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马年的两篇科研论文NEWS 精选

已有 11684 次阅读 2015-2-14 23:57 |系统分类:论文交流| 石墨烯, 太赫兹, 液晶, 光涡旋, 光取向

  转眼春节将至,回首马年,年首年尾各发表了一篇比较满意的工作;虽然本年度还有一些一区和二区的工作发表,但这两篇算是两个方向各自具有代表性的工作,为此我还专门写了NEWS推广。在此张贴出来,一来算是借助科学网的平台进行推广交流,再者也算是对自己研究方向的科普。请各位博友批评指教。

液晶与微纳光学研究组在“利用液晶光取向技术产生并调控光涡旋”方面取得重要进展

南京大学现代工程与应用科学学院液晶与微纳光学研究组利用液晶光取向技术产生并调控光涡旋方面取得重要进展,该研究成果于2014312日发表在材料领域权威期刊《先进材料》Adv.Mater.2014, 26(10), 1590-1595

当一束光的波前符合Ψ1= exp(imθ)时,会具有螺旋相位。对于这类光束,其坡印廷矢量虽然整体向前,但是有横向分量,其指向在空间不断地打转,因此带来了轨道角动量OAM。形象说来,其光波前像意大利螺旋面一样沿着光的传播方向呈螺旋扭曲状排布;由于光束中间是位相的奇点,只有在光强为零的条件下才能够得以满足,故光束中间总是个黑点,如果将光束投射到屏幕上会呈现涡漩状。光涡旋及OAM的存在说明了研究历史悠久的光仍然存在着新奇的特性,近年来吸引了科研人员的强烈关注和广泛研究。

OAM赋予了对光的性质进行调控的一个新自由度,打开了一条光信息复用的新通道。由于拓扑荷m的无限性,光涡旋对应的轨道角动量的态也是无限的。这预示着可以通过OAM复用来极大地增加无线及光钎通信的带宽。此外,用光涡旋来做光镊时,除了像普通光束一样捕获移动介电粒子外,还能够提供一个扭转力,使得对粒子的转动操控也变为可能。基于此,甚至可以对细小物体如DNA进行多维度精确操控。在天文学领域,基于光涡旋的日冕观测仪被用来屏蔽强的背景光以增加天文观测的对比度,这对于系外行星的直接观测起到了有力的推动作用。总之,光涡旋在光纤通信、微纳操控和天文观测等领域都有着广泛的应用。

迄今为止,科研人员已经开发出模式转换、螺旋位相片、Q-plate、叉形光栅等一系列技术以产生光涡旋。其中叉形光栅技术因其简便性成为一种常用的生成光涡旋的方法,它实际上是涡旋光和平面波倾斜干涉的面内图案。所以,如果入射平面波或高斯光,就可以在衍射级上看到OAM。控制图案结构,可使0级衍射完全消除,光分别衍射到不同的衍射级次上,具有不同的,逐渐增大的拓扑荷。将液晶这类具有优异电光性质的材料应用到其中,可进一步实现即时可调的光涡旋产生。

我们利用光取向技术取向控制灵活和图形分辨率高的特点,基于前期光取向液晶微结构制备技术开发【Opt. Express 2012, 20(5), 5384; Opt. Express 2012, 20(15), 16684; Opt. Express 2013, 21(6), 7608】及相关应用探索【Appl. Phys. Lett. 2012, 100(11), 111116; Appl. Phys. Lett. 2012, 101(3), 031112; Opt. Lett. 2012, 37(17), 3627】方面的研究经验,开发了一种全新的产生及调控光涡旋的技术方法。他们对前期自行研制的一套基于数控微镜阵(DMD, Digital Micro-mirror Device)的缩微投影系统进行了进一步改进,结合液晶光取向技术,制备了不同m值、不同取向模式的液晶叉形光栅,进而实现了快速响应、可重构、偏振和波长不敏感的高效高质量的光涡旋产生。液晶叉形光栅测试结果显示,对不同波长、任意偏振入射的可见光均获得了高达75%的±1级涡旋光转化效率。调节施加电压,可使光能完全转至零级(高斯光),一级及高阶衍射斑(涡旋光)完全消失,达到很好的开关态效果,引入双频液晶后,开关响应均达到亚毫秒量级。由于所用取向剂具有良好的可擦写特性,通过对样品再次曝光,实现了叉形光栅m值的实时擦写。该工作为制备低电压、低功耗、高效率、可电调、可光重构、偏振和波长不敏感的涡旋光束产生器提供了新的途径,并可推广应用到光通讯及THz波段,对涡旋光的应用拓展提供了铺垫。研究开发的数控微镜阵微光刻系统可用于实现任意液晶微结构图形和取向方向的实时控制,为可调控微纳光学研究提供了一种有效的技术手段。

本论文第一作者为2012级“英才计划”硕士生魏冰妍,胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者,南京大学作为第一单位与Thorlabs(上海)、香港科技大学合作完成。该研究得到了973、自然基金、教育部博士点基金等的支持。

 


1 自行开发的数控微镜阵缩微投影装置示意图


2 不同m值的叉形光栅用于光涡旋的产生及调控

液晶与微纳光学研究组在太赫兹电光元器件方面取得重要进展

最近,南京大学现代工程与应用科学学院液晶与微纳光学研究组在利用液晶实现宽带可调太赫兹波片的研究中取得重要进展。报导该研究成果的题为"Broadband tunable liquid crystal terahertz waveplates driven with porous graphene electrodes"的论文,于2015227日发表在*Light: Science & ApplicationLight Sci. Appl., 2015, 4, e253.

由于技术与材料的限制,频率处在0.110 THz之间的电磁波(即太赫兹波)在研究上一度成为电磁波谱上的空白。近年来,随着科技的迅猛发展,科学家逐渐在太赫兹波产生、传输和检测等方面取得了令人瞩目的成绩。太赫兹波由于其独特的优点,有望成为物质结构分析、生命医疗探测、高效绿色安检和高速无线通信的全新手段,并在天文观测、空间通讯和精密光谱测量等领域具有潜在的应用价值。

太赫兹研究与日俱增,但适用于该频段的光子学器件,尤其是可调控器件依然是一个挑战。液晶材料具有宽带可调的特性且拥有成熟的工业技术基础,因而基于液晶的太赫兹可调器件研究引起了科研人员的广泛关注。寻求成熟的可见光与通讯波段元器件(如:开关、衰减器、滤波片、偏振控制器、路由器等)在太赫兹频段的直接对映,并以此实现对太赫兹波的操控,已成为科技工作者的追求。但一直来该领域的研究面临着几个难题:一,可见光和通讯波段通常采用的透明导电薄膜如氧化铟锡(ITO)等在THz频段变得不再透明,因而在施加电场方面遇到严峻的挑战;二,液晶材料的双折射率随波长增加而减小,在THz频段显著降低,而THz波的波长又是可见光的成百上千倍,要达到同样的位相调制量,所需的液晶和厚度要达到毫米的量级,使得液晶的均匀配向无法实现。上述两个瓶颈严重的阻碍了该领域的发展。

在该工作中,研究者系统解决了上述问题,并提出了一整套实用的解决方案。本工作选取进行相位延迟和偏振转换的基本元件——波片作为实例。液晶盒采取了一种独特的结构设计:1. 选用亚波长金属线栅同时作为高透过电极和内置起偏器;2. UVO处理的多孔石墨烯作为无偏振依赖特性的高透电极(>98%);3. 非接触式光控取向作为无损伤的液晶配向技术;4. 自行开发的在THz频段低吸收损耗、大双折射率的液晶材料NJU-004作为填充液晶材料。最终在250 μm较小盒厚的条件下,实现了0.5-2.5 THz宽带低电压连续调谐的THz波片,并验证了其偏振调控特性。在小体积、集成化、高效率、低能耗的实用液晶THz元器件方向上迈出了关键的一步。实现了液晶材料与THz技术的完美结合,在THz通信、传感探测、分析、成像等领域具有广泛的应用前景。

      该工作得到了液晶界著名学者UCF S. T. Wu教授的高度评价, “Great progress and exciting results. ……You have solved very important problems in polarizer, transparent electrodes, LC materials and LC alignment. These are all very crucial to this emerging field.”审稿过程中也得到了三位审稿专家的一致好评:“In this manuscript, the authors demonstrated a clever approach to solve a tough problem of liquid crystal-based Terahertz phase shifter. ……Overall speaking, this paper is not only scientifically exciting but also practically useful.” “A nice literature review was given on the LC and graphene based terahertz devices.” “……UVO-treated graphene film……together with the high-quality liquid crystal developed by the authors, leads to a practical terahertz waveplate with the desired compactness, high efficiency and wide tuning range. This work is thus of general interest and practical significance.”

 本论文王磊同学和林晓雯同学为共同第一作者,胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者,南京大学作为第一单位与南京工业大学、清华大学合作完成。该研究得益于国家自然科学基金和973项目的资助,同时离不开人工微结构科学与技术协同创新中心、太赫兹科学协同创新中心、学校985工程、江苏省优势学科建设工程(材料科学与工程)等的支持。

     * Light: Science & Applications是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所与Nature出版集团合作出版的光学期刊(双周刊)。于20123月创刊,致力于推动全球范围内的光学研究,刊载光学领域基础、应用基础以及工程技术研究及应用方面的高质量、高影响力的原创性学术论文和综述文章。已获创刊首个影响因子8.4762013)。2014 IF目前已超过14,在近百种光学类期刊中紧随Nature Photonics排名第2


1 THz液晶波片示意图及电极透过率


2 THz液晶可调波片测试及偏振转换的验证



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