液晶-金纳米复合材料中局域表面等离子体共振诱导的光学介电特性研究及其动态全息应用

本文创新性地研究了掺杂金纳米颗粒（Au NPs）的向列相液晶（LC）复合材料的光学介电特性，揭示了局域表面等离子体共振（LSPR）对动态相位光栅记录的调控机制。通过理论建模证明，LSPR激发可改变液晶光学指示椭球尺寸（而非传统分子集体重取向），使光栅记录/擦除时间显著缩短。研究为开发高速响应光学调制器（如SLM）提供了新思路，但需严格控制NPs体积分数（φ≤0.01）以避免热光栅主导。

　　

亮点

我们建立了基于局域表面等离子体共振（LSPR）的液晶-纳米复合材料介电常数变化理论模型，为开发超快响应光学器件奠定基础。

金纳米颗粒激发LSPR引起的液晶-纳米复合材料介电常数变化

向列相液晶-纳米复合材料的独特之处在于其光学特性可通过纳米颗粒（NPs）的浓度和形态精准调控。本研究聚焦实际应用中最常见的场景——球形金属纳米颗粒均匀分散于向列相液晶基质中，且浓度较低（φ≤0.14）。

由于向列相液晶具有光学各向异性，其介电常数通常用二阶张量描述。当含有金纳米颗粒（3-10 nm）的复合材料被可见光激发时，LSPR效应会导致局域电场增强，进而改变复合材料整体的复介电常数。值得注意的是，这种机制通过改变光学指示椭球主轴长度（而非传统液晶分子集体旋转）实现折射率调控，为纳秒级响应提供了可能。

基于LSPR效应的液晶-纳米复合材料动态相位光栅记录

采用双波混频技术（TWM）可在这种材料中记录动态光栅。通过前文获得的复介电常数主值（ε_∥和ε_⊥），可计算出特定波长下光学指示椭球的折射率n和吸收系数α。研究发现：

1. 当入射光波长远离LSPR共振峰（如通信波段1550μm或850μm）时，可显著降低热效应

2. 体积分数φ需精确控制在0.01以下才能实现纯相位光栅

3. 光栅衍射效率与Δn²成正比，响应速度比传统液晶器件快3个数量级

结论

本研究通过建立LSPR介导的介电常数变化模型，证实了金纳米颗粒-液晶复合材料在超快光学调制领域的潜力。尽管存在热效应限制，该材料在红外通信波段展现出的皮秒级响应特性，为下一代光电子器件开发提供了全新路径。