长春光机所液晶光学团队成果集锦：聚焦液晶材料、器件与系统应用

图片来源：长春光机所-Light学术出版中心

撰稿 | 穆全全

01

团队介绍

中科院长春光机所液晶光学与自适应光学研究团队（以下简称团队）由长春光机所液晶光学与自适应光学学科带头人宣丽研究员于2000年创立，是应用光学国家重点实验室重要研究团队之一。

团队由应用光学国家重点实验室副主任、吉林省中青年科技创新领军人才穆全全研究员领衔，现有研究人员11人，其中博导5人，硕导2人，中科院青年创新促进会会员2人、长春光机所旭光人才计划入选者1人。

团队一直致力于液晶材料、液晶物理、光调控器件及其应用的研究，涵盖从基础到工程领域的全链条，在高速及高折射率液晶材料、液晶光控取向技术、特种液晶光调控器件、自适应光学技术、光学相控阵技术等方面取得了一系列重要研究成果。

团队已在Optics Express，Optics Letters，Liquid Crystals等期刊发表SCI论文百余篇，申请发明专利数十项；

相关研究成果于2013年获得吉林省技术发明一等奖，2017年获得中国物理学会胡刚复物理奖，培养毕业博士60余人，硕士10余人，博士后4人，其中博士论文获得全国百篇优博论文提名奖1人次、中科院院长特别奖2人次、中科院百篇优秀博士学位论文奖2人次、国家奖学金和各类冠名奖学金10余人次。

目前，团队正在承担的国家及省部级研究课题10余项。

02

人物介绍

穆全全 研究员

长春光机所研究员，博导，吉林省中青年科技创新领军人才及团队项目获得者。

2003年毕业于南开大学物理科学学院，获得学士学位，同年就职于长春光机所；

2010年于长春光机所获得光学工程博士学位；历任长春光机所研究实习员、助理研究员、副研究员、研究员。

目前担任应用光学国家重点实验室副主任、中国物理学会液晶分会第八届委员会副主任、《液晶与显示》编委。

穆全全一直从事液晶光学调控技术与应用方面的研究工作，在国际上首次实现了开环控制自适应光学技术，解决了液晶波前校正器校正速度慢、能量利用率低的问题；

先后设计并研制了多套与0.6米、1.2米、2米及2.16米口径望远镜匹配的液晶自适应光学系统，完成了一系列对空间目标的观测实验，取得了良好效果；

先后主持国家及省部级项目5项，发表学术论文百余篇，授权发明专利20余项。

彭增辉 研究员

长春光机所研究员，博导。

1994-2001年于吉林大学化学院本硕连读，2005年在长春光机所获得凝聚态物理专业博士学位。现担任中国物理学会液晶分会第八届委员会委员、《液晶与显示》编委。

目前，彭增辉主要从事液晶光学器件、液晶材料化学及其成果转化应用方面的研究。

从2007年开始，彭增辉先后主持了国家自然科学基金面上项目3项，在关于“快速响应液晶材料和空间光调制器”的研究中，创新性地提出并研制了高双折射率、低黏度快速向列相液晶材料，将液晶空间光调制器的响应时间压缩至0.75ms，实现了在液晶自适应光学系统中的工程化应用。

以该研究内容为3个主要创新点之一，获得吉林省科技进步一等奖（排名第五）；发表SCI论文10余篇（第一作者），指导硕士生4名，博士生2名。

03

主要成果介绍

3.1

液晶波前校正技术与自适应光学应用

高分辨率成像观测是人们在天文学等诸多领域始终追求的目标，尤其是对天文学研究和空间目标探测等穿越大气层的成像过程而言，对大气畸变波前进行实时补偿校正的波前校正技术就显得尤为重要。

液晶波前校正技术利用液晶材料的电控相位调制特性，充分发挥了液晶器件高精度、低功耗、高空间分辨率的特点，在光学高分辨率成像领域具有重要的应用价值。

团队从创立之初即投身研究，先后自主研制了TFT透射式和LCOS反射式纯位相液晶波前校正器件。结合工程应用需求，针对器件存在的响应速度慢、位相校正量小、能量利用效率低等问题，开展了连续的技术攻关。

针对液晶波前校正器响应速度慢的问题，团队从液晶材料设计与合成、液晶器件结构设计与工艺优化、驱动模式与控制策略优化等方面系统研究了制约器件响应速度的关键因素，并逐一突破。

依据快速向列相液晶的高Δn、低粘度特征，团队提出以苯环、硫氰基、炔键等大π电子云基团与强电负性氟原子为基本单元的液晶分子设计方法，合成出10余种平均Δn高达0.42的低黏度单质液晶；

深入研究了液晶的动态响应过程，提出了过渡灰度级驱动技术，解决了液晶响应拖尾问题和灰阶响应一致性问题，实现了波前校正器的高速、高精度、一致化驱动，使高精度的实时波前校正成为可能；

研究了液晶层厚与液晶动态回落过程间的相互作用机理，提出了在最高驱动电压下寻求最佳液晶层厚的方法，将700～950nm工作波段的液晶校正器响应时间缩短到0.75ms。

针对液晶器件偏振依赖及色散等光能量损失问题，团队提出了一种基于开环控制策略的自适应光学系统设计方法，从光学系统设计、控制矩阵测量、自动控制策略优化等核心问题入手。

利用波段分光与偏振分束将系统的光能利用范围拓展到了400—950 nm 整个可见光波段；提出了并行时序控制新方法，使系统校正速度相对传统串行控制提高约20%，提高了系统的校正能力和稳定性，实现了液晶自适应光学成像技术在可见光波段的实用化和工程化；

先后成功研制了多套与我国2.16 m、1.23 m及2 m口径光电跟踪望远镜匹配的液晶自适应光学系统，取得了显著的观测效果。该项技术还可以进一步拓展应用到包括光通信、生物医学成像及激光光束整形等研究领域。

[1] 穆全全，彭增辉，宣丽*. 大口径望远镜的高分辨成像技术[J].物理,2020,49(3): 164-173.

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[2] X. Zhang, Z. Cao, Q. Mu*, D. Li, Z.Peng, C. Yang, Y. Liu, L. Xuan. Progress of liquid crystal adaptive optics for applications in ground-based telescopes[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, in press.

[3] X. Zhang, Z. Cao, C. Yang, Z. Peng, Q. Mu*, L.Xuan. Improved bandwidth of open loop liquid crystal adaptive optics systems with a proportional-derivative controller[J]. Optics Express, 2019, 27(8): 11651-11660. | 

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3.2

液晶光学相控阵技术与应用

光学相控阵是一种新型的非机械式光束扫描技术，其概念来源于传统的微波相控阵，但相比于微波相控阵有着明显的优势，由于光学相控阵是以工作在光波段的激光作为信息载体，因而不受传统无线电波的干扰，而且激光的波束窄，不易被侦察，具有良好的保密性。

另外，相比于大体积的电学相控阵，光学相控阵尺寸小、质量轻、灵活性好、功耗低。这些优势使得光学相控阵在自由空间光通信、光检测和测距、图像投影、激光雷达和光学存储等领域有着极大的吸引力。

角度扫描范围与精度是光学相控阵性能的重要指征。团队采用液晶空间光调制器和液晶偏振光栅构建了精-粗两级调控系统，开展了具有高角度分辨率、大角度扫描范围的光学相控阵技术研究。

针对液晶空间光调制器，团队发明了径向子孔径（RSAC）与对称径向子孔径（SRSAC）技术，并将其从一维光束控制扩展到了二维光束控制。通过对调制器孔径的分区域精确控制和角度匹配优化，消除了光束控制过程中的局部精度缺陷，将多区域相干光束的角度指向误差降至亚微弧度量级，角度分辨率大幅提高到0.5urad±0.1urad。此外，该项技术还大大提高了系统对装调误差与外部扰动的容忍能力，显著提高了系统的可靠性与稳定性。

针对液晶偏振光栅，团队突破了液晶偏振光栅设计与制备技术，发明了多种新型结构的液晶偏振光栅器件；系统研究了光栅组件的动态光调控行为与光传输模式，建立了大口径、小周期液晶偏振光栅曝光装置，可实现衍射效率优于98%、口径50mm的液晶偏振光栅组件的研制。

[1] C. Wang, Z. Peng, Y. Liu, S. Li, Z. Zhao, W. Chen,Q. Wang, Q. Mu. Radial sub-aperture coherence method toachieve beam steering with high precision and stability[J]. Optics Express, 2019, 27(5):6331-6347.

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[2] C. Wang, Z. Peng, Y. Liu, S. Li, Z. Zhao, W. Chen,Q. Wang, Q. Mu. TWo-dimensional symmetrical radial sub-aperture coherence and the local precision defect elimination method for high-precision beam steering[J].Optics Express, 2019, 27(13): 18751-18765.

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[3] W. Chen, Z. Zhao, C. Wang, H. Li, R. Wei, S.Zhang, Z. Peng,Y. Liu, Q. Wang, Q. Mu, L.Xuan. Linear polarization grating combining a circular polarization grating with a special cycloidal diffractive quarter waveplate[J]. Optics Express, 2019, 27(23): 33378-33390. 

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[4] 刘春杰, 彭增辉, 李松振, 王启东, 刘永刚. 非等光强正交圆偏振光对液晶偏振光栅衍射特性的影响[J]. 液晶与显示, 2018, 33 (2): 144-149. 

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3.3

特种液晶光调控器件与应用

液晶材料与器件优良的空间可编程及可重构特性，使得其在对光束的相位、偏振、甚至轨道角动量的调控方面展现出了非常独特的性能，吸引了国内外众多该领域研究人员的关注。

团队紧密围绕国计民生中的重要应用需求，着力拓展相关研究成果的前沿性应用。近年来，针对高速光通信领域、高能激光领域、光量子操控、磁环境及航空航天等领域的应用需求，团队开展了特种液晶空间光调控器件、无磁液晶调制器、液晶超表面元件、可调谐液晶波导器件等方面的研究工作。

围绕光通信、光加工、光量子操控等前沿领域应用对器件能量效率、均匀性及相位调制深度的高精度要求，着重解决高环境适应性液晶材料体系研究、高能量利用效率光学芯片研究及高精度制盒工艺与技术，获得了高双折射率、宽温度范围的液晶材料体系，实现了能量利用效率优于93%、均匀度最佳优于1%的LCOS器件的研制。

依托上述成果，先后与北京大学、复旦大学、中山大学、西安交通大学等高校开展了合作研究，并取得了一系列重要成果。同时也在积极推进成果的转移转化工作，近年来逐步将团队的科研成果和技术条件与国内重要企业的前沿需求相结合，充分发挥团队的科研攻关能力，为国内企业在核心技术和产品上取得竞争优势发挥重要作用，累计获得企业投资1000余万元。

此外，团队也积极开展面向基础和前沿领域的新结构、新机制、新效应的液晶调控技术研究，努力将液晶的光调控特性引入到更广阔的领域。