近期，光学领域权威期刊Laser & Photonics Reviews以“Programming dual-color circularly polarized luminescence with self-organized soft photonic helix”为题，报道了我校郑致刚教授课题组在自组装软光子螺旋实现可编程双色圆偏振发光方面取得的最新研究进展。
圆偏振发光（CPL）颜色的控制在光学应用中一直备受期待，尤其是在信息编码、高维传输和CPL显示等领域具有显著应用意义。长期以来，研究人员一直致力于实现多色且高不对发光因子（glum）圆偏振光的发射，期望挖掘圆偏振光的新应用，如高对比度的可控圆偏振显示、多通道的CPL信息传输等。然而，平衡光子带隙与材料诱导发光之间的耦合以实现多色且高发光不对称因子的CPL内在机理不明，仍然是个困扰多个学科的挑战性难题。
因此，利用简单、稳定、多功能化的方式高效地产生多色圆偏振光发射对探索其广阔应用具有重大意义。现如今，包括分子自组装、上转换发光、荧光共振能量转移在内，科学家们已相继提出各种方法，用于产生有效的多色圆偏振发光发射。其中，分子自组装体系简单、荧光共振能量转移和上转换发光具有主动调节切换圆偏振发光颜色等优势，尽管如此，目前这些方法都难以同时兼顾颜色调节和有效的圆偏振发光调制，限制了圆偏振发光的应用开发。
基于上述难点，该工作创造性地提出了一种自组装软光子螺旋实现可编程双色圆偏振发光的方法。利用大双折射的螺旋液晶形成具有宽光子禁带的微腔，禁带范围完全覆盖染料的发射峰，增强发光分子与可用光学模式之间的相互作用，增强了CPL性能，同时，宽光子禁带边缘的荧光发射受微腔调制放大。最终，基于微腔结构对光子禁带边缘的染料发射调制效应和对圆偏振光发射的选择性增强相结合实现了双色且高glum的圆偏振光发射。与以往报道的多色CPL发光体系不同，课题组设计的软光子螺旋液晶结构能够基于一种体系同时产生双色CPL，基于小周期的液晶偏振光栅，还可得到分离的双色CPL。
图1 螺旋液晶体系对圆偏振发光调制机理研究
图2 双色CPL产生机制证明
得益于液晶材料优异的外场响应性，对CPL显示器件施加驱动电场可以灵活地对圆偏振光进行“开”和“关”的动态调节。通过对ITO电极进行设计，施加电场可逆调节不同区域液晶分子的排列，结合圆偏振片检偏，实现了对比度达34：1的CPL图案显示。
图3 电场可逆切换实现CPL图案显示应用
基于液晶反射器对圆偏振光的选择性反射特性，我们构筑了多通道信息传输的编码器。每个通道的衍射结果叠加在一起，形成所需的光学输出，并根据预定义的编码规则进一步转化为所需传输的信息。通过控制每个通道输出信号的时间长度，我们实现了两组摩斯编码的独立传输。通过进一步优化编码规则和提高编码器的性能，有望实现更复杂、更灵活的高维光通信系统，将为信息传输提供更大的容量和更高的速度，推动光通信技术的进一步发展。
图4 多通道独立传输CPL信息的编码器设计
该研究工作主要是由我校材料科学与工程学院博士刘璇在郑致刚教授的指导下完成，英国威廉希尔官网登录郑致刚教授和化学与分子工程学院胡宏龙博士为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、上海市科技创新重大项目、上海市曙光计划等项目资助。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300603