近期，光学领域权威期刊《激光与光子学评论》以“可编程液晶缺陷与机械应力动态控制”为题，报道了华东理工大学郑致刚教授课题组在液晶缺陷调控与应用方面取得的最新研究进展。
人工干预软物质材料的自组装以获得所需的缺陷结构是一项复杂而重要的工程。其中，液晶材料的流动和光学性质已使其成为研究有序物理系统拓扑结构的最重要平台。向列相液晶中出现的拓扑缺陷最近引起了人们的强烈兴趣，因为它们的特性不同于简单的均匀排列，不仅可以改变液晶的流变特性，也可产生新的光电现象。
液晶的调控在很大程度上局限于温度、电场、磁场等现有手段，但对缺陷结构无法实现精确调控，限制了液晶等软物质材料缺陷结构的进一步应用。机械应力作为一种有效策略，有望突破这一瓶颈，但如何实现可控调节，仍是一个挑战性难题。
基于上述难点，该工作创造性地提出了通过应力处理和表面锚定设计，共同实现了对纯向列液晶中缺陷的操控。该方法的提出也为类似的超结构和软物质材料提供了一种新的调控手段，实现了利用宏观应力对微观结构的可控调制，从而拓展了更复杂的光学应用。
课题组在设计的锚定边界条件下使用应力调控的方法实现了对液晶缺陷线的操控。巧妙地利用两者共同作用，将液晶中拓扑缺陷不连续结构转化为连续结构，实现了纯向列相液晶从扭曲向高扭曲甚至超扭曲结构的切换。当液晶层结构参数不满足摩根条件时，在正交偏光下呈现出结构色。基于应力触发结构转换的作用特点，开发了高扭曲结构可切换且可编程的触摸显示。
图1：缺陷操控下的扭曲，高扭曲和超扭曲结构色以及对应显微织构
图2：应力操控液晶缺陷实现触摸显示
利用应力控制缺陷线，生成连续的扭曲结构，其液晶层参数满足摩根条件时，表现出旋光性，应用于宽波段矢量光生成器。矢量旋光覆盖从可见光到近红外的宽波段，使出射光具有任意设计的柱对称连续变化电矢量分布。
图3：应力调控的矢量光生成器结构设计，以及应力操控前后结构变化
图4：拓扑连续结构产生的电矢量连续旋光
基于该矢量光发生器在宽波段工作旋光的特性，有望应用于宽波段复用的特征通信，形成任意连续分布的偏振特征而不损失强度。信号源的识别可以在信号接收端检测实现，而不会额外占用通信带宽。该器件还可以将入射光分割出多个极化状态进行分离传输。这种旋光后的分离传输形式具有实现加密通信的潜力，并有望实现宽波段多路复用。
图5：宽波段旋光与信号传输
该研究工作主要是由华东理工大学物理学院硕士于海波和张耸宇在郑致刚教授和罗锻斌副教授的指导下完成。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目、上海市教委科技创新重大项目、上海市科技创新计划重大项目及上海市曙光计划等项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202301220
