清华新闻网7月6日电 非线性光学效应在电光技术、光子学、生物医学成像等领域具有重要应用价值。其中，二次谐波产生（second-harmonic generation, SHG）是典型的二阶非线性光学过程，也是激光倍频、光电调制和集成光子器件的重要物理基础。传统非线性光学器件主要依赖铌酸锂（LiNbO3）、磷酸二氢钾（KDP）等块体晶体材料，但其器件尺寸较大，难以进一步满足高度集成化光子器件的发展需求。低维材料虽然具有结构可调等优势，但原子级厚度限制了光与物质的相互作用长度，影响整体非线性转换效率。
铁电向列相液晶兼具液晶材料的流动性、可加工性和铁电材料的宏观极性有序特征，其本征非中心对称结构使其有望成为新型非线性光学材料平台。然而，与晶体材料不同，液晶体系缺乏刚性晶格约束，分子取向容易出现局域离散和无序，制约了其实际二次谐波响应的进一步提升。因此，如何在液晶体系中构筑稳定、高度有序的极性分子排列，是发展高性能液晶非线性光学材料的关键问题。
近日，清华大学材料学院马静副教授团队提出了一种表面锚定调控策略，在自组装形成的铁电向列相液晶微液滴中诱导并稳定了有序极性拓扑结构。研究团队通过旋涂和热处理工艺制备了C4-002铁电向列相液晶微液滴，在液晶/空气界面与液晶/基底界面的协同锚定作用下，形成了具有离心涡旋特征的极性拓扑结构。该结构显著提升了液晶分子的极性取向有序度，从而增强了体系的二阶非线性光学响应。
研究表明，该铁电向列相液晶微液滴表现出优异的SHG性能。在 800 nm 飞秒激光激发下，体系获得了高达 56.9 pm/V 的有效 SHG 系数，较此前报道的铁电向列相液晶体系提高约一个数量级；其二次谐波转换效率达到 142.2×10-9W-1，优于同等厚度的铌酸锂薄膜参考样品。进一步的波长依赖测试显示，该体系在 750-950 nm 基频光激发下可产生 375-475 nm 的二次谐波响应；结合其在 380 nm 以上的高光学透过率，表明具有进一步拓展宽波段非线性光学应用的潜力。
图1.铁电向列相液晶液滴的非线性光学特性
此外，该极性拓扑结构还赋予液晶微液滴显著的空间光学调制能力。由于液滴内部不同区域的分子取向有序度存在空间差异，其有效 SHG 系数呈现径向分布特征：近中心区域信号较弱，而环状区域表现出更强的二次谐波响应，空间调制对比度最高可达330%。这一特性使材料无需外加电场即可实现被动式空间光调制，为发展软物质体系中的可调谐非线性光子器件提供了新的思路。
为揭示增强 SHG 响应的微观机制，研究团队结合角分辨 SHG 成像、偏振拉曼光谱、压电响应力显微镜等表征手段，对液滴内极性拓扑结构和分子取向有序度进行了系统分析。结果表明，局域 SHG 系数的空间分布与分子极性取向有序度高度相关，说明表面锚定诱导的极性取向有序是提升铁电向列相液晶非线性光学响应的关键因素。
图2. 铁电向列相液晶微滴非线性光学性质的空间光学调制
该研究在可溶液加工的液晶体系中实现了较高的非线性光学系数、优异的转换效率、宽波段响应潜力和显著的空间光调制能力，展示了具有极性拓扑结构的铁电向列相液晶在集成非线性光子学和可调谐光学器件中的应用前景。
研究成果以“铁电向列相液晶中有序极性拓扑结构实现巨大二次谐波效应”（Ordered Polar Topological Domains Enabling Giant Second-Harmonic Generation in Ferroelectric Nematic Liquid Crystals）为题，于7月4日发表于《先进材料》（Advanced Materials）。清华大学材料学院2021级博士生徐棕棋、2020级博士生王思旭为论文共同第一作者，材料学院副教授马静为论文通讯作者。论文重要合作者还包括清华大学材料学院副教授李千、教授沈洋、南策文院士等。
研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
http://doi.org/10.1002/adma.73956
供稿：材料学院
编辑：杨雪文
审核：郭玲
