染色液晶让光学元件实现纯光调控

一项用光控制光学元件的新技术，有望催生一代高效信号处理技术，进而推动全息视频等未来应用。

澳大利亚国立大学（ANU）ARC TMOS的物理学家开发出一种方法，能让通常静态的器件借助光实现动态调谐。对于光子学这种灵活而强大的光基技术来说，这是一项重要能力。

项目负责人Yana Izdebskaya博士说，他们的做法是把通常保持静态的超表面嵌入液晶中，并在液晶里混入一种光响应染料。

Izdebskaya说：“我们可以用光改变超表面的光学响应——不需要电极、磁性部件或加热元件，只用光就行。而且整个过程完全可逆，这一点此前一直很难做到。”

基于光子学的计算机芯片有望比电子芯片信号处理更快、更节能、噪声更低。不过，它们还缺少一些信号处理功能。这项新技术可以补上其中一部分缺失的功能，比如光开关和动态光束整形。该研究发表在《Nanoscale》上。

液晶实现光控

超表面能产生自然材料无法产生的光学效应。它们由表面阵列构成，阵列中的纳米级结构比光的波长还小。其效应取决于超表面本身（这里是一种叫氢化非晶硅的介质材料）与周围介质（如空气）之间的折射率差。

空气的折射率不容易改变。但如果用折射率可变的液晶覆盖超表面，它的行为就能被动态控制。

TMOS团队此前曾率先使用磁场来控制填充了液晶的超表面。但他们的最终目标是摆脱电磁方法，转向光控。

染料响应绿光

德国明斯特大学的Andrey Iljin博士来访，补上了关键一环。Iljin是染料专家，他与团队合作，把光响应染料甲基红加入液晶。

甲基红是一种较大的染料分子。受到绿光（波长532纳米）照射时，它会根据光的偏振在直链形态和弯曲形态之间切换。

甲基红分子形状的变化会改变液晶的取向——这里用的是长而细的向列相液晶分子——并改变它们在超表面工作波长（红外）处的偏振响应。

数秒内切换红外共振

团队选用了一种静态超表面，由椭圆形硅纳米柱制成，设计上通过连续域束缚态（BIC）效应产生共振。这种超表面同时支持电偶极和磁偶极共振。为了控制它，团队使用了掺杂1%甲基红染料的液晶。

借助这种控制方式，研究人员可以通过改变绿光的偏振，来改变红外波段两个偶极共振的相对强度。

他们还可以通过增强绿光强度来增强响应。关掉光后，响应不到一秒就回到初始状态——这比过去的液晶材料有了明显改进，因为后者需要加热才能重置取向，过程慢得多。

走向更小、更快的光学器件

Izdebskaya说：“最初实验中，这种快速响应已经让我们很满意；但我认为，如果优化浓度或尝试其他染料，我们还能进一步改进这种控制。”

Izdebskaya和Ilya Shadrivov教授团队中的同事正在努力缩短响应时间，并制作这种受控超表面的微型像素级版本。

Izdebskaya说：“这很重要，因为这种方法可用于许多不同器件——超透镜、成像系统和全息术。未来，这些极小的纳米级元件或许能替代智能手机和相机中的镜头等笨重器件。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1039/d6nr00501b