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基于光响应手性超结构的动态多维全息复用

本文来源公众号：晶萃光学
 
近日，南京大学陈鹏副教授、胡伟教授、陆延青教授课题组利用非对称表面锚定的光控手性可翻转的液晶超结构，实现了多维度联合复用的动态全息技术。相关成果以“Simultaneous realization of dynamic and hybrid multiplexed holography via light-activated chiral superstructures”为题，发表于《Laser & Photonics Reviews》（2022, 202200011），并入选杂志内封面 (Inside Back Cover)。
基于光响应手性超结构的动态多维全息复用
数据的有效记录、加密处理和解密读取，在现代信息社会显得至关重要。起源于上世纪的全息技术，已成为编码和重构目标光学信息的关键手段，被广泛应用于大容量数据存储、信息加密与防伪、医学成像诊断等领域。然而，传统全息干板或空间光调制器都依赖于光在特定折射率介质中传播所累积的光程差，往往需要弯曲表面或渐变折射率分布，造成器件加工繁琐、体积庞大且功能单一。
为了满足光信息处理在容量、功能性、安全性等方面的迫切需要，同时迎合光子技术小型化、集成化的发展趋势，基于几何相位超构表面的全息技术近年来成为光学领域的研究热点，大量创新成果不断涌现。得益于光子丰富的物理维度，若干先进的复用超表面全息被相继提出，可大幅提升数据密度、增强信息处理安全性。尽管如此，受限于复杂的物理机制、固化的材料属性、精密的加工要求，在宽谱效率提高、复用维度拓展、可逆动态调控等方面仍面临巨大挑战。
针对这一挑战，课题组在前期手性液晶几何相位研究（Adv. Mater. 2018, 30, 1705865；Nat. Commun. 2019, 10, 2518；Adv. Mater. 2020, 32, 1903665）基础上，进一步厘清了手性液晶光子带隙内光的有限穿透深度机制，利用光配向图案化获得非对称表面锚定，并引入光敏手性分子，构筑光控手性可翻转的几何相位超结构，实现了传播方向、波长、偏振、时间等多维度联合编码的动态复用全息（图1）。独立信道可用于不同方向、行动信息的密钥定制，实现了高密度、高安全性的信息加密与解密应用，为动态全息、信息复用开拓新思路。
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图1. 基于光控手性液晶超结构的动态多维全息复用示意图
胆甾相液晶具有独特的自组装手性光子晶体结构，光子带隙内的反射光被赋予与螺旋轴排列相关的几何相位，且兼具多元化刺激响应特性，有望为动态全息技术提供理想的实现平台。课题组设计混配了相反手性的静态手性剂和光敏分子开关，制备了光致螺距可变、手性可翻转的胆甾相液晶材料。在特定波长光照刺激下，光子带隙可在绿光至通讯波段超过1000 nm范围内双向连续调谐，产生圆偏振选择的宽带全息图案。同时，光控手性翻转会伴随几何相位的共轭反向，带来全息复现图案的光控可逆变换，例如阿拉伯数字、笑脸等图案的动态反转。
此外，光的传播方向是另一个有趣却鲜有利用的物理维度，在手性液晶光子带隙内，光的穿透深度有限。课题组利用光控图案化独立控制微区手性液晶首尾两端的分子排列，实施点对点编码，从而引入上下表面锚定的非对称性，并得益于液晶分子快速、自适应的受控组装能力，获得极为复杂的三维手性液晶几何相位超结构的精准构筑，实现基于传播方向编码的新颖双向全息技术，且不同入射面的复现图案互不干涉交叠。
联合上述偏振、波长、传播方向、光照时间等多个维度编码，课题组展示了新型信号灯（图2）的简单应用实例，独立密钥可以解锁不同的方向与行动信息，实现了高密度、高安全性的信息加密与解密。
基于光响应手性超结构的动态多维全息复用
图2. 信息加密与解密应用
得益于“自下而上”的液晶分子受控自组装与“自上而下”的非对称图案化锚定的协同作用，该工作提出了一套基于手性液晶几何相位超结构的动态多维全息复用的新方案。该方案展现出较高的灵活性，同时具有成本低廉、制备便捷、操作简便、非侵入性等优势，为信息存储、处理与显示等领域提供新思路和新技术。
南京大学为该论文唯一单位，现代工学院陈鹏副教授为第一作者，陈鹏副教授、胡伟教授、陆延青教授为共同通讯作者，研究生沈志雄、徐春庭、张逸恒、及葛士军副研、马玲玲副研对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、江苏省前沿引领技术基础研究专项、国家自然科学基金及江苏省双创计划等资助完成。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200011

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