基于超表面高分辨取向液晶的光学多功能器件

摘要：南方科技大学电子与电气工程系刘言军课题组使用液晶与超表面有效地结合实现对光场的动态调控。过去的研究当中，研究者们往往忽略了超表面单元几何形状对液晶取向的影响。在该工作将液晶和特殊设计的超表面协同融合，二者相得益彰，以实现具备多种光学功能的超表面器件。

关键词：超表面, 液晶, 动态调控, 偏振成像与显示

 光学超表面可以对光进行包括偏振、振幅和相位等性质的调控，因此产生了许多有趣且奇特的光学现象。然而，大多数光学超表面只是被动型的，目前的研究相对缺乏对其光学特性的动态控制，一定程度上阻碍了主动和可重构控制光学响应的应用。尤其是，对于低电压可调谐片上光学器件，如果能够同时实现多功能，则更有吸引力。作为大自然的馈赠，液晶表现出卓越的光学特性，包括双折射、偏振依赖性、极宽的光谱响应、有机性质和通用驱动方法，被广泛应用于可调谐的光学超表面。

然而，之前许多报道的工作只是液晶和超表面的简单组装合并，而没有考虑它们之间的相互作用。例如，在许多基于液晶的超表面工作中，液晶的取向是存在的一个问题。不规则或高度对称（几何尺寸各向同性）的超表面结构可能无法提供液晶的有序均匀排列。虽然在超表面上旋涂额外的摩擦取向层可以有效地取向液晶分子，然而，机械摩擦可能会损坏超表面。此外，取向层的添加会显著影响液晶和超表面之间的相互作用。因此，直接组合或添加取向层可能会降低基于液晶超表面的光学性能。因此，对液晶分子取向和超表面结构的仔细设计考虑是绝对必要的。

在这项工作中，研究者们将液晶分子和特殊设计的超表面协同融合，并使两者相得益彰，以实现多种光学功能。研究者们设计了金的各向异性超表面作为模板，可以实现2 µm区域超高分辨率取向液晶分子。同时，利用取向的液晶分子动态控制入射光的偏振，进一步实现金超表面局域等离激元共振的主动调制。液晶和超表面的协同融合可以使设计的光学器件在可见光和近红外范围内同时工作。研究者相信，此项研究将会在高分辨率显示、调制、防伪、光束偏转、激光雷达等多种应用中发挥重要作用。