液晶兼具液體的流動性與晶體的各向異性，其光學(xué)性質(zhì)在電、磁、熱、光等外場刺激下靈活可調(diào)。隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸能夠在微納尺度精準操控液晶分子的空間排列。例如，電極微結(jié)構(gòu)利用電場操控液晶傾角，已在液晶顯示器、空間光調(diào)制器中得到廣泛應(yīng)用。而光取向微結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)任意的液晶方位角分布，為光場多維度調(diào)控（振幅、相位、偏振、軌道角動量等）提供了新途徑。

渦旋光是一種典型的軌道角動量光束，通常攜帶角向漸變的螺旋相位，呈現(xiàn)出“甜甜圈”狀的光強分布。而渦旋光的陣列化有利于高效并行操作，有望應(yīng)用于復(fù)用光通信、多微粒操控、并行激光加工等領(lǐng)域。近年來，對渦旋光陣列的研究逐漸從橫向、低維拓展至縱向（沿光傳播方向）、三維，但現(xiàn)有的縱向操控技術(shù)仍存在效率受限、偏振敏感、功能單一等局限性。

近日，南京大學(xué)陳鵬副教授、陸延青教授課題組采用圖案化的光取向液晶，設(shè)計并制備出液晶螺旋達曼波帶片，用于高效產(chǎn)生拓撲荷數(shù)逐級變化的縱向渦旋光陣列。詳細研究了螺旋達曼波帶片的設(shè)計方法、正交取向液晶的工作機制，展示了液晶螺旋達曼波帶片的獨特性質(zhì)與多樣功能。通過調(diào)節(jié)液晶盒上的外加電壓，可實現(xiàn)對器件開關(guān)態(tài)的靈活調(diào)控；通過改變?nèi)肷涔饽Ｊ交蚍D(zhuǎn)該器件，可對產(chǎn)生的縱向渦旋光陣列進行多功能變換。該研究成果以“基于光取向技術(shù)的液晶螺旋達曼波帶片”為題發(fā)表于《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄，中文核心期刊）2023年第1期，并被選作封面文章。

圖1：《液晶與顯示》2023年第1期封面

▍液晶螺旋達曼波帶片的設(shè)計與制備

首先，研究人員基于達曼編碼技術(shù)，設(shè)計出一種1×5螺旋達曼波帶片的二值相位分布。達曼編碼是一種常用的光束陣列化技術(shù)。若對線性梯度相位進行達曼編碼，就能得到達曼光柵結(jié)構(gòu)，常用于產(chǎn)生橫向等能量光陣列。而對菲涅爾透鏡相位與螺旋相位之和進行達曼編碼，就能得到二值化的螺旋達曼波帶片結(jié)構(gòu)（圖2（a））。結(jié)合聚焦透鏡，該結(jié)構(gòu)可在縱向產(chǎn)生若干能量相等、拓撲荷數(shù)各異的聚焦渦旋光，即縱向渦旋光陣列。

正交取向液晶是實現(xiàn)二值相位分布的有力途徑，研究人員借助光取向劑SD1及動態(tài)掩模紫外曝光系統(tǒng)，對液晶盒進行了圖案化的正交光取向。SD1取向?qū)拥钠毓膺^程分為兩步：第一步為0°線偏振紫外光的均勻曝光，由于SD1分子傾向于與紫外光線偏振方向垂直，該步驟可使SD1獲得均一取向；第二步為90°線偏振紫外光的圖案化曝光，由于SD1具有可擦寫性，第二步曝光區(qū)域內(nèi)的SD1將重新取向，并最終與相鄰初始曝光區(qū)域垂直。曝光結(jié)束后，向盒中灌入向列相液晶。SD1誘導(dǎo)液晶分子與之平行排列，制得正交取向的液晶螺旋達曼波帶片（圖2（b）~（d））。

圖2：1×5液晶螺旋達曼波帶片的設(shè)計圖與實物圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):1-9. Fig.1

▍縱向渦旋光陣列的多功能操控

當對液晶螺旋達曼波帶片施加1 kHz、3.00 V的方波交流電時，器件達到半波條件，聚焦透鏡的焦點附近產(chǎn)生了縱向渦旋光陣列（圖3（a））。5個等能量焦點處，分別觀測到不同形貌的光斑，大小不一的中心暗核驗證了拓撲荷數(shù)的逐級變化。圖3（b）（c）分別展示了理論仿真和實驗測得的豎直子午面（y?z平面）的光強分布，可清楚地看到5個聚焦的縱向級次。此外，這種液晶螺旋達曼波帶片還具有動態(tài)開關(guān)特性以及多樣的拓撲荷數(shù)變換功能：

（1）動態(tài)開關(guān)特性

動態(tài)開關(guān)是液晶螺旋達曼波帶片的獨有優(yōu)勢。當施加1 kHz、1.82 V的方波交流電時，器件滿足全波條件，呈現(xiàn)關(guān)態(tài)，光束只受到聚焦透鏡的作用，僅產(chǎn)生一個實心焦點（圖3（d））。因此，只要讓液晶盒的外加電壓在3.00 V和1.82 V之間切換，就能控制液晶螺旋達曼波帶片的開關(guān)態(tài)，從而實現(xiàn)對縱向渦旋光陣列的動態(tài)調(diào)控。

（2）拓撲荷數(shù)加減運算

通過改變?nèi)肷涔獾耐負浜蓴?shù)，可以對液晶螺旋達曼波帶片產(chǎn)生的光場進行拓撲荷數(shù)的加減運算，實現(xiàn)縱向渦旋光陣列的多功能變換。例如，以拓撲荷數(shù)+1的渦旋光入射液晶螺旋達曼波帶片，5個級次渦旋光的拓撲荷數(shù)將同時加1，拓撲荷數(shù)原本為?1的渦旋光將轉(zhuǎn)變?yōu)橥負浜蓴?shù)為0、無中心暗核的高斯光。

（3）拓撲荷數(shù)反轉(zhuǎn)變換

若將光路中的液晶螺旋達曼波帶片水平或豎直翻轉(zhuǎn)一次，依然能產(chǎn)生拓撲荷數(shù)逐級變化的1×5縱向渦旋光陣列，但相應(yīng)位置渦旋光的拓撲荷數(shù)將發(fā)生反轉(zhuǎn)，原本的拓撲荷數(shù)分布?2、?1、0、+1、+2將變?yōu)?2、+1、0、?1、?2。這就意味著，通過翻轉(zhuǎn)液晶盒，同一個液晶螺旋達曼波帶片可以變換出兩種不同拓撲荷數(shù)分布的縱向渦旋光陣列。

圖3：（a）液晶螺旋達曼波帶片產(chǎn)生的1×5縱向渦旋光陣列；（b）（c）豎直子午面模擬和實驗光強分布；（d）關(guān)態(tài)衍射光斑
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):1-9. Fig.3

▍總結(jié)與展望

該工作提出的液晶螺旋達曼波帶片能夠動態(tài)調(diào)控縱向渦旋光陣列，按需實現(xiàn)拓撲荷數(shù)的加減運算與反轉(zhuǎn)變換，兼具低成本、高效率、電光可調(diào)等獨特優(yōu)勢。該器件展現(xiàn)了液晶在多維光場調(diào)控領(lǐng)域的潛力，提升了渦旋光的操控維度，有望應(yīng)用于光通信、微粒操控、激光加工等前沿領(lǐng)域。當然，除了文中采用的向列相液晶，手性液晶材料也可用于渦旋光縱向/三維陣列的操控。以膽甾相液晶為代表的手性液晶具有更加多元的刺激響應(yīng)特性，與光取向技術(shù)相結(jié)合，有望進一步增加渦旋光調(diào)控器件的功能維度。

| 論文信息 |

劉思嘉，張逸恒，朱琳，陳鵬，陸延青. 基于光取向技術(shù)的液晶螺旋達曼波帶片[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(1):1-9.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0178

| 通訊作者介紹 |

陳鵬，南京大學(xué)副教授，國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者。2014年、2019年在南京大學(xué)先后取得學(xué)士、博士學(xué)位，2021年晉升副教授。主要從事液晶與微納光學(xué)方面的研究，在液晶態(tài)微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)筑、特種光場的按需調(diào)控、智能動態(tài)光學(xué)元器件的開發(fā)應(yīng)用等方面積累了研究經(jīng)驗。已發(fā)表論文60余篇，其中第一/通訊作者20余篇，包括 Nature Commun.、Light Sci. Appl.、Adv. Mater.、Laser Photon. Rev.等，封面5篇，2019、2020年連續(xù)入選“中國光學(xué)十大進展”。授權(quán)發(fā)明專利13項，已轉(zhuǎn)讓2項。擔任《液晶與顯示》青年編委、Crystals?？庉?，主持國家重點研發(fā)計劃（青年科學(xué)家項目）、基金委優(yōu)青/面上/青年、JKW等項目，曾獲中國光學(xué)學(xué)會光學(xué)優(yōu)博、王大珩光學(xué)獎、江蘇青年光學(xué)科技獎等。
E-mail: chenpeng@nju.edu.cn

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