基于雙折射的深紫外光調制器件在光學領域具有重要作用。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院丁寶福副研究員及成會明院士團隊，西安高新技術研究所蔡偉教授團隊及清華大學深圳國際研究生院劉碧錄教授團隊合作，以寬帶隙的無機二維鈷摻雜氧化鈦液晶為基礎，開發制備了新型光學水凝膠，該水凝膠作為一種透射式的深紫外雙折射器件，可實現深紫外光的連續穩定調制。

該成果以“Deep ultraviolet hydrogel based on 2D cobalt-doped titanate” 為題發表在Light: Science & Applications。

本文通訊作者為中國科學院深圳先進技術研究院丁寶福副研究員，西安高新技術研究所蔡偉教授及清華大學深圳國際研究生院劉碧錄副教授，第一作者為清華大學深圳國際研究生院及西安高新技術研究所聯培博士研究生許友安。該研究得到國家自然科學基金委、軍委科技委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創委等部門的支持。

基于雙折射的透射式深紫外光調制器（工作波長λ＜350 nm）在日盲區光通訊、光束波形校正、高密度數據存儲、半導體微納加工及光刻等方面具有重要應用。

經過不斷探索，科學家開發出了α-BBO、MgF?及Ca(BO?)?等深紫外雙折射單晶，這些單晶材料展現出良好的深紫外光調制性能，但固定的雙折射值限制了其在一些特定領域的應用。

液晶材料在磁場或電場作用下可有序排列，具有可調的雙折射，引起了廣泛關注。但傳統有機液晶材料在深紫外光照射下，極易發生光化學衰退，且會誘導某些有機基團中的自由基發生聚合反應，擾亂液晶分子的有序排列，進而導致雙折射不穩定，因此難以在深紫外波段下工作。同時，較高的深紫外光吸收也是限制傳統有機液晶材料在此無法工作在深紫外波段的一個重要因素。

為突破該技術瓶頸，作者利用離子插層法制備了無機二維鈷摻雜氧化鈦液晶，在磁場作用下，可實現深紫外光的透射式連續穩定調制。

該液晶材料具有接近4 eV的光學帶隙，在300-350 nm深紫外波段內的平均透射率高于70%，有效地解決了傳統液晶的深紫外吸收高的問題。

磁性元素鈷的摻雜則帶來了極大的面內面外磁化率的各向異性，施加外磁場后，液晶分子趨于磁場方向有序排列并由此產生雙折射。雙折射值可通過磁場進行調控，進而實現深紫外光強及相位的連續及精確的調制。

磁各向異性、極大的徑厚比（橫向尺寸與厚度的比值）及本征光學各向異性共同賦予了該材料超靈敏的磁場響應，實驗發現其磁光克頓-穆頓系數大于傳統有機液晶材料兩到三個數量級，因此實現液晶分子定向排布所需的驅動磁場大大降低。

該工作中，作者通過小體積零能耗維持的永磁體便實現了深紫外光相位的連續調制，具有節能、便攜及操控便捷等優點，利于實際應用。（圖1）

圖1：基于無機二維鈷摻雜氧化鈦液晶的深紫外光調制

圖2展示了該磁光器件優異的深紫外光調制性能。滯回測試、瞬態磁光測試、循環測試及長時間紫外光照射下的疲勞測試說明了該器件具有良好的可逆性、毫秒級別的快速響應性、優異的耐用性及紫外穩定性。

圖2：可逆性、響應時間、耐用性及紫外穩定性測試

團隊成員利用二維鈷摻雜氧化鈦液晶超靈敏的磁場響應及優異的光學調制性能，成功制備了首個工作在深紫外光譜區且雙折射可調的光學水凝膠。

其制備過程主要是通過在該二維液晶中添加聚合物單體及光引發劑，結合磁場輔助下的原位光聚合反應制備而成。其中磁場驅動液晶分子有序排列，聚合物交聯網絡則將這種有序結構完整保存在水凝膠中并且賦予其良好的彈性。在光路方向壓縮或拉伸該水凝膠，可定量操控光程及液晶分子排布的有序參數，從而實現深紫外光相位延遲量的精準調制。

這種力學調制方式具有輕便、高效快速及循環穩定等優點，可用作深紫外光學波片或光開光等諸多深紫外光學器件的核心光學元件。（圖3）

圖3：基于二維鈷摻雜氧化鈦液晶的深紫外雙折射水凝膠

在本工作中，作者開發了一種可穩定工作在深紫外波段且雙折射可調的光學水凝膠，以透射式及機械式的方式實現了深紫外光的連續穩定調制。

該研究為基于雙折射的新型深紫外光調制器件的構建奠定了基礎，并為將目前已用于可見光及近紅外等波段的液晶光學器件推廣到深紫外波段打開了大門。

| 論文信息 |

Xu, Y., Ding, B., Huang, Z. et al. Deep ultraviolet hydrogel based on 2D cobalt-doped titanate. Light Sci Appl12, 1 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00991-6

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