基于雙折射的深紫外光調(diào)制器件在光學(xué)領(lǐng)域具有重要作用。

近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院丁寶福副研究員及成會明院士團隊，西安高新技術(shù)研究所蔡偉教授團隊及清華大學(xué)深圳國際研究生院劉碧錄教授團隊合作，以寬帶隙的無機二維鈷摻雜氧化鈦液晶為基礎(chǔ)，開發(fā)制備了新型光學(xué)水凝膠，該水凝膠作為一種透射式的深紫外雙折射器件，可實現(xiàn)深紫外光的連續(xù)穩(wěn)定調(diào)制。

該成果以“Deep ultraviolet hydrogel based on 2D cobalt-doped titanate” 為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

本文通訊作者為中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院丁寶福副研究員，西安高新技術(shù)研究所蔡偉教授及清華大學(xué)深圳國際研究生院劉碧錄副教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院及西安高新技術(shù)研究所聯(lián)培博士研究生許友安。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、軍委科技委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門的支持。

基于雙折射的透射式深紫外光調(diào)制器（工作波長λ＜350 nm）在日盲區(qū)光通訊、光束波形校正、高密度數(shù)據(jù)存儲、半導(dǎo)體微納加工及光刻等方面具有重要應(yīng)用。

經(jīng)過不斷探索，科學(xué)家開發(fā)出了α-BBO、MgF?及Ca(BO?)?等深紫外雙折射單晶，這些單晶材料展現(xiàn)出良好的深紫外光調(diào)制性能，但固定的雙折射值限制了其在一些特定領(lǐng)域的應(yīng)用。

液晶材料在磁場或電場作用下可有序排列，具有可調(diào)的雙折射，引起了廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)有機液晶材料在深紫外光照射下，極易發(fā)生光化學(xué)衰退，且會誘導(dǎo)某些有機基團中的自由基發(fā)生聚合反應(yīng)，擾亂液晶分子的有序排列，進而導(dǎo)致雙折射不穩(wěn)定，因此難以在深紫外波段下工作。同時，較高的深紫外光吸收也是限制傳統(tǒng)有機液晶材料在此無法工作在深紫外波段的一個重要因素。

為突破該技術(shù)瓶頸，作者利用離子插層法制備了無機二維鈷摻雜氧化鈦液晶，在磁場作用下，可實現(xiàn)深紫外光的透射式連續(xù)穩(wěn)定調(diào)制。

該液晶材料具有接近4 eV的光學(xué)帶隙，在300-350 nm深紫外波段內(nèi)的平均透射率高于70%，有效地解決了傳統(tǒng)液晶的深紫外吸收高的問題。

磁性元素鈷的摻雜則帶來了極大的面內(nèi)面外磁化率的各向異性，施加外磁場后，液晶分子趨于磁場方向有序排列并由此產(chǎn)生雙折射。雙折射值可通過磁場進行調(diào)控，進而實現(xiàn)深紫外光強及相位的連續(xù)及精確的調(diào)制。

磁各向異性、極大的徑厚比（橫向尺寸與厚度的比值）及本征光學(xué)各向異性共同賦予了該材料超靈敏的磁場響應(yīng)，實驗發(fā)現(xiàn)其磁光克頓-穆頓系數(shù)大于傳統(tǒng)有機液晶材料兩到三個數(shù)量級，因此實現(xiàn)液晶分子定向排布所需的驅(qū)動磁場大大降低。

該工作中，作者通過小體積零能耗維持的永磁體便實現(xiàn)了深紫外光相位的連續(xù)調(diào)制，具有節(jié)能、便攜及操控便捷等優(yōu)點，利于實際應(yīng)用。（圖1）

圖1：基于無機二維鈷摻雜氧化鈦液晶的深紫外光調(diào)制

圖2展示了該磁光器件優(yōu)異的深紫外光調(diào)制性能。滯回測試、瞬態(tài)磁光測試、循環(huán)測試及長時間紫外光照射下的疲勞測試說明了該器件具有良好的可逆性、毫秒級別的快速響應(yīng)性、優(yōu)異的耐用性及紫外穩(wěn)定性。

圖2：可逆性、響應(yīng)時間、耐用性及紫外穩(wěn)定性測試

團隊成員利用二維鈷摻雜氧化鈦液晶超靈敏的磁場響應(yīng)及優(yōu)異的光學(xué)調(diào)制性能，成功制備了首個工作在深紫外光譜區(qū)且雙折射可調(diào)的光學(xué)水凝膠。

其制備過程主要是通過在該二維液晶中添加聚合物單體及光引發(fā)劑，結(jié)合磁場輔助下的原位光聚合反應(yīng)制備而成。其中磁場驅(qū)動液晶分子有序排列，聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則將這種有序結(jié)構(gòu)完整保存在水凝膠中并且賦予其良好的彈性。在光路方向壓縮或拉伸該水凝膠，可定量操控光程及液晶分子排布的有序參數(shù)，從而實現(xiàn)深紫外光相位延遲量的精準(zhǔn)調(diào)制。

這種力學(xué)調(diào)制方式具有輕便、高效快速及循環(huán)穩(wěn)定等優(yōu)點，可用作深紫外光學(xué)波片或光開光等諸多深紫外光學(xué)器件的核心光學(xué)元件。（圖3）

圖3：基于二維鈷摻雜氧化鈦液晶的深紫外雙折射水凝膠

在本工作中，作者開發(fā)了一種可穩(wěn)定工作在深紫外波段且雙折射可調(diào)的光學(xué)水凝膠，以透射式及機械式的方式實現(xiàn)了深紫外光的連續(xù)穩(wěn)定調(diào)制。

該研究為基于雙折射的新型深紫外光調(diào)制器件的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)，并為將目前已用于可見光及近紅外等波段的液晶光學(xué)器件推廣到深紫外波段打開了大門。

| 論文信息 |

Xu, Y., Ding, B., Huang, Z. et al. Deep ultraviolet hydrogel based on 2D cobalt-doped titanate. Light Sci Appl12, 1 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00991-6

閱讀原文