陈鹏、陆延青团队AFM：可寻址、多波长、全光调控新技术
导读
近日，陈鹏副教授、陆延青教授团队在液晶平面光子学领域取得新进展，通过引入一种光响应手性液晶微结构材料，构建了一个低功耗、高集成的全光调控系统，实现了无需电极、仅靠光就能动态调控光的多功能平台，为多维度信息存储和多波长彩色全息显示等应用提供了新技术。相关成果以“Light-Addressable Polychromatic Holographic Display via Multi-Encoded Chiral Superstructures”为题在线发表于Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.202507884）。
【关键词】全光调控、全息显示、光敏胆甾相液晶、光寻址
研究背景
光寻址技术由于其独特的空间分辨能力和非接触式操作，在空间光调制器和传感系统有广泛应用。通常涉及将光信号转换为电信号进行处理，然后再转为光信号输出，这需要复杂的加工工艺以及多个外接设备，不仅限制了信息处理的速度，也降低了系统紧凑性。为应对高速数据通信和多通道信号处理的迫切需求，新一代光信息技术蓬勃发展，全光调制技术也应运而生，为“光控电控光”迈向“光控光”提供新思路。全光调控系统因其非接触、快响应、高空间分辨率等优势，被许多人认为是突破传统电光调控瓶颈的可行路径。
然而，当前多数全光调控技术依赖非线性材料和高功率泵浦光源，面临能耗高、响应慢、热稳定性差等诸多挑战。光敏胆甾相液晶作为一种手性光子晶体材料，既可调控光，也可被光调制，为全光调控技术提供了一个崭新的媒介。胆甾相液晶具备独特的自组装螺旋结构，能对圆偏振光进行选择性布拉格反射，并携带可编码的几何相位信息。引入光敏手性剂后，在毫瓦级光强刺激下即可实现布拉格反射带的动态调节。同时，由于反射光携带可编码的几何相位信息，通过设计液晶分子的排列结构可以控制反射光的局部相位。受到上述光敏手性液晶综合特性的启发，研究团队将光敏胆甾相液晶引入全息显示，并进一步探索其在多波长并行处理的潜力，有望为全光调控提供新的实现途径。
研究亮点
图1.基于光敏胆甾相液晶的可寻址、多波长、全光信息处理
南京大学陈鹏副教授、陆延青教授团队在前期光响应手性液晶微结构材料【Nature Commun. 10, 2518 (2019)；Laser Photonics Rev. 16, 2200011 (2022)】的研究基础上，提出了一种预编程的光敏胆甾相液晶超结构，可实现光存储、光寻址、光读取的功能集成，并以全息术为例，展示了多波长全光调控功能。如图1所示，光敏胆甾相液晶在紫外光的刺激下形成空间非均匀的螺距分布结构，从而反射不同波长的光。进一步结合液晶分子面内排列的全息编码，可实现多波长并行的“成长”系列彩色全息图像。
（1）光存储、光寻址、光读取的有机融合
该系统基于光诱导螺距调控与分子取向编程，实现了三个功能模块的全光集成，如图2所示。光存储：通过光控取向技术写入全部预设全息图案，排列成阵列形式，阵列中的每一个区域可以单独存储一张全息图。光寻址：通过紫外/可见光掩模曝光，局域改变液晶螺距分布，决定哪些区域可反射可见光以及反射光的波长范围。光读取：探测光在各通道反射回携带有相位与波长信息的光，实现图像读取与重构。
图2.光存储、光寻址、光读取的功能集成光路示意图
（2）“光控光”的多维调控
利用光的偏振态实现液晶分子排列取向的控制，进而调控几何相位，赋予反射光精确的波前结构；利用光的光强空间分布实现对相位阵列的寻址功能，决定每个通道的局域开关状态；利用光的功率调节光敏液晶的光致异构化速率，从而控制反射光中心波长的响应速度；利用驱动光的波长区分调控变化方向（紫外光诱导红移、绿光/热弛豫引起蓝移），实现反射光波长的动态可逆调控。
（3）多波长并行信息显示
该系统不仅可在不同通道实现不同全息图案的显示，而且支持多波长并行彩色全息图像的显示与调控。通过对不同通道不同程度的螺距操控，成功实现了540 nm（绿色）、585 nm（黄色）、625 nm（红色）等多个波段的同时反射，呈现出彩色全息（图3）。在实验中，展示了主题为“成长”的五阶段彩色全息图案的复现与切换，验证了高度集成、可动态演化的多色全息显示能力。同时，经过巧妙的设计，近场的结构色图案与远场的全息衍射显示遥相呼应，字母A至E分别对应幼儿、少年、青年、成年、老年五个不同的人类/树木成长阶段。这种多波长并行操控不仅丰富了显示的色彩维度，更提升了信息存储的密度和自由度。
图3.多波长并行彩色全息显示（远场）与彩色结构色显示（近场）
总结与展望
该工作实现了在一个单层光敏液晶材料中完成信息的写入（编码）、定位（寻址）和读取（显示），打通了“光控光”信息处理的全链路，无需额外的电极与电源连接，便于集成和轻量化设计。低功耗、快响应、可大面积制备等特性，有助于走向实际应用。该工作不仅提升了光信息处理系统的紧凑性，也为先进显示、光通信、加密存储、光计算等前沿领域提供了新手段。
文章来源于两江科技评论微信公众号