南大副校长提出新型液晶几何相位器件，突破传统胆甾相液晶的局限( 二 ) “这篇工作展示了一种崭新的

作为一类性能优异的电光材料，液晶已广泛用于人类生产和生活中，至今仍占据平板显示的主流，可谓无处不在。液晶，是一种介于液体和晶体之间的特殊物质状态，兼具液体的流动性和晶体的光学/介电各向异性。不仅在显示领域“大展身手” ，其也逐渐成为制备低成本、高效率、动态可调光学元器件的不二之选。
近年来，基于向列相液晶材料的几何相位光学元件，取得了诸多令人欣喜的研究进展，并已用于激光雷达、AR/VR新型显示。但是，这类透射式几何相位器件的调制效率对波长极其敏感，只有精细调节才能达到特定波长的效率最大化。
胆甾相液晶是另一种引人瞩目的液晶态材料，可分为左旋、右旋两种手性。其中，棒状液晶分子可以自组装形成周期性螺旋结构，从而构成一个具有渐变介电张量的一维软光子晶体，并呈现出独特的自旋选择性的布拉格反射。这时，与胆甾相液晶手性相同的圆偏振会被反射，相反的圆偏振则会全部透过。
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，带来了丰富的微纳光学效应，也为几何相位另辟一条蹊径。 2016年，日本大阪大学、法国国家科研中心、智利大学的三支研究团队分别发现，胆甾相液晶中也存在自旋-轨道耦合效应，同时布拉格反射光被赋予与螺旋轴排列相关的几何相位，因而具有宽带高效、自旋选择的调控特性。
这一全新的相位机制，立即引起关注并成为新兴研究热点，为宽带高效、功能集成、动态重构的平面光子技术开辟了全新路径。然而，受限于胆甾相液晶内禀的单手性螺旋组装结构，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，相反圆偏光则会完全透过且不受调制（图1a-b）。因此，只有在特定圆偏振光入射条件下，才能实现相位调制功能，这大大限制了相关领域的发展和应用。

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（来源：Light:Science&Applications）
充分发挥液晶材料的“十八般武艺”

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起初，课题组关注到如下规律：胆甾相液晶的几何相位调制，严重受限于圆偏振依赖。因此，他们设想如能将相反手性的胆甾相液晶集成在一个体系之中，做成双手性共存的架构，就有望同时反射不同圆偏振的入射光，借此极大提高集成度，直接实现共轭几何相位调制，而无需叠层器件的精确对准。
之后，该团队发现聚合物体系的研究，可为上述想法提供很好的借鉴。此外，聚合物网络的兼容性，也为双手性胆甾相液晶的共存提供了可能。
同时，课题组独具特色的光控取向技术，则给任意几何相位的设计奠定了基础。通过这材料体系与工艺技术的结合，他们期望得到双手性共存的液晶几何相位器件。至此，该工作也正式立项，该团队开始进行双手性共存聚合物网络体系、几何相位图案的设计制备等研究。
一方面，液晶聚合物网络的研究主要集中在对“聚合-洗出-重填”工艺的摸索（图2）。将混有聚合单体的胆甾相液晶混合物填入空盒中，在紫外光照下完成聚合交联反应，接着将液晶盒浸泡在丙酮中，洗去未反应的聚合单体和液晶分子，再将液晶盒烘干，填入相反手性的胆甾相液晶。
这一实验过程涉及的影响因素非常多，包括聚合单体的浓度、聚合紫外光的强度/时间、浸泡丙酮的时间、重填胆甾相液晶的配比等。