液晶兼具液體的流動性與晶體的各向異性，其光學性質在電、磁、熱、光等外場刺激下靈活可調。隨著微加工技術的發展，人們逐漸能夠在微納尺度精準操控液晶分子的空間排列。例如，電極微結構利用電場操控液晶傾角，已在液晶顯示器、空間光調制器中得到廣泛應用。而光取向微結構可實現任意的液晶方位角分布，為光場多維度調控（振幅、相位、偏振、軌道角動量等）提供了新途徑。

渦旋光是一種典型的軌道角動量光束，通常攜帶角向漸變的螺旋相位，呈現出“甜甜圈”狀的光強分布。而渦旋光的陣列化有利于高效并行操作，有望應用于復用光通信、多微粒操控、并行激光加工等領域。近年來，對渦旋光陣列的研究逐漸從橫向、低維拓展至縱向（沿光傳播方向）、三維，但現有的縱向操控技術仍存在效率受限、偏振敏感、功能單一等局限性。

近日，南京大學陳鵬副教授、陸延青教授課題組采用圖案化的光取向液晶，設計并制備出液晶螺旋達曼波帶片，用于高效產生拓撲荷數逐級變化的縱向渦旋光陣列。詳細研究了螺旋達曼波帶片的設計方法、正交取向液晶的工作機制，展示了液晶螺旋達曼波帶片的獨特性質與多樣功能。通過調節液晶盒上的外加電壓，可實現對器件開關態的靈活調控；通過改變入射光模式或翻轉該器件，可對產生的縱向渦旋光陣列進行多功能變換。該研究成果以“基于光取向技術的液晶螺旋達曼波帶片”為題發表于《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄，中文核心期刊）2023年第1期，并被選作封面文章。

圖1：《液晶與顯示》2023年第1期封面

▍液晶螺旋達曼波帶片的設計與制備

首先，研究人員基于達曼編碼技術，設計出一種1×5螺旋達曼波帶片的二值相位分布。達曼編碼是一種常用的光束陣列化技術。若對線性梯度相位進行達曼編碼，就能得到達曼光柵結構，常用于產生橫向等能量光陣列。而對菲涅爾透鏡相位與螺旋相位之和進行達曼編碼，就能得到二值化的螺旋達曼波帶片結構（圖2（a））。結合聚焦透鏡，該結構可在縱向產生若干能量相等、拓撲荷數各異的聚焦渦旋光，即縱向渦旋光陣列。

正交取向液晶是實現二值相位分布的有力途徑，研究人員借助光取向劑SD1及動態掩模紫外曝光系統，對液晶盒進行了圖案化的正交光取向。SD1取向層的曝光過程分為兩步：第一步為0°線偏振紫外光的均勻曝光，由于SD1分子傾向于與紫外光線偏振方向垂直，該步驟可使SD1獲得均一取向；第二步為90°線偏振紫外光的圖案化曝光，由于SD1具有可擦寫性，第二步曝光區域內的SD1將重新取向，并最終與相鄰初始曝光區域垂直。曝光結束后，向盒中灌入向列相液晶。SD1誘導液晶分子與之平行排列，制得正交取向的液晶螺旋達曼波帶片（圖2（b）~（d））。

圖2：1×5液晶螺旋達曼波帶片的設計圖與實物圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):1-9. Fig.1

▍縱向渦旋光陣列的多功能操控

當對液晶螺旋達曼波帶片施加1 kHz、3.00 V的方波交流電時，器件達到半波條件，聚焦透鏡的焦點附近產生了縱向渦旋光陣列（圖3（a））。5個等能量焦點處，分別觀測到不同形貌的光斑，大小不一的中心暗核驗證了拓撲荷數的逐級變化。圖3（b）（c）分別展示了理論仿真和實驗測得的豎直子午面（y?z平面）的光強分布，可清楚地看到5個聚焦的縱向級次。此外，這種液晶螺旋達曼波帶片還具有動態開關特性以及多樣的拓撲荷數變換功能：

（1）動態開關特性

動態開關是液晶螺旋達曼波帶片的獨有優勢。當施加1 kHz、1.82 V的方波交流電時，器件滿足全波條件，呈現關態，光束只受到聚焦透鏡的作用，僅產生一個實心焦點（圖3（d））。因此，只要讓液晶盒的外加電壓在3.00 V和1.82 V之間切換，就能控制液晶螺旋達曼波帶片的開關態，從而實現對縱向渦旋光陣列的動態調控。

（2）拓撲荷數加減運算

通過改變入射光的拓撲荷數，可以對液晶螺旋達曼波帶片產生的光場進行拓撲荷數的加減運算，實現縱向渦旋光陣列的多功能變換。例如，以拓撲荷數+1的渦旋光入射液晶螺旋達曼波帶片，5個級次渦旋光的拓撲荷數將同時加1，拓撲荷數原本為?1的渦旋光將轉變為拓撲荷數為0、無中心暗核的高斯光。

（3）拓撲荷數反轉變換

若將光路中的液晶螺旋達曼波帶片水平或豎直翻轉一次，依然能產生拓撲荷數逐級變化的1×5縱向渦旋光陣列，但相應位置渦旋光的拓撲荷數將發生反轉，原本的拓撲荷數分布?2、?1、0、+1、+2將變為+2、+1、0、?1、?2。這就意味著，通過翻轉液晶盒，同一個液晶螺旋達曼波帶片可以變換出兩種不同拓撲荷數分布的縱向渦旋光陣列。

圖3：（a）液晶螺旋達曼波帶片產生的1×5縱向渦旋光陣列；（b）（c）豎直子午面模擬和實驗光強分布；（d）關態衍射光斑
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):1-9. Fig.3

▍總結與展望

該工作提出的液晶螺旋達曼波帶片能夠動態調控縱向渦旋光陣列，按需實現拓撲荷數的加減運算與反轉變換，兼具低成本、高效率、電光可調等獨特優勢。該器件展現了液晶在多維光場調控領域的潛力，提升了渦旋光的操控維度，有望應用于光通信、微粒操控、激光加工等前沿領域。當然，除了文中采用的向列相液晶，手性液晶材料也可用于渦旋光縱向/三維陣列的操控。以膽甾相液晶為代表的手性液晶具有更加多元的刺激響應特性，與光取向技術相結合，有望進一步增加渦旋光調控器件的功能維度。

| 論文信息 |

劉思嘉，張逸恒，朱琳，陳鵬，陸延青. 基于光取向技術的液晶螺旋達曼波帶片[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(1):1-9.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0178

| 通訊作者介紹 |

陳鵬，南京大學副教授，國家優秀青年科學基金獲得者。2014年、2019年在南京大學先后取得學士、博士學位，2021年晉升副教授。主要從事液晶與微納光學方面的研究，在液晶態微納結構的設計構筑、特種光場的按需調控、智能動態光學元器件的開發應用等方面積累了研究經驗。已發表論文60余篇，其中第一/通訊作者20余篇，包括 Nature Commun.、Light Sci. Appl.、Adv. Mater.、Laser Photon. Rev.等，封面5篇，2019、2020年連續入選“中國光學十大進展”。授權發明專利13項，已轉讓2項。擔任《液晶與顯示》青年編委、Crystals?？庉?，主持國家重點研發計劃（青年科學家項目）、基金委優青/面上/青年、JKW等項目，曾獲中國光學學會光學優博、王大珩光學獎、江蘇青年光學科技獎等。
E-mail: chenpeng@nju.edu.cn

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