南京大学实现非线性光学新范式丨《Light》报道光电可调谐液晶二次谐波衍射研究

前沿摘要

近日，南京大学马玲玲、陈伟、陆延青教授团队在国际光学期顶刊《Light: Science & Applications》 上发表了一项突破性研究（https://doi.org/10.1038/s41377-025-01981-0）。他们利用光图案化铁电向列相液晶（FNLC），成功研制出世界上首款可电场动态重构的非线性Pancharatnam-Berry衍射元件，实现了对二次谐波的光束方向、偏振态和衍射阶次的实时调控，为下一代智能光子器件提供了全新的技术路径。

核心内容

研究团队利用离子掺杂的铁电向列相液晶（FNLC），通过光图案化技术制备出具有空间梯度偏振排列的液晶结构。该结构可在飞秒激光激发下产生高效的二次谐波（SHG），并通过对液晶分子取向的电场调控，实现衍射阶次、强度分布和偏振状态的动态连续调节。 

实验中，他们展示了在不同偏振入射光下，SHG信号可被精准导向预设的衍射方向，并首次实现了非线性Pancharatnam-Berry相位的电场实时重构，其驱动电压低至0.06V/μm，响应稳定且可逆。

科学意义

这项研究不仅首次将Pancharatnam-Berry相位从线性光学拓展至非线性领域，更展示了液晶材料在可编程非线性光子学中的巨大潜力。其应用场景包括： 

  量子光学：可用于偏振纠缠光子对的定向分发与调控；

  激光雷达：实现无需机械转动的光束扫描与成像；

  自适应光学系统：动态波前校正与多通道信号处理；

  光学加密与防伪：利用偏振和衍射双自由度实现高安全性编码。

结语

南大团队这项研究不仅解决了传统液晶光学在非线性调控中的瓶颈问题，更开创了“电场可编程非线性衍射光学”的新范式。未来，这类器件有望成为光计算、量子信息和传感系统中的核心“光操作单元”，真正实现“一片液晶，千种光路”的智能光子时代。

图1:非线性潘查拉特纳姆-贝里相位

图2:非线性衍射仿真

图3:梯度非线性潘查拉特纳姆-贝里相位液晶器件

图4:非线性衍射

图5:非线性衍射的动态调控

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