Advanced Materials | 液晶多维光刻：编织光场维度，解锁信息复用
导读
近日，陈鹏副教授、胡伟教授、陆延青教授团队在液晶微纳光子学领域取得新进展，提出液晶多维光刻新策略，精准构筑了双层异质液晶微纳结构，实现了全彩结构色、全彩全息等多重光学信息的融合式编码，构建出信息密度高达160万数据单元/mm2的柔性光场调控平台，为光电信息与光电显示领域提供了新思路和新技术。相关成果以“Multidimensional Photopatterning of Heterogeneous Liquid-Crystal Superstructures Toward Higher-Level Information Optics”为题，发表于Advanced Materials，并被选为当期内封面（Inside Front Cover）。现代工程与应用科学学院博士生刘思嘉为独立一作，陈鹏副教授、胡伟教授、陆延青教授为共同通讯作者，张逸恒博士、研究生孙睿、朱琳、朱栋、陈闻、王一鸣、丁世辉、葛士军博士对本工作亦有重要贡献。
软物质介于理想流体与固体之间，涵盖聚合物、胶体、液晶等多种材料。由于软物质介观结构单元间的相互作用较弱，它们通常表现出独特的柔性，并能对热、电、光等外场刺激产生灵敏响应。其中，光与软物质堪称绝佳搭档：一方面，光是软物质结构的高精度调控手段，在构造交联网络、诱导结构重构、驱动软体执行器等方面发挥着关键作用；另一方面，结构化的软物质也具有多维光场调控能力，例如基于聚合物/胶体实现的结构色、基于液晶的商用空间光调制器。然而，传统软物质能够操控的光学维度往往非常受限。
对振幅、相位、波长、偏振、空间等多个光学维度的充分利用，将有力推动光电信息技术朝着大容量、高并行性和高安全性方向发展，契合当今信息时代的迫切需求。自然界中，许多生物进化出精巧的异质复合光子结构，从而利用多维光学信息进行交流、信号传递和伪装。这启示我们，软物质体系实现更高维度光调控的关键在于更高自由度的结构操控。恰好，液晶独特的各向异性为其结构和光学性质带来更多可控自由度。近年来，陈鹏、陆延青团队结合液晶的多元刺激响应性与面内取向操控技术，开发了涡旋光调控【Light Sci. Appl. 11, 135 (2022); Nat. Commun. 15, 1108 (2024)】、动态复用全息【Adv. Mater. 35, 2301714 (2023); Adv. Funct. Mater. 35, 2507884 (2025)】、光学边缘检测【Nano Lett. 24, 140 (2024); Natl. Sci. Rev. 11, nwae247 (2024)】等一系列新颖的光学功能元器件。然而，受限于液晶态软物质材料固有的复杂性，其结构自由度的全面开发仍面临重要挑战，严重限制了更高维光场调控的潜力。
针对上述挑战，陈鹏、胡伟、陆延青团队提出了一种向列相液晶与胆甾相液晶相嵌集成的异质液晶超结构（图1a），通过偏振、剂量均可编程的多维光刻图案化新策略，精准操控异质液晶的横向、纵向微纳结构（图1b），从而诱导极为丰富的光与物质相互作用。可在微米级厚度的液晶薄膜内，独立编码三通道光学信息，同时实现近场的全彩结构色（通道1）、亮度渐变与偏振干涉色（通道2）、远场的彩色全息（通道3），大幅突破了传统软物质光场调控的维度限制，引领信息光子学新范式。
图1：基于多维光刻的异质液晶超结构用于多重光信息编码
一、新结构：异质液晶微纳结构的多自由度精准构筑
本研究提出的异质液晶超结构将向列相与胆甾相这两种典型液晶相态集成于单个器件内，二者之间凹凸起伏的界面形似浮雕（图1a）。其中，向列相液晶的排列方式取决于表面锚定作用和分子间作用力，可实现多样的光束偏振转换效应；胆甾相液晶具有自组装周期性螺旋结构，反射其光子带隙内的同手性圆偏振光，呈现特定的布拉格反射色。实验中，通过将手性自组装、多维光刻图案化技术与“洗去-重填”工艺巧妙融合（图2a），成功制备出相嵌集成的异质液晶超结构，并精准定制其横向微结构与纵向纳米结构。向列相液晶、胆甾相液晶的横向取向结构又可独立操控，从而分别实现按需偏振转换与反射式几何相位调制；并且，胆甾相液晶的纵向纳米螺旋结构可被拉伸至不同高度，即对应不同螺距，从而诱导产生空间变化的光子带隙与布拉格反射色。这种高自由度的异质液晶操控技术，不仅丰富了液晶微纳结构的精准构筑手段，也为多维光场调控和多重光信息编码提供了新的实现平台。
图2：制备工艺流程与三通道光信息编码实验结果
二、新机制：多维光刻图案化实现多重光信息编码
为实现超高密度的多重光信息编码，本研究提出了多维光刻图案化的新策略（图1b）。相较于常规紫外光刻技术，多维光刻图案化技术不仅能精确调控紫外曝光剂量，还可对曝光的线偏振方向进行局域像素化编程控制。其一，通过图案化的曝光时间调控，可获得不同螺距的胆甾相液晶螺旋结构，从而形成全可见光范围的手性结构色图案（通道1；图2b），并具有“阅后即焚”和“长效保色”两种解码模式。其二，借助偏振方向随空间变化的线偏振紫外曝光，向列相液晶分子会在光敏取向剂的诱导下，垂直于曝光偏振方向排列。根据向列相液晶的偏振转换特性和光的偏振干涉效应，该步曝光可实现丰富的偏振干涉色，表现为偏振片下亮度可调的反射色与宽色域的透射色（通道2；图2c）。其三，借助另一轮图案化的线偏振紫外曝光，可定制胆甾相液晶的表面取向，从而实现任意的反射式几何相位编码和多元远场衍射功能（通道3；图2d）。该技术在三个独立通道中均可实现18578 PPI的高空间分辨率，为多维光场复用提供了一种高精度、高密度、低成本的实用方案。
三、新功能：布拉格反射色&偏振干涉色&彩色全息的多维光场复用
进一步地，本研究充分融合通道1~通道3的光场调控物理机制，将布拉格反射色、偏振干涉色与相位全息图同时编码进微米级厚度的异质液晶超结构，并展示了一种高容量、高安全性的多重光学信息加密方案（图3a）。其中，通过联合优化相位全息图与光子带隙分布，为不同波长的入射光编码独立的几何相位，从而实现波长复用的远场彩色全息（图3b）。
图3：多维光场复用设计：布拉格反射色&偏振干涉色&彩色全息
在光学解密过程中，只有使用正确的解密方法才能分别读取通道1、2、3中隐藏的光学信息。如图4a-c所示，通道1的全彩花朵图案在反射式显微镜下清晰可见，通道2隐藏的“生如夏花之绚烂”诗句信息可在插入线偏振片后成功解密，通道3编码的全彩蝴蝶图像可在多波长激光照射下于远场显现。上述实验结果揭示了异质液晶微纳结构在多重、多维光信息复用方面的非凡能力。此外，得益于液晶的软物质属性，本研究提出的异质液晶超结构还可制备成自支撑的全聚合柔性薄膜（图4d）。这种柔性光学薄膜在左旋圆偏振滤光片下完全隐藏，而在右旋圆偏振滤光片下清晰显现，展现出独特的圆偏振选择性“隐身术”。
图4：基于异质液晶微纳结构及其柔性薄膜的多重光学信息加密
总结与展望
该工作提出了一种基于液晶微纳结构同步实现全彩结构色与全彩全息成像的新技术，可同时调控波长、偏振、振幅、相位、方向、空间六个光学维度，实现近/远场、偏振态、入射方向、波长四个维度的联合复用，大幅突破了传统软物质的光学维度限制。本研究构建的多重光信息编码新机制，可实现约160万组混合维度光学数据/mm2的超高信息密度，为光存储、光学加密等领域拓展了新路径。未来，可进一步应用于可调光束偏转、消色差透镜、新型显示、多路并行光计算等领域。本研究深入剖析了多维光刻图案化、液晶结构自由度、光学维度与多重光信息之间的内在关联，显著提升了光与软物质的相互作用维度，开辟软物质光子学和多维光场复用的新范式，助力光电信息与光电显示领域的新应用。
论文信息
Multidimensional Photopatterning of Heterogeneous Liquid-Crystal Superstructures Toward Higher-Level Information Optics.
Si-Jia Liu, Yi-Heng Zhang, Rui Sun, Peng Chen*, Lin Zhu, Dong Zhu, Wen Chen, Yi-Ming Wang, Shi-Hui Ding, Shi-Jun Ge, Wei Hu*, Yan-Qing Lu*.
Advanced Materials 37, 2506778 (2025).
文章来源于中国光学公众号