【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(yīng)長期以來是光學(xué)、材料科學(xué)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(xué)汪洋教授、李家方教授團隊與南京大學(xué)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(xué)林瀚副教授、賈寶華院士開展合作，在動態(tài)光學(xué)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(fù)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(fù)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(xué)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(yīng)用中仍面臨兩個重要挑戰(zhàn)：其一，這些結(jié)構(gòu)的光學(xué)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(yīng)能力；其二，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的手性響應(yīng)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(xué)加密、可調(diào)顯示、動態(tài)傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。
圖1. 可調(diào)控光學(xué)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(xué)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(fù)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(yīng)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(yīng)。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(yīng)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(xué)響應(yīng)，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(xué)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(xué)聚焦。而熱響應(yīng)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(xué)響應(yīng)也為偏振敏感成像系統(tǒng)提供了新思路。
圖3. 基于動態(tài)圓二色性的熱控可調(diào)偏振光超透鏡
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(xué)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(xué)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(yīng)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(xué)手性平臺有望在動態(tài)成像、光學(xué)加密等領(lǐng)域催生新應(yīng)用，結(jié)合智能傳感材料可構(gòu)建高靈敏度手性光學(xué)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(xué)在光通信與生物醫(yī)學(xué)檢測中的跨領(lǐng)域應(yīng)用。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士生李蘇凡、南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生張逸恒(現(xiàn)為西北工業(yè)大學(xué)準聘副教授)為該論文的共同第一作者，北京理工大學(xué)汪洋教授和李家方教授、南京大學(xué)陳鵬副教授、皇家墨爾本理工大學(xué)林瀚副教授為共同通訊作者，南京大學(xué)副校長陸延青教授和皇家墨爾本理工大學(xué)賈寶華院士對該工作給予了悉心指導(dǎo)與寶貴支持。該研究工作在北京理工大學(xué)先進光場顯示芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室、南京大學(xué)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(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學(xué)基金、澳大利亞研究理事會以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型培訓(xùn)中心計劃和聯(lián)動項目計劃等項目的資助。
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