南京大学陆延青团队 Adv. Mater.：动态双手性超结构实现炫彩全息
手性是自然界中无处不在的奇观。在自身手性或手性掺杂的作用下，液晶分子也能自发地排列成螺旋形手性结构，称为胆甾相液晶。这种自组装螺旋结构能够引起独特的自旋选择性布拉格反射，在显示器、滤色器、激光器等方面有重要应用价值。近年，光取向技术的发展使人们能够诱导胆甾相液晶螺旋轴的起始端/末端分子排布，从而产生自旋选择性的反射式几何相位。这类光学元件具有宽带、高效等优势，为光偏折、光聚焦、光信息处理提供了有力平台。
对电磁波的频率/波长、振幅、相位、偏振、横向分布等维度的按需调控，是当代信息光电子技术的物理基础。近年来，以高效率、高集成度、多维度、动态可调为核心目标，涌现出众多新颖的光场调控手段。其中，胆甾相液晶作为一种低成本、易加工的软物质光学材料，对温度、电磁场、光照、外力等刺激有着出色的响应性，为动态多维度、平面集成化的光场调控技术开辟了新道路。然而，目前的胆甾相液晶光学元件仍受限于较少的可操控维度或通道数，光学功能较为单一。
近日，南京大学陈鹏副教授、陆延青教授研究团队在前期手性液晶宽带平面光子学【Adv. Mater. 30, 1705865 (2018)；Light Sci. Appl. 11, 135 (2022)】和动态平面光子学【Nature Commun. 10, 2518 (2019)；Adv. Mater. 32, 1903665 (2020)】的研究基础上，提出了一种预编程的双手性胆甾相液晶纳米结构，可实现动态、多色、多通道复用的光操控技术。通过精准构筑双层相反手性胆甾相液晶的横向与纵向微纳结构，探究了动态、反射式旋光色散效应及自旋解耦的几何相位独立调制，实现了多元刺激响应、多维度复用的动态彩色全息，为软物质光子学提供了新思路和新技术。如图1所示，相反手性胆甾相液晶形成的分段共存结构可为反射光引入波长相关的偏振旋转，即反射式旋光色散效应。进一步结合胆甾相液晶的自旋解耦几何相位调制和多元外场刺激响应性，可实现“中国舞狮”的动态彩色全息。
图1. 基于双手性液晶超结构的动态彩色全息示意图
利用表面诱导聚合的洗去-重填工艺（图2a），可将右旋的胆甾相液晶聚合物支架与左旋的胆甾相液晶主动层集成于单个液晶盒内。该工作还创造性地提出“二次光图案化”工艺，通过光取向和光改写分别赋予右旋、左旋胆甾相液晶层不同的全息图结构，为两种圆偏振光编码独立的几何相位，即自旋解耦几何相位。这种自旋解耦几何相位为矢量光场的任意操控创造了机会，可实现定制化的矢量全息和线偏振复用全息。
得益于胆甾相液晶丰富的刺激响应性，全息图像在热、电场刺激下能够动态切换（图2b-c）。初始状态下，检偏片清晰地滤出了“LC”（或“NJU”）的图像，而在特定的温度或电场下，反射光场的偏振方向整体旋转90°，于是，检偏片滤出的图像切换为另一线偏振通道的“NJU”（或“LC”）。其中，电调双手性液晶超结构采用了聚合物分散胆甾相液晶作为主动层，响应时间可达36 μs，比普通液晶光学器件快2~3个数量级，为超快多维光场调控提供了新策略。
图2. 双手性超结构的制备流程与多元刺激响应、多维度复用全息
多色光入射双手性液晶超结构时，反射光的线偏振方向会随波长有规律地旋转，并在550~605 nm的波长范围内旋转了360°。该物理效应在反射光偏振方向和波长之间建立起一对多的映射关系，因此，固定的检偏片滤出的舞狮全息图像会随波长交替变化（图2g）。若同时入射多个波长的光，就可以混合出炫彩的舞狮全息图像（图3）。基于反射式旋光色散的动态可调性，偏振片旋转和外场刺激均能改变这些全息图像的颜色，实现“全息彩绘”的动态上色，充分验证了该方案在动态多色光复用方面的潜力。
图3. “中国舞狮”的炫彩全息
视频1. “全息彩绘”的动态上色
以上研究成果以“Bi-chiral nanostructures featuring dynamic optical rotatory dispersion for polychromatic light multiplexing”为题，发表于《Advanced Materials》，并入选当期Frontispiece卷首插画论文。南京大学博士生刘思嘉、朱琳为共同第一作者，陈鹏副教授、陆延青教授为共同通讯作者。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、江苏省前沿引领技术基础研究专项、国家自然科学基金优秀青年科学基金及科技创新2030重大项目等资助完成，同时感谢固体微结构物理国家重点实验室、光智能感控与集成技术教育部重点实验室等平台的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202301714
