近日，南京大學馬玲玲助理教授、陸延青教授團隊和新加坡國立大學仇成偉教授團隊聯(lián)合提出了基于像素化液晶超結構的矢量全息術，該技術采用像素化液晶空間復用結合相位差編碼的新思路，僅依靠單層液晶結構，即實現(xiàn)了空間任意光偏振和振幅的獨立編碼控制，展示了一個寬帶高效、多維動態(tài)的液晶矢量光學平臺。這一突破將促進液晶在下一代光信息技術領域的應用發(fā)展。

光場攜帶了振幅、相位、偏振、光譜等多個維度的信息。偏振作為光的重要維度之一，往往攜帶著其他維度所不具備的重要信息。實現(xiàn)對偏振的精細結構化產(chǎn)生與調(diào)控，并應用于光通信、偏振探測、光學傳感、光量子計算等領域，具有重要的戰(zhàn)略意義和市場價值。近年來，為了更好、更便捷地實現(xiàn)對光振幅和偏振的獨立和任意編碼，人們將目光轉向矢量全息技術。其中超表面憑借著豐富的材料種類和設計自由度，在矢量全息領域得到了廣泛的研究并取得了持續(xù)的突破和進展，但仍存在制備復雜、成本高昂、不可調(diào)諧等問題，限制著動態(tài)矢量光子技術的發(fā)展，因此亟需開發(fā)制備簡便、主動可調(diào)和功能集成的矢量光學平臺。

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圖1. 液晶標量全息和液晶矢量全息示意圖

液晶是一種典型的軟物質材料，近年來基于幾何相位原理的平面液晶元件在光子學領域嶄露頭角，展示出自組裝簡便制備、動態(tài)可調(diào)、寬帶高效、平面構造等優(yōu)勢特色。但因其純相位調(diào)制的特點（在液晶近場表面僅能實現(xiàn)對光的相位的改變），單材料液晶用于對全息圖像中偏振態(tài)的任意操控極其困難，并從未被研究。以往的液晶全息術是依賴對入射光的相位控制，實現(xiàn)對遠場特定全息圖振幅的編碼，往往具有均勻的偏振分布（圖1a），屬于液晶“標量”光學范疇。最近，也有工作嘗試通過結合液晶與超表面從而引入可調(diào)性，但這使得制備工藝更加復雜，而且液晶層僅僅用于對相位延遲的均勻調(diào)節(jié)。欲實現(xiàn)偏振和強度空間變化控制的液晶“矢量”光子學技術仍具挑戰(zhàn)。

針對上述問題，南京大學陸延青教授團隊和新加坡國立大學仇成偉教授團隊通過圓偏振復用結合相位差編碼，提出了一種空間復用的液晶矢量全息調(diào)控新策略。該策略基于像素化液晶超結構實現(xiàn)了對遠場光偏振和振幅分布的任意操控（圖1b），即可以編碼產(chǎn)生龐加萊球上任意經(jīng)度和維度的偏振態(tài)，展示了一個全新的高效寬帶、多維動態(tài)的液晶矢量全息平臺。

研究團隊首先針對液晶體系改進并提出了一套雙循環(huán)迭代Gerchberg-Saxton算法，該算法基于圓偏振復用原理，在單獨編碼左右旋全息圖像的同時，建立相位差分布聯(lián)系，并以此獲得能夠操控遠場全息圖任意位置處振幅+偏振的液晶指向矢分布。進一步采用高精度光控取向技術自組裝構筑像素化液晶超結構，并通過偏振尋址的方式，最終在實驗上實現(xiàn)了對隱藏的偏振分布二值或連續(xù)性地呈現(xiàn)（圖2和圖3）。

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圖2. 液晶矢量全息鐘：偏振和振幅的任意/獨立二值編碼

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圖3. 液晶矢量全息月相：偏振和振幅的任意/獨立連續(xù)編碼

此外，團隊還展示了可調(diào)諧、高效率、寬帶寬的多通道矢量光信息存儲與加密，以及主動矢量全息動畫效果（圖4）。該工作標志著第一個單材料液晶體系矢量光學全息平臺的誕生，展示出其在先進顯示、信息加密、超分辨成像等領域的重要應用潛能。

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圖4. 偏振/電尋址式液晶矢量全息動畫

這項工作解決了液晶在矢量全息領域的重要挑戰(zhàn)，展示了動態(tài)矢量光子技術的巨大潛能，該方法能夠同時獨立操控遠場振幅和偏振，充分利用偏振通道以提高信息編碼容量，為未來先進光學加密、超分辨率成像、光量子通信、光信息存儲以及其他矢量光學應用的發(fā)展創(chuàng)造新的機會。

相關成果以當期封面形式在卓越計劃高起點新刊eLight上發(fā)表，題為“Vectorial Liquid-Crystal Holography” 【eLight 4, 5 (2024)】。 南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院碩士研究生王澤宇為本文第一作者，馬玲玲助理教授、仇成偉教授和陸延青教授為本文共同通訊作者。南京大學胡偉教授、陳偉副研究員、魏陽博士后和天津大學戴海濤教授給予了重要建議與指導，新加坡國立大學博士研究生周舟、南京大學碩士研究生張涵和南京大學碩士畢業(yè)生于宏冠對本文亦有重要貢獻。本工作受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目支持，并得到人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心、固體微結構物理國家重點實驗室等平臺的大力支持。（來源：南京大學）

原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s43593-024-00061-x