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南京大学胡伟、陆延青团队开发动态平面光子元件


        南京大学胡伟教授、陆延青教授团队与美国肯特州立大学李全教授合作,通过设计掺入光控手性翻转分子机器的自组装螺旋超结构,实现了工作波段连续可调、共轭相位分布光控变换的平面光子元件,提供了一种动态平面光子元件的实用方案。该成果以“Chirality invertible superstructure mediated active planar optics”为题,于2019年6月7日在线发表在Nature Communications上。

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波前调控在光学应用中处于核心位置。随着现代光子技术不断朝向小型化、集成化、多功能和动态调谐等方向发展,传统的动力学相位(dynamic phase)光学元件由于尺寸较大、功能相对单一而不再胜任。近些年来,迅速发展起来的几何相位(geometric phase)提供了一种集成的平面光学元件实现方案。然而,大部分几何相位元件都是静态的,一旦制备完成,其功能就固定了。开发动态可调的几何相位元件将解锁平面光学元件的工作波长与功能限制,激活全新的自适应、多功能光子元件设计。研究人员已开发出拉伸衬底、材料相变和可控化学反应等策略来达到上述目的,但简单、高效、实用的动态平面光子元件仍是一项挑战。

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图1. a,紫光和绿光驱动下,CLC螺旋超结构的双向演变过程示意图;

b,光控光束偏折器;c,超宽带艾里光转换器;d,涡旋光OAM光控反转

针对这一难题,该团队在前期数字化螺旋超结构制备宽带并行涡旋光处理器(Adv. Mater2018, 30, 1705865)的研究基础上,与美国肯特州立大学李全教授展开合作。挖掘利用胆甾相液晶(CLC)内禀的外场激发响应特性,混合具有相反手性的光敏分子机器和手性剂,获得可光控手性翻转的自组装螺旋超结构。进一步利用液晶光配向技术诱导其图案化组装,获得了光束偏折器、微透镜、艾里光/涡旋光产生器等系列平面光子元件。经由特定波长光照激发,上述元件可在绿光至通讯波段超过1000 nm的波长范围内双向连续调谐。与此同时,手性翻转会伴随着几何相位的共轭反向,带来元件功能(如光束偏折方向、聚焦/发散状态、涡旋光旋向)的光控可逆变换。

在此工作中,超大范围的工作波段调谐和几何相位相关的功能变换仅仅依赖于均匀光刺激引起的CLC螺旋超结构的改变。得益于“自下而上”的CLC螺旋自组装与“自上而下”的光控图案化取向的协同作用,该方案展现出更高的设计灵活性,同时具有制备便捷、成本低廉等优势。相较于机械力、温度、电场等控制手段,光控作为一种非侵入性的远程控制手段,具有更高的时空分辨率。该研究为动态平面光子元件的设计与制备提供了一种崭新的实用方案。

论文第一作者是南京大学陈鹏博士(2018王大珩光学奖高校学生光学奖获得者),胡伟教授、陆延青教授和李全教授为本文的共同通讯作者,南京大学为第一单位和通讯单位。南京大学马玲玲博士、沈志雄同学、吴赛博同学、葛士军副研,以及肯特州立大学H. Bisoyi博士对本文亦有重要贡献。

该研究由国家重点研发计划、自然科学基金、江苏省杰出青年学者基金、“仲英青年学者”基金等项目资助完成,同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学十百千工程、中央高校基本科研业务费等平台与项目的支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-019-10538-w

源自于:中国激光