“液晶动态调控及其应用”专刊序

作为一种神奇的软物质材料,液晶对光、电、磁、热等外场具有高灵敏度的响应,展现了丰富的动态调控性,因此被广泛地应用于显示等领域。为突破传统物态的局限,推动液晶在新型光电和生物传感等领域的研发,亟需进一步厘清液晶这一取向序物态的新性质、效应和调控机制。

“软物质光功能材料、器件及其调控”专刊序

液晶作为一种典型的软物质,同时具有液体和晶体的特征,存在着丰富的相态(包括向列相、近晶相、胆甾相、蓝相等)。通过表面处理、光控取向等方式可以对液晶分子的指向矢进行空间设计甚至像素化操控,从而产生多样的光学调控功能。另外,液晶还具有灵活的可重构特性,其分子结构和排列可以在外场刺激(如电、磁、光、热等)下发生改变,具有调控方式多样和易于加工等优点。鉴于此,液晶及其复合材料在多个领域中展示出强大的光学调控功能和灵活的调控能力。例如,基于几何相位及取向设计可以开发以偏振光栅、透镜为代表的平面光场调控元件,有望替代传统光学元件,实现虚拟现实与增强现实等领域的应用;此外,将液晶的可调谐功能应用于光波导中,能够为光纤集成器件和光波导器件带来光束整形和傅里叶变换光谱等功能;而液晶弹性体凭借其刺激响应及可编程形变的特性,在软体机器人及微型执行器等领域展现了巨大的应用潜能。

近晶相液晶超结构的多元外场调控

利用液晶的自组装和刺激响应特性,实现近晶相液晶多层级超结构的灵活构筑、动态操控和多功能应用对于激发更多前沿的创新性功能器件并推动液晶超结构的实用化进程具有重要意义。本文从近晶相液晶超结构的生长制备、多元外界刺激对缺陷结构的调制方法和动态调控规律等方面进行系统研究。首先,探究了图案化取向场和旋涂条件对近晶相液晶拓扑超结构的形态与大小的操控;然后,验证了焦锥畴超结构的微透镜成像功能,并通过材料复合优化和引入聚合物稳定策略,实现了正方焦锥畴阵列在35℃下(向列相)的电刺激动态调控性能;最后,研究了手性、光场和热场对双相态液晶超结构带来的多维度调控。本研究充分利用光取向场、聚合物网络、电场、手性、光场等多元外场刺激,实现了对近晶相液晶多层级超结构的多维度调控。

负性向列相液晶电致缺陷的产生与湮灭过程

取向有序的液晶材料具有丰富的物理各向异性、外场响应性、物理效应,催生了新一代的光电应用.利用电场可在液晶中产生拓扑缺陷.缺陷动态过程受材料自身特性和外界条件的影响尚未明晰.本文选用介电各向异性△ε在-1.1到-11.5之间的7种向列相液晶材料,通过施加线性增加的交流电场,研究了负性向列相液晶电致脐点缺陷产生到湮灭过程中材料特性(△ε)和外界条件(温度、外加电场参数)对脐点缺陷的标度规律及湮灭快慢的影响.结果表明:在不同的△ε、温度和电场频率下,缺陷产生过程均满足Kibble-Zurek机制,即缺陷密度与电场变化率之间存在标度关系,且标度指数约为1/2;温度越高,产生缺陷密度越大;△ε越强或电场变化越快,缺陷湮灭速度越快.本文的研究厘清了拓扑缺陷产生湮灭与材料特性和外界条件的依赖关系,有利于对软物质中拓扑缺陷动态过程的认识和理解.

Chromonic溶致液晶及调控研究进展

Chromonic溶致液晶(Lyotropic Chromonic Liquid Crystals,LCLCs)是由可溶性芳香族化合物自组装形成的一类溶致液晶。由于其丰富的物理各向异性、生物兼容性以及可调控性,LCLCs在生物检测、细菌操控等应用领域具有重要的研究价值。本文回顾了LCLCs调控方面的研究,简要介绍了其特性,重点分析了外场调控、掺杂等调控手段对LCLCs的影响,最后讨论和总结了可行的调控手段和未来的发展路线。

“中国液晶青年学者”专栏序

在过去的半个世纪,液晶材料与技术得到了飞速发展,液晶显示已经成为主流的平板显示技术,走进千家万户。液晶是一种典型的软物质材料,兼具液体的流动性和晶体的各向异性,存在着丰富的相态,包括向列相、近晶相、胆甾相、蓝相等,可通过分子自组装构筑各式各样的液晶态微纳结构。时至今日,液晶研究的范畴已不仅仅局限于显示领域,作为一种特殊功能材料,液晶已成为材料科学、软物质物理学、有机化学、微电子学、光电显示乃至生物技术、新能源等交叉领域的重要研究课题,在光通讯、元宇宙、微纳机械、能源转换、生命健康、空间技术等方面都发挥着不可或缺的作用。

液晶太赫兹光子学研究进展

液晶作为液态和固态之间的中间态,具有液体的流动性和晶体的各向异性,其指向矢灵活可调,从微波到紫外都有广泛应用。近年来液晶光子学在太赫兹波段展现出巨大应用前景,本文综述了基于液晶的太赫兹源、可调太赫兹器件和太赫兹探测器的研究进展,探讨了未来液晶太赫兹光子学的发展趋势,如新型铁电向列相、液晶拓扑在太赫兹领域的应用,多模式、多参量的太赫兹波按需产生、调制与探测等。

光子学逆向设计研究进展(特邀)

人工设计的光子学器件在现代光学的各个领域都有广阔的应用前景。传统光子学器件的设计通常是基于已知的物理模型,然后通过数值模拟方法对结构进行优化设计。由于器件结构很大程度上依赖于先验模型,所以传统优化设计的自由度是有限的。随着近年来对高性能光子学器件需求的日益增长,具有更高设计自由度的逆向设计方法得到了快速发展。逆向设计方法打破了传统方法的设计局限性,可以在全参数空间中实现高效的参数优化,因此更可能得到具有极限性能的器件结构。本文总结了光子学器件逆向设计的常用方法,并给出了逆向设计在各个光子学领域中的具体应用。随着计算机科学的不断发展,逆向设计方法展现出无与伦比的潜力,有望在各个光学领域中实现更高自由度的光场调控。

基于液晶功能表面的液滴输运研究

基于液晶开放表面的微流体操纵技术是一种利用微流体学原理和微加工技术,在微纳尺度上对液体进行操纵和控制的方法,对新型微流控平台的开发至关重要。本文通过注液光滑表面的理论设计,利用液晶聚合物薄膜的可控制备,开发了取向序各向异性的功能聚合物薄膜,包括向列相聚合膜和近晶相聚合膜。研究表明,与近晶相聚合膜相比,向列相聚合膜在同等条件下,为水滴提供更快的输运速度,比近晶相聚合膜约快1个数量级。近晶相聚合膜和向列相聚合膜对于水滴的输运均具有方向选择性,实现了液滴在液晶功能表面的各向异性输运,为开发基于图案化液晶功能表面的特异性微流控技术奠定了基础。

聚合物稳定双频蓝相液晶的亚微秒电光响应

蓝相液晶由于其出色的电光性质在信息显示和光电子领域受到了广泛的关注,然而日益发展的信息技术对信息的传递、处理、存储速度提出了更高的要求。为了进一步强化蓝相液晶的快速电光响应优势,本文以双频向列相液晶为主体,掺杂聚合单体、手性剂、光引发剂等材料制备了聚合物稳定双频蓝相液晶,通过调节双段电压脉冲时长,实现了聚合物稳定双频蓝相液晶的快速电光调控,其电光调控的开关时间均小于500 ns。

基于光取向技术的液晶螺旋达曼波带片

涡旋光阵列在光通信、多微粒操控、并行激光加工等领域有着广阔的应用前景,近年来受到越来越多的关注。然而动态可调的纵向涡旋光阵列的实现仍具有一定挑战性。本文基于达曼编码方法与液晶光取向技术,设计并制备出一种液晶螺旋达曼波带片。实验结果表明,该器件可以高效地产生拓扑荷数逐级变化的1×5纵向涡旋光阵列,并可以通过改变外加电压来动态切换器件的开关态。此外,该器件通过水平/竖直翻转一次或是改变入射光模式,还可以对产生的纵向涡旋光阵列的拓扑荷数进行反转变换或加减运算。液晶螺旋达曼波带片兼具低成本、高效率、电光可调等优势,有望促进液晶光电元件在多维光场调控等领域的应用。

非局域超表面微分器的逆向设计

使用遗传算法合理地迭代与优化非局域超表面的材料分布,完成了一个一维二阶空间微分器的逆向设计。当入射角小于10°时,该微分器具有与目标函数高度吻合的传递函数。为证明该方法的通用性,采用相同的方式设计了一个拉普拉斯变换器。最后,分别验证了两个器件在实际制造中的可行性以及它们识别图像边缘的效果。

离子型声子晶体中的长波光学性质

提出了离子型声子晶体的概念，制备出一维离子型产子晶体材料，研究了一维离子型声子晶体中的超晶格振动与电磁波的耦合效应，将黄昆方程所预言的一系列长波光学行为，如：极化激元、红外吸收、介电异常等，从红外波段推广到微波波段，并得到了实验验证。

太赫兹液晶材料与器件研究进展

液晶是一种性能优异的可调控光电功能材料,基于液晶的太赫兹器件有着广泛的应用前景,但高性能太赫兹功能器件的研发仍处于初级阶段.本文综述了太赫兹领域液晶材料与器件的研究现状,探讨了液晶技术与太赫兹技术相结合的发展趋势.

奉献,为人之道 进取,立业之本——记闵乃本院士的科学奉献精神

闵乃本院士带领团队历时19年研究攻关,作为在闵乃本院士指导下学习、工作多年的团队成员,对这段历程,大家有着太多的切身感受.在闵乃本院士的身边,团队成员看到、听到、学到了许多许多,这点点滴滴,已经慢慢融入了大家的工作与生活.他言传身教的奉献精神与工作风格也已成为团队成员在学术研究道路上前进的动力和创新的源泉.

访美随想

我于1997年5月18日至23日参加了第17届国际激光与电光会议(Conference on Lasersand Electro Optics,简称CLEO)。会议组织了一个有300多著名公司参加的激光与电光产品展览会。许多公司在会上宣传了自己的最新产品。本次会议设14个分会,收到论文约2000篇,是近几年规模最大的一次,反映出激光与光电子学科发展的迅速。从分会的设置也可以看出目前激光与光电科学的前沿领域。

光控取向技术应用于液晶非显示领域的若干进展

近年来,光取向已成为主流的液晶取向技术。除了在平板显示领域的广泛应用之外,光取向技术在液晶非显示领域也得到了广泛的应用。本文简要综述了南京大学液晶与微纳光学研究组利用一种偶氮苯类光取向剂进行图形化取向,进而实现了液晶光开关、特殊光场产生与调控、退偏器、太赫兹波片等元器件的制备、胆甾相液晶螺旋轴空间排列的控制等非显示应用。

动态掩膜光刻在液晶取向中的应用

利用基于数控微镜阵芯片的微投影光刻系统将任意设定的图形投影到SD1取向涂层上,约束SD1分子的排列方向,进而控制液晶的区域取向。该动态掩膜光刻系统可用于液晶取向的任意图形制备和偏振控制,实际分辨率达到了5μm。基于SD1材料的可擦写特性,实现了不同一/二维码间的光控转换,并实现了任意灰度的分区控制。上述器件均可在外场作用下实现开关或调谐。该动态掩膜光刻技术可方便地实现实时、复杂的液晶图形取向控制,在信息显示与识别及可调光子学器件等方面有着广阔的应用前景。

金属亚波长结构的表面增强拉曼散射

灵敏度高、可重复性好的固态表面增强拉曼散射基板可作为生物医学、环境科学、化学化工、纳米科技等领域的生化感测器,具有十分重要的实际应用价值.传统的表面增强拉曼散射基于金属颗粒提供的局域表面等离谐振这一物理机制,但其组装不易且模式损耗大.本文基于周期性金属亚波长结构,构建增强拉曼散射信号的“热点”,同时保证测量信号的可重复性.从表面光子能带结构出发,提出了区别于局域表面等离谐振的其他三种增强机制:表面等离子极化激元带边增强机制、间隙等离子极化激元增强机制以及二者相耦合增强机制.采用一定的工艺,提高金属表面平整度,抑制表面等离子极化激元的传播损耗,从而提高表面增强拉曼散射的增强因子.理论结合实验,且二者一致性好.研究结果有望将表面增强拉曼散射光谱技术进一步向实用化方向推进.