近年來，藍相液晶（BPLCs）因其獨特的三維手性立方晶體結構與卓越的光學調控能力，在柔性顯示、高安全加密以及智能傳感等光子技術前沿領域展現出巨大應用潛力。尤其在實現角度依賴結構色調控、多維光場操控與響應型光學功能器件開發方面，藍相液晶被視為下一代動態光子器件的核心材料之一。然而，由于其晶格結構在實際應用中易發生對稱或非對稱形變，其所帶來的三維光學衍射變化尚缺乏系統的量化建模與預測手段，嚴重制約了其器件化發展與精確光場調控能力的提升。

近日，中國科學院理化技術研究所江雷院士、王京霞研究員團隊在藍相液晶復雜變形光學響應研究方面取得重要進展。團隊提出了一種通用且高效的三維空間幾何建模方法，實現了藍相液晶在對稱與非對稱晶格變形條件下的衍射光學特性實時模擬與精確分析。相關成果以Quantitative 3D Diffractive Optics for Tunable Lattice Symmetry in Blue-Phase Liquid Crystals為題，發表在Laser & Photonics Reviews期刊上。

研究中，團隊創新性地構建了基于Bragg衍射定律與數學空間幾何建模的仿真框架，首次系統解析了藍相液晶薄膜在不同晶格變形模式下的Kossel衍射響應規律。相比傳統僅能應對理想結構或需依賴復雜算法的計算方法，該模型具備通用性強、效率高、可拓展性強的優勢。研究揭示：在由手性摻雜劑濃度調控的對稱晶格變形與由相分離或液晶小分子擴散引起的非對稱晶格變形條件下，藍相液晶展現出顯著差異的非線性光學效應。通過對比分析對稱與非對稱變形狀態下原位Kossel衍射的光學響應，揭示了衍射圖樣中關鍵參數的動態演變規律，為深入理解藍相液晶晶格變形機制提供了理論支撐。此外，研究探討了非對稱變形過程中Kossel衍射圖樣與初始對稱晶格參數之間的耦合關系，重點突出了在不同波長單色光照射下所表現出的光學響應差異與特征性變化。通過偏光顯微鏡與反射光譜表征，研究進一步印證了藍相液晶表面及截面的非一致各向異性光子帶隙響應特征。基于該數學定量模型，可在不同形變體系中精準識別不同晶面對應的角分辨透射光譜響應規律，為光子器件中實現復雜空間調控奠定了理論基礎，展現出面向三維空間全向調控的巨大潛力。

該項工作不僅加深了對藍相液晶結構-光學響應之間內在機制的理解，同時為開發基于BPLC材料的新一代三維激光器、全光開關、集成波導及全息顯示器件等提供了量化設計理論支撐，有望推動動態光子領域的突破性發展。

本研究由王京霞研究員擔任通訊作者，博士研究生楊文杰為論文第一作者。研究得到了國家自然科學基金（項目編號：52373001等）及中荷國際合作項目（1A1111 KYSB20190072）等的資助支持。

中國科學院理化技術研究所江雷院士、王京霞研究員團隊長期深耕藍相液晶（BPLCs）領域，并取得了一系列重要突破。例如，團隊率先利用商用液晶材料成功制備出具有寬溫域、高品質的藍相液晶聚合物（J. Mater. Chem. C 2019, 7, 9460）。在此基礎上，通過透射電鏡、同步輻射、2D光學表征等多種先進手段，揭示了藍相液晶的馬氏體轉變機制（Nat. Commun. 2021, 12, 3477），并深入研究了聚合物藍相液晶的光學熱穩定性（Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2412439）。進一步，團隊開發了基于聚合物藍相液晶的高品質激光諧振腔，通過調控帶隙變化實現了單模、雙模、三模及四模激射的可控調制（Adv. Mater. 2022, 34, 2108330）。通過優化聚合物藍相液晶的組成及聚合度，團隊成功將藍相激射的溫域擴展至超過400℃（Adv. Mater. 2022, 34, 2206580;?Adv. Mater. 2024, 36, 2308439）。團隊還通過邁克爾加成反應制備了柔性藍相液晶彈性體，并原位表征了其拉伸變形過程對晶格結構及光學性能的影響，研究了其寬溫域的光學性能，及寬溫域的拉伸激光性能（Adv. Mater. 2025, 37, 2416448）。此外，團隊還將藍相液晶模板應用于光子紙領域，通過將聚合物模板藍相（PTBPs）與噴墨打印技術相結合，利用小分子液晶5CB作為墨水，實現了高精度“活”圖案的制備（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110985），并突破性地實現了 3D手性色彩單元的可編程時空調控與加密（Adv. Mater. 2025, 37, 2411988），以及提出了制備結構連續且色彩均勻的雙手性藍相液晶（DH-BP）薄膜的優化方案（ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 18907）。此外，通過多種墨水的協同印刷技術，精準構建了具備溫度-時間依賴性的動態圖案（Adv. Funct. Mater. 2025, 2424107），進一步拓展了藍相液晶在智能光子顯示與信息加密領域的應用前景。

原文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202402278

圖1. 藍相液晶（BPLCs）中三維晶格變形調控、多尺度表征及衍射光學的定量分析

圖2. 立方BPI(110)晶格不同三維變形下動態Kossel衍射的幾何定量分析

圖3. 藍相晶格變形系數（ψ，ω）及入射單色光波長（λ）對Kossel衍射圖幾何構型的影響

圖4. 由BPI₍₁₁₀₎立方晶格變形參數決定的三維光學性質的對稱與非對稱調控

圖5. 基于變形BPI立方晶格的空間角度依賴三維光學調控