近日，菠菜担保网论坛陈鹏副教授、陆延青教授团队在软物质光子学领域取得新进展，利用热响应手性液晶超结构光子带隙内的偏振态投影与几何相位调制效应，实现二元光学变量之间的交互作用和运算功能，扩展了手性液晶光学元件的功能范畴，有望助力智能光信息处理等相关应用。
结构化光学材料能够调控光的多个维度来实现数学函数，推动光从显示媒介到计算载体的变革。光的多个物理维度可用于表达数学变量，而功能系统用于实现输入到输出的映射。目前，编码变量的维度主要包括光强、相位、偏振和轨道角动量等，计算功能包括分类、微分、加法/减法等。前述大部分属于一元运算的范畴，只涉及单个输入。另一类则称作二元运算，其输出由两个输入共同决定，典型示例包括针对逻辑变量的布尔运算、针对两个数或图形的关系运算等。二元运算应用广泛，但其光学实现却少有研究。
二元运算器的基本要求是：两个光学变量在到达运算器之前应当避免混合，而在运算器中能够相互作用产生新输出。一种策略是用空间隔离的光束搭载两个输入，并通过集成光子芯片或衍射神经网络完成交互。另一种策略是将两个变量分别编码在光和电之中，通过主动式超构材料实现光电互作用。上述方案涉及光束尺寸和对准的精确控制，或者需要非光学成分。事实上，我们可以从光的多维度特征中发掘出一种更为简便的策略，即以一对正交偏振态作为二元输入的通道，并以其他物理维度表达变量值，例如光强和光子轨道角动量。该多维架构的一个优势在于，一对相互垂直的线偏振天然满足分离两个变量的要求。然而，常见的光计算单元是偏振不敏感或波片式的元件，两个输入态被分别映射到相应输出态，难以发生有效的交互作用，这实质上是两个并行的一元运算，真正的二元运算还需要一个偏振片式的元件，以引起两个输入变量的相干干涉。
图1基于手性液晶超结构的光学二元运算器的概念示意图
针对这一挑战，菠菜担保网论坛陈鹏副教授、陆延青教授团队在此前液晶光计算元件研究【Nano Letters 24, 140 (2024); National Science Review 11, nwae247 (2024)】的基础上，利用胆甾相液晶光子带隙的偏振态投影效应，结合半透半反调制、外场刺激响应等特性，设计并开发了一种新型光学二元运算器，其概念如图1所示。当入射波长落在左旋胆甾相液晶手性光子带隙内时，透射光和反射光将分别发生到右旋和左旋圆偏振态上的投影，使得编码在线偏振态上的两个输入变量发生相干叠加。除基础的叠加外，胆甾相液晶独特的反射式几何相位将进一步解锁非平凡的运算功能。为了扩展液晶材料的热调控性能，团队精心设计了一种非手性向列相主体与双元手性剂的混合材料体系，以对温度敏感的手性剂为主导成分，以对热不敏感的手性剂为辅助矫正成分，打破单组分手性剂的固有限制，灵活满足光子带隙热调控的全方位需求，成功实现了超过1600 nm的工作波长动态范围，覆盖可见光至近红外的广阔区间，如图2所示。
图2液晶二元运算器的反射光谱和显微照随温度的变化
作为整数集上的二元运算示例，团队执行了轨道角动量光束的比较操作。液晶二元运算器保温在24.4 °C以匹配1064 nm工作波长，拓扑荷为lX与lY的轨道角动量模式分别编码在正交线偏振通道作为二元输入。在反射端，由于液晶展曲光栅相位的像散变换效果，轨道角动量光束被转化为包含特征暗条纹的光斑。若所得光斑的光强分布主要在水平或竖直方向扩展，则分别表明lX与lY之和为正数或负数（图3a）；若分布扩展程度均等，则表明lX与lY之和等于零，即二者互为相反数（图3b）。通过计算光强分布的水平与竖直中心二阶矩之比β，可更加准确地判断二者的数值关系。而在透射端，二元输入相对相位的增减直观体现为花瓣形图案的旋转，如图3c所示。
图3针对轨道角动量模式的二元运算：（a, b）比较拓扑荷数值，（c）可视化呈现相对相位
团队进一步执行几何图形的几种典型关系运算。液晶运算器保温在36.4 °C以匹配工作632.8 nm工作波长，实心的三角形和圆形图案作为二元输入（图4a）。如图4b所示，透射端的输出是一个扣除圆形的空心三角形，这是因为图形被投影到右旋圆偏振态发生相消干涉。反射端是到左旋圆偏振态的投影，螺旋形几何相位调制解锁了独特的边缘提取功能，相应的输出是三角形和圆形的外轮廓，并且三个切点由于相长干涉而进一步增强高亮（图4c）。另一方面，当降温至28.0 °C，光子带隙不再包含入射波长，此时液晶运算器转变为关态，输入图形直接透过，不发生交互作用（图4d）。
图4针对几何图形的二元运算：（a）输入的三角形和圆形，（b）透射端的减除操作，（c）反射端的外轮廓提取与切点增强效果，（d）关态下，两种输入图形直接透过运算器
本研究提出了基于热响应手性液晶超结构的光学二元运算器。通过温度调制，工作波长可动态覆盖可见光至近红外的广阔范围。通过有效调控光束的轨道角动量和光强等维度，可执行整数和几何图形的二元运算。相较于传统架构，胆甾相液晶的手性光子带隙提供了一种紧凑而简便的实现平台，兼具偏振态投影功能和相位调制能力，直接实现了二元光学变量的交互作用和计算功能。此外，液晶的自组装特性在加工效率和实际成本上具有优势，利于量产和模块化集成。本研究为软物质光子元件带来了新机遇，有望促进机器视觉、光学人工智能等领域的诸多应用。
相关成果以“Optical Binary Operator Based on Thermally Controllable Chiral Superstructures”为题，于2025年5月5日在线发表于Nano Letters（DOI：10.1021/acs.nanolett.5c01480）。
菠菜担保网论坛为该工作的独立完成单位，菠菜导航担保网的研究生张逸恒、丁世辉、王一鸣为共同第一作者，陈鹏副教授、陆延青教授为共同通讯作者，研究生陈闻、朱栋及葛士军副研对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、国家自然科学基金基础科学中心项目、优秀青年科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项、中央高校基本科研业务费专项资金等资助完成。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c01480
