光取向液晶微結構及其光子元件

曹慧敏，吳賽博，王靖閣，胡 偉*

(1.南京大學 現代工程與應用科學學院，江蘇 南京 210093；2.菏澤職業學院，山東 菏澤 274000)

1 引 言

液晶(liquid crystal,LC)是介于液體和晶體之間的一種物質狀態，同時具有液體的流動性和晶體的各向異性。20世紀中期以來，液晶廣泛應用于平板顯示領域，應用范圍從小尺寸的手機、筆記本，到大尺寸的液晶電視、投屏電視。而21世紀初，隨著液晶技術的發展與革新，液晶進一步在平面光學元件、結構光場、全光互連、模分復用光通信、增強現實、激光跟瞄系統等方面展現出巨大潛力[1-2]。目前，液晶研究正逐步從信息顯示拓展到液晶光子學領域[3]。

液晶包含多種相態，如向列相、近晶相、膽甾相、藍相等。不同液晶相具有特征的位置序與取向序。組成向列相液晶的棒狀分子，局部長軸互相平行，質心位置混亂無序。分子可以沿長軸方向任意移動，因此向列相液晶(nematic LC,NLC)黏度小、流動性大。指向矢空間排布會導致物理性質，尤其是光學性質的各向異性分布。近晶相液晶(smectic LC,SLC)的分子呈層狀排列，層內分子長軸互相平行，方向與層法線一致或呈特定傾角。在對抗性邊界條件下，互相平行的分子層將發生空間彎曲并形成各種缺陷陣列。膽甾相液晶(cholesteric LC,CLC)分子指向平行于分子層平面，相鄰層分子有一固定的夾角，形成周期性的螺旋結構。因此，膽甾相液晶表現出一維光子晶體特征，可以選擇性反射與自身結構旋性相同的圓偏振光，并具有寬帶布拉格反射特性[4]。藍相(blue phase,BP)是位于膽甾相和各向同性相之間極窄溫區內的一種液晶相態，是由雙重扭曲螺旋柱堆疊而成的立方晶格結構[5]。不同液晶相會自組裝產生獨特的疇結構，得益于液晶物理性質的各向異性，這些疇結構通常具備特殊的形態學、光學和電磁學等特征[6]。

液晶分子組裝是一個熱力學過程，極易受到界面錨定、外場波動等環境因素的影響，難以精確控制液晶微結構并實現有序結構的大面積制造。液晶取向技術有利于液晶微結構的控制，但傳統的摩擦取向技術是接觸式的，易造成樣品損傷并產生靜電及微小的灰塵，破壞結構的有序性。為克服這些不足，非接觸式取向技術如離子束取向、斜向蒸鍍氧化硅和光取向等應運而生。其中，光取向技術因其適用于高分辨的結構表面與曲面取向而最受關注[7]。光取向的一般原理是用線偏振光誘發取向劑分子的物理化學反應，產生定向排列，進而將這種秩序通過分子間相互作用傳導給液晶材料從而實現取向控制。光敏偶氮苯磺酸鹽染料SD1是常用的一種取向劑，其分子長軸傾向于垂直于入射紫外或藍光的線偏振方向排列，進而取向鄰近的液晶。SD1具有良好的可擦寫性，只記錄最后一次的偏振信息，因而特別適用于可重構的液晶圖案化取向。光取向技術可分為兩大類，一是利用雙光束或多光束干涉曝光一步產生目標圖案，優點是效率高、分辨率高，缺點是取向圖形單一；二是利用分步曝光，如激光直寫、動態掩膜曝光實現復雜甚至任意圖案的寫入。

我們基于數控微鏡陣(digital micro-mirror device,DMD)自主開發了縮微投影曝光系統[8]，利用其向SD1寫入取向信息可實現高分辨任意液晶微結構的制備。該技術為本中心的諸多科研工作提供了核心技術支撐。下面將結合中心近幾年的具體研究工作，從多層級液晶疇構筑、光尋址液晶調光技術、光通信與太赫茲液晶元件三方面進行系統介紹，綜述了光取向液晶微結構及其光子元件的最新研究進展。

2 多層級液晶疇構筑

液晶自組裝微結構能夠帶來多種新穎的性能，然而，該類微結構的構筑非常具有挑戰性。我們基于DMD動態掩膜光取向，能將“自下而上”的液晶自組裝與“自上而下”的光取向相結合，從而實現了對各相態多層級液晶疇結構的精確靈活操控(圖1)。通過預設二維面內取向，可以誘導近晶層的空間彎曲，進而控制疇的尺寸、形狀、排列與晶格對稱性。結合外場激勵或錨定條件，可以控制膽甾相液晶螺旋軸的面內朝向，進而形成規則的指紋織構。對藍相液晶進行微區取向，可以實現藍相單晶疇的圖案化與微域化。這些多層級液晶疇為光子元件的設計制備提供了全新思路并拓寬了其應用場景[10]。

圖1 (a)近晶相，(b)膽甾相，(c)藍相液晶的指向矢分布示意圖與顯微織構圖[5,9]。Fig.1 Typical director distributions and microscopic textures of (a)smectic,(b)cholesteric,and (c)blue phase LCs [5,9].

2.1 近晶A相分子層彎曲控制

近晶A相是一種典型的近晶相態，其層內分子長軸垂直于層面，分子質心位置無序。對抗性邊界錨定導致近晶A層曲率發生變化，形成的杜賓環面圍繞正交平面內的共軛缺陷對(共焦橢圓和雙曲線的一支)層疊，對應到偏光顯微鏡下的焦錐疇織構(focal conic domain,FCD)(圖2(a))[6,11]。對于底面隨機面內取向、另一側垂直取向的液晶層，其缺陷線退化成底面的一個圓與經過圓心并垂直于底面的一條直線，呈現環曲面焦錐疇織構(toric FCD,TFCD)(圖2(b))，該結構所導致的獨特功能特性使得它們可用于粒子操控[12]、微透鏡[13]、超疏水表面[14]。

圖2 (a)FCD與(b)TFCD的層狀結構示意圖[15-16]Fig.2 Schematic diagrams of lamellar structures of (a)FCDs and (b)TFCDs[15-16]

傳統的焦錐疇產生與操控方法，如摩擦取向[17]、微通道限制[18]、熱升華[19]等，往往過程復雜且缺乏靈活性。利用光取向預設二維取向，結合空氣界面處的垂直錨定，精確操控液晶層的三維空間彎曲，進而實現疇結構的靈活控制。通過在光柵狀結構中設置取向±45°交替分布，誘導液晶組裝產生了半環面焦錐疇陣列(hemitoric FCD,HFCD)(圖3(a,b))。該結構在保持TFCD缺陷特征的同時，打破了其固有的旋轉對稱性，賦予了疇結構全新的操控維度——朝向。通過預設平面取向，實現了對HFCD位置、尺寸、朝向以及晶格對稱性的靈活控制[20]。同時，結構旋轉對稱性的破缺導致了HFCD對入射光偏振的敏感性，呈現出偏振依賴的衍射效應(圖3(c,d))。此外，TFCD因其由中心至邊緣從水平到豎直梯度變化的指向矢分布，而呈現會聚型變折射率透鏡的效果[21]。通過引入非對稱多疇取向單元，我們構筑了結構畸變可控的TFCD(distorted TFCD,d-TFCD)，其具有方向依賴的相位分布，可用作微透鏡陣列。基于d-TFCD微透鏡陣列的偏振敏感性及焦距的尺寸相關性，我們提出了一種四維信息可視化探測的方案[22]。我們設計制備了一個尺寸沿徑向逐漸增大、朝向隨方位角漸變的d-TFCD透鏡陣列(圖3(e,f))。該微透鏡陣列焦距由中心至外圈逐漸增大，而優選透鏡相位分布始終沿圓環的切線方向。這樣，通過單次拍攝成像，根據清晰像的位置坐標，即可提取出目標物體的空間深度信息與偏振信息(圖3(g,h))。結合微透鏡自身的二維成像能力，即實現了對目標物體的四維信息探測(三維空間外加偏振維度)。該液晶微透鏡陣列的偏振選擇性與多焦能力，還賦予了其多路復用/解復用偏振信息與深度信息的功能，在光通信領域具有應用潛力。

圖3 近晶相分層超結構。HFCD的(a)織構圖與(b)三維層狀結構示意圖；HFCD正方晶格陣列的偏振選擇性衍射的(c)衍射圖案與(d)衍射效率[20]；d-TFCD圓盤陣列的(e)尺寸、朝向設計示意圖、(f)織構圖、(g)對鏤空“O”成像及其(h)圖像清晰度分布[22]；(i)OS層狀結構及指向矢分布示意圖；(j)彎折OS的織構圖與偏振相關的衍射圖案；(k)彎曲OS，(l)展曲OS，(m)圖案化OS的織構圖[23]。Fig.3 Layered superstructures of smectic phase.(a)Textures and (b)3D illustration of lamellar HFCDs;(c)Diffraction pattern and (d)diffraction efficiency of the polarization-dependent diffraction of an HFCD square lattice[20]；(e)Schematic and (f)textures of a d-TFCD array with designed size and orientation；(g)Images of a transmissive “O”mask and (h)corresponding image definition map[22]；(i)Schematic of lamellar OSs and relevant director distributions;(j)Textures and polarization-dependent diffraction pattern of deflecting OSs;Textures of (k)bending OSs,(l)splaying OSs and (m)patterned OSs[23].

油紋(oily streak，OS)是近晶A相液晶中另一種常見的織構類型，存在于液晶膜厚較薄的情況(～1 μm)。為了平衡界面錨定能、液晶彈性能和表面張力，使整個體系獲得最小自由能，油紋結構內部通常會生成一系列特征缺陷，如旋轉晶界、中心晶界以及相鄰油紋之間的缺陷墻陣列(圖3(i))。在單向面內取向情況下，OS的上述線型缺陷傾向于垂直取向方向生長排布。我們通過光取向技術預設襯底表面錨定條件，結合外加電場刺激，實現了油紋結構缺陷墻的可編程控制[23]。采用交替變化的面內取向、連續變化的徑向取向和角向取向，分別實現了油紋結構的彎折、彎曲與展曲操控(圖3(j～m))。這些朝向可控的自組裝油紋陣列表現出了強烈的偏振依賴衍射特性。圖3(j)展示了彎折OS與結構周期、取向周期相關的二維衍射分布。通過設定空間電場，可靈活地調諧缺陷墻間距，并能進一步實現缺陷陣列的面內旋轉和動態開關等多維操控。OS拓撲缺陷的可編程控制有望推動全新液晶光子元件的設計開發。

2.2 膽甾相螺旋軸操控

利用取向控制膽甾相液晶螺旋軸朝向可以實現指紋織構與平面態織構兩種不同的狀態。其中，指紋織構產生于垂直錨定或混合錨定條件下，具有躺倒的螺旋軸分布；而在兩側面內取向的情況下，螺旋軸垂直于兩側基板，產生平面態織構。利用光取向技術對襯底進行圖案化配向，再施加適當的垂直電場對液晶指向進行控制，可大面積制備膽甾相光柵[24]。在圖案化配向情況下，初始狀態仍為平面態織構(圖4(a,b))，當施加足夠大的電場時，中間層的液晶將率先掙脫錨定束縛，使螺旋軸發生90°旋轉，變為垂直于底面取向的躺倒螺旋(圖4(c))。由于液晶指向矢沿螺旋軸周期變化，從而在偏光顯微鏡下呈現出干涉色的周期變化而形成指紋織構(圖4(d))，并表現出光柵衍射行為。當在兩側基板取向層預設上下對準的角向取向時，電場誘導下液晶螺旋軸呈現放射狀躺倒(圖4(e))，形成阿基米德螺線型的織構(圖4(f))。本工作還系統研究了預設取向對條紋方向的影響，證實光取向技術可以靈活、任意地操控膽甾相螺旋超結構。該工作開辟了軟物質自組裝多層級超結構構建的新途徑，豐富了液晶微結構光子元件的種類。

光取向還能誘導半開放液晶膜生成大面積、高質量的指紋結構。摻雜光敏手性劑可實現指紋織構的光控調諧[25]。我們將摻有ChAD-3c-S光敏手性分子開關的膽甾相液晶旋涂至均勻面內取向的襯底上，所得到的半開放液晶膜在對抗性邊界錨定作用下，表層液晶產生周期性波動(圖4(g))，進而形成指紋織構。藍光刺激誘導分子開關結構變化，促使螺旋結構解旋，進而導致指紋織構發生面內旋轉，其最大旋轉角達到987.8°(圖4(h))。我們進一步驗證了此半開放液晶膜在光束偏折(圖4(i))與粒子同步操控(圖4(j))等方面的具體應用，展示了其在傳感和微操縱等領域的應用潛力。

圖4 膽甾相螺旋超結構的操控。膽甾相平面態的(a)螺旋結構示意圖與(b)織構圖；電場誘導螺旋躺倒后的(c)結構示意圖與(d)指紋織構圖；電場誘導下放射狀躺倒的螺旋結構(e)示意圖與(f)阿基米德螺線指紋織構圖[24]；(g)半自由膜中分子層的自適應變形；(h)指紋織構的光控旋轉，及其在(i)光束偏折和(j)粒子操控方面的應用展示[25]；(k)普通膽甾相與傾斜螺旋膽甾相的結構對比；(l)電調傾斜螺旋膽甾相反射光譜及光控手性反轉；(m)光控圓偏振反轉的激射[26]。Fig.4 Manipulation of cholesteric helical superstructures.(a)Schematic and (b)textures of planar cholesteric state;(c)Schematic and (d)fingerprint textures of electric-field-induced lying helix;(e)Schematic and (f)archimedes spiral fingerprint textures of electric field-induced radial lying helix[24]；(g)Helical layers with a self-adapted distortion in a semi-free film;(h)Light-driven rotation of fingerprint textures,and the demonstration of its applications in (i)beam steering and (j)particle manipulation[25];(k)Comparison of the structures of common helicoidal CLC and heliconical CLC;(l)Electrical manipulation of reflection spectra of heliconical CLC and light-activated chirality inversion;(m)Light-driven laser emission of opposite circular polarizations[26].

平面態膽甾相液晶具有圓偏光選擇的寬帶布拉格反射特性，反射圓偏振與螺旋結構手性一致，反射波長位于nop～nep之間，其中no、ne分別是液晶尋常光和非尋常光折射率，p是膽甾相液晶的螺距。通過向膽甾相液晶中摻雜彎曲型液晶二聚物和光敏手性分子開關，結合電、光雙重刺激，實現了傾斜螺旋膽甾相螺距的動態電控與螺旋超結構手性的光控可逆轉換，獲得了反射帶寬在整個可見光波段的正反向連續可調[26]。當該液晶受到平行于螺旋軸方向的電場刺激時，在維持旋性的同時，層內分子由面內取向轉變為與層面呈一定夾角，形成傾斜螺旋結構[27](圖4(k))。此夾角隨外加電場增大而增大，膽甾相螺距相應減小，從而導致反射光譜的藍移(圖4(l))。光敏手性分子開關在藍光和綠光的照射下發生的分子結構變化會導致螺旋結構的手性反轉。上述特性可用于液晶可調諧激光的激射調控。電調螺距實現了激射波長的寬譜調諧，光控手性反轉能夠實現圓偏振的手性切換(圖4(m))。該體系只有在手性態下才呈現布拉格反射，我們恰當控制曝光劑量使材料進入解旋狀態，再施加特定電場，利用圖案化光場曝光，賦予曝光區域手性，則造成手性螺旋態和向列相態(解旋態)的交替共存，呈現出新穎的衍射效應。本工作理清了光電聯合調控對傾斜螺旋膽甾相組裝行為的作用規律，使得多元外場動態調控的組裝微結構液晶元件成為可能。

2.3 藍相單晶疇圖案化

藍相是一種自組裝的軟光子立方晶體，具有極窄頻率光子局域特性[28-29]。我們通過一步圖案化取向，曝光區域為均勻面內取向，未曝光區域為無規取向，上述區域在降溫過程中分別誘導藍相液晶形成單晶疇和多晶疇，從而獲得了微域圖案化的晶疇排列(圖5(a,b))[30]。此圖案化晶格對各種外部刺激，如：溫度、電場和光輻射，可以做出靈敏的響應，反映為光學性質(如反射強度、反射帶和光散射)的顯著變化。如圖5(c)所示，對方形晶疇陣列樣品施加垂直電場，藍相晶格的反射色從綠色向紅色轉變。這意味著調節加載電壓，即可實現對不同入射波長的選擇性衍射(反射)。本工作還制備了叉形光柵、圓形光柵、艾里模板(圖5(d))等結構，并驗證了其反射光的衍射行為，展示了該體系在窄帶反射光子元件中的應用潛力。

圖5 藍相單晶疇圖案化。(a)藍相液晶盒圖案化取向示意圖；(b)藍相單晶疇與多晶疇分布示意圖；(c)電致藍相反射波長紅移；(d)圖案化藍相單晶疇[30]。Fig.5 Patterning of BP crystallographic domain.(a)Schematic of a photoaligned BP cell;(b)Schematic of the distribution of BP crystallographic and polycrystalline domains;(c)Electric field-induced red-shifting of reflective wavelength of BP;(d)Patterned BP crystallographic domains[30].

除了上述常見液晶相態，我們還利用SD1實現了對液晶共軛聚合物的光取向[31]。通過圖案化取向芴-苯并噻二唑交替共聚物F8BT和F8BT/Red-F二元共混體系，誘導聚合物長鏈局部有序取向，實現了多種微米級光學結構的制備，并展示出優異的光致發光特性。這拓寬了光取向技術的應用，豐富了聚合物半導體光電子器件的制備手段。

3 光尋址液晶調光技術

對光波各自由度的調制是光學元件的物理基礎，在光學應用中占據重要的地位。這些自由度包括幅度、偏振和相位等，其中相位的空間分布至關重要。利用液晶器件進行的相位調制主要分為兩種：動態相位和幾何相位。動態相位是因光程差改變的相位，與介質的折射率和厚度相關；而幾何相位源自光子的自旋軌道耦合，它的大小可以利用瓊斯矩陣進行精確計算，通常與元件的局域光軸角度成比例[32]。

3.1 動態相位

液晶具有光學各向異性，其有效折射率依賴于液晶指向矢與入射偏振的角度關系。因此，同一偏振經過不同取向的液晶疇會產生光程差，控制液晶盒內不同區域的指向矢分布即可實現對光的相位整形。基于動態相位的典型液晶調光元件有液晶光柵、叉形光柵、達曼光柵等，這些元件可以基于二值化的液晶取向來實現。

3.1.1 液晶光柵

光取向液晶光柵的基本結構特征是液晶面內取向的周期性交替排列，相應的折射率分布導致的相位延遲量差異引發光的衍射。我們利用光取向技術實現了偏振無依賴的液晶光柵。具體通過兩步正交偏振曝光同時引導液晶盒兩側基板的取向，實現相鄰區域液晶指向矢的正交平面取向[33](planar alignment,PA)(圖6(a))。制備而成的一維(one-dimensional,1D)(圖6(b))或者二維(two-dimensional,2D)(圖6(c))相位光柵，其衍射效率可通過外加電場調諧(圖6(d))，因為o光和e光經歷完全相同的相位分布，所以該類正交平面取向光柵具有偏振無依賴的衍射特性(圖6(e))，并展現出高透射率(～92%)、高衍射效率(>31%)以及高光學開關比(>150)等特點。如果先用光取向分別曝光基板制成扭曲向列相(twisted nematic,TN)液晶盒，再覆上光刻模版進行曝光，將透光區域改寫為斜45°PA，灌入液晶后，則形成交替TN-PA的液晶光柵[34](圖6(f))。沿TN取向方向在前后基板外側貼附偏光片，加電后這類光柵可同時對相位和振幅進行調制。我們分別制備了1D和2D的TN-PA液晶光柵，它們的1級衍射強度均可通過外加電場進行靈活調節。并且在加電的過程中，光柵會呈現4種獨特的透光狀態(圖6(g))，有望應用于光學邏輯元件。我們進一步基于瓊斯矩陣模擬了交替TN-PA液晶光柵的出射相位與振幅隨電場的變化，并基于傅里葉變換模擬了電壓、盒厚相關的光柵衍射效率[35]。根據模擬結果優化了液晶光柵參數，提高了光柵性能。除了普通的向列相液晶，該類技術還可引入雙頻液晶與鐵電液晶[36]，實現更加快速(亞毫秒量級)的動態響應與更高消光比，滿足光開關等快速響應元件的需要[37-38]。

圖6 液晶光柵。(a)正交PA液晶盒示意圖；(b)一維和(c)二維液晶相位光柵顯微圖；(d)0級和1級V-T曲線；(e)0°和90°偏振入射時，1級衍射光強的電場相關性[33]；(f)交替TN-PA液晶盒示意圖；(g)二維TN-PA液晶光柵的4種狀態(圖片尺寸均為300 μm× 300 μm)[34]。Fig.6 LC gratings.(a)Schematic cell structure of an orthogonal-PA cell;micrographs of (b)1D and (c)2D LC phase gratings;(d)V-T curves of 0th and 1st orders;(e)Dependencies of 1st order diffraction intensity on electric field for 0° and 90° incident polarizations[33];(f)Schematic of an LC cell with TN-PA;(g)Four states of a 2D TN-PA LC grating (all image sizes are 300 μm× 300 μm) [34].

3.1.2 叉形光柵

叉形光柵是渦旋光和平面波干涉的全息圖，通過高斯光照射叉形光柵會在衍射級上產生拓撲荷m與級次相對應的渦旋光束[39]。渦旋光束具有獨特的螺旋形相位，光子攜帶m?的軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)[40]。叉形光柵的中心區域存在位錯，形狀類似一個叉子，故稱作叉形光柵。利用動態掩膜曝光系統將叉形光柵圖案記錄到取向層，另一層采用垂直配向，制備正交混合取向(hybrid alignment nematic,HAN)的液晶叉形光柵(圖7(a))[41]。線偏振入射以后，在其衍射級產生渦旋光束，衍射效率可通過控制電壓調諧，能夠實現開關。加電調節最大衍射效率可達37%(圖7(b))，而加電10 V以上，則只有0級光斑，高階衍射被抑制，呈現關態(圖7(c))。對于不同入射波長，衍射效率可以通過調節電壓進行優化(圖7(d))。與前面正交PA光柵類似，這類正交HAN的元件也呈現出優秀的偏振無依賴特性(圖7(e))。該方案的取向圖案與光束拓撲特性可以靈活設計，為提高開關響應速度，還可進一步引入鐵電液晶[42]。

圖7 液晶叉形光柵、達曼光柵及達曼渦旋光柵。(a)正交混合配向叉形光柵顯微圖；光渦旋(b)開態和(c)關態；(d)不同波長(e)不同偏振的V-η曲線[41]；(f)二維達曼光柵顯微圖[45]；(g)圓形達曼光柵的相位圖[46]；(h)m=1的1×5達曼渦旋光柵的相位圖案；(i)達曼渦旋光柵局部正交平面取向示意圖；二維達曼渦旋光柵(j)、(k)顯微圖及對應(l)632.8 nm、(m)532 nm入射波長的衍射圖案[48]。Fig.7 LC fork gratings,Dammann gratings and DVG.(a)Micrograph of orthogonal-HAN fork gratings;(b)on and (c)off state of the optical vortex;V-η curves at different (d)wavelengths and (e)polarizations[41]；(f)Micrograph of a 2D Dammann grating[45];(g)Phase pattern of a circular Dammann grating[46]；(h)Phase pattern of 1×5 DVG with m=1;(i)Schematic of local orthogonal planar alignment of a DVG;(j)，(k)Micrographs of a 2D DVG and its diffraction patterns at wavelength of (l)632.8 nm and (m)532.0 nm[48].

3.1.3 達曼叉形光柵

液晶光柵與液晶叉形光柵一個周期內只有一個相位轉變點(取值0.5)，利用達曼光柵的相位分割原理，在一個周期內選取特定數量與位置的相位轉變點，可以設計光柵各衍射級次的效率，比如產生特定級次等能量的陣列[43]。除了通常的達曼光柵[44-45](圖7(f))，還可以將達曼光柵的相位分割原理拓展到圓形光柵和叉形光柵，分別實現圓形達曼光柵(圖7(g))[46]和達曼叉形光柵[47]。我們利用光取向制備了正交PA的達曼叉形光柵(Dammann vortex gratings,DVG)，實現了可電控開關且偏振無依賴的1D(圖7(h,i))和2D(圖7(j,k))渦旋光束陣列的產生[48]。調諧電場可以針對特定波長優化衍射效率，圖7(l,m)分別展示了2D達曼光柵在632.8 nm和532.0 nm時的衍射圖案，光斑陣列的拓撲荷分布為nxmx+nymy，其中nx和ny分別代表x和y方向上的衍射級次，mx和my分別代表叉形光柵x和y方向上的拓撲荷。該達曼叉形光柵制備方案可以靈活操控渦旋光的拓撲荷m與徑向指數p，拓展了OAM產生、操控和檢測等方面的應用。

3.2 透射式幾何相位

幾何相位是伴隨圓偏振反轉過程而產生的與光軸指向關聯的相位類型，可以很方便地通過預設液晶方位角來實現精確操控。液晶光取向技術便于實現指向矢的面內連續變化，進而產生相位梯度的連續漸變，理論上在半波條件下可以達到100%的相位轉化效率。大多數幾何相位元件液晶厚度在光波長量級，且為平整表面，因此微結構液晶光學元件是平面光學元件的一種，有利于光學元件的小型化與集成化。基于向列相液晶體系實現了多種新穎的幾何相位元件，包括液晶偏振光柵、液晶q波片，q波片還可進一步與多種相位疊加獲得產生特殊光場的元件，這些均屬于透射式幾何相位元件的范疇。

3.2.1 液晶偏振光柵

液晶偏振光柵所對應的指向矢方位角在每個周期內從0°連續變化到180°(圖8(a))，而在垂直液晶盒的方向上指向矢平行排列；從而引入了傾斜的相位分布。我們基于多步重疊曝光技術在雙頻液晶體系中制備了液晶偏振光柵[49]，驗證了快速響應的光開關。在半波條件下，±1級間的能量分布取決于入射偏振。線偏振入射會導致能量均勻分配到±1級(圖8(b))，左旋圓偏振入射時，只產生+1級的右旋圓偏光(圖8(c))，而右旋圓偏振則恰恰相反(圖8(d))。衍射效率電壓可調(圖8(e))，恰當選取電壓值，可通過切換頻率實現開關狀態的快速控制。這類快速響應的液晶偏振光柵在寬視角顯示、大角度光束偏折、偏振分束等領域有望獲得廣泛的應用[50]。

圖8 液晶偏振光柵、q波片及叉形偏振光柵。(a)偏振光柵的液晶指向矢分布；(b)線偏光、(c)左旋圓偏光和(d)右旋圓偏光入射的衍射圖案；(e)相反圓偏振入射的V-η曲線[49]；(f)q值角向變化的q波片及其產生的對稱性破缺的光場；(g)α0徑向變化的q波片及其產生的多環光場；(h)q值徑向變化的q波片及其產生的颶風狀光場[51]；(i)m=2的液晶叉形偏振光柵的織構圖；(j)叉形偏振光柵的衍射特性示意圖；(k)0和±1級的V-η曲線；(l)2.31 V電壓下偏振相關的衍射效率圖，插圖是曲線上相應顏色圓圈所對應的衍射圖案[52]。Fig.8 LC polarization grating,q-plate and FPG.(a)LC director distribution of a polarization grating;diffraction patterns for (b)linearly,(d)left circularly and (e)right circularly incident polarization;(e)V-η curves of opposite circular polarizations[49]；Micrographs of meta-q-plates with (f)azimuthally variant q,(g)radially variant α0 and (h)radially variant q,and corresponding optical fields with (f)Symmetrical,(g)multi-ringed and (h)hurricane transverse profiles,respectively[51]；(i)Texture of a LC FPG with m=2;(j)Schematic diffraction property of an FPG;(k)V-η curves of 0th and 1st orders;(l)Polarization-dependent diffraction efficiency at 2.31 Vrms,and inserts show diffraction patterns of different θ marked in the curves[52].

3.2.2 液晶q波片

液晶q波片可以高效率地直接將平面波轉換為渦旋光和矢量光。它的本質是一個半波片，其液晶指向矢隨空間位置發生變化，滿足α(φ)=qφ+α0。q和α0兩個參數共同決定了q波片面內指向矢的空間分布，前者描述指向矢方位角隨角度變化的快慢，后者是極軸上液晶指向矢的起始方向。根據瓊斯矩陣可以計算出q波片對波前的調控效果：入射圓偏振反向，并附加上螺旋形相位，其拓撲荷m=2σq，其中σ=±1，與入射光的圓偏振旋向有關；入射線偏振，出射光為兩個正交圓偏振分量的疊加，形成空間上周期漸變分布的線偏振光，即矢量渦旋。q波片由于其確定的q和α0，只能產生一束特定的渦旋光。我們進一步設計了meta-q波片，可實現角向或徑向變化的q以及空間不同的α0[51]，能夠點對點地操控光的空間自由度(偏振與相位)，從而產生更加復雜和新穎的光場。其中，q角向變化可以產生橢圓形或對稱性破缺的光場(圖8(f))；α0徑向變化可以產生多環光場(圖8(g))；q徑向變化可以產生颶風形狀的光場(圖8(h))。Meta-q波片設計極大地擴展了對渦旋光的操控能力，為光學操縱、OAM信息技術、量子光學等領域的研究奠定了基礎。

3.2.3 液晶q波片的拓展

將q波片與其他相位如達曼二值化相位進行簡單疊加，可以獲得更加新穎的液晶光學元件，如液晶叉形偏振光柵(fork polarization grating,FPG)、達曼q波片(Dammannq-plate,DQP)、圓形達曼q波片(circular Dammannq-plate,CDQP)及達曼渦旋q波片(Dammann vortexq-plate,DVQP)等，拓展了液晶q波片的類型和應用。我們將q波片與偏振光柵進行相位疊加，制備了叉形偏振光柵(圖8(i))[52]，在±1級獲得純的渦旋光束(圖8(j))。線偏振入射時，外加電場可以實現0級與±1級次間的切換以及能量分布的連續調節(圖8(k))，±1級產生的渦旋光其拓撲荷和圓偏振都是相反的；圓偏振入射時，光束偏向其中的一級，實驗測得的渦旋光轉化效率高達98.5%(圖8(l))。

叉形偏振光柵只能對±1級兩束渦旋光進行操控，缺乏多光束并行處理的能力。為了解決這一問題，我們將q波片與達曼光柵相位集成(圖9(a,b))，制備了達曼q波片[53]。通過調控q波片的拓撲荷和達曼光柵的階數與對稱性，可靈活控制相應高階龐加萊(higher-order Poincaré,HOP)球光束陣列的級數與晶格對稱性。圖9(c)展示了m=1，7 × 7的達曼q波片及其產生的渦旋光束陣列，圖9(d)展示了m=6，2 × 2的達曼q波片及其產生的矢量光束陣列。達曼q波片可以實現光子自旋角動量(spin angular momentum,SAM)(與圓偏振相關)與OAM(與相位螺旋相關)的并行操控，電控可對應實現HOP上任意狀態。渦旋光束形似甜甜圈的強度分布通常會因m而不同，這給光學操縱、模式復用光通信等帶來了不利影響。將圓形達曼光柵與q波片進行相位集成，所得的圓形達曼q波片可以完美地解決這一問題[54]。如圖9(e,f)所示，我們用不同拓撲荷的圓形達曼q波片產生了一系列的渦旋光和矢量光，它們具有相同的半徑。進一步引入高階圓形達曼光柵與不同m的q波片進行組合，可以產生半徑與m無關的多環HOP光束(圖9(g))。也可以將q波片與達曼渦旋光柵的相位進行集成，制備達曼渦旋q波片[55]，從而產生了多達24個獨立通道的混合階龐加萊球(hybrid-order Poincaré sphere,HyOPS)光束陣列(圖9(h～k))，為并行光操縱與超寬帶數據傳輸提供了支持。q波片與各種特殊相位的疊加賦予了渦旋光偏折、聚焦/發散、陣列生成等功能，極大豐富了渦旋光場的生成能力。

圖9 達曼q波片、圓形達曼q波片及達曼渦旋q波片。2×2達曼光柵、m=1的q波片相位及其疊加而成的達曼q波片的(a)光軸分布與(b)中心區域光軸分布示意圖；(c)m=1的7×7達曼渦旋q波片及其左旋偏振光入射的衍射圖案；(d)m=6的2×2達曼渦旋q波片及其線偏光入射時的衍射圖案(經過正交檢偏器)[53]；(e)m=2、(f)m=4的1級與(g)m=2的3級圓形達曼q波片的顯微圖和衍射圖案(入射偏振和檢偏方向分別用白色箭頭和黃色箭頭指示)[54]；5×5達曼渦旋q波片的(h)理論光軸分布圖、(i)偏光顯微圖及(j)圓偏振光、(k)線偏振光入射時的光強分布(經過豎直檢偏器)[55]。Fig.9 LC DQP,CDQP and DVQP.(a)，(b)Optical axis distributions of a 2×2 Dammann grating,a q-plate with m=1 and corresponding integrated DQP;(c)a 7×7 DQP with m=1 and its diffraction pattern with left circular incident polarization;(d)2×2 DQP with m=6 and its diffraction pattern with linearly polarized incident light (detected with orthogonal polarizers) [53]；A micrograph and diffraction patterns of (e)1st LC CDQP with m=2,(f)1st LC CDQP with m=4,(g)3rd LC CDQP with m=2 (The white and yellow arrows indicate the polarization states of incident light and the direction of the analyzer,respectively) [54]；(h)Theoretical distribution of optical axes,(i)POM image of a 5×5 DVQP and its diffraction pattern with (j)circular and (k)linear polarization (detected with a 90° analyzer) [55].

3.3 反射式幾何相位

上述基于向列相液晶的幾何相位元件，需調諧電場匹配特定波長的半波條件，從而獲得最大衍射效率。偏離該波長，則轉化效率下降。膽甾相液晶具有圓偏振選擇的寬帶布拉格反射特性，操控起始配向，可以制備寬帶的反射式幾何相位元件[56-59]，實現對波長位于nop～nep之間的光波的寬帶等效相位調制。靈活設定位相，可以實現不同的功能。將偏振光柵的取向寫入膽甾相液晶，可實現寬帶等效的圓偏振選擇性的光束偏折[56]；寫入球面透鏡的相位分布可以制備聚焦/發散的反射型透鏡[56]；此外，還可基于螺旋相位實現反射式渦旋光的產生[58]。上述反射式幾何相位元件的工作帶寬和功能都是固定的。我們向膽甾相液晶中引入光敏手性分子開關和具有相反手性的手性劑[60]，通過藍光和可見光照射動態調節膽甾相螺旋超結構的螺距并實現手性反轉(圖10(a))，從而賦予了該類元件連續可調的反射光譜和共軛轉換的相位分布。實現了一系列功能可開關、帶寬可調的動態平面光子元件的制備，如偏振光柵、艾里模板和q波片，并驗證了其光束偏折，艾里光束(圖10(b,c))、渦旋光產生(圖10(d,e))的功能。這些動態平面光子元件在寬帶相位調制應用方面具有重要意義。

圖10 光控CLC光子帶隙調諧及手性反轉。(a)藍光和綠光驅動的CLC超結構演變；艾里光束發生器在(b)2 s和(c)45 s藍光照射下的顯微圖及衍射圖案；q=1/2的CLC q波片在(d)2 s和(e)45 s藍光照射下的功能示意圖、相位分布圖、顯微圖及OAM探測[60]。Fig.10 Light-driven manipulation of CLC photonic band gap and inversion of chirality.(a)Structural evolution of CLC superstructures driven by blue and green light;Micrographs and diffraction patterns of an Airy beam generator irradiated by blue light for (b)2 s and (c)45 s;Schematic illustrations,phase profiles,micrographs and OAM detection of a CLC q-plate with q=1/2 irradiated by blue light for (d)2 s and (e)45 s[60].

4 光通信與太赫茲液晶元件

液晶的介電和光學各向異性可以覆蓋從紫外到微波的廣闊波段。得益于液晶的刺激響應特性，通過外場(電、光、熱等)可以靈活地調控液晶指向矢空間分布，進而實現對入射電磁波的相位、強度、偏振等自由度的調控。目前，對于液晶光子元件的研究和開發逐漸從可見光波段向長波區域，如通信波段、太赫茲波段乃至微波波段延伸，實現相應的液晶可調無源光器件如光開關、濾波器、偏振控制器等。隨著工作波段向長波拓展，液晶光子元件的發展也面臨一系列新的挑戰，對結構的設計與材料的選擇都提出了更高的要求。面向光通信與太赫茲波段的液晶光子元件成為目前熱門的研究領域。

4.1 光通信元件

光通信是以光波為載波的通信技術，是目前網絡通信的基本模式，而光通信元器件則是構建光通信系統的基礎與核心。隨著光通信元件在光網絡設備中應用比例的增加，它們正朝著小型化、集成化方向發展。液晶材料因其優良的電光特性可用于開發各種可調諧無源光子元件。相比于傳統電光晶體元件，液晶光子元件具有驅動電壓低、功耗小、重量輕等優勢。液晶光子元件的引入，為光通信技術提供了更為便捷的操控手段，促進了光通信技術的發展。我們實現了液晶光開關、退偏器與動態波導等光通信元件，并基于微結構液晶開發了面向OAM復用的元器件。

4.1.1 液晶光開關

光開關是進行光信號動態控制進而實現光信號互聯的關鍵通信器件。前面介紹的基于光取向技術實現了正交PA液晶光柵[33]與交替TN-PA取向的液晶光柵[34]，兩者均可通過外加電場實現衍射級次開關態的切換。為了提高開關的響應速度，我們將雙頻液晶引入到光柵型光開關的制備中[37]，如圖11(a,b)所示，液晶盒的一側為正交的圖案化面內取向，另一側為均一的垂直取向，組成正交的HAN結構。雙頻液晶對低頻和高頻電場分別呈現正和負介電各向異性，因此在較高電壓(30 V)下，光開關可以根據頻率的高低敏感地切換開關態。測得開和關的時間分別為350 μs和600 μs(圖11(c))，均達到了亞毫秒級別。進一步將偏振光柵取向結構引入雙頻液晶，制備的光柵可以大幅提高光能利用率[49]。

4.1.2 液晶退偏器

光學系統在某些特定情形下，會產生偏振相關的增益、損耗，并帶來負面的影響。退偏器可將偏振光轉化為非偏振光，廣泛應用于對偏振敏感的系統和儀器中。我們基于光軸方向隨機排列的半波片陣列設計了一種液晶退偏器[61]，它展現出良好的寬帶與偏振不敏感特性。圖11(d)是液晶退偏器的示意圖，每個方格代表一個均勻取向的單元，不同的灰度表示不同的光軸指向(液晶指向矢方向)。它相當于一組光軸隨機分布的半波片，偏振光經過該退偏器后，不同位置半波片對偏振改變不同的角度，出射光則成為偏振方向隨二維空間隨機變化的混合光場，從而達到降低偏振度(degree of polarization,DOP)的效果。該液晶退偏器對任意入射偏振的1 550 nm激光實現退偏，出射后的DOP小于5%。此外，對1 520 ～ 1 610 nm (C+L波段)寬波段復色光源也展現出很好的退偏效果(圖11(e))。

4.1.3 液晶動態波導

片上集成光子芯片在光信息處理、光通訊與傳感等領域占據重要的地位。傳統的集成光子芯片的架構和功能都是固定的，一旦局部損壞，整個芯片功能即被破壞。我們設計了多種全液晶波導[62]，憑借其外場可調特性，有望為動態可編程光子芯片提供支持。我們通過預設圖案化取向控制材料的折射率空間分布，制造了直波導、彎曲波導(圖11(f,g))以及環形諧振器(圖11(h))。我們還證實了這類液晶波導的熱調諧特性與偏振依賴性。如圖11(i)所示，在23 ℃時，波導呈現良好的導光特性，當溫度升至58 ℃，波導關閉。該波導展示出強烈的偏振依賴性，當入射y方向的線偏振，傳輸損耗最小；偏離此值，損耗增加；當入射偏振垂直于y軸時，波導完全關閉(圖11(j))。該工作提出的液晶動態波導可將分立的功能元件進行動態連接，有望實現可編程的光子芯片。

圖11 液晶光開關、退偏器及動態光波導。(a)正交HAN液晶盒示意圖；(b)y-z平面的液晶指向矢分布示意圖；(c)信號頻率變換引發的開關[37]；(d)液晶退偏器的示意圖(灰度指示光軸方向)；(e)不同偏振入射液晶退偏器的偏振度結果[61]；(f)彎曲波導和(h)環形諧振器的液晶指向矢分布設計圖、顯微圖和實驗探測圖；(g)彎曲波導液晶膜三維結構示意圖；液晶直波導的(i)熱調諧性與(j)偏振相關性[62]。Fig.11 LC optical switch,depolarizer and dynamic waveguide.(a)Schematic of an orthogonal-HAN cell;(b)LC director distribution in y-z plane;(c)Switch performance with respect to the signal frequency[37].(d)Schematic of an LC depolarizer (gray scales indicate the directions of optical axes);(e)DOP results at different incident polarization[61]；Designed LC director distributions,micrographs and experimental images of (f)a bending waveguide and (h)a ring resonator;(g)3D schematic illustration of a bending waveguide;(i)Thermal switchability and (j)polarization dependency[62].

4.1.4 OAM產生與檢測

除了光的相位、振幅、波長等參數，渦旋光攜帶的OAM賦予了光調控一種新的維度。然而，現有的渦旋光產生與檢測技術都對波長敏感，限制了OAM模式復用技術與現行的波分復用技術的兼容性。我們將達曼渦旋光柵的設計引入膽甾相液晶制備了OAM模式處理器[63]，得益于膽甾相液晶布拉格反射帶來的寬帶等效率幾何相位調制，驗證了寬帶渦旋光的產生與檢測。圖12(a)展示了一個2×5的達曼渦旋光柵，它具有雙重拓撲荷，mx=1，my=3。該達曼渦旋光柵的等效率工作帶寬達到116 nm(圖12(b))，覆蓋從綠光(525 nm)直至紅光(641 nm)的可見波段。它的衍射圖案是2×5的渦旋光陣列(圖12(c))，每一級次攜帶的拓撲荷m=nx+3ny，這里m的范圍為-5～5。渦旋光的模式檢測也是OAM模式處理的核心內容之一。當入射m=+1的渦旋光時，與高斯光入射產生的衍射圖案相比，所有衍射級次的m都增加了1，而原本具有拓撲荷m=-1的級次(+2，-1)恢復成了高斯光束(圖12(d))，從而實現了對入射渦旋光拓撲荷(m=+1)的檢測。該方法同樣適用于混合OAM模式的產生與并行無損檢測(圖12(e,f))。本方案寬帶、高效，在元器件層面實現了模式復用技術與波分復用技術的兼容，在光通信領域具有巨大的應用前景。

圖12 OAM產生與檢測。(a)膽甾相達曼渦旋光柵顯微圖片；(b)膽甾相材料的線偏光透射光譜；(c)對4種不同波長同時衍射的圖案；(d)m=+1渦旋光的衍射圖案(單拓撲荷檢測)；(e)用于產生m=+1和m=+4混合態的q波片(q=0.5+2)的顯微圖及對應的(f)入射光、透射光和反射光強度分布(多拓撲荷并行探測)[63]。Fig.12 Generation and detection of OAM.(a)Micrograph of a CLC DVG;(b)Transmission spectra of the CLCs for linearly polarized light;(c)Diffraction patterns at four different wavelengths;(d)Diffraction patterns of incident vortex beam with m=+1 (single m detection);(e)Image of a multi-q-plate with q=0.5+2 used to generate incident vortex beam with m=+1 and m=+4，and (f)corresponding intensity images of the incident,transmitted light and reflective demultiplexing patterns (multiplexed m detection) [63].

4.2 太赫茲元件

太赫茲波指的是頻率在0.1 ～ 10 THz(對應波長約為3 ～ 0.03 mm)的電磁波，介于微波和紅外之間。液晶可調太赫茲元件一直是人們追求的目標，但其面臨兩個難題：一是ITO等在可見和通訊波段常用的透明導電材料到了THz頻段不再透明，缺乏替代材料；二是液晶雙折射率到了THz頻段顯著降低，半波相位調制需要毫米級的液晶厚度，給配向帶來難度。由于太赫茲具有光子能量低、脈沖寬度窄、時空相干性強、輻射帶寬大等優點，在無損成像、等離子體探測與太赫茲通信等方面具有巨大潛力[64]。這對液晶元件也是前所未有的機遇。我們面對上述挑戰，創新性地設計制備了一系列液晶太赫茲元件，包括波片、完美吸收器、濾波器、色散可調液晶超透鏡及多種太赫茲平面光子元件，并展現出優良的穩定性與可靠性。

4.2.1 太赫茲波片

波片是由具有雙折射特性的材料制備而成的光學元件，可以用來改變入射光的偏振狀態。太赫茲波沿波片光軸和垂直于光軸方向的偏振分量分別感受ne和no，從而產生相位延遲，導致出射偏振的改變。對于給定厚度的波片，其相位延遲量是固定的，出射偏振通過改變入射線偏振與波片光軸之間的夾角進行調諧。而用液晶制作的波片由于其電光性質，導致其相位延遲量可以通過外加電場調諧。我們采用亞波長金屬線柵作為偏振選擇的電極，選用太赫茲大雙折射率液晶NJU-LDn-4作為波片介質材料，其取向方向與金屬線柵呈45°，盒厚250 μm，多孔石墨烯作為另一面偏振無依賴的透明電極，由此制備了寬帶調諧的液晶太赫茲波片(圖13(a))[65]。對該波片施加電場，可以在2.1 THz以上實現半波片功能，在1.1 THz以上實現1/4波片功能(圖13(b))。我們驗證了其在2.1 THz處的電控偏振演化過程(圖13(c))，在0 V和8.8 V時分別對應1/4波片和半波片。此外，通過層疊液晶盒可以顯著增加相位調制量、減小工作電壓并拓寬調諧范圍。

圖13 液晶可調太赫茲波片、完美吸收器與濾波器。(a)可調太赫茲波片的結構示意圖；(b)不同加載電壓下對應的相位延遲與頻率的關系；(c)2.1 THz處電壓控制的偏振演化[65];(d)可調太赫茲完美吸收器的結構示意圖；施加(e)1 V和(f)60 V電壓時的液晶指向矢分布示意圖；(g)指向矢平行(黑)和垂直(紅)于襯底時分別對應的反射光譜仿真結果[66];(h)FP太赫茲濾波器的結構示意圖；(i)不同溫度下濾波器透射率與頻率的關系[67]。Fig.13 Tunable LC THz waveplate,perfect absorber and filter.(a)Schematic of a tunable LC THz waveplate;(b)Frequency-dependent phase retardation for different operating voltages;(c)Polarization evolution at 2.1 THz controlled by different voltages[65]；(d)Schematic of a THz perfect absorber;LC director distribution under operating voltages of (e)1 V and (f)60 V;(g)Simulations of reflection spectra for LC director parallel (black)and perpendicular (red)to the substrate[66];(h)Schematic of a FP THz filter;(i)Frequency-dependent transmission of the filter at different temperatures[67].

4.2.2 太赫茲可調完美吸收器

超材料完美吸收器在熱發射、能量吸收、傳感、空間光調控等方面具有廣泛的應用。其結構一般由上下兩層金屬和中間一層介質組成，金屬在電磁場激發下產生等離子體振蕩從而引起諧振，它和中間介質層共同實現對能量的吸收。超材料的共振往往發生在極窄的頻段，因此，改進吸收器設計實現寬帶吸收、多帶吸收及吸收帶可調諧是器件發展的重要方向。我們依然選用NJU-LDn-4作為介質層，結合外加電場實現了快速調諧的太赫茲吸收器[66]。吸收器結構如圖13(d)所示，上層是金屬背板，下層是金屬圓片陣列，中間為均一取向的液晶層。外加電場改變液晶指向矢，從未加電時的均一面內取向(圖13(e))轉變為飽和電場時的垂直取向(圖13(f))，從而改變介質層的折射率，實現吸收頻率的調制。模擬結果表明，該吸收器的吸收頻率可以在0.828 ～ 0.842 THz之間通過電場連續調諧(圖13(g))，在實驗中得到了進一步證明。

4.2.3 可調太赫茲濾波器

太赫茲濾波器可以選擇性地讓某些頻率的太赫茲波透過，而阻隔其他頻率。液晶可賦予該類器件波長調諧特性。除了電場導致的指向矢偏轉和重排，液晶的溫敏或光敏特性同樣適用于器件功能的靈活操控。我們提出了一種類法布里帕羅(Fabry-Pérot,FP)濾波器，它工作在0.1 ～ 0.5 THz頻段，基于折射率對溫度的敏感性，實現了可調的太赫茲濾波器[67]。如圖13(h)所示，該器件由交替的液晶層和金屬板結構組成，中間的液晶層預設垂直取向。當橫磁波垂直入射到器件表面時，太赫茲在金屬片上激發出表面等離激元。沿著兩個相鄰界面傳播的電場在液晶層內部發生耦合，形成一個類FP腔的濾波器。我們對該濾波器的透射光譜進行了仿真，光譜呈現出一系列分立的尖銳的共振峰(圖13(i))。通過加熱使液晶折射率降低，器件透射譜的共振峰向高頻移動。本工作提供了一種新穎的可調諧太赫茲濾波器的設計方案，在太赫茲成像、傳感、高速通信等方面具有應用潛力。

4.2.4 色散可調超透鏡

伴隨著光學元件向小型化與集成化方向發展，基于人工電磁微結構的超表面日益成為平面光子學研究的前沿領域。超構透鏡是一類典型的超構器件，它具有較強的色差效應，可用于光譜分析與斷層成像[68]。然而，色差效應也帶來了局限性：成像分辨率的降低限制了其全色成像與高光譜成像的潛能，不利于高分辨成像與光譜分析功能的集成。我們將圖案化取向液晶與介質超表面集成到一起，首次實現了色散可調的液晶超透鏡[69]。如圖14(a)所示，元件上層是由硅柱陣列形成的介質超表面，下層是具有預設圖案化取向的液晶層。我們對硅柱陣列的幾何參數進行優化設計，然后進行特定空間排布獲得透鏡的相位分布。硅柱諧振單元產生線性共振相位色散，根據消色差透鏡的一般相位分布進行理論計算后設定液晶指向矢面內取向獲得與頻率無關的幾何相位調制，兩種相位結合以實現消色差聚焦(圖14(a)左)。當施加飽和偏壓時，液晶指向垂直于介質超表面，幾何相位調制消失，只剩共振相位，超透鏡重新回到色散聚焦狀態(圖14(a)右)。實驗進一步驗證了這種液晶超透鏡的寬帶消色差聚焦(圖14(b))和大色散聚焦(圖14(c))的雙功能電控調諧特性。

圖14 液晶太赫茲色散可調透鏡、平面光子元件。(a)無偏壓時的消色差聚焦態和加飽和電壓時的色散聚焦態示意圖；(b)無偏壓和(c)加飽和偏壓時0.9、1.1，1.4 THz處的太赫茲場[69]；(d)相位延遲對頻率和盒厚的相關性；(e)不同盒厚時頻率依賴的橢圓率及1.4 THz處偏振的演變(黃線標出)；(f)光束偏折器、透鏡、貝塞爾光束和渦旋光束發生器顯微圖及相應的液晶指向矢分布或功能示意[70]；(g)太赫茲平面光子元件功能示意圖。Fig.14 LC THz metalens with tunable chromatic aberration and THz planar photonics.(a)The broadband achromatic focusing state without bias and the dispersive focusing state with a saturated bias;Measured THz fields at 0.9,1.1,1.4 THz (b)without applied bias and (c)with a saturated bias[69];(d)Theoretical dependency of phase retardation on frequency and film thickness;(e)Frequency-dependent ellipticity at different film thicknesses and the polarization evolution at 1.4 THz (depicted by yellow line);(f)Micrographs and corresponding LC director distribution or function illustration of THz deflectors,lens,Bessel beam and vortex beam generators;(g)Schematic of THz planar photonics[70].

4.2.5 太赫茲平面光子元件

基于超表面的平面光子元件可以自由調控太赫茲波前，但設計制造復雜，這限制了其實際應用。我們基于光取向液晶聚合物(liquid crystal polymer,LCP)薄膜，設計并制備了一系列新穎的平面太赫茲光子元件[70]，其具有結構簡單、損耗低和功能豐富等優點。通過合理預設LCP指向矢的面內分布，可以實現對太赫茲波前的任意幾何相位調制，從而實現各種功能。根據LCP波片相位延遲量與頻率、厚度的關系(圖14(d))，可以針對不同頻率設計太赫茲波片，如1/4波片和半波片。隨后，我們實驗證實了4種不同厚度的液晶波片的偏振轉換功能(圖14(e))，在1.4 THz處，厚度為350 μm和700 μm的液晶波片分別具有1/4波片和半波片的效果。通過預設LCP取向，我們分別實現了太赫茲偏折器、透鏡、貝塞爾光束和渦旋光束發生器等功能(圖14(f，g))。我們驗證了貝塞爾光束超過10 mm的無衍射聚焦特性。將貝塞爾光束與渦旋光束相結合，實現了攜帶OAM同時具有無衍射和自愈特性的太赫茲波束，有望為太赫茲通信提供全新的模式通道，擴大無線通信的容量與效率。

5 總結與展望

現代光子技術正朝著小型化、集成化、自適應和多功能等方向發展，液晶光子學正是順應了這一趨勢。液晶獨特的分子結構和分子間特異相互作用賦予了其靈活的自組裝行為，結合光取向，能夠形成多種形式的液晶疇結構，展現出獨特的光學性質。液晶像晶體一樣呈現光學、介電等各向異性，通過外場調節液晶指向矢可使透過光的相位延遲量發生變化。液晶幾何相位調控技術的發展，為平面光子元件的實現提供了新的實用途徑。基于光取向技術實現液晶面內指向的精確控制，可以對波前進行相位、偏振的點對點精確控制。液晶的光學各向異性覆蓋了從紫外到微波的廣闊波段，為液晶光通信與太赫茲元件的實現提供了有力的支持。利用光取向液晶微結構實現軟物質光子學的潛力巨大，但仍需揭示液晶光學材料背后的一系列核心問題。目前關于液晶有序微結構的自組裝動力學、與光相互作用的新效應、對多元外場的響應特性，以及主動調控的智能光子元件等方面，尚有不明晰或研究空白。需要廣大同行專家聚焦上述領域進行深入研究，以期促進相關液晶光子科學與技術的創新，在新材料、新結構、新機理、新設計方面做好充足儲備，最終帶動液晶產業向廣大非顯示領域加速拓展。