液晶是一类具有自组装和刺激响应特性的软物质，广泛应用于当今主流信息显示领域。随着液晶理论与技术的发展与革新，液晶研究逐渐从传统显示领域向更加前沿的液晶光子学领域过渡。液晶光子学顺应了现代光子技术朝小型化、集成化、自适应和多功能等方向发展的趋势，在平面光学元件、结构光场、全光互连、模分复用光通信等领域展现出蓬勃的生机。
液晶取向技术有利于液晶微结构的控制，能够形成多种形式的液晶畴结构，展现出独特的光学性质。传统的摩擦取向技术是接触式的，易造成样品损伤，破坏结构的有序性。为克服这些不足，非接触式取向技术如离子束取向、斜向蒸镀氧化硅和光取向等应运而生。其中，光取向技术因其适用于高分辨的结构表面与曲面取向而备受关注。
近日，南京大学胡伟教授研究组在《液晶与显示》（ESCI、核心期刊）2021年第7期发表了题为“光取向液晶微结构及其光子元件”综述论文（DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0004）
该文介绍了南京大学液晶与光子技术研究中心在光取向液晶微结构及其光子元件领域的最新进展，具体探讨了多层级液晶畴构筑、光寻址液晶调光技术、光通信与太赫兹液晶元件三个方向，并展望了其发展前景。
一、多层级液晶畴构筑
液晶自组装微结构能够带来多种新颖的性能。团队基于数控微镜阵（digital micro-mirror device, DMD）动态掩膜光取向，将“自下而上”的液晶自组装与“自上而下”的光取向相结合，实现了对各相态多层级液晶畴结构的精确灵活操控。
图1 DMD曝光系统
图源：Scientific Reports, 2016, 6: 25528. Fig. 2
通过预设二维面内取向，可以诱导近晶层的空间弯曲，进而控制畴的尺寸、形状、排列与晶格对称性。结合外场激励或锚定条件，可以控制胆甾相液晶螺旋轴的面内朝向，进而形成规则的指纹织构。对蓝相液晶进行微区取向，可以实现蓝相单晶畴的图案化与微域化。这些多层级液晶畴为光子元件的设计制备提供了全新思路并拓宽了其应用场景。
图2 通过液晶微透镜实现物体四维信息探测
图源：ACS Nano, 2019, 13(12): 13709-13715. Fig. 1
二、光寻址液晶调光技术
对光波各自由度的调制是光学元件的物理基础，这些自由度包括幅度、偏振和相位等，其中相位的空间调制至关重要。利用液晶器件进行的相位调制主要分为两种：动态相位和几何相位。动态相位是因光程差改变的相位，与介质的折射率和厚度相关；而几何相位源自光子的自旋轨道耦合，取决于元件的局域光轴几何角度。
（1）动态相位
液晶具有光学各向异性，其有效折射率依赖于液晶指向矢与入射偏振的角度关系。因此，同一偏振经过不同取向的液晶畴会产生光程差，控制液晶盒内不同区域的指向矢分布即可实现对光的相位整形。基于动态相位的典型液晶调光元件有液晶光栅、叉形光栅、达曼光栅等，这些元件可以基于二值化的液晶取向来实现。
（2）透射式几何相位
几何相位与局域光轴指向有关，同时伴随着圆偏振反转过程，可以通过预设液晶方位角来实现精确操控。基于向列相液晶体系实现了多种新颖的几何相位元件，包括液晶偏振光栅、液晶q
波片。q
波片还可进一步与多种相位叠加获得产生特殊光场的透射式几何相位元件。
（3）反射式几何相位
基于向列相液晶的几何相位元件，需调谐电场匹配特定波长的半波条件，从而获得最大衍射效率。胆甾相液晶具有圆偏振选择的宽带布拉格反射特性，通过设定起始配向，可制备宽带反射的几何相位元件，对波长nop~nep之间的光进行宽带等效的相位调制。向胆甾相液晶中引入光敏手性分子开关和具有相反手性的手性剂，通过蓝光和可见光照射动态调节胆甾相螺旋超结构的螺距并实现手性反转，从而赋予了该类元件连续可调的反射光谱和共轭转换的相位分布。实现了一系列功能可开关、带宽可调的动态平面光子元件的制备，如偏振光栅、艾里模板和q波片。
图3 蓝光和绿光驱动的胆甾相超结构演变
图源：Nature Communications, 2019, 10(1): 2518. Fig. 1
三、光通信与太赫兹液晶元件
液晶的介电和光学各向异性可以覆盖从紫外到微波的广阔波段。目前，对于液晶光子元件的研究和开发逐渐从可见光波段向长波区域如通信波段、太赫兹波段乃至微波波段延伸。
（1）光通信元件
液晶材料因其优良的电光特性可用于开发各种可调谐无源光子元件。相比于传统电光晶体元件，液晶光子元件具有驱动电压低、功耗小、重量轻等优势。团队实现了液晶光开关、退偏器与动态波导等光通信元件，并基于微结构液晶开发了面向OAM复用的元器件。
（2）太赫兹元件
太赫兹波是频率在0.1 ~10 THz（对应波长约为3 ~ 0.03 mm）的电磁波，介于微波和红外之间。由于太赫兹具有光子能量低、脉冲宽度窄、时空相干性强、辐射带宽大等优点，在无损成像、等离子体探测与太赫兹通信等方面具有巨大潜力。这对液晶元件也是前所未有的机遇。团队创新性地设计制备了一系列液晶太赫兹元件，包括波片、完美吸收器、滤波器、色散可调液晶超透镜及多种太赫兹平面光子元件，展现出优良的稳定性与可靠性。
图4 色散可调超透镜
图源：Advanced Photonics, 2020, 2(3): 036002. Fig. 1
四、总结与展望
综上所述，基于光取向技术实现液晶面内指向的精确控制，可以对波前进行相位、偏振的点对点精确控制。利用光控液晶组装微结构实现的软物质光子学的潜力巨大，但仍需揭示液晶光学材料背后的一系列核心问题。目前关于液晶有序微结构的自组装动力学、与光相互作用的新效应、对多元外场的响应特性，以及主动调控的智能光子元件等方面，尚有不明晰或研究空白。仍需对上述领域进行深入研究，以期促进液晶光子科学与技术的创新，进而实现液晶产业向广阔非显示领域拓展。
论文信息
曹慧敏, 吴赛博, 王靖阁, 胡伟.光取向液晶微结构及其光子元件[J]. 液晶与显示, 2021, 36(7):921-938. DOI：10.37188/CJLCD.2021-0004
论文地址
http://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2021-0004
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