另一線偏振通道的“NJU”（或“LC”）。其中，電調雙手性液晶超結構采用了聚合物分散膽甾相液晶作為主動層，響應時間可達36 μs，比普通液晶光學器件快2~3個數量級，為超快多維光場調控提供了新策略。
圖2. 雙手性超結構的制備流程與多元刺激響應、多維度復用全息
多色光入射雙手性液晶超結構時，反射光的線偏振方向會隨波長有規律地旋轉，并在550~605 nm的波長范圍內旋轉了360°。該物理效應在反射光偏振方向和波長之間建立起一對多的映射關系，因此，固定的檢偏片濾出的舞獅全息圖像會隨波長交替變化（圖2g）。若同時入射多個波長的光，就可以混合出炫彩的舞獅全息圖像（圖3）。基于反射式旋光色散的動態可調性，偏振片旋轉和外場刺激均能改變這些全息圖像的顏色，實現“全息彩繪”的動態上色，充分驗證了該方案在動態多色光復用方面的潛力。
圖3. “中國舞獅”的炫彩全息
視頻1. “全息彩繪”的動態上色
以上研究成果以“Bi-chiral nanostructures featuring dynamic optical rotatory dispersion for polychromatic light multiplexing”為題，發表于《Advanced Materials》，并入選當期Frontispiece卷首插畫論文。南京大學博士生劉思嘉、朱琳為共同第一作者，陳鵬副教授、陸延青教授為共同通訊作者。該研究由國家重點研發計劃（青年科學家項目）、江蘇省前沿引領技術基礎研究專項、國家自然科學基金優秀青年科學基金及科技創新2030重大項目等資助完成，同時感謝固體微結構物理國家重點實驗室、光智能感控與集成技術教育部重點實驗室等平臺的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202301714
