铁电向列相材料中极化畴工程实现非线性光学调制的新策略

为解决铁电材料极化构型调控难题，研究人员通过光刻技术操控铁电向列相液晶(NF)的静电-表面锚定竞争，构建了包含扭曲涡旋在内的多样化极化场，成功制备周期性展曲-弯曲极化结构，实现了多衍射级次二次谐波(SH)的偏振调控，为非线性几何相位器件和光学信息复用开辟了新途径。

　　

在材料科学和光学领域，铁电材料因其独特的自发极化特性一直备受关注。从1920年罗谢尔盐晶体的首次发现，到1940年代BaTiO₃铁电性的确认，这类材料在微电子学、光通信和量子信息处理等领域展现出巨大潜力。然而传统固态铁电材料存在一个根本性限制——其极化方向只能沿特定晶轴定向排列，这严重制约了极化构型的灵活调控。近年来，被称为铁电向列相(N_F)的流体铁电材料的发现打破了这一局限，其中代表性材料DIO（含1,3-二氧六环介晶核和六个氟基团）在39-67°C呈现N_F相，其极化矢量P可随分子指向矢n连续旋转。但如何精确操控这种流体铁电材料的极化构型，特别是实现弯曲、扭曲与展曲的复合极化场，仍是领域内亟待解决的挑战。

针对这一科学难题，国内某研究机构的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表创新成果。他们通过精密调控光刻条件来操纵表面锚定强度，利用数字微镜器件(DMD)光刻系统实现了铁电向列相材料中多样化极化场的按需构建。研究采用多步曝光技术制备周期性图案化表面边界条件，通过同步控制曝光图像更新和偏振片旋转，在N_F相中成功构建了从均匀单畴到扭曲涡旋的多种极化拓扑结构。特别值得注意的是，团队开发出厚度依赖的"状态相图"，为极化构型调控提供了明确指导原则。

关键技术包括：1）基于SD1光敏染料的微光刻图案化技术，实现亚微米级精度的指向矢场编程；2）偏振光学显微镜与二次谐波(SHG)共聚焦显微系统联用，实现极化构型的多尺度表征；3）通过温度-电场耦合调控，解析极化反转动力学过程；4）建立衍射光学系统，定量评估线性/非线性光学调制性能。

【铁电单畴与非线性光学响应】

研究首先在厚度<2μm的薄层样品中获得均匀排列的铁电单畴，通过直流电场实现了极化方向的可逆调控。SHG测试证实N_F相具有显著的二阶非线性响应，测得非线性系数d₃₃=0.503±0.012 pm/V。有趣的是，当基频光偏振平行或垂直于指向矢n时，激发的SH光偏振均保持沿n方向，这与线性光学过程形成鲜明对比。

【可重构极化涡旋】

通过设计纯弯曲型指向矢变形，团队成功制备了拓扑电荷为1的极化涡旋。电场响应实验揭示涡旋内极化呈顺时针分布，SHG断层扫描证实该结构在薄层液晶盒中呈圆柱形分布。特别发现当电场方向与初始极化方向失配时，会优先破坏涡旋的特定区域，这种不对称破坏现象为极化构型分析提供了新方法。

【扭曲极化畴与涡旋】

增加样品厚度至5-8μm后，表面锚定约束减弱，均匀单畴和拓扑缺陷均转变为手性态。通过传输光强角度依赖关系测定，发现相邻畴区的指向矢沿垂直基板方向呈现约150-170°的扭曲。不同浓度SD1对比实验表明，较厚的取向层提供更强的表面锚定，使扭曲角更接近180°。这些扭曲畴被缺陷壁分隔，根据缺陷壁数量可分为I型和II型极化扭曲涡旋。

【挠曲电驱动极化光栅】

最具应用潜力的是团队开发的周期性展曲-弯曲极化结构。该结构在N相作为cycloidal衍射波片，进入N_F相后转变为极化光栅。通过施加不同方向电场证实了极化分布：展曲部分极化方向由挠曲电耦合决定，而弯曲部分中心形成反平行极化的畴壁。这种特殊结构在线性光学调制中可将入射光分为±1级圆偏振光；在非线性过程中，线偏振基频光可激发±2级衍射的SH光，且不同级次呈现差异化偏振态，为光学信息复用提供了新维度。

这项研究的意义在于建立了流体铁电材料极化畴工程的系统方法学。通过调控表面锚定与静电相互作用的竞争，实现了从二维到三维的极化场精准操控，突破了传统固态铁电材料极化构型单一的局限。所开发的周期性展曲-弯曲极化结构展现出独特的线性/非线性光学调制能力，特别是能在不同衍射级次产生差异化偏振态的SH光，这为开发新型非线性几何相位器件奠定了基础。研究揭示的"光刻条件-极化构型"对应关系，为后续设计复杂拓扑极化结构提供了重要指导。该成果不仅推动了软物质铁电材料的基础研究，也为光学信息加密、量子通信等应用开辟了新途径。