近日，南京大學(xué)馬玲玲助理教授、陸延青教授團(tuán)隊(duì)和新加坡國立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出了基于像素化液晶超結(jié)構(gòu)的矢量全息術(shù)，該技術(shù)采用像素化液晶空間復(fù)用結(jié)合相位差編碼的新思路，僅依靠單層液晶結(jié)構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)了空間任意光偏振和振幅的獨(dú)立編碼控制，展示了一個(gè)寬帶高效、多維動(dòng)態(tài)的液晶矢量光學(xué)平臺(tái)。這一突破將促進(jìn)液晶在下一代光信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

光場(chǎng)攜帶了振幅、相位、偏振、光譜等多個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)偏振的精細(xì)結(jié)構(gòu)化產(chǎn)生與調(diào)控，并應(yīng)用于光通信、偏振探測(cè)、光學(xué)傳感、光量子計(jì)算等領(lǐng)域，具有重要的戰(zhàn)略意義和市場(chǎng)價(jià)值。近年來，為了更好、更便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)光振幅和偏振的獨(dú)立和任意編碼，人們將目光轉(zhuǎn)向矢量全息技術(shù)。其中超表面憑借著豐富的材料種類和設(shè)計(jì)自由度，在矢量全息領(lǐng)域得到了廣泛的研究并取得了持續(xù)的突破和進(jìn)展，但仍存在制備復(fù)雜、成本高昂、不可調(diào)諧等問題，限制著動(dòng)態(tài)矢量光子技術(shù)的發(fā)展，因此亟需開發(fā)制備簡(jiǎn)便、主動(dòng)可調(diào)和功能集成的矢量光學(xué)平臺(tái)。

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圖1. 液晶標(biāo)量全息和液晶矢量全息示意圖

液晶是一種典型的軟物質(zhì)材料，近年來基于幾何相位原理的平面液晶元件在光子學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角，展示出自組裝簡(jiǎn)便制備、動(dòng)態(tài)可調(diào)、寬帶高效、平面構(gòu)造等優(yōu)勢(shì)特色。但因其純相位調(diào)制的特點(diǎn)（在液晶近場(chǎng)表面僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)光的相位的改變），單材料液晶用于對(duì)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(shù)是依賴對(duì)入射光的相位控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)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(biāo)量”光學(xué)范疇。最近，也有工作嘗試通過結(jié)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(fù)雜，而且液晶層僅僅用于對(duì)相位延遲的均勻調(diào)節(jié)。欲實(shí)現(xiàn)偏振和強(qiáng)度空間變化控制的液晶“矢量”光子學(xué)技術(shù)仍具挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，南京大學(xué)陸延青教授團(tuán)隊(duì)和新加坡國立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)通過圓偏振復(fù)用結(jié)合相位差編碼，提出了一種空間復(fù)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)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(gè)全新的高效寬帶、多維動(dòng)態(tài)的液晶矢量全息平臺(tái)。

研究團(tuán)隊(duì)首先針對(duì)液晶體系改進(jìn)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(fù)用原理，在單獨(dú)編碼左右旋全息圖像的同時(shí)，建立相位差分布聯(lián)系，并以此獲得能夠操控遠(yuǎn)場(chǎng)全息圖任意位置處振幅+偏振的液晶指向矢分布。進(jìn)一步采用高精度光控取向技術(shù)自組裝構(gòu)筑像素化液晶超結(jié)構(gòu)，并通過偏振尋址的方式，最終在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dú)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(dú)立連續(xù)編碼

此外，團(tuán)隊(duì)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(chǔ)與加密，以及主動(dòng)矢量全息動(dòng)畫效果（圖4）。該工作標(biāo)志著第一個(gè)單材料液晶體系矢量光學(xué)全息平臺(tái)的誕生，展示出其在先進(jìn)顯示、信息加密、超分辨成像等領(lǐng)域的重要應(yīng)用潛能。

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圖4. 偏振/電尋址式液晶矢量全息動(dòng)畫

這項(xiàng)工作解決了液晶在矢量全息領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)，展示了動(dòng)態(tài)矢量光子技術(shù)的巨大潛能，該方法能夠同時(shí)獨(dú)立操控遠(yuǎn)場(chǎng)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(jìn)光學(xué)加密、超分辨率成像、光量子通信、光信息存儲(chǔ)以及其他矢量光學(xué)應(yīng)用的發(fā)展創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。

相關(guān)成果以當(dāng)期封面形式在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight上發(fā)表，題為“Vectorial Liquid-Crystal Holography” 【eLight 4, 5 (2024)】。 南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)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(xué)胡偉教授、陳偉副研究員、魏陽博士后和天津大學(xué)戴海濤教授給予了重要建議與指導(dǎo)，新加坡國立大學(xué)博士研究生周舟、南京大學(xué)碩士研究生張涵和南京大學(xué)碩士畢業(yè)生于宏冠對(duì)本文亦有重要貢獻(xiàn)。本工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持，并得到人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)的大力支持。（來源：南京大學(xué)）

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