【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】手性結(jié)構(gòu)對圓偏振光的選擇性響應長期以來是光學、材料科學和納米技術(shù)等交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點。近日，北京理工大學汪洋教授、李家方教授團隊與南京大學陳鵬副教授、陸延青教授團隊，以及澳大利亞皇家墨爾本理工大學林瀚副教授、賈寶華院士開展合作，在動態(tài)光學手性調(diào)控方面取得新進展，發(fā)展了一種納米剪紙-液晶雙手性復合結(jié)構(gòu)平臺，實現(xiàn)了圓二色性的放大、消除與反轉(zhuǎn)，并成功展示了基于該復合手性結(jié)構(gòu)的動態(tài)偏振光超透鏡。該創(chuàng)新成果發(fā)表在《自然》子刊Nature Communications上。
 

　　與天然手性分子相比，人工手性光子結(jié)構(gòu)憑借更強烈的圓二色性(Circular Dichroism, CD)，展現(xiàn)出更優(yōu)異的光學調(diào)控能力。然而，當前大多數(shù)手性光子結(jié)構(gòu)在實際應用中仍面臨兩個重要挑戰(zhàn)：其一，這些結(jié)構(gòu)的光學特性一旦制備完成即被固化，缺乏對外界環(huán)境變化的動態(tài)響應能力；其二，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的手性響應往往呈現(xiàn)單向不可逆性，難以實現(xiàn)手性極性的主動調(diào)控與快速切換。這些問題制約了手性光子結(jié)構(gòu)在光學加密、可調(diào)顯示、動態(tài)傳感等領(lǐng)域的應用拓展。
 

圖1. 可調(diào)控光學手性平臺設(shè)計：納米剪紙形變結(jié)構(gòu)與液晶集成器件實現(xiàn)光學手性的放大與反轉(zhuǎn)。

 

　　針對上述挑戰(zhàn)，合作團隊提出了一種基于雙手性復合結(jié)構(gòu)的全新調(diào)控策略，通過納米剪紙和分子自組裝技術(shù)，構(gòu)造了手性纖毛型納米結(jié)構(gòu)與手性液晶相結(jié)合的集成器件，在熱場調(diào)控下實現(xiàn)了圓二色性的放大、消除與反轉(zhuǎn)。如圖1所示，研究團隊通過搭建手性納米纖毛結(jié)構(gòu)與手性膽甾相液晶的 “雙手性平臺”，借助膽甾相液晶布拉格反射區(qū)邊緣對溫度呈現(xiàn)出的動態(tài)響應特性，促使集成器件能夠在不同溫度條件下，針對圓偏振光展現(xiàn)出差異化的選擇性響應。基于此，分別通過集成相同結(jié)構(gòu)手性或相反結(jié)構(gòu)手性，成功突破了傳統(tǒng)手性結(jié)構(gòu)相對固定且難以反轉(zhuǎn)的局限，實現(xiàn)了集成器件在可見光波段的寬譜、動態(tài)且連續(xù)的手性響應調(diào)控(圖2)。同時，提出的雙手性平臺基于納米剪紙與液晶自組裝制造技術(shù)，能夠在納米級像素尺寸下實現(xiàn)手性光學響應，為微納光場調(diào)控提供了新范式。
 

圖2. 雙手性平臺實現(xiàn)光學圓二色性放大和反轉(zhuǎn)
 

　　研究團隊進一步探究發(fā)現(xiàn)，在同一手性類型的膽甾相液晶上，結(jié)合不同手性的納米纖毛結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對偏振光光場的有效調(diào)控。基于此原理開發(fā)的熱控可調(diào)的手性超透鏡如圖3所示，當左旋圓偏振光入射到設(shè)計的超表面時，右旋纖毛結(jié)構(gòu)相較左旋纖毛結(jié)構(gòu)具有更低的透射率。基于瑞利-索末菲衍射原理，將具有不同透射率的左右旋纖毛結(jié)構(gòu)進行特定環(huán)形分布設(shè)計，可實現(xiàn)光學聚焦。而熱響應膽甾相液晶能調(diào)節(jié)入射圓偏振光強度以消除這種透射率差異分布，從而使透鏡在聚焦狀態(tài)與非聚焦狀態(tài)間切換。有趣的是，該超透鏡展現(xiàn)出獨特的偏振選擇性聚焦特性：對線偏振光和圓偏振光表現(xiàn)出互補的聚焦行為。當系統(tǒng)對圓偏振光實現(xiàn)有效聚焦時，對線偏振光則呈現(xiàn)散焦狀態(tài)，反之亦然。這種獨特的光學響應也為偏振敏感成像系統(tǒng)提供了新思路。
 

　　在本工作中，團隊合作者們提出了一種納米纖毛結(jié)構(gòu)與膽甾相液晶集成的可調(diào)控光學手性平臺，通過納米剪紙與液晶分子自組裝技術(shù)實現(xiàn)了可見光區(qū)域圓二色性的動態(tài)連續(xù)調(diào)控，突破了傳統(tǒng)手性結(jié)構(gòu)光學特性固定且極性難以反轉(zhuǎn)的局限。該平臺兼具納米級像素調(diào)控精度與動態(tài)響應能力，基于此構(gòu)建的熱控偏振光超透鏡可通過溫度調(diào)節(jié)實現(xiàn)聚焦狀態(tài)的開關(guān)和切換，為動態(tài)光場調(diào)控提供了新思路。未來，該可控光學手性平臺有望在動態(tài)成像、光學加密等領(lǐng)域催生新應用，結(jié)合智能傳感材料可構(gòu)建高靈敏度手性光學傳感器，并有望進一步拓展至紅外或紫外光波段，推動手性光子學在光通信與生物醫(yī)學檢測中的跨領(lǐng)域應用。
 

　　北京理工大學物理學院博士生李蘇凡、南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院博士生張逸恒(現(xiàn)為西北工業(yè)大學準聘副教授)為該論文的共同第一作者，北京理工大學汪洋教授和李家方教授、南京大學陳鵬副教授、皇家墨爾本理工大學林瀚副教授為共同通訊作者，南京大學副校長陸延青教授和皇家墨爾本理工大學賈寶華院士對該工作給予了悉心指導與寶貴支持。該研究工作在北京理工大學先進光場顯示芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室、南京大學固體微結(jié)構(gòu)物理全國重點實驗室等平臺的支持下開展，得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學基金、澳大利亞研究理事會以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型培訓中心計劃和聯(lián)動項目計劃等項目的資助。