Недавно исследовательская группа профессора Ху Вэя из Нанкинского университета добилась значительного прогресса в области управления световыми полями с помощью микроструктур жидких кристаллов. Впервые за счёт прецизионного управления многоуровневой организацией жидких кристаллов в голубой фазе им удалось реализовать независимое управление длиной волны отражения, коэффициентом отражения и геометрической фазой, что предоставляет новую стратегию для динамического управления световым полем с множеством степеней свободы. Результаты данной работы были опубликованы в журнале Advanced Optical Materials под заголовком «Independent Multiple-Optical-Parameter Modulations Enabled by Manipulating the Separate Levels of a Hierarchical Structure».
Исследуемые образцы и методы управления оптическими параметрами
Несмотря на потенциал фотонов как многопараметрических носителей информации, традиционная и даже современная статическая оптика не позволяет независимо и динамически управлять их степенями свободы. Данная работа предлагает решение этой проблемы с помощью жидких кристаллов голубой фазы (ЖК-ГФ). Используя чувствительность ЖК-ГФ к внешним полям, авторы демонстрируют метод независимой динамической модуляции ключевых оптических параметров — длины волны, амплитуды и геометрической фазы — путем точной настройки иерархической структуры материала. Этот подход открывает новые возможности для перестраиваемых устройств в оптической обработке информации и связи.
Для этого авторы используют уникальную иерархическую трёхмерной фотонно-кристаллической структуру ЖК-ГФ. Параметры этой структуры влияют на отдельные степени свободы света. Так, постоянная решётки ЖК-ГФ определяет длину волны брэгговского отражения, угол ориентации кристаллической решётки - геометрическую фазу, а угол наклона молекул - амплитуду (коэффициент отражения).
Авторам удалось не просто выявить эти связи, но и найти способы избирательно и динамически управлять каждой из структурных характеристик с помощью внешних воздействий. Применением световых (УФ/зелёный свет) и электрических стимулов, авторы добились независимой настройки оптических параметров. Таким образом, можно, например, менять цвет (длину волны) голографического изображения, не затрагивая саму фазу, формирующую это изображение, или регулировать его яркость (амплитуду) с помощью электрического поля, оставляя цвет и форму неизменными.
Для демонстрации независимой настройки оптических параметров методом фото-паттернинга были подготовлены специальные образцы. Авторами были применены разные методы управления для наблюдения эффектов обратимого изменения оптических свойств решеток.
Так обратимое изменение длины волны отражения наблюдалось при попеременном облучении образцов с паттерном "бабочка" УФ- и зеленым светом. Смещение пика отражения фиксировалось с помощью спектрометра: для состава M1 от 475 нм (синий) до 530 нм (зеленый), для M2 - от 555 нм до 630 нм. Поляризационные микроскопы визуализировали соответствующие цветовые изменения паттерна. После 20 циклов переключения спектры полностью восстанавливались, демонстрируя высокую стабильность (Рисунок 1).
Рисунок 1. Независимая модуляция пространственного коэффициента отражения и длины волны отражения образцов M1 и M2.
Для регулировки яркости (коэффициента отражения), которое наблюдалось на образце с паттерном "тюльпан", применялось электрическое управление. Электрическое поле 2 В/мкм вызывало заметное потускнение изображения, а при 13.4 В/мкм паттерн полностью исчезал, что фиксировалось микроскопом как уменьшение интенсивности отраженного света. Спектрометр подтверждал сохранение спектрального положения пика при изменении его интенсивности (Рисунок 2).
Рисунок 2. Электрически управляемая непрерывная модуляция коэффициента отражения
Селективность по поляризации наблюдалась при изменении углов поляризатора и падения света. Авторы экспериментально подтвердили, что структура избирательно отражает только свет с левой круговой поляризацией.
Выводы
Таким образом, авторы работы предлагают интегрированную платформу, которая впервые позволяет функционально развязать и параллельно контролировать несколько степеней свободы света — длину волны, амплитуду и фазу. Этот результат открывает путь к созданию принципиально новых устройств для перенастраиваемых оптических процессоров, многоканальных систем связи с кодированием информации в нескольких параметрах света одновременно и динамических систем голографического отображения.
Ссылка на работу: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202402844
Компания INSCIENCE занимается поставкой решений в области фотоники и оптики. Оставить онлайн заявку можно на сайте или по почте: info@inscience.ru