近日，南京大学陈鹏副教授、陆延青教授课题组在液晶平面光子学领域取得新进展，巧妙构建了相反手性共存的液晶微纳光子结构，实现了正交圆偏振光、共轭几何相位的同时调控。该工作突破了传统手性液晶单一自旋/几何相位调制局限，引领液晶微纳光学新范式。
对电磁波的频率/波长、振幅、相位、偏振、横向分布等维度的按需调控，是当代信息光电子技术的物理基础。传统元件依赖于光在特定折射率介质中传播所累积的光程差，往往需要弯曲表面或渐变折射率分布，造成器件加工繁琐、体积庞大、功能单一等局限。为了满足功能性、集成度等方面的迫切需要，基于几何相位的平面光子元件近年来成为研究热点，创新成果不断涌现。几何相位源于光子自旋-轨道相互作用，与光的偏振态调制的空间差异性紧密关联，提供了物理厚度极薄、易于多功能化的光场调控新手段。
液晶兼具液体的流动性和晶体的各向异性，广泛应用于生产生活中。手性液晶独特的多层级各向异性、可控自组装及多元灵敏响应性，带来丰富的微纳光学效应，为几何相位另辟蹊径。2016年，多国科学家同时在手性液晶中发现了光子自旋-轨道耦合效应，反射光被赋予与螺旋轴排列相关的几何相位，且光子带隙内效率等高。随即引起强烈关注，为宽带高效、功能集成、动态重构的平面光子技术提供了新方案。然而，受限于手性液晶内禀的单手性结构，只有与其旋性相同的圆偏振光才会被反射并携带几何相位，相反圆偏光完全透过且不受调制（图1a-b），大大限制了相关领域的发展和应用。
图1. 不同旋性的手性液晶及其对透反射光的调制示意图：（a）右旋手性液晶超结构，（b）左旋手性液晶超结构，（c）双手性共存液晶超结构
为了突破这一局限，南京大学陈鹏、陆延青课题组提出了一种双手性共存的液晶几何相位超结构（图1c），可望从根本上改变传统手性液晶的单一旋性调制原理。课题组在前期手性液晶几何相位研究（Adv. Mater.2018, 30, 1705865；Nat. Commun.2019, 10, 2518；Adv. Mater.2020, 32, 1903665；Laser Photonics Rev.2022, 16, 2200011）的基础上，引入兼容性强的液晶聚合物网络体系，利用表面取向层诱导分子自组装，采用"聚合-洗出-重填"工艺（图2），在右旋手性聚合物网络中重填了左旋手性液晶。研究结果显示，课题组成功构筑出在亚波长尺度上纵横交错的左/右旋手性液晶微区，即相反手性共存的液晶超结构，同时成功保留了预设的光控图案化几何相位结构。
图2.双手性共存液晶几何相位超结构的制备流程示意图
课题组分别编码了两种几何相位结构，系统研究了双手性共存液晶与不同偏振态光的相互作用规律及其对共轭几何相位的调控机理（图3）。首先设计了角向渐变的液晶螺旋轴排列，该样品可同时反射左旋、右旋圆偏振光，带来偏振无依赖的高反射率。光子带隙内的正交圆偏光入射，分别反射产生拓扑荷相反的涡旋光；水平/竖直线偏振入射，产生径向/角向矢量光；改变入射偏振，可得到高阶庞加莱球上的任一光束。课题组进一步设计了特殊涡旋光阵列结构，正交圆偏振复现出有趣的中心对称图形，交叠级次在线偏振入射下变为矢量光。上述实验结果充分证明了共轭几何相位的同时调控和叠加机制。
图3. 双手性共存液晶几何相位超结构的表征测试及光场调控
该工作提出了一套基于双手性共存液晶的几何相位调制新方案，突破了传统手性液晶的局限性。得益于液晶分子快速、自适应的受控组装能力，课题组发展了复杂手性微纳结构的精准构筑与操控方法。同时，该方案展现出较高的灵活性，适用于各类几何相位元件，兼具成本低廉、集成度高、无需对准等优势，为平面光子学提供了新思路和新技术。
该研究以"Pancharatnam–Berry phase reversal via opposite-chirality-coexisted superstructures"为题发表在Light: Science & Applications。南京大学为唯一单位，现代工程与应用科学学院博士生朱琳、徐春庭为共同第一作者，陈鹏副教授、陆延青教授为共同通讯作者，胡伟教授给予了重要建议，研究生张逸恒、刘思嘉、陈全明及葛士军副研亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、江苏省前沿引领技术基础研究专项、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费及省双创计划等资助完成，同时感谢固体微结构物理国家重点实验室、智能光传感与调控技术教育部重点实验室等平台的大力支持。
Pancharatnam–Berry phase reversal via opposite-chirality-coexisted superstructures
Lin Zhu,# Chun-Ting Xu,# Peng Chen,* Yi-Heng Zhang, Si-Jia Liu, Quan-Ming Chen, Shi-Jun Ge, Wei Hu, and Yan-Qing Lu*
Light Sci. Appl.11, 135 (2022).
论文链接：