华东理工大学郑致刚团队 AOM：基于可编辑边界锚定的液晶光学隐写术

2023-02-22 来源：高分子科技

利用多通道的平面光学元件实现对光的振幅、相位、偏振、波长等参量的多自由度操控是当代诸多光电子信息研究的基石。以此为基础实现的光学隐写术在光信息存储、光学加密、光学防伪等领域具有广阔应用前景。然而，传统光学隐写系统加工过程复杂，器件口径小，编码及解码过程自由度受限，限制了其进一步的应用。

近日，华东理工大学物理学院郑致刚教授团队（软光子智能材料与物理）提出了一种基于液晶软材料体系的光学隐写术。通过编辑液晶的锚定边界来调制透射光的偏振及强度，实现了高精度、多通道的光学隐写系统。基于全息表面浮雕结构的可编辑液晶拼图技术（Adv. Mater. 2023, 2211521）为大尺寸液晶器件的制备提供了低成本、高效率的加工方式，同时，液晶独特的电学及光学特性为信息解码提供了新的自由度。所制备的液晶光学隐写元件在短波、强光条件下仍可保持稳定并正常工作，且用封框胶封装后的器件在室温环境下可保存20个月以上，因此该技术有望进一步促进液晶多功能光学系统的商用化及工程化。该工作以“Optical Steganography via Programmable Anchoring Boundary of Soft Materials”为题发表在《Advanced Optical Materials》上。文章通讯作者为华东理工大学郑致刚教授，文章第一作者为华东理工大学博士生王翼飞。

图1. 基于液晶实现光学隐写术的原理。a. 液晶光学隐写器件示意图。b. 正交偏光显微镜下平行取向的液晶织构。c. 基于平行取向液晶畴实现万花筒图像。d. 正交偏光显微镜下扭曲向列相液晶织构。e. 基于扭曲向列相液晶畴实现中国风水墨画。

该研究中，作者从机理入手，通过理论计算与模拟分析了利用液晶实现光学隐写术的可能性。具体来说，当一束线偏振光穿过液晶层后，其琼斯矩阵可表示为：

其中?为液晶扭曲角度，

，光透过液晶层产生的相位延迟为

，α_p为入射光相对入射端液晶指向矢的偏振角度。可推得，经过检偏器后的透射光强为：

α_a为入检偏器透光轴相对液晶指向矢的角度。

可以看出，透射光强度受液晶扭曲角度、起偏角、检偏角等因素影响。当扭曲角度为0°（即平行取向）且平行于正交偏振片（透光轴沿x/y方向）的任意一透光轴时，液晶器件对光不产生调制，透过光强为0，因此呈现暗态；当液晶取向方向与起偏（检偏）器透光轴存在一定夹角α时，透射光产生相应的相位延迟，器件呈现出偏振干涉色（图1b, c）；扭曲向列相液晶可以改变入射光的偏振方向，在正交偏光片下可实现任意灰度图案（图1d, e）。有趣的是，取向方向为α的液晶畴与取向方向为π-α的液晶畴具有相同相位延迟，即二者在正交偏光片下呈现出相同的偏振干涉色。于是，将不同信息编码为液晶畴结构的取向信息，通过合理设计液晶畴结构的取向方向与起偏/检偏器的角度，即可实现不同信息的隐藏与读取。

图2. 基于平行取向液晶畴的光学隐写术及电场调谐的偏振干涉色

同理，可将信息编码至扭曲向列相液晶的扭曲角，在特定起偏/检偏角度下，同样可实现信息的隐藏与读取。

图3. 基于扭曲向列相液晶畴的光学隐写术

图4. 电场调控实现光学隐写术及视角依赖的光学隐写术

此外，该研究还展示了基于共享孔径的扭曲向列相光学隐写术。与传统光学隐写术不同，编码在液晶层中的光信息可通过外场刺激（如外加电场）、改变视角等方式进行解码，增加信息解码的自由度。同时，由于不同解码方式伴随独特的偏振干涉色，传递出不同的光谱信息，有望实现基于可调谐色彩的新型编码技术。团队近期围绕像素化表面浮雕可编辑锚定液晶序构构筑展开研究，已经实现了序构的可编辑、可控、多维度构筑，并开发在结构光产生、编辑、结构光编码、多维度粒子操控方面的应用（Advanced Materials 2023, 35, 2211521），该工作是基于上述基础向应用领域的再次深入。

该研究工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、上海市科委创新计划项目、上海市科学委员会、上海市教育发展基金会、上海市教委“曙光计划”的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1002/adom.202202971

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211521

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（责任编辑：xu）

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