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导读

       近日，陆延青-朱嘉联合团队在液晶智能光子学领域取得新进展，设计了一种均匀自组装的手性液晶超结构，深入剖析其光子能带的特殊物理性质，引入交流电信号作为新的调控手段，动态控制矢量光束的连续变换，执行了在高阶庞加莱球赤道上的大范围连续演化，并进一步探究了该器件在温度/频率传感方面的应用潜力，为结构光场的智能调控提供了新思路和新技术。相关成果以“Electrically-Controlled Continuous Transformation of Vector Beams with Self-Assembled Chiral Superstructures”为题，发表于Laser & Photonics Reviews。

研究背景

       结构光场广泛应用于大容量通信、光信息处理等领域，其中，矢量光是一类横截面内线偏振态非均匀分布的结构光场。不同的矢量光偏振结构具备差异化功能，可以适配激光微加工、光镊、超分辨显微成像等多元应用场景。例如，径向偏振矢量光能提高雕刻和切割的效率，而角向偏振矢量光则能产生更平整的沟槽。正因不同类型的矢量光各有所长，实现矢量光之间按需、连续的模式变换，成为拓展其应用场景的迫切需求。

       目前，矢量光的动态模式变换仍是光学领域的技术难题，其核心要求是对光束横截面局域线偏振实现精准同步旋转，但传统光学器件难以满足该需求。常规波片需要光轴与入射偏振方向严格对准，无法用于空间偏振非均匀的矢量光；法拉第旋转器无需对准但旋转角度通常较为有限；非线性晶体等调制效率受限；新型人工超材料虽然具有较高的设计自由度和高集成度，却往往受限于静态功能或少数几个特定模式间的切换。因此，研发一种控制手段简便、动态范围广阔、调控效果稳健的矢量光变换方案，仍是相关领域的一大挑战。

研究亮点

       针对上述挑战，陈鹏/陆延青-徐凝/朱嘉联合团队在前期基于液晶元件倾转角的矢量光动态变换【Nat. Commun. 15, 1108(2024)】、翻转电场极性驱动矢量光的动态切换【Natl. Sci. Rev.11, nwae247 (2024)】等研究的基础上，深入挖掘胆甾相液晶光子能带的物理潜能，提出了一种基于电控胆甾相液晶的矢量光连续动态变换功能元件（概念图如图1所示）。团队设计构筑了兼具电热效应和热响应性的均匀手性液晶超结构，通过改变交流电信号的频率来动态调控液晶结构及其光子能带，成功实现了矢量光局域线偏振的同步、连续旋转，即矢量光模式的连续变换，动态范围超过了360°。

图1.电控自组装手性超结构实现矢量光动态变换的概念示意图

       均匀自组装的手性液晶超结构展现出显著的圆双折射与热响应特性。当对液晶元件施加交流电信号时，由胆甾相液晶层与ITO薄膜共同构成的等效阻容电路会发生电能损耗。特定频率下的交流电信号通过该电路产生热能，即赝介电加热效应，从而引发液晶螺旋结构的收缩。当工作波长远离手性光子带隙（即位于带隙外的短波长区域）时，左右旋圆偏振均能高效透射，胆甾相液晶表现出显著的圆双折射性，在正交圆偏振分量之间产生与入射线偏振方向无关的传播相位差。通过调节交流电场的电压与频率，可动态调节手性液晶的螺旋结构，进而实现对传播相位差的连续、精准调谐。这一机制将微观的螺距变化，精准转化为宏观上局域线偏振方向的同步平滑旋转，对应着矢量光状态点在高阶庞加莱球赤道上的连续、可控演化。

图2.(a)手性液晶微观结构图，(b)手性剂分子结构，(c)-(d)调节电压和频率时，平行检偏下的透射光谱，(e)-(f)透射率极值点的投影图

       研究团队以径向矢量光作为入射光，验证了该液晶元件的连续变换功能,如图3所示。在8.0 V的固定驱动电压下，仅需将交流电频率从0.5 MHz连续扫描至18.0 MHz，透射的矢量光束便从径向偏振变换为角向偏振。当施加电压提升至20.0 V时，矢量光束的局域线偏振总动态旋转范围超过360°，标志着矢量光状态点在高阶庞加莱球的赤道上完成了两圈完整的演化轨迹。在整个连续变换的过程中，出射光场始终维持着接近100%的线偏振度，表现出极佳的调制保真度。

图3.(a)实验光路示意图，(b)-(j)不同频率和电压下，矢量光束经过检偏后的强度分布

       研究团队进一步分析了该元件的应用性能。其一，对不同种类矢量光的适用性。如图4（a-d）所示，对高阶矢量光束，该液晶元件依然能对其横截面上所有的局域线偏振引入一致的线偏振方向旋转角，实现同步旋转。其二，矢量光变换效果与交流电参数对应关系的精确性和稳定性。如图4（e-h）所示，建立了光斑旋转角与温度、频率的映射关系，分别演示了环境温度的可视化与交流电参数的定量分析。同时，验证了该电热致变换过程具有高度的循环可逆性，这表明高阶庞加莱球赤道上的每一个中间态均可与一组外加交流电信号精确对应，如图4（i-j）所示。

图4.(a)-(d)高阶矢量光束在不同频率下的强度分布，(e)-(h)偏振旋转角与温度、频率的对应关系，(i)-(j)在高阶庞加莱球上，电控频率映射为光束状态的演化轨迹

总结与展望

       本研究提出了一种基于均匀自组装手性液晶超结构的矢量光束连续变换方案，为复杂高维结构光场的按需调控开辟了新路径。该方案跳出了依赖机械调节的思路，将交流信号的电压与频率解锁为新的调控维度，实现了一种全电控、非机械、连续的光场智能调控。更具启发意义的是，研究团队践行了“以简驭繁”的设计理念，打破了“复杂光场必依赖复杂结构”的思维定势。本研究展现了液晶手性结构在动态智能操控矢量光场方面的实力，有望促进激光加工、超分辨显微成像、光信息处理等领域的发展。

       南京大学为该工作的第一完成单位，南京大学研究生沈飞鸿、张逸恒博士（现为西北工业大学准聘副教授）为共同第一作者，陈鹏副教授、陆延青教授、徐凝副教授为共同通讯作者，朱嘉教授提供了重要的指导与讨论，研究生陈闻、方诗琦、刘思嘉、赵冰清及葛士军博士对本文亦有重要贡献。该工作由国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省基础研究计划以及中央高校基本科研业务费等资助完成。

论文信息：

Electrically-Controlled Continuous Transformation of Vector Beams with Self-Assembled Chiral Superstructures.

Fei-Hong Shen†, Yi-Heng Zhang†, Wen Chen, Shi-Qi Fang, Si-Jia Liu, Bing-Qing Zhao, Shi-Jun Ge, Ning Xu*, Jia Zhu, Yan-Qing Lu*,and Peng Chen*.

Laser & Photonics Reviews e71478(2026).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.71478

 

 

文章源于两江科技评论公众号