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南京大學(xué)陸延青團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：動態(tài)雙手性超結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)炫彩全息
2023-08-29  來源：高分子科技

  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(fā)地排列成螺旋形手性結(jié)構(gòu)，稱為膽甾相液晶。這種自組裝螺旋結(jié)構(gòu)能夠引起獨(dú)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(yīng)用價(jià)值。近年，光取向技術(shù)的發(fā)展使人們能夠誘導(dǎo)膽甾相液晶螺旋軸的起始端/末端分子排布，從而產(chǎn)生自旋選擇性的反射式幾何相位。這類光學(xué)元件具有寬帶、高效等優(yōu)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(diào)控，是當(dāng)代信息光電子技術(shù)的物理基礎(chǔ)。近年來，以高效率、高集成度、多維度、動態(tài)可調(diào)為核心目標(biāo)，涌現(xiàn)出眾多新穎的光場調(diào)控手段。其中，膽甾相液晶作為一種低成本、易加工的軟物質(zhì)光學(xué)材料，對溫度、電磁場、光照、外力等刺激有著出色的響應(yīng)性，為動態(tài)多維度、平面集成化的光場調(diào)控技術(shù)開辟了新道路。然而，目前的膽甾相液晶光學(xué)元件仍受限于較少的可操控維度或通道數(shù)，光學(xué)功能較為單一。



  近日，南京大學(xué)陳鵬副教授、陸延青教授研究團(tuán)隊(duì)在前期手性液晶寬帶平面光子學(xué)【Adv. Mater. 30, 1705865 (2018)；Light Sci. Appl. 11, 135 (2022)】和動態(tài)平面光子學(xué)【Nature Commun. 10, 2518 (2019)；Adv. Mater. 32, 1903665 (2020)】的研究基礎(chǔ)上，提出了一種預(yù)編程的雙手性膽甾相液晶納米結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)、多色、多通道復(fù)用的光操控技術(shù)。通過精準(zhǔn)構(gòu)筑雙層相反手性膽甾相液晶的橫向與縱向微納結(jié)構(gòu)，探究了動態(tài)、反射式旋光色散效應(yīng)及自旋解耦的幾何相位獨(dú)立調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了多元刺激響應(yīng)、多維度復(fù)用的動態(tài)彩色全息，為軟物質(zhì)光子學(xué)提供了新思路和新技術(shù)。如圖1所示，相反手性膽甾相液晶形成的分段共存結(jié)構(gòu)可為反射光引入波長相關(guān)的偏振旋轉(zhuǎn)，即反射式旋光色散效應(yīng)。進(jìn)一步結(jié)合膽甾相液晶的自旋解耦幾何相位調(diào)制和多元外場刺激響應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)“中國舞獅”的動態(tài)彩色全息。 


圖1. 基于雙手性液晶超結(jié)構(gòu)的動態(tài)彩色全息示意圖


  利用表面誘導(dǎo)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(gè)液晶盒內(nèi)。該工作還創(chuàng)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(jié)構(gòu)，為兩種圓偏振光編碼獨(dú)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(chuàng)造了機(jī)會，可實(shí)現(xiàn)定制化的矢量全息和線偏振復(fù)用全息。


  得益于膽甾相液晶豐富的刺激響應(yīng)性，全息圖像在熱、電場刺激下能夠動態(tài)切換（圖2b-c）。初始狀態(tài)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(zhuǎn)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(diào)雙手性液晶超結(jié)構(gòu)采用了聚合物分散膽甾相液晶作為主動層，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)36 μs，比普通液晶光學(xué)器件快2~3個(gè)數(shù)量級，為超快多維光場調(diào)控提供了新策略。 


圖2. 雙手性超結(jié)構(gòu)的制備流程與多元刺激響應(yīng)、多維度復(fù)用全息


  多色光入射雙手性液晶超結(jié)構(gòu)時(shí)，反射光的線偏振方向會隨波長有規(guī)律地旋轉(zhuǎn)，并在550~605 nm的波長范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)了360°。該物理效應(yīng)在反射光偏振方向和波長之間建立起一對多的映射關(guān)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(shí)入射多個(gè)波長的光，就可以混合出炫彩的舞獅全息圖像（圖3）；诜瓷涫叫馍⒌膭討B(tài)可調(diào)性，偏振片旋轉(zhuǎn)和外場刺激均能改變這些全息圖像的顏色，實(shí)現(xiàn)“全息彩繪”的動態(tài)上色，充分驗(yàn)證了該方案在動態(tài)多色光復(fù)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(tài)上色


  以上研究成果以“Bi-chiral nanostructures featuring dynamic optical rotatory dispersion for polychromatic light multiplexing”為題，發(fā)表于《Advanced Materials》，并入選當(dāng)期Frontispiece卷首插畫論文。南京大學(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（青年科學(xué)家項(xiàng)目）、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金及科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目等資助完成，同時(shí)感謝固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、光智能感控與集成技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺的支持。



  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202301714

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