华南农业大学雷炳富课题组AOM：相位波长独立控制的空间光场调制

光计算、卫星通信、5G/6G通信、AR/VR、全息显示等关键领域对超大容量、超低功耗的信息处理、传输和交互提出越来越高的需求。与依赖于电信号时序或频率调制的电子信息技术相比，光子技术展现出天然的并行处理能力与成熟的多参数复用手段。光波的频率、波长、偏振和相位等信息均可以作为独立的数据传输通道，实现对光信息准确、高效、正交的操控。光场的多参量独立操控已成为海量信息高速处理与传输的核心挑战。小型化、可调谐的平面光学元件在基于波分复用的光通信、基于光束控制的光探测、高光谱成像等领域应用需求广泛。然而，基于超表面的光学元件通常是静态的，不能实现功能的按需调制；而传统的液晶元件效率严重依赖于波长，难以实现工作波段的按需调控，同时实现任意波前操控和超宽带工作波长选择的平面光学元件仍然是一项挑战。

面对这一难题，南京大学胡伟教授/陆延青教授团队与华东理工大学郑致刚教授合作，基于倾斜螺旋胆甾相液晶和光控图案化取向技术，实现了一种电驱动波段可调的反射式空间光场调制。胆甾相液晶以手性螺旋结构为特征，呈现圆偏振选择的布拉格反射，还表现出对温度、光、磁场、电场等外场刺激响应。如图1a所示,通过外加电场调制可实现手性超结构在平面式螺旋、倾斜式螺旋和解旋状态之间的动态可逆操控。其螺距随着外加电场的增大而减小，实现了反射带在 1550 nm 至 380 nm 超宽范围内的连续调谐，覆盖了近红外、可见和近紫外多个波段（图 1b）。利用光取向技术，通过多步重叠曝光可实现任意设计的微结构图案制备。这里，我们展示了取向方向沿径向分布的q波片（图 1c），液晶指向矢遵循光取向剂的表面局域诱导而形成预设的螺旋超结构。图1d展示了该q波片在不同电压下的显微照及调制产生的窄带反射式光子轨道角动量（OAM）加载，验证了其在 458 nm 至 820 nm范围内出色的波长选择特性。

该工作同时释放了平面光学的空间相位调制和工作频率设定两个自由度，并呈现出圆偏振选择性。因此，光控取向图案化的倾斜螺旋胆甾相液晶为可调平面光学元件提供了一种全新的多维度独立调控的策略，具有灵活性高、驱动电压低、易于制造等优点。该工作丰富了对软物质光子学的认识，拓展了液晶光子元件的功能，有望升级现有光学系统，并激发光计算、光通信、高光谱成像、全息显示等方面的全新应用。