【產通社，9月13日訊】南京大學（Nanjing University）官網消息，陳鵬副教授、陸延青教授研究團隊聯(lián)合深圳大學張萬隆助理教授、袁小聰教授研究團隊在軟物質光子學領域取得新進展，構筑了拓撲手性層狀鐵電液晶超結構，基于其獨特的快速電光響應性，提出了一種高速選擇邊緣增強成像的新方案。該結構在低電場驅動下發(fā)生有效光軸的分布重構，實現(xiàn)了矢量光場的動態(tài)調控及正交維度邊緣檢測的快速切換，展示了寬帶高效、動態(tài)高速的光學模擬運算技術，拓展了軟物質在成像及光計算領域的應用。

液晶以其對電、磁、光、熱等多元外場的良好敏感性而聞名，在顯示行業(yè)仍占據主流地位。手性近晶C相鐵電液晶作為一種十分特殊的液晶材料，在無外場時，液晶分子以固定的傾斜角度圍繞層法線旋轉，自組裝形成獨特的手性層狀結構；而在外部電場作用下，鐵電液晶的指向矢發(fā)生面內旋轉，具有超快速的電光響應特性。鐵電液晶在電致解旋型模式下，具有超高速可調光軸，研究者們發(fā)展了鐵電液晶波片、光柵及菲涅耳透鏡等動態(tài)光子元件，進一步豐富了主動可調光學技術。若能深入探究其可重構的光軸分布，打破常規(guī)二元結構的局限，鐵電液晶有望賦能光學模擬運算，助力動態(tài)邊緣成像的新方案。

南京大學陳鵬、陸延青團隊與深圳大學張萬隆、袁小聰團隊深入合作，提出了一種可快速重構的拓撲手性層狀鐵電液晶器件，探究了電場驅動下的矢量光場動態(tài)變換，實現(xiàn)了正交維度、寬帶光學圖像邊緣的快速選擇與切換，為動態(tài)實時光學圖像處理提供了新技術。構筑等效光軸分布滿足α = 0.5φ+α0的鐵電液晶器件，該鐵電液晶器件對入射線偏振光的空間頻譜進行相位調制，正交檢偏后近似實現(xiàn)一維空間微分。攜帶圖案信息的輸入光場與傳遞函數的卷積使得圖案局域無變化區(qū)域發(fā)生相消干涉，而邊緣區(qū)域被強化。事實上，輸出邊緣方向與α0高度相關，通過選擇不同的α0，可以增強沿不同方向的邊緣。有趣的是，鐵電液晶超結構的整體等效光軸可以通過施加的外部電場進行重構。當外加電場的極性改變時，α0將改變2θ（從-θ/+θ變?yōu)?θ/-θ），導致所選擇的邊緣方向發(fā)生同步變化。在外加電場正極性下，α0=+θ=+π/8，垂直邊緣被選擇并顯著增強；相反，對于負極性，成像過程中有選擇地突出顯示了水平邊緣。在該方案中，拓撲手性層狀液晶超結構在電場控制下發(fā)生解旋，不同極性條件下有效光軸分布重構，可以實現(xiàn)兩個正交方向邊緣像的快速選擇與動態(tài)切換。

（1）拓撲手性層狀液晶超結構動態(tài)調控矢量光場

研究團隊利用非對稱平面錨定、光控圖案化取向和緩變降溫技術在鐵電液晶中引入螺旋漸變排列及中心拓撲奇點，構筑了拓撲手性層狀超結構，實現(xiàn)了沿角向漸變的面內等效光軸分布。得益于鐵電液晶的獨特電場刺激響應性，在施加大于或等于閾值電壓的外電場時，該液晶螺旋超結構將發(fā)生解旋和重構，對矢量光場有不同的調制作用。外加電場極性為正時，等效光軸實現(xiàn)+θ的同步旋轉；極性為負時，等效光軸實現(xiàn)-θ的同步旋轉。改變外加電場極性，出射線偏振方向發(fā)生整體同步旋轉，形成具有另一種偏振分布的矢量光束，從而實現(xiàn)了矢量光束的旋轉變換。

研究團隊演示了傾斜角為25°的鐵電液晶材料在不同電場極性條件下，螺旋結構的變化和矢量光場的調控能力。施加正極性電場時，拓撲手性層狀液晶超結構發(fā)生解旋，等效光軸分布整體旋轉+25°；極性反轉時，等效光軸分布相較初始態(tài)整體旋轉-25°，相較正極性條件下整體旋轉-50°。該液晶超結構的正交偏光顯微照在相反極性的外加電場下，于兩種狀態(tài)之間快速切換。當入射光為波長550nm的水平線偏振光時，在不同極性外加電場下，產生的衍射光斑均呈現(xiàn)圓環(huán)形光強分布，但相應的矢量光場偏振分布近似正交，發(fā)生了整體偏振旋轉。

（2）可快速選擇的寬帶光學邊緣檢測

可控的矢量光場偏振分布旋轉為光學圖像邊緣的選擇性識別提供了新思路。研究團隊利用4f系統(tǒng)，經偏振片調制后的光學圖像“1”照射置于4f系統(tǒng)頻譜面的鐵電液晶超結構，在外電場極性為正時，檢偏片清晰地濾出了該圖像的豎直邊緣像；反轉外加電場的極性，輸出像切換為水平邊緣。動態(tài)控制電場的極性，實現(xiàn)了光學圖像邊緣的快速選擇與動態(tài)切換。值得注意的是，得益于正交檢偏的光路設計，未調制的零級光被強烈抑制，使得該方案在可見至近紅外的寬光譜范圍內均可適用。

鐵電液晶的卓越電光特性賦予該選擇性邊緣檢測技術超快的響應速度。豎直邊緣像切換至水平邊緣像及其相反過程的響應時間，分別測量為53μs和60μs，較比普通液晶光學器件快兩到三個數量級。進一步地，該鐵電液晶動態(tài)器件具有良好的可靠性和可逆性，在數千次開關周期循環(huán)過程中維持穩(wěn)定的㇏響應特性，波形沒有明顯變化，展現(xiàn)出優(yōu)越的動態(tài)性能。

本研究提出的鐵電液晶動態(tài)光學元件實現(xiàn)了電控有效光軸的分布重構，有效改善了傳統(tǒng)光學邊緣檢測器件不可調、功能固定等局限性，實現(xiàn)了矢量光場的動態(tài)調控及正交維度邊緣檢測的快速切換，提供了動態(tài)光學邊緣檢測的新策略，挖掘了拓撲手性液晶超結構在光學模擬運算領域的潛力。此外，該器件有望與商用高速成像儀兼容，促進多維光信息的快速采集和實時處理，助力機器視覺等領域的前沿應用。

相關成果以“Fast selective edge-enhanced imaging with topological chiral lamellar superstructures”為題，在線發(fā)表于National Science Review（DOI: 10.1093/nsr/nwae247）。南京大學為該工作的第一完成單位，現(xiàn)代工程與應用科學學院研究生陳聞、朱棟為共同第一作者，南京大學的陳鵬副教授、陸延青教授與深圳大學的張萬隆助理教授、袁小聰教授為共同通訊作者，研究生劉思嘉、張逸恒、朱琳、李超逸及副研究員葛士軍對本文亦有重要貢獻。該研究由國家重點研發(fā)計劃（青年科學家項目）、江蘇省前沿引領技術基礎研究專項、國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金等資助完成。

查詢進一步信息，請訪問官方網站http://www.nju.edu.cn/info/1067/374041.htm。（Robin Zhang，產通數造）    （完）