Light | 基于二维液晶的深紫外双折射水凝胶

基于双折射的深紫外光调制器件在光学领域具有重要作用。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院丁宝福副研究员及成会明院士团队，西安高新技术研究所蔡伟教授团队及清华大学深圳国际研究生院刘碧录教授团队合作，以宽带隙的无机二维钴掺杂氧化钛液晶为基础，开发制备了新型光学水凝胶，该水凝胶作为一种透射式的深紫外双折射器件，可实现深紫外光的连续稳定调制。

该成果以“Deep ultraviolet hydrogel based on 2D cobalt-doped titanate” 为题发表在Light: Science & Applications。

本文通讯作者为中国科学院深圳先进技术研究院丁宝福副研究员，西安高新技术研究所蔡伟教授及清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院及西安高新技术研究所联培博士研究生许友安。该研究得到国家自然科学基金委、军委科技委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。

基于双折射的透射式深紫外光调制器（工作波长λ＜350 nm）在日盲区光通讯、光束波形校正、高密度数据存储、半导体微纳加工及光刻等方面具有重要应用。

经过不断探索，科学家开发出了α-BBO、MgF₂及Ca(BO₂)₂等深紫外双折射单晶，这些单晶材料展现出良好的深紫外光调制性能，但固定的双折射值限制了其在一些特定领域的应用。

液晶材料在磁场或电场作用下可有序排列，具有可调的双折射，引起了广泛关注。但传统有机液晶材料在深紫外光照射下，极易发生光化学衰退，且会诱导某些有机基团中的自由基发生聚合反应，扰乱液晶分子的有序排列，进而导致双折射不稳定，因此难以在深紫外波段下工作。同时，较高的深紫外光吸收也是限制传统有机液晶材料在此无法工作在深紫外波段的一个重要因素。

为突破该技术瓶颈，作者利用离子插层法制备了无机二维钴掺杂氧化钛液晶，在磁场作用下，可实现深紫外光的透射式连续稳定调制。

该液晶材料具有接近4 eV的光学带隙，在300-350 nm深紫外波段内的平均透射率高于70%，有效地解决了传统液晶的深紫外吸收高的问题。

磁性元素钴的掺杂则带来了极大的面内面外磁化率的各向异性，施加外磁场后，液晶分子趋于磁场方向有序排列并由此产生双折射。双折射值可通过磁场进行调控，进而实现深紫外光强及相位的连续及精确的调制。

磁各向异性、极大的径厚比（横向尺寸与厚度的比值）及本征光学各向异性共同赋予了该材料超灵敏的磁场响应，实验发现其磁光克顿-穆顿系数大于传统有机液晶材料两到三个数量级，因此实现液晶分子定向排布所需的驱动磁场大大降低。

该工作中，作者通过小体积零能耗维持的永磁体便实现了深紫外光相位的连续调制，具有节能、便携及操控便捷等优点，利于实际应用。（图1）

图1：基于无机二维钴掺杂氧化钛液晶的深紫外光调制

图2展示了该磁光器件优异的深紫外光调制性能。滞回测试、瞬态磁光测试、循环测试及长时间紫外光照射下的疲劳测试说明了该器件具有良好的可逆性、毫秒级别的快速响应性、优异的耐用性及紫外稳定性。

图2：可逆性、响应时间、耐用性及紫外稳定性测试

团队成员利用二维钴掺杂氧化钛液晶超灵敏的磁场响应及优异的光学调制性能，成功制备了首个工作在深紫外光谱区且双折射可调的光学水凝胶。

其制备过程主要是通过在该二维液晶中添加聚合物单体及光引发剂，结合磁场辅助下的原位光聚合反应制备而成。其中磁场驱动液晶分子有序排列，聚合物交联网络则将这种有序结构完整保存在水凝胶中并且赋予其良好的弹性。在光路方向压缩或拉伸该水凝胶，可定量操控光程及液晶分子排布的有序参数，从而实现深紫外光相位延迟量的精准调制。

这种力学调制方式具有轻便、高效快速及循环稳定等优点，可用作深紫外光学波片或光开光等诸多深紫外光学器件的核心光学元件。（图3）

图3：基于二维钴掺杂氧化钛液晶的深紫外双折射水凝胶

在本工作中，作者开发了一种可稳定工作在深紫外波段且双折射可调的光学水凝胶，以透射式及机械式的方式实现了深紫外光的连续稳定调制。

该研究为基于双折射的新型深紫外光调制器件的构建奠定了基础，并为将目前已用于可见光及近红外等波段的液晶光学器件推广到深紫外波段打开了大门。

| 论文信息 |

Xu, Y., Ding, B., Huang, Z. et al. Deep ultraviolet hydrogel based on 2D cobalt-doped titanate. Light Sci Appl12, 1 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00991-6

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