基于雙折射的深紫外光調(diào)制器件在光學(xué)領(lǐng)域具有重要作用。

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院丁寶福副研究員及成會(huì)明院士團(tuán)隊(duì)，西安高新技術(shù)研究所蔡偉教授團(tuán)隊(duì)及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授團(tuán)隊(duì)合作，以寬帶隙的無(wú)機(jī)二維鈷摻雜氧化鈦液晶為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)制備了新型光學(xué)水凝膠，該水凝膠作為一種透射式的深紫外雙折射器件，可實(shí)現(xiàn)深紫外光的連續(xù)穩(wěn)定調(diào)制。

該成果以“Deep ultraviolet hydrogel based on 2D cobalt-doped titanate” 為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

本文通訊作者為中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院丁寶福副研究員，西安高新技術(shù)研究所蔡偉教授及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院及西安高新技術(shù)研究所聯(lián)培博士研究生許友安。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、軍委科技委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。

基于雙折射的透射式深紫外光調(diào)制器（工作波長(zhǎng)λ＜350 nm）在日盲區(qū)光通訊、光束波形校正、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、半導(dǎo)體微納加工及光刻等方面具有重要應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)不斷探索，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了α-BBO、MgF?及Ca(BO?)?等深紫外雙折射單晶，這些單晶材料展現(xiàn)出良好的深紫外光調(diào)制性能，但固定的雙折射值限制了其在一些特定領(lǐng)域的應(yīng)用。

液晶材料在磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用下可有序排列，具有可調(diào)的雙折射，引起了廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)有機(jī)液晶材料在深紫外光照射下，極易發(fā)生光化學(xué)衰退，且會(huì)誘導(dǎo)某些有機(jī)基團(tuán)中的自由基發(fā)生聚合反應(yīng)，擾亂液晶分子的有序排列，進(jìn)而導(dǎo)致雙折射不穩(wěn)定，因此難以在深紫外波段下工作。同時(shí)，較高的深紫外光吸收也是限制傳統(tǒng)有機(jī)液晶材料在此無(wú)法工作在深紫外波段的一個(gè)重要因素。

為突破該技術(shù)瓶頸，作者利用離子插層法制備了無(wú)機(jī)二維鈷摻雜氧化鈦液晶，在磁場(chǎng)作用下，可實(shí)現(xiàn)深紫外光的透射式連續(xù)穩(wěn)定調(diào)制。

該液晶材料具有接近4 eV的光學(xué)帶隙，在300-350 nm深紫外波段內(nèi)的平均透射率高于70%，有效地解決了傳統(tǒng)液晶的深紫外吸收高的問(wèn)題。

磁性元素鈷的摻雜則帶來(lái)了極大的面內(nèi)面外磁化率的各向異性，施加外磁場(chǎng)后，液晶分子趨于磁場(chǎng)方向有序排列并由此產(chǎn)生雙折射。雙折射值可通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深紫外光強(qiáng)及相位的連續(xù)及精確的調(diào)制。

磁各向異性、極大的徑厚比（橫向尺寸與厚度的比值）及本征光學(xué)各向異性共同賦予了該材料超靈敏的磁場(chǎng)響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其磁光克頓-穆頓系數(shù)大于傳統(tǒng)有機(jī)液晶材料兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此實(shí)現(xiàn)液晶分子定向排布所需的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)大大降低。

該工作中，作者通過(guò)小體積零能耗維持的永磁體便實(shí)現(xiàn)了深紫外光相位的連續(xù)調(diào)制，具有節(jié)能、便攜及操控便捷等優(yōu)點(diǎn)，利于實(shí)際應(yīng)用。（圖1）

圖1：基于無(wú)機(jī)二維鈷摻雜氧化鈦液晶的深紫外光調(diào)制

圖2展示了該磁光器件優(yōu)異的深紫外光調(diào)制性能。滯回測(cè)試、瞬態(tài)磁光測(cè)試、循環(huán)測(cè)試及長(zhǎng)時(shí)間紫外光照射下的疲勞測(cè)試說(shuō)明了該器件具有良好的可逆性、毫秒級(jí)別的快速響應(yīng)性、優(yōu)異的耐用性及紫外穩(wěn)定性。

圖2：可逆性、響應(yīng)時(shí)間、耐用性及紫外穩(wěn)定性測(cè)試

團(tuán)隊(duì)成員利用二維鈷摻雜氧化鈦液晶超靈敏的磁場(chǎng)響應(yīng)及優(yōu)異的光學(xué)調(diào)制性能，成功制備了首個(gè)工作在深紫外光譜區(qū)且雙折射可調(diào)的光學(xué)水凝膠。

其制備過(guò)程主要是通過(guò)在該二維液晶中添加聚合物單體及光引發(fā)劑，結(jié)合磁場(chǎng)輔助下的原位光聚合反應(yīng)制備而成。其中磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液晶分子有序排列，聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則將這種有序結(jié)構(gòu)完整保存在水凝膠中并且賦予其良好的彈性。在光路方向壓縮或拉伸該水凝膠，可定量操控光程及液晶分子排布的有序參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)深紫外光相位延遲量的精準(zhǔn)調(diào)制。

這種力學(xué)調(diào)制方式具有輕便、高效快速及循環(huán)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可用作深紫外光學(xué)波片或光開(kāi)光等諸多深紫外光學(xué)器件的核心光學(xué)元件。（圖3）

圖3：基于二維鈷摻雜氧化鈦液晶的深紫外雙折射水凝膠

在本工作中，作者開(kāi)發(fā)了一種可穩(wěn)定工作在深紫外波段且雙折射可調(diào)的光學(xué)水凝膠，以透射式及機(jī)械式的方式實(shí)現(xiàn)了深紫外光的連續(xù)穩(wěn)定調(diào)制。

該研究為基于雙折射的新型深紫外光調(diào)制器件的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)，并為將目前已用于可見(jiàn)光及近紅外等波段的液晶光學(xué)器件推廣到深紫外波段打開(kāi)了大門(mén)。

| 論文信息 |

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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