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导读

       近日，南京大学马玲玲/陆延青研究团队在软物质非线性光子学领域取得重要进展，提出了一种基于离子掺杂铁电向列相液晶的可重构非线性光场调控技术。该技术融合了非线性光学几何相位编码原理与液晶的本征优势——动态可调、强非线性光学响应和低成本制造，通过光控取向构筑，开发了液晶指向矢场可编程设计的极性液晶光栅超结构；通过面内电场动态调制液晶指向矢场，实现了对非线性光学几何相位及出射光场的实时可重构调控。实验证明，该技术可对衍射级次、强度分布及偏振态等核心衍射参数实施精准编程操控。其动态调控能力和多维度光场操纵特性，在光与物质相互作用、量子信息处理、光计算等领域展现出广阔的应用前景。相关研究成果以“Reconfigurable nonlinear Pancharatnam-Berry diffractive optics with photopatterned ferroelectric nematics” 为题发表于Light: Science & Applications。

研究背景

       几何相位作为量子力学与经典物理中的核心概念，是量子态在参数空间绝热演化中积累的路径依赖相位。在光学领域，几何相位也称为Pancharatnam-Berry（PB）相位，源于光在介质中传播时偏振态的连续转换，利用介质的各向异性或结构的空间变化，将几何信息编码到光场中，从而为光学器件设计提供了全新的自由度。

       在光学系统中实现非线性相位的动态调控具有重要意义，可显著提升通信、量子计算、成像及自适应光学等领域的器件灵活性、适应性与多功能性。然而，尽管铁电晶体与超表面在调控光的非线性相位方面展现出潜力，现有研究仍面临两大核心挑战：一是复杂且高功耗的制备工艺；二是器件一旦制备完成即功能固化。

       铁电向列相液晶体系的发现和证实为非线性光学领域带来了新的活力，兼具三大独特优势：

       1.强非线性响应（χ?²?≈ 5.6 ~ 25 pm/V，媲美传统非线性光学晶体）

       2.“弱刺激，强响应”（软物质体系，突破固体材料的刚性限制）

      3.自组装制备（制备简便，无需极高的外加电场实现铁电畴的反转与控制，生长/加工温度<200℃，绿色低能耗）

       充分利用新型铁电液晶极化矢量的灵活操纵及外场调谐特性，将液晶PB相位平面光学器件功能拓展至非线性光子学范畴，可望为非线性光束操控和光量子信息处理提供全新解决方案。

研究亮点

       为此，南京大学团队阐明了液晶体系中的非线性PB相位原理，提出了对该相位的动态电操控方案，通过引入离子掺杂铁电向列相液晶结合团队自主研发的光控取向技术，成功将这一概念扩展至非线性光学领域，实现了二次谐波波束、衍射及其偏振态的实时调控。核心创新包括：

       1.非线性PB相位原理

       展示了借鉴分步傅立叶思想的级联线性/非线性几何相位原理（图1），并利用低电场（0.06 V/μm）几何旋转液晶极化矢量，动态改变非线性波束的相位特性，首次实现了非线性PB相位的实时连续调控，突破了传统静态光学系统的局限。

       2.极性液晶图案化制备

       通过离子掺杂铁电向列相液晶，实现了毫米级无缺陷的图案化制备，成功构建了周期性空间梯度分布的极化液晶光栅结构（图2），为液晶非线性光学元件的规模化制备奠定了基础。

       3.二次谐波波束的精准动态调控

       通过面内电场调控极性液晶分子转向，验证了二次谐波信号在衍射级次、强度分布及偏振态等维度的精准可重构调控能力（图3），为开发下一代非线性光子器件，如全光计算与量子信息处理模块，提供了新思路。

图文速览

图1：非线性PB相位。(a) 极性液晶的灵活操控和非线性光学响应特性；(b) 线性和非线性PB相位；(c) 级联线性/非线性几何相位原理

图2：周期性渐变非线性PB相位编码的极性液晶光栅器件。(a) 该极性液晶光栅器件的线性与非线性光学调制示意图；(b-e) 液晶器件的偏光显微表征及铁电极化矢量在电场下的表征测试结果；(f-h) 器件的主动电调性能测试结果（三角波电场，1 Hz，交流电压0.06 V/μm）

图3：非线性光学衍射的动态调控。(a) 通过沿光栅条纹方向施加相反方向的面内电场实现展曲角动态调制的示意图；(b) 二次谐波波束的动态可重构调控结果，水平偏振与垂直偏振光入射情况下二次谐波波束的理论模拟与实验衍射图样

总结与展望

       铁电向列相液晶作为一种受控自组装的软物质材料，具有灵活的极化操控与非线性光学响应特性，为软凝聚态物理、非线性光子技术等多个领域注入了新活力。本研究通过离子掺杂策略实现了大面积、无缺陷的液晶极化矢量图案化操控，构建了具有空间梯度分布的极性液晶光栅超结构，并进一步利用低电场动态调制液晶极化矢量，首次实现了梯度非线性PB相位的动态连续调控，为动态可重构的非线性光场调控探索了新的实现平台。

       展望未来，其多物理场耦合的非线性光学过程是探索动态光与物质相互作用的良好平台，有望在多个前沿领域展现出潜力应用。比如，通过精确编码非线性参量下转换过程中的相位与偏振，实现高维量子态的产生、编码与传输。进一步提升非线性转换效率、研究多外场协同调控下的液晶电极化矢量动力学过程、开发与硅基光子器件集成方案，以及优化大面积高品质制备工艺，将是推动该技术从实验室走向实际应用的关键方向。总体而言，本研究为多功能集成非线性光子器件的发展提供了新思路，其动态可调、功能多样、工艺兼容与规模生产潜力有望拓宽光与物质相互作用的研究边界和液晶器件的应用疆域。

论文信息

Chen, H. -F. et al. Reconfigurable nonlinear Pancharatnam-Berry diffractive optics with photopatterned ferroelectric nematics. Light Sci. Appl. 14, 314 (2025).

https://doi.org/10. 1038/s41377-025-01981-0

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